全球草地碳汇研究趋势与重点领域

摘要：近年来，草地碳汇研究备受关注，相关研究成果层出不穷。本文基于Web of Science核心合集，利用文献计量学评估了全球草地碳汇研究趋势和重点。研究发现，过去三十年间草地碳汇的研究热点由草地固碳潜力评估与高浓度CO2对植物与土壤有机碳的影响，转变到土地利用和管理方式对草地碳和氮储量的影响以及植物群落对碳循环影响的研究，最后聚焦到有机碳与气候变化对草地碳汇影响的研究。“氮”“固存”“动态”“碳”“草地”和“管理”等词汇是草地碳汇研究中的高频关键词，近年的研究热点词汇是“有机碳”“气候变化”和“黄土高原”。基于当前研究结果，建议在评估草地碳汇潜力时，充分考虑气候变化、土地利用、管理制度的相互作用；加强大尺度时空监测，全面评估草地碳汇特征；深入研究气候变化与非生物过程对草地碳汇的调控，为草地恢复与缓解措施提供理论支持。

关键词：文献计量分析；碳汇；气候变化；草地

中图分类号：S812""" 文献标识码：A""""" 文章编号：1007-0435（2024）07-2169-10

收稿日期：2024-01-25；修回日期：2024-04-16

基金项目：北京市农林科学院青年科研基金项目（QNJJ202333）；北京市农林科学院高新技术创新能力专项项目（KJCX20230305;KJCX20230220）；中华人民共和国农业农村部、世界银行和全球环境基金的草地生态系统气候智能管理（P166853/CSMG-C-05）项目资助。

作者简介：

#徐恒康（1995-），男，回族，河南南阳人，博士，主要从事草地生态与管理研究，E-mail：xuhengk@163.com;#逯辉（2000-），男，汉族，青海西宁人，硕士研究生，主要从事草地生态与牧草遗传育种研究，E-mail：luwade2000@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：kanhaiming@hotmail.com

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.07.018

引用格式：

徐恒康， 逯" 辉， 刘" 灏，等.全球草地碳汇研究趋势与重点领域——基于1992—2022年文献计量分析［J］.草地学报，2024，32（7）：2169-2178

XU Heng-kang，et al.Research Trends and focus Areas on the Global Grassland Carbon Sink—A Bibliometric Analysis for 1992—2022［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（7）：2169-2178

Research Trends and focus Areas on the Global Grassland Carbon

Sink—A Bibliometric Analysis for 1992—2022

XU Heng-kang1#， LU Hui1，2#， LIU Hao3， CHEN Chao1， PANG Zhuo1，

ZHANG Guo-fang1， LIU Ya-li4， KAN Hai-ming1*

（1. Institute of Grassland， Flowers and Ecology， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences （BAAFS）， Beijing 100097，

China;2. College of Grassland Science， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 3. Shandong Provincial

Agricultural Ecology and Resource Protection Station， Jinan， Shandong Province 250100， China; 4. Henan Forestry Ecological

Construction Development Center， Zhengzhou， Henan Province 450000， China）

Abstract：In recent years，research on grassland carbon sinks has attracted much attention，and related research results have emerged. This paper assessed global research trends and priorities on grassland carbon sinks using bibliometrics based on the Web of Science Core Collection. The study found that the research focus on grassland carbon sinks had changed over the past three decades，from assessing the carbon sequestration potential of grasslands and the effects of high CO2 concentrations on plant and soil organic carbon，to the effects of land use and management practices on carbon and nitrogen storage of grasslands and the effects of plant communities on the carbon cycle. Finally，the study focused on the effects of organic carbon and climate change on grassland carbon sinks. Terms such as nitrogen，sequestration，dynamics，carbon，grassland and management were high-frequency keywords in the study of grassland carbon sinks，and hot research terms in recent years were organic carbon，climate change and the Loess Plateau. Based on the results of the current study，it was recommended fully considering the interaction of climate change，land use and management systems when assessing the potential of grassland carbon sinks;strengthening large-scale spatial and temporal monitoring to comprehensively assess the characteristics of grassland carbon sinks;and conducting in-depth research on the regulation of grassland carbon sinks by climate change and abiotic processes to provide theoretical support for grassland restoration and mitigation measures.

