基于 CiteSpace 的土地利用与碳收支研究的文献计量学分析

全球气候变化是人类社会的重大挑战, 温室气体浓度的快速上升导致极端天气频发, 并威胁生态系统的稳定与人类福祉[1-2]。在此背景下, 碳循环的动态机制已成为科学界和政策制定者共同关注的重点。土地利用及其变化是陆地生态系统碳平衡的重要组成部分, 深刻地影响大气二氧化碳的存量与分布[3]。一方面, 土地利用变化决定碳排放的规模;另一方面, 通过优化管理, 可增强碳汇功能, 为缓解气候变化提供关键路径[4]。因此, 系统地研究土地利用对碳收支的作用, 不仅具有重要的科学价值,还可为应对气候变化提供理论支撑与实践指导。

在“双碳目标”及《巴黎协定》等国际框架的推动下, 土地利用与碳收支相关的研究成为全球气候治理的重要组成部分[5]。优化土地利用模式来协同实现碳减排与碳汇功能提升, 是应对气候变化和实现可持续发展的关键途径[6]。然而, 现有研究面临以下挑战: 缺乏关于土地利用变化对碳排放与碳封存的时空耦合效应的一致性评价, 区域实践与全球治理目标的协调机制尚待完善, 理论与实践联动性不足, 多学科交叉整合深度不够。这些问题限制了对复杂系统的全面理解, 也对未来的研究提出更高的要求。与此同时, 针对土地利用与碳收支研究的文献梳理有限, 现有工作集中于单一主题或局部区域的研究, 缺乏对领域整体发展脉络、研究热点及国际合作网络的系统性分析[7]。全球范围的研究布局、学术前沿及关键科学问题的分布情况尚不清楚, 为进一步优化研究框架及制定有效政策带来挑战。在这种背景下, 梳理已有研究成果, 识别亟待解决的科学问题, 成为推进该领域研究的核心需求。文献计量学能够通过大规模数据挖掘, 揭示学科结构、研究热点和演化趋势, 为深化领域研究和制定政策提供数据支持与理论依据[8]。

本文以 1992—2024 年 Web of Science核心合集中的相关文献为数据源, 使用 CiteSpace软件, 系统地分析土地利用碳收支领域的研究现状、主题演化及合作网络, 识别研究热点和前沿问题, 构建领域知识图谱, 以期为政策制定提供科学支撑, 并为未来的研究工作提供参考。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

将 Web of Science 核心合集作为数据来源, 有助于保持分析体系的一致性以及分析结果的国际可比性。文献检索限定文献类型为 article 和 review,时间范围为 1992—2024 年, 其中 1992 年为数据库中检索到的相关主题文献的起始年份。为了确保研究主题的相关性, 采用以下主题检索条件: TS= (“Carbon balance” OR “Carbon budget” OR “Carbon accounting” OR “Carbon sink” OR “Carbon seque- stration” OR “Carbon emission”) AND (“Land use” OR “Land management” OR “Land cover” OR “Land tran- sition”)。初步检索结果包含 7801 篇文献。本文统一采用“土地利用变化(land use change)”作为广义术语, 泛指包括人类主导的土地用途变更与自然属性主导的地表覆盖变化在内的所有地表变化过程, 旨在全面反映碳收支研究中土地变化对碳循环机制的影响。在数据预处理过程中, 按照严格的筛选规则,剔除无关文献及重复文献, 同时规范文献格式, 最终保留 7294 篇高质量文献作为分析样本。

1.2 方法与工具

本研究采用 CiteSpace 软件对国内外研究成果进行知识图谱分析。通过数据挖掘、聚类分析、突现检测和演化路径分析, 直观地呈现复杂的学术结构与动态[9]。通过检测研究领域的关键路径与知识转折点, 识别重要文献及其学术贡献; 结合关键词共现分析和作者合作分析等方法, 多维度地揭示研究结构与动态演化; 通过时间切片与突现分析, 捕捉研究热点的演进趋势[10]。本研究将时间切片设置为 1 年, 选取关键词、作者和国家等节点, 分析共现网络及影响力; 通过关键词聚类, 梳理研究主题的知识框架与热点分布。节点的大小表示其在网络中的影响力, 颜色深浅反映活跃时间, 节点间连线的粗细则反映共现关系的强度。

