国外土地利用与碳排放知识图谱分析——基于CiteSpace软件的计量分析

张 苗，兰梦婷，陈银蓉，袁凯华

（华中农业大学公共管理学院，湖北 武汉 430070）

国外土地利用与碳排放知识图谱分析
——基于CiteSpace软件的计量分析

张 苗，兰梦婷，陈银蓉，袁凯华

（华中农业大学公共管理学院，湖北 武汉 430070）

研究目的：以“Web of Science”数据库收录的2002—2015年期间发表的土地利用与碳排放相关研究主题文献进行文献共被引网络、关键词共现网络及突现词分析，厘清国外土地利用与碳排放知识图谱进展。研究方法：文献计量分析法，归纳法。研究结果：植被碳和土壤碳的测算、土壤碳排放、森林采伐碳排放、交互作用引致碳排放和生物燃料等成为国外相关研究主要知识群组，不同知识群组之间呈现交叉影响的演化；研究主题集聚成4条核心路径：土地利用变化与土壤碳排放，气候变化模型与生态系统，热带雨林森林采伐与森林退化（REDD）碳排放，生物燃料生命周期模型；REDD和生物燃料利弊成为国外研究前沿和研究热点。研究结论：国外土地利用与碳排放研究已完成了基础理论和研究体系的架构，表现出学科交叉性强，研究基础理论丰富，研究主题从微观到中观到宏观层层递进的演化关系特点。

土地利用；碳排放；CiteSpace；知识群组；演化路径

1 引言

越来越多的证据表明碳排放是导致全球气候变化的重要因素[1-2]，全球气候变化可能对自然生态和社会经济系统产生多方面、多层次的影响。过去几十年大气中大约有45%的CO2排放来自化石燃料燃烧和土地利用变化，剩下的CO2被称作是“碳库”的海洋和陆地吸收了[3]。随着研究的进展，新出现的主要问题是作为碳存储最大的陆地和海洋非常脆弱和不稳定，很容易导致自然碳排放[3-4]，其中作为人类活动载体的陆地最易受扰动。据世界资源组织的碳排放计算器测算以及碳循环研究专家估算[1-2，5]：1850－1998年的全球碳排放中，土地利用变化引起的碳排放是人类活动影响碳排放总量的1/3。未来一个世纪，由于土地系统很可能在结构和功能方面出现较大的变化，土地系统对气候的反馈在土地系统科学中的地位愈来愈重要，土地利用与碳排放问题引起了越来越多学者的关注。赵文武[6]采用文献分析的方法对比了全球和世界主要国家过去10年的土地利用研究情况，其中全球土地利用变化与碳排放是重点研究领域。主题为“土地利用”和“碳排放”的文献也日渐丰富完善，学者们基于不同的切入视角对国内外“土地利用”与“碳排放”相关文献进行了较为全面的总结，侧重点有所不同，包括土地利用碳排放机理与核算[7]、土地利用变化对碳排放影响[8-12]、农业土地利用与碳排放[13]、城市系统碳循环[14]、土地利用变化与土壤有机碳（SOC）[15]、土地利用变化对气候影响[16-18]等相关研究进展。

总体来说，国外相关研究起步早，相关文献丰富，研究主题延续性好。厘清国外相关研究不同时间段的研究主题，研究主题之间的相互关联以及研究趋势，可为国内土地利用与碳排放研究提供理论参考。本文采用CiteSpace可视化分析软件，对国外近14年主题为“土地利用”和“碳排放”的文献进行计量分析，以期更好的指导未来土地利用与碳排放的科学研究。

2 数据与方法

2.1 研究方法

当前文献图谱软件有十余种之多，各个软件都有其不同的优势。其中，CiteSpace以其强大的文献共被引分析而知名，国内的学者使用CiteSpace主要是针对研究热点、研究前沿和研究趋势进行探索，主要使用CiteSpace的文献共被引、共词网络以及作者共被引功能，随着发展算法和功能不断优化，当前CiteSpace已经被广泛应用于计算机科学、信息科学以及医学等60多个领域[19-20]。本文借助CiteSpaceⅢ软件对国外近14年主题为“土地利用”和“碳排放”的被引（Cited）文献和引文（Citing）进行相应数据挖掘和计量分析，把握国外相关研究的最新进展、演化路径和未来趋势。