Key words：Bibliometric analysis;Carbon sink;Climate change;Grassland

草地约占世界陆地面积的40%，是分布最广泛的土地覆盖形式［1-3］。草地的类型多种多样，主要有欧亚大陆与北美的温带草原，非洲、澳大利亚和南美洲的热带和亚热带草原［4-5］。草地是一个巨大的碳储存库，在碳的吸收和储存方面都有很大的作用［6-8］，对陆地生态系统的碳储存起着重要作用［9］。碳汇是指可以将二氧化碳从大气中移除并储存的过程、活动或机制，而碳源是与碳汇相对应的概念，是指将二氧化碳释放到大气中的过程、活动或机制［10-11］。草地碳汇越来越受到众多研究机构、气候管理部门和公众的关注。因此，草地碳汇逐渐成为一个重要的研究课题，并迅速进入了公众的视线。

目前，关于草地碳汇的研究较多，这些研究主要以某一国家或地区为研究区域，分析不同草地类型或驱动因素对草地碳汇的影响。例如，在欧洲山地草地中，不同土地管理方式引起地上部分生物量的变化导致地下部分养分供给的快速变化，被认为是该区域吸收和释放二氧化碳的主要驱动因素［12-13］。Gang等人总结分析了中国草地生态系统的碳循环，包括植物碳、枯落物碳和土壤碳三个碳库，碳储量估算方法以及自然或人类活动对碳储量的影响，并探讨了中国草地生态系统碳循环的重要性［14］。2011年的一项研究表明，干旱导致了草地中相对干燥区域的碳流失增加，使得北美大平原的草地产生了一个相对较小的碳汇［15］。Smith等人2014年的研究指出，短期内观测到的草地碳汇极有可能是通量测量开始前土地利用与管理的遗留影响，因此草地是永久碳汇的说法是存在争议的［7］。虽然已经进行了许多研究，但传统的研究论文很难在大时间尺度上对某一特定领域的大量研究进行有效总结和定量分析，对该领域研究趋势的综述也很有限［11，16］。

文献计量学可以全面描述某一学科的发展现状、演变特征和未来发展趋势，是分析评价相关科学研究的重要方法［11，17-19］。文献计量学集数学、统计学和文献学于一体，着眼于量化的综合知识体系，以文献的外在定量特征为研究对象，研究文献的分布结构、文献数量、关键词汇数量和发展方向［20］。文献计量学通过系统回顾某一科学领域的研究历史，可以详细了解研究发展的概况，识别出研究热点的演变情况，构建各国科研机构与作者的合作关系网络，发现某一特定领域的未来研究方向［16-17，19，21］。文献计量分析可以帮助对某个领域感兴趣但不熟悉的研究人员和管理人员快速掌握该领域的基础知识，并已被广泛用于衡量各种学科的绩效［17，21-22］。然而，目前还没有关于草地碳汇文献计量学研究的报道，虽然相关领域有大量的文献积累，但相关研究的数量特征、发展规律和内在关系尚不清楚。

为了系统、客观地总结全球草地碳汇的研究成果，本研究基于biblioshiny R语言包的文献计量分析方法，对Web of Science中1992—2022年发表的该领域论文的文献计量特征进行识别，并对该领域各条目之间的关系进行可视化。本研究重点分析了草地碳汇领域发表论文相关热点的历史演变、新趋势、不同年份的分布、期刊发表数量（国家/地区、机构、作者）和不同机构间的合作情况。这将从全球视角厘清草地碳汇研究的总体知识框架，提供一个详细、全面的草地碳汇图景，并对该领域未来的研究进展进行展望并提出建议。

1" 材料与方法

本研究基于Web of Science核心合集中的Science Citation Index Extended （SCI-E）数据库建立了文献数据库。以Web of Science数据库中的Web of Science核心合集为数据源，检索方法为标题检索，语言为全语言，文献类型为论文。用高级检索方法搜索Web of Science核心集合，输入“TS=（grassland or pasture or rangeland or meadow）”和“TS=（carbon sink or carbon storage or carbon sequestration or carbon accumulation or carbon stock）”。文献检索范围为1992年1月1日至2022年12月31日之间发表的论文。共检索出9 070篇主要内容为草地碳汇的论文，并以此建立“全球草地碳汇数据库”。