2 统计结果与分析

2.1 发文量分析

如图1 所示, 1992—2024 年“土地利用碳收支”相关文献的年发文量变化揭示该领域的发展趋势与学术关注的动态演化。总体来看, 发文量显著增长,该领域研究历经由初步探索到学科体系化发展的过程, 可划分为 3 个主要阶段。

1) 发展初期(1992—2000 年)。该阶段年均发文量不足 50 篇, 研究主题尚处于探索阶段, 学术关注度较低。研究内容以概念的提出和理论框架的初步探讨为主, 成果相对零散, 尚未形成系统性研究。这一时期的文献数量和质量反映该领域研究的早期积累。

2) 稳步增长阶段(2001—2014 年)。2001 年起,年发文量逐步突破 100 篇, 并呈现稳定增长的趋势。这一阶段的增长得益于全球对碳排放与土地利用变化问题的日益重视, 尤其是《京都议定书》的实施, 推动该领域研究的快速发展, 研究内容开始聚焦于理论深化、方法创新以及区域案例分析, 逐渐构建起较为完整的学科框架。年发文量的稳步增加反映学术界对这一领域的持续关注和投入。

3) 快速扩展阶段(2015—2024 年)。2015 年后,年发文量进入快速增长期, 2024 年达到峰值(超过800 篇)。这一阶段的显著增长与全球气候政策的强化密切相关, 如《巴黎协定》的签署和“双碳目标”的提出, 为该领域研究提供了强有力的政策驱动。研究重心逐渐转向跨学科合作、技术创新与区域实践, 研究的广度与深度显著扩展, 推动学科边界的进一步拓展和整合。

尽管年发文量整体上呈现增长趋势, 但某些年份表现出一定的波动。例如, 2019 年达到显著高点后, 2022 年的发文量出现轻微的下降。这种波动可能与政策实施节点、研究资助优先级变化及新数据可得性相关, 反映该领域研究的外部驱动特性。尽管如此, 2015—2024 年的年平均发文量接近 600 篇,显示研究热点的持续性。

从发文量的统计结果可以看出, 碳平衡与土地利用相关研究在过去 30 年间逐渐从探索走向成熟,学术影响力持续增强。从基础理论构建到跨学科实践的快速推进, 为后续研究的深入开展奠定坚实的理论与实践基础, 同时也为应对全球气候变化提供了科学支撑与政策依据。

2.2 关键词分析

2.2.1 共现与聚类分析

关键词是学术论文中对研究内容的高度提炼,其共现关系能够揭示研究主题之间的内在联系和结构逻辑[11], 也有助于识别研究领域的高频概念及其关联强度, 从而勾勒研究热点、知识结构和发展脉络(图2)。从网络结构来看, 共现图谱呈现显著的“中心-边缘”特征。其中, “land use (土地利用)”与“carbon sequestration (碳封存)”两个关键词节点最大且连线最密, 位于图谱的核心, 显示土地利用变化与碳汇功能是该领域的研究主轴。这两者与“deforestation (森林砍伐)”和“carbon emissions (碳排放)”等关键词的频繁共现, 揭示人类活动主导下的土地变化对碳排放和碳汇过程的深远影响。此外, “carbon balance (碳平衡)”和“carbon budget (碳收支)”等基础性概念亦处于网络核心, 反映学术界对碳收支评估与核算管理的持续关注。关键词间的高密度连接性进一步体现该领域研究的系统化与综合化趋势。例如, “soil organic matter (土壤有机质)”与“cycle (循环)”和“dynamics (动态)”的紧密共现, 突出土壤碳储评估中生态系统动态变化的重要作用[12]; “emissions (排放)”与“tradeoffs (权衡)”的关联则体现研究过程中对碳减排路径与经济效率之间权衡机制的持续探讨; “net primary production (净初级生产力)”和“tillage (耕作)”等虽为外围关键词, 出现频率较低, 但拓展了在机制细化和情境应用层面的研究深度。