2.2 数据来源

本文国外文献计量分析所用数据来自Web of Science核心合集，包括SCI，SSCI和A&HCI三大引文索引数据库。每一条数据记录主要包括文献的作者、题目、摘要和文献的引文。综合已有官方报告文献[1-2]，主题词选择“land use”和“carbon emission”，分别代表本研究的“土地利用”和“碳排放”，时间跨度为2002—2015 年（因Web of Science核心集最早只能检索到2002年），对二者的检索结果取交集，语言类型选择English，文献类型为“ARTICLE OR PROCEEDINGS PAPER OR REVIEW”，共获得4249条文献数据。对所得文献进行初步的年度分

布统计（图1）和学科分类分析，形成了土地利用碳排放研究领域的初步认知。

图1 国外文献数量时间分布图Fig.1 Distribution of foreign literatures in the timeline

图2 文献共被引网络的时区图Fig.2 The co-citation time zone map

2002—2015年文献数量呈增长趋势，特别是2006年之后，文献数量增长较快，表明“土地利用”和“碳排放”研究被越来越多的国外学者所关注；土地利用与碳排放研究的学科分布主要集中在环境科学（39.43%）、气象学和大气科学（16.23%）、生态学（15.92%）和地球综合科学（10.93%）等领域，表明土地利用碳排放成为多学科共同关注的研究主题。

3 土地利用与碳排放的文献计量分析

3.1 知识群组识别

研究区域可以被概念化为从研究前沿到知识基础的映射。原始数据中的被引文献组成了该研究领域的知识基础，而相应的引文则形成了研究前沿[20]。因此，知识基础的群组和演变研究是辨析研究前沿的基础，能够揭示研究前沿演变的重要知识转折点，并明确研究前沿之间的关联。本研究利用前文确定的数据样本，绘制基于文献共被引网络的“土地利用与碳排放”研究领域的知识结构图谱，辨析研究领域的理论结构。具体操作方式如下：时间切割设置为1年，主题词来源同时选择标题、摘要、系索词和标识符，主题词类型选择名词短语，节点类型选择被引文献，阈值选择以TOP50为阀值，其余时段切割值由线性插值赋值。运行CitespaceⅢ软件得到可视化网络相应的网络时区图，包括279个节点和601条连线。从施引文献的摘要中提取名词性术语并采用LLR（对数似然率算法）对群组进行命名，通过调整群组图得到图2所示的文献共被引网络时区图，表1为不同群组所包含的共被引文献数量和平均引用年份，表2为被引文献的被引频次及所属群组，表3为最活跃引用者及其相关文章。

网络图谱共分为10个共被引群组（第10个并无明显群组标签），其中前9个群组标签如图2所示。图2显示了不同的群组出现的时间，以及重要节点上出现的高被引文献作者（表2），由图2可知研究网络集中性较强，研究分支较多，图谱中的节点文献间呈现较强的关联性，且部分关键节点文献处于知识群组的交界处，在群组间起到承上启下的作用。其中，群组#2、#3、#4、#7和#8代表最近的研究，结合表1可以看出，除#7平均引用年份较早外，群组#2、#3、#4和#8的平均引用年份较晚，表明“森林采伐”、“交互作用”、“生物燃料”和“引致碳排放”的群组是最新的土地利用和碳排放研究分支；而群组#0、#1、#5、#6和#7则代表了最初的研究方向，表明“有机碳存储”、“土壤”、“火灾动态”和“二氧化碳”的群组为最初研究土地利用和碳排放的切入点。