Massimo Aria教授于2017年基于bibliometrix软件开发了基于R语言的“bibliometrix”软件包［18］。本研究将所有检索到的论文在R中使用“Bibliometrics”软件包进行分析，并以BibTeX格式导出，利用R语言中的“bibliometrix”和“biblioshiny”软件包对草地碳汇领域的研究趋势和已发表文献特征进行了分析和可视化。

2" 结果与分析

2.1" 论文发表概况

从1992—2022年，通过对数据库的分析，共发现9 070篇文献，包括8 723篇研究论文、232篇会议论文和5篇数据论文（表1）。其中大部分论文有多位作者，仅有2.60%（236篇）的论文为单作者，国际间共同作者的比例为37.13%。

图1中的年度科研成果演变情况反映了总体情况和研究趋势。近30年来，草地碳汇相关领域的论文发表量年增长率为12.80%。尤其在近十年（2012—2022年）中，每篇论文和每年的平均总被引次数都较高，论文发表数量在2021年达到789篇的顶峰。

2.2" 不同国家论文发表情况

相关领域发表的论文一共来自125个国家或地区。相应作者所在国排名前五的分别是中国（2 324篇）、美国（1 777篇）、德国（511篇）、巴西（503篇）和澳大利亚（464篇）。按照国别论文发表量最多的国家是中国（10 365篇），美国（8 153篇），德国（2 429篇），澳大利亚（2 407篇）和巴西（2 294篇）（图2）。

表2列出了按通讯作者排名前20位的国家。通讯作者分别来自94个国家，大多数论文的作者来自同一国家，发表数量以中国（1 526篇）和美国（1 317篇）为首。多个国家合作发表论文的比例相对较高的是瑞典，其次是德国和法国。在各国中，美国、中国和德国的文章被引用次数最多，分别为116 884次、54 724次和22 545次（表2）。

2.3" 科研机构

通过机构合作分析，探索不同科研机构近十年（2012—2022年）草地碳汇领域论文发表情况，这有助于确定该领域著名和有影响力的机构。中国科学院大学以681篇论文成为网络中最大的节点，其次是中国科学院地理科学与资源研究所（466篇）、西北农林科技大学（397篇）和北京师范大学（320篇）。在排名前十的研究机构中，有八个都来自中国（表3），这表明了中国的科研机构对草地碳汇研究的高度重视。

2.4" 相关期刊

1992—2022年间，共有863个期刊或书籍发表了关于草地碳汇的论文。总体而言，56.32%的期刊（486个）至少发表过2篇相关论文。相关领域论文发表数前三的期刊分别是Agriculture，Ecosystems and Environment和Global Change Biology以及Geoderma，分别发表了324篇，315篇和292篇（表4）。被引频次前三的期刊是Global Change Biology和Soil Biology and Biochemistry以及Soil Science Society of America Journal（表4）。

2.5" 研究热点与关键词

图3显示了草地碳汇领域相关的前15个高频关键词，其中“氮”“固存”“动态”“碳”“草地”和“管理”等关键词的占比较大，分别占11%，10%，9%，8%，8%和7%。此外，“存储”“有机质”“气候变化”“有机碳”“林地”“植被”“物质”“土地利用”和“生物量”也是高频词。

研究结果表明，1992—2022年间草地碳汇领域论文发表量持续增加，并大致可分为三个阶段。1992—2002年，草地碳汇领域相关文献发表量增长慢，年均发表量相差不大，可称为缓慢探索期，该时期研究热点为干旱地区草地固碳潜力评估［23-24］、大气中较高浓度二氧化碳对植物地下部分与土壤有机碳的影响［25-29］；2002—2012年，有关全球草地碳汇的论文发表量逐渐增多，可称为缓慢增长期，该时期研究热点为土地利用和管理对草地碳汇的影响［12，30-36］，氮和碳储量的动态变化［37-42］以及植物群落对碳循环的影响［34，43-48］；2012—2022年，草地碳汇领域论文发表数量急剧增加，可称为急速增长期，2021年达到789篇的顶峰，该时期研究热点为有机碳、气候变化和黄土高原对草地碳汇的影响（图4）。为了优化数据记录的可视化，图4展示了30年时间跨度（1992—2022年）内的重点。在对趋势性的主题进行详细分析后，发现最近5年新的热门研究内容是有机碳、气候变化和黄土高原。