不同颜色的聚类进一步揭示研究主题的多元结构(图3)。10 个主要聚类中, “#0 Atmospheric CO2 (大气二氧化碳)”处于网络的核心位置, 连接最为广泛,是全球碳循环的关键议题, 对碳平衡与土地利用研究提供重要支撑。这一主题主要归属气候科学领域, 揭示大气碳浓度研究在碳循环理论框架中的基础地位。“#1 Land Use Change (土地利用变化)”与“#2 Land Use (土地利用)”分别聚焦土地利用变化的环境影响及土地资源优化管理, 突显地理学与环境科学对土地系统变化研究的核心贡献[13-14]。“#3Carbon Sequestration (碳封存)”以碳封存路径与机制优化为中心, 强调土壤和植被在碳汇功能中不可替代的作用, 体现生态学和土壤科学在该领域研究中的关键贡献。“#4 Loess Plateau (黄土高原)”则代表区域性研究的典型案例, 集中探讨黄土高原的生态修复与碳汇效应, 体现地理区域研究在全球碳平衡中的独特贡献。“#5 Climate Change (气候变化)”和“#6 Carbon Emissions (碳排放)”关注碳排放的政策驱动与气候变化的反馈效应, 展示研究工作从理论机制向政策实践转化的趋势。“#7 Carbon Sink (碳汇)”和“#8 Carbon Storage (碳储存)”聚焦碳汇能力提升和碳储量管理, 反映碳核算方法和理论模型的发展方向[15]。“#9 Remote Sensing (遥感)”展示遥感技术在监测和评估碳收支中的核心作用, 是数据驱动研究的重要体现, 也代表地理信息科学与大数据方法在学科体系中的快速渗透。

聚类间的交叉联系表明该领域呈现多主题并进、学科交融的格局, 例如, “#0 Atmospheric CO2 (大气二氧化碳)”与“#6 Carbon Emissions (碳排放)”共享多个关键词, 表明大气二氧化碳浓度与碳排放研究的协同效应; “#1 Land Use Change (土地利用变化)”与“#3 Carbon Sequestration (碳储存)”的紧密关联则说明土地变化研究对碳汇优化的支撑作用。总体来看, 研究热点经历由早期聚焦碳循环机制逐步拓展至区域尺度应用、政策干预与技术融合的递进式演化过程, 并在保持“土地-碳”主轴稳定性的同时, 持续向生态系统服务评估、土地管理优化、气候适应政策与区域协同机制等方向拓展。这一演化路径不仅体现“理论-应用-技术”的系统化发展模式, 也揭示学科层面的递进逻辑: 从气候科学的大气过程研究, 到生态学与土壤科学的碳封存机制, 再到地理信息科学的遥感与建模方法, 最终延伸至政策科学的实践导向。这种跨学科、系统化的研究模式为全球气候治理与可持续发展目标提供了坚实的理论基础与技术支撑。

2.2.2 关键词突现分析

通过分析关键词的突现强度与持续时间, 可以识别特定阶段的研究重点及新兴趋势[16]。本研究对 1992—2024 年碳平衡与土地利用领域的关键词突现特征(表1)进行深入的分析, 揭示该领域的研究演进与未来发展方向。

从历史演进来看, 1992—2010 年是该领域的基础性研究阶段, 突现关键词集中在碳循环的核心概念与自然过程方面。突现强度最高的关键词“CO2”(21.82, 1992—2010 年)和“atmospheric CO2” (22.83,1993—2010 年)表明, 这一阶段的研究集中于全球气候变化背景下大气二氧化碳的积累与动态变化过程[17]。“biomass” (16.21, 1992—2006 年)进一步反映生物量在陆地生态系统碳储量研究中的重要性[18]。随着国际政策的出台, “Kyoto Protocol” (17.38, 2003 —2011 年)成为该阶段的突出现象, 表明气候治理政策对学术研究的推动作用[19]。