表2反映了高被引文献的相关信息，代表了研究基础。由表4可知分属于群组#4、#1、#3和#2的被引文献被引频次较高，表明“生物燃料”、“土壤”、“交互作用”和“森林采伐”具有较好的研究基础。其中，Searchinger，et al[21]和Fargione，et al[22]分别于2008年发表在Science上文章为群组#4“Biofuel”研究分支的出现奠定了理论基础；Guo，et al[23]，Post[24]和Lal[25]分别关于土地利用变化与土壤碳存储，土地利用变化与土壤碳封存和土壤碳封存对气候变化影响和食物安全的探讨为群组#1“Soil”的研究基础，确定了从土壤微观角度研究土地利用碳排放的研究分支，也是较早展开土壤碳的相关研究；Friedlingstein，et al[5]，Forster[26]和Denman[27]等关于气候变化碳循环的研究为群组#3“Interaction”的研究基础，其中Forster[26]和Denman[27]发表的为IPCC第4次综合报告的研究成果，突显了研究土地利用与碳排放对气候变化的重要性；因土地利用的林地成为最大的碳汇，森林的减少和采伐对土地利用碳排放产生较大影响，Houghton[28]发表的Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850—2000成为其研究土地利用变化碳排放的代表作，为群组#2“Deforestation”的研究基础。

表1 群组所含文献数量和引用年份Tab.1 The size and the mean year of the clusters

表2 被引频次统计表Tab.2 Citation counts table

表3列举了群组#0、#1、#2和#3的最活跃引证者及其相关文章，代表了研究前沿。

表3 最活跃引证者及相关文章Tab.3 The most active citers and articles

3.2 知识群组文献主题词提取分析

为了更好的分析每个群组中文献所包含的研究主题词，本文采用Carrot2软件对不同群组中的文献进行研究主题词提取。Carrot2是一款免费的文档群组及可视化软件，包含了K-means，Lingo，Passthrough，STC，By Source和By URL算法，本文采用Carrot2软件的Lingo算法对CiteSpace共被引分析形成的9个群组所包含的文章进行题目、摘要进行再次群组分析，得到可视化的Foam Tree，气泡的大小代表了相关文献的多少，气泡中的文字为软件所提取到的具有代表性的关键词，根据Foam Tree对9个群组分析如下。

群组#0“Organic Carbon Stock”所提取到的主题词主要包括“净汇区”、“土壤有机碳存储”、“森林碳存储”、“耕地扩张”、“模型仿真”、“减缓行动”、“排放情景”、“大气CO2”、“未来土地利用”、“碳存储”、“人类”等。通过原文献阅读可知，该群组的研究集中在林地和耕地利用变化所导致的土壤碳和植被碳变化。林地是最大的碳汇，森林可以吸收大气中的CO2进行光合作用，从而进行碳封存，但是人口的增长导致对耕地的需求增加，林地和草地转化为耕地导致碳释放，增加了大气中CO2的含量；学者们通过建立模型来测算土地利用转换导致的释放到大气的中碳排放量，以及设置不同土地利用情景来模拟释放碳排量的大小，提出减缓碳排放的可能策略，为后续的研究提供了理论基础。

群组#1“Soil”提取到的主题词包括“N2O”和“CO2”、“总存储”、“耕作影响”、“仿真模型”、“土地利用变化”、“原始森林”、“土壤有机碳封存”、“化石能源”、“甲烷氧化”、“森林面积”、“农业活动”、“耕作和管理”、“玉米”、“减缓行动”、“生态服务系统”、“N2O”等。可以看出，群组#1和群组#0有很多重叠的地方，从出现的先后时间来看（图2），群组#1是群组#0的延续和发展，通过阅读原文献可知，该群组更关注土地利用变化和人类对耕地利用管理所导致的不同温室气体的排放，具体包括甲烷、氧化亚氮、二氧化碳等气体，研究更加细化。

群组#2“Deforestation”所提取到的主题词主要包括“减少森林采伐和森林退化碳排放（REDD，Reduce Emissions from Deforestation and Forest Degradation）”、“热带雨林碳储存”、“空间分布”、“陆地系统生物多样性”、“森林火灾引致碳排放”、“碳汇”、“减缓温室气体”、“模型参数”、“生物量燃烧”、“发展中国家的REDD”、“保护区”、“亚马逊河流域”、“土壤有机碳储存”、“生物燃料作物”等。可以看出群组#2为群组#1的延续，并且映射到群组#4的出现。通过阅读原文献可知，该群组的研究区域主要集中在热带地区，研究对象为热带雨林的森林采伐和退化，从造成土地利用变化碳排放最显著的区域着手，藉此建立土地利用碳减排的理论基础。