3" 讨论

数据显示，1992—2022年的30年间全球发表的有关草地碳汇的论文数量持续增加，并可以分为三个时期。1992—2002年间的研究大多集中在干旱地区草地固碳潜力的评估［23-24］以及大气中较高浓度二氧化碳对植物地下部分与土壤有机碳的影响［25-29］。例如Glenn等人认为，适当的管理和利用可以有效提高干旱区的固碳潜力［23］。在大气二氧化碳富集方面，Ojima等首次探讨了全球草地生态系统对气候变化和大气CO2水平的响应，结果表明，几乎所有草地生态区在0～20 cm表层土壤都出现了土壤碳流失［49］。Hall等人通过测试植物-土壤生态系统的CENTURY模型，发现热带草原的土壤实际上是一个碳汇，从而证明了二氧化碳升高导致的增产往往有减轻土壤碳流失的趋势［50］。此外，Soussana等人和Lutze等人重点研究了大气CO2浓度上升和氮添加对草地地下碳的多因素干扰［29，51］。Canadell等人探讨了大气CO2浓度升高对地下植物-土壤碳的影响，发现在CO2浓度升高的情况下，大部分碳可能被固定在地下，这可能会增加地下部分碳汇的能力［25］。大气CO2浓度升高对植物根际沉积和根呼吸的影响也成为1996年的一个研究目标［26，28］。

从2002年到2012年，有关草地碳汇的论文数量逐渐增多，引起了各国学者的广泛关注（图1）。研究者们对草地碳汇在这一时期的研究主要集中于土地利用和管理对草地碳汇的影响［12，30-36］、氮和碳储量的动态变化［37-42］以及植物群落对碳循环的影响［34，43-48］，例如，Brye等人发现，土地利用类型和管理策略对草地生态系统碳汇的影响比气候变化的影响更强烈、更持久［30］。Ogle等人的研究表明，没有足够的证据表明1982年至1997年间美国农业土地利用和管理的变化造成其对大气中CO2的净吸收［35］。同时，也有关于中国草地碳储量估算的报道。Wang等人利用第一次和第二次全国土壤调查结果，分析了20世纪60年代至80年代中国草原土壤有机碳（SOC） 储量的变化规律［38］。结果表明，南方草甸0～85 cm土壤的SOC密度（26 kg·m-2）是西北草原和草地0～107 cm土壤SOC密度（15 kg·m-2）的1.7倍［38］。根据Fang等人的估算，中国草地植被的年度固碳效率为0.007 Pg·a-1，明显低于灌木（0.014～0.024 Pg·a-1）和农作物（0.0125～0.0143 Pg·a-1）［43］。Zheng等人探究了土壤呼吸温度敏感性的空间变化及其控制因素，阐述了土壤呼吸温度敏感性与土壤有机碳含量、生态系统类型之间的关系，并提出了一个与温度和土壤有机碳含量有关的土壤呼吸温度敏感性函数，该函数对改进土壤呼吸和生态系统碳循环的模型具有重要参考价值［52］。这表明碳汇研究在中国开始受到重视。此外，有研究还评估了草地中SOC和总氮含量对土地利用和氮素添加的响应［33，37，45，47，53-54］。这一时期关于草地的CO2和温室气体通量的动态变化已被广泛报道［42，55-58］。这表明对草地碳汇的研究已从关注碳储量发展到探索碳的动态变化和驱动因素［59-61］。这主要得益于涡度协方差技术的快速发展［62-64］。涡度协方差技术是一种基于微气象学的重要监测技术，主要通过垂直风速与物质或能量的协方差估算通量，直接测量植被冠层与大气之间的能量和物质通量［62-63］。与传统的通量观测方法相比，涡度相关技术测量出的生态系统净交换能力是整个生态系统与大气物质和能量交换的综合结果［65］。因此，技术和方法的创新将推动这一领域的快速发展。研究课题的发展趋势也表明，“动态”已成为热门研究课题（图4）。在2002—2012年期间，植物类型、群落结构和植物多样性与碳积累之间的关系得到了进一步的研究［44-45，54，66-67］。这表明植物与土壤之间的关系已经得到了深入研究，这与本研究对热词的分析（图3和图4）是一致的。

在2012—2022年期间，草地碳汇领域论文的发表数量急剧增加，在2021年达到了789篇的最大值。这一时期论文发表总量为6 512篇，占总发文量的71.79%，结果发现，中国在这一时期对草地碳汇研究做出了重要贡献。例如，这一时期，中国的通讯作者数量为2 324人，远高于美国的1 777人（表2）。在该研究领域论文发表量前10名研究机构中，中国的研究机构就占据了前8名（表3）。这一时期发表论文最多的期刊分别是Agriculture，Ecosystems and Environment（324篇）、Global Change Biology（315篇）、Geoderma（292篇）（表4）。2012—2022年间的研究主要集中在有机碳、气候变化和黄土高原对草地碳汇的影响（图4）。这一时期越来越多的国家和地区加入了对草地碳汇和碳储量估算的研究。例如，Matsuura等人发现，日本草地表层土壤（0～30 cm）的总碳储量估计为214 Tg C，占日本表层土壤总碳储量的8.0%［68］。Yu等人发现中国松嫩草地羊草群落的碳储量潜力大于盐生植物群落，平均碳储量潜力为2.95 kg·m-2 （0～100 cm土层）［69］。Wang等在加拿大草地的研究表明，放牧会导致草地0～15 cm的土层发生碳汇，平均净碳固存约为5.64 Mg·ha-1［70］。此外，气候变化也是这一时期的研究热点。例如，Dass等人估计加利福尼亚州的草地可能比森林碳汇的潜力更大［71］，这表明加州的草地似乎能够应对全球气候的无休止变化。此外，中国的一项研究表明，中到强降雨可能更有利于中国温带草原生态系统的碳汇增强［72］。在内蒙古的另一项研究发现，干旱导致了内蒙古草地从碳汇到碳源的转变［73］。因此，气候变化（降水变化）可能是影响中国温带草地土壤碳汇的重要因素之一。值得注意的是，温度和降水的耦合效应共同影响中国草地生态系统碳汇的空间变化［74］，表明复杂的气候变化因素可能会共同影响草地碳汇的功能。此外，气候变化与利用模式之间的相互作用也是值得关注的研究焦点［75-77］。自2000年中国开始退耕还林还草以来［78］，黄土高原上的草地碳汇研究已逐渐成为一个热门话题。Wei等人发现，由于中国黄土高原的根系碳输入量较高，自然恢复的草地有机碳固存更为有效［79］。Hu等人在延安市的研究结果表明，从固碳角度来看，在山坡上种植黑刺槐人工林可能比草地更好，因为其土壤碳储量更高且碳通量更低［80］。这也表明需要根据不同区域的地形地貌，因地制宜地选择适合的植物种植，以此来达到更好的固碳效果。最近有研究表明，经过18年的围栏放牧后，理论上宁夏地区的草地碳储量可以增加65.55 T g［81］。此外，在“退耕还林/草”政策的影响下，有347.62 km2的农田转化成了草地，草地土壤固碳量增加了1.31 T g［81］。这表明不同的土地利用方式和人为干预会很大程度影响土壤碳的储存或释放。

4" 结论

本文采用文献计量学方法对全球范围内近30年来草地碳汇的相关文献进行了概述与分析，从全球视角厘清草地碳汇研究的整体知识框架，为草地碳汇研究提供了详细而全面的参考依据。未来草地碳汇应当加强多个尺度的研究，全面地评估草地生态系统碳汇特征；在草地碳汇未来预估的研究中，提升参数反演进度，增强预测模型与观测数据的契合；在评估草地碳汇的潜力时，充分考虑多种气候变化因子与土地利用方法、管理制度之间的相互作用。

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（责任编辑" 闵芝智）