群组#3“Interaction”所提取到的主题词主要包括“土地利用排放”、“碳汇”、“减缓温室气体排放”、“不确定参数”、“耕地”、“棕榈树”、“气候变化情景”、“农业碳减缓”、“人类活动”、“抽样”、“陆地生态系统”、“热带雨林”、“生物燃料生产”、“土壤温度”、“甲烷排放”、“氧化亚氮排放”等。通过阅读原文献可知，该群组关注最多的研究是土地利用变化碳排放量的测算，同时也关注减缓土地利用碳排放策略的研究，通过主题词可以看出该群组是群组#0和#1的延续，并成为群组#2和#4的理论基础。

群组#4“Biofuel”所提取到的主题词主要包括“运输燃料”、“生物燃料影响”、“直接和间接影响”、“热带雨林”、“作物产量”、“市场”、“森林采伐造成碳排放”、“玉米乙醇”、“乙醇燃料”、“农业碳减排潜力”、“技术发展”、“可持续生物燃料、“碳足迹”等。大多数研究表明用生物燃料代替石油将会减少温室气体，但这些研究分析并没有考虑到农民将森林和草地转换成耕地（即土地利用变化带来的碳排放影响），将粮食作物转化成为生物燃料的碳排放代价[21-22]，所以成为土地利用碳排放研究的一个重要分支。通过阅读原文献可知，该群组探讨“生物燃料”的利与弊，并尝试提出使用生物燃料减缓碳排放的可能策略。该群组是所有群组中最晚出现的，表明其为最新的研究方向，群组#0、#1、#2和#3成为其理论基础。

群组#5“Fire Dynamic”所提取到的主题词主要包括“燃烧区域和火灾引致碳排放”、“森林火灾”、“森林采伐和退化导致碳排放”、“耕作区”、“历史土地利用变化”、“火灾数据”、“旱季”、“生物量损失”等。通过阅读原文献可知，该群组主要探讨森林火灾引发的碳排放，以及带来的其他影响。该群组是最早展开土地利用碳排放相关研究的文章，为后面群组#2的出现奠定了理论基础。

群组#6“Soil Respriation”所提取到的主题词主要包括“碳汇”、“土壤温度和湿度”、“农业和林业”、“过程反馈”、“甲烷排放”、“陆地碳吸收”等。该群组是继群组#5之后出现，是其延续和扩展，通过探讨土壤修复提出碳减排策略。群组#7“CO2”主题词包括“土地利用变化”、“土地利用类型”、“气候变化工程”、“有机农业”、“土壤有机碳存储”、“能源平衡”、“土壤温度和湿度”等，该群组从微观角度发展到宏观角度来探讨土地利用碳排放，是最新的研究方向之一。群组#8“Committed Carbon Emission ”所包含的主题词有“作物产量”、“管理措施”、“生物能源系统”、“森林覆盖”、“森林收获”等，该群组探讨了多种因素互相影响共同引致了碳排放，是最新研究方向之一。

综上，不同群组的文献主题词之间存在重叠和交叉，充分说明不同群组之间互相影响，或者一个群组是另一个群组的延续或拓展，或者一个群组为另一个群组的出现奠定了理论基础，根据以上总结，可以绘制土地利用碳排放知识群组的演进脉络图（图3）。

3.3 研究主题的演化路径与研究前沿的辨识

3.3.1 研究主题的演化路径辨识 研究主题的分布及演化能够直观地体现不同时序内的热点领域、分析视角、研究方法的变化。而关键词作为学术论文研究主题的精炼表达，其关联性一定程度上可以揭示学科领域中知识的内在联系。鉴于此，本文通过关键词共现分析来鉴别土地利用碳排放研究领域的主要研究方向和热点，并对该研究领域主题结构的发展变化做出判断。具体操作方式如下：时间切割设置为1年，节点类型选择关键词，阈值选择以TOP30 为阀值，运行CiteSpaceⅢ得到关键词共现网络图谱。然后通过PathFinder 算法对网络进行修剪与合并，得出关键词共现的关键路径（图4）及关键词分布表（表4），修剪后的图谱共包含关键词节点73个，连线280条。

图3 知识群组演进脉络图Fig.3 The clusters evolution path

由图4可知，从文献检索的2002年开始已经形成中心度较高的4大研究关键词，分别是“土地利用变化”、“气候变化”、“土地利用”、“排放”，且不同关键词之间互相影响和联系，从左到右从上到下，结合表4给出的关键词年份和中心度大小，可以厘清关键词4大发展脉络如下：（1）土地利用变化—碳封存—管理—农业—土壤有机碳；（2）气候变化—模型—土壤碳—森林—生态系统；（3）土地利用—碳—森林采伐—热带雨林—减少森林采伐和森林退化碳排放（REDD）—生物多样性；（4）排放—生物群落—动态—有机碳—氮氧化物排放—温室气体排放—影响—生物燃料—生命周期模型—乙醇—保护。

图4 关键词共现网络图Fig.4 The keywords network map

通过阅读原文献可知，研究主题一是关于土地利用变化带来碳排放的认知和应对策略的研究，侧重农业用地的土壤碳研究；研究主题二是通过建立不同气候变化模拟模型来测算整个生态系统的植被碳和土壤碳的碳存储和碳通量；研究主题三是研究热带雨林的森林采伐和退化导致的碳排放影响；研究主题四是关于生物燃料利弊的讨论以及应如何更好的利用生物燃料。

3.3.2 研究前沿辨识 研究前沿的识别与追踪能够为研究者提供学科研究的最新演化动态，预测研究领域的发展，识别需要进一步探索的问题。本文在上述关键词共现分析的同时，利用软件自带的突现检测算法，得到土地利用碳排放研究领域的突现词信息图（图5）。

表4 关键词分布表Tab.4 The distribution of keywords

由图5可知，土地利用碳排放研究前沿显著划分为4个阶段：（1）2002年开始出现大量突现词，包括“减缓”、“生态系统”、“京都议定书”、“碳循环”、“碳通量”以及“有机碳”，表明从2002年开始碳排放的研究突然增多，而关于土地利用碳排放的研究分支则是从土壤和植被有机碳开始，突现研究词最晚持续到2008年；（2）2003年同样出现大量突现词，包括“氮氧化物”、“碳封存”、“二氧化碳”、“植被”、“土壤有机质”、“脱氮”、“草地”等，突现词的继续增多表明土地利用碳排放的研究分支增多，草地的植被和土壤碳排放也纳入研究范围；（3）2004—2005年出现的突然词包括“大气”、“农业土壤”、“欧洲”、“碳汇”、“敏感度”，虽然突现词没有2002—2003年多，但也将研究的区域和方向进行了拓展，注重碳通量的核算；（4）2006—2011突现词数量越来越少，主要包括“长期”、“乙醇”、“生物燃料”、“REDD”，其中“减少森林采伐和森林退化碳排放（REDD）”和“生物燃料”的相关研究成为最新的研究前沿。通过突现词出现的频率可知，刚开始突现词大量出现，表明研究处于初始阶段，出现不同的研究分支，随着研究的不断进展，突现词出现的频率变小，表明研究趋于成熟和完善，可能会在未来的时间段再次大量出现突现词，表明研究进入新的阶段和分支。

4 结论与展望

本文通过信息可视化软件CiteSpaceⅢ和Carrot2软件对国外近14年的4249条文献数据进行了计量分析。通过绘制“土地利用与碳排放”研究文献共被引网络图谱得到研究演进中的关键节点文献，辨析出共被引网络集聚的9个“土地利用与碳排放”知识群组，并识别出知识群组之间的理论发展与知识演进路径。通过对关键词共现网络的分析，识别出各个时期的研究主题及其核心演变路径。进一步分析突现词列表，识别当前国外土地利用与碳排放的研究前沿。研究发现，近14年国外土地利用与碳排放研究呈现如下特点：

（1）国外土地利用与碳排放研究领域已经形成了较为完整的研究网络，既有作为研究基础的关键节点文献，又有表现研究发展脉络的共引连线，但是鉴于土地利用与碳排放研究的学科交叉性强的特点，9个知识群组表现出互相影响的演进效果，总体上呈现以微观角度的土壤碳和植被碳为研究基础，测算土地利用变化，包括土地利用类型转变和保持带来的碳通量的变化，过渡到中观角度的土地利用碳排放与其他客观存在因素的互相影响以及拓展到全方位的温室气体研究，到目前偏向宏观角度提出土地利用碳减排对策涉及到生物燃料替代化石能源的利弊讨论，又映射到微观角度的土壤碳和植被碳的测算以此研究生物燃料带来的所有影响。

（2）研究主题分为4个方向的演进，分别包括：关注土壤碳和植被碳的研究；建立不同的气候变化模型，加入植被碳和土壤碳的碳排放量测算；关注热带雨林的森林采伐和退化导致的碳排放；生物燃料的利弊讨论。

（3）国外土地利用与碳排放的研究热点在研究初期大量涌现，随着研究的不断进展和成熟，研究热点出现频率降低，其中减少森林采伐和森林退化碳排放（REDD）和生物燃料利弊分析已成为国外土地利用与碳排放最新的研究前沿和研究热点。

总体来说，国外土地利用与碳排放研究起步较早，学科交叉性强，研究主题延续性好，注重自然科学知识在研究中的应用，国内相关研究起步较晚，在大尺度的土地利用变化与林业碳排放数据方面相对缺乏，局限了微观层面的研究，更加注重土地利用结构与能源消费，建设用地与农业碳排放等偏向宏观的研究，进一步的研究可对国内相关研究文献进行计量分析，对比国内外研究主题差异，完善国内研究体系的同时为全球土地利用与碳排放研究提供思路。土地利用与碳排放的研究将成为全球变暖和气候变化研究的重要组成部分，为土地利用方式的可持续转变提供科学依据，也将成为土地利用科学的一个重要分支，因此，土地利用与碳排放的相关研究将会继续丰富和完善。

图5 突现词信息Fig.5 The burst words information

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（本文责编：王庆日）

Analysis on the Knowledge Mapping of Foreign Research on Land Use and Carbon Emission based on the CiteSpaceⅢ

ZHANG Miao, LAN Meng-ting, CHEN Yin-rong, YUAN Kai-hua
（College of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China）

The purposes of this paper is to use the co-citation network, the co-occurrence network of key words and the emergent words analysis to analyze the evolvement of related topics by means of information visualization based on literature concerning land use and carbon emissions published in the database of “Web of Science” from 2002 to 2015. The employed methods are bibliometric analysis and induction analysis. The results reveal that the study on carbon stock estimation from vegetation and soil, emissions from soil, emissions from deforestation, committed carbon emission from interaction, and emissions biofuel form the main knowledge groups of foreign land use and carbon emission research, presenting the evolution of the inter-influence among different knowledge groups; the research themes cluster into four core evolution routes: “land-use change and soil carbon emissions”, “climate change models and ecosystems”, “carbon emissions from tropical rainforest deforestation and forest degradation”, “biofuels life cycle models”; “Reduce Emissions from Deforestation and Forest Degradation” and “pros and cons analysis of biofuel” are the current advanced and focaltopics. Finally, we conclude that foreign research on “land use” and “carbon emissions” has already completed the basic theories and research system construction, showing the features of strong subject overlapping, rich theoretical foundation, progressive evaluation relationship of research topics from microscopic level to mesoscopic level and to macroscopic level.

land use; carbon emission; CiteSpace; knowledge groups; evolution routes

F301.2

A

1001-8158（2017）03-0051-10

10.11994/zgtdkx.20170301.150754

2016-11-29；

2017-01-21

国家社科基金（14BGL218）；国家社科基金（16CJY045）；教育部人文社会科学研究青年项目（15YJC630011）。

张苗（1989-），女，山东莱芜人，博士研究生。主要研究方向为土地利用与管理。E-mail: zhangmiao45@126.com