2010 年后, 研究热点逐渐转向土壤碳汇及其在全球碳平衡中的关键作用。“soil organic matter”(23.15, 1997—2012 年)和“soil carbon” (17.02, 2000—2012 年)表现出较大的突现强度, 表明土壤在碳循环中的重要性受到学术界的广泛关注[20]。这一阶段的研究不再局限于理论建模, 而是深入地探讨土壤碳储存与动态变化的具体机制。同时, 国际合作和数据共享推动对全球碳管理实践的理论指导, 为气候政策的优化提供科学依据。

进入 2022 年, 多个高强度关键词表明研究热点逐渐聚焦于政策实践以及技术应用。“urbanization”(27.66, 2022—2024 年)成为突现强度最大的关键词,反映城市化过程和土地利用变化对碳排放的深远影响[21]。“carbon emissions” (26.49, 2022—2024 年)和“carbon neutrality” (18.15, 2022—2024 年)则进一步凸显政策驱动对研究方向的引导作用, 特别是碳中和战略和全球减排目标的提出, 促使研究工作从传统的碳循环机制向实践导向的路径优化和政策评估转型[22]。此外, 新技术的开发与模型优化成为这一阶段的重要特征。“invest model” (20.08, 2022—2024 年)和“driving factors” (17.84, 2022—2024 年)的突现表明该领域对碳排放驱动机制及量化评估工具的需求日益增加[23]。

关键词突现分析结果揭示碳平衡与土地利用领域研究热点的动态变化, 以及研究方向从单一学科向多学科交叉的演变趋势。早期的研究以碳循环与生态系统响应的理论框架为主, 近年来则逐步聚焦于政策驱动的应用实践和技术工具的开发优化, 反映学术研究对全球气候治理需求的适应性。此外,通过关键词时间图谱分析(图4), 可以揭示不同关键词在时间维度上的研究热度变化, 反映该领域关注点从基础理论向应用实践的逐步迁移。“atmospheric CO2”和“biomass”等关键词逐步被政策驱动和技术导向的关键词(“carbon sequestration”和“climate change”等)取代。时间图谱分析以直观的方式展示研究主题的动态演变, 可为探索该领域的研究与政策需求及技术创新的耦合提供参考。

2.3 国际合作与研究格局

图5 展示碳收支与土地利用领域主要发文国家(地区)及其合作网络。整体来看, 该领域的研究已形成以中国和美国为双核心、欧洲和亚太为支撑的多中心格局。近 10 年, 中国凭借“双碳目标”的政策驱动与科研投入, 发文量快速增长, 逐步从“跟随者”转变为全球研究的重要推动力量; 美国则在国际合作网络中保持枢纽地位, 通过与欧洲、东亚和大洋洲的密集联系, 展现较强的跨国协作能力。欧洲国家以德国、英国、法国和荷兰为代表, 构成区域性合作网络, 在理论深化与区域实践研究中贡献突出。

在学术力量分布方面, 呈现核心作者驱动的特征(图6)。少数学者(如 Ciais Philippe 和 Sitch Stephen)通过跨团队合作引领研究方向; 中国学者(如Tian Hanqin 和 Fu Bojie)在国际化与本土化研究中逐渐崛起。外围学者群体虽然产出较少, 但通过合作连线与核心网络保持互动, 小型独立团队(如 Ito Akihiko 集群)体现了研究主题的多样性。

总体而言, 该领域的研究已从单一国家主导逐步演化为多中心、跨学科、跨区域的合作体系。这种格局不仅促进学科知识的系统性积累与方法创新, 也为全球气候治理和可持续发展提供了坚实的学术支撑。

2.4 高被引论文与主要期刊分析

高被引文献反映该领域具有重要影响力的研究成果(表2)。1992—2024 年期间, 引用量排名前 10的论文主要分布在森林碳汇、土壤碳储量、土地利用变化和生态系统服务等研究方向, 奠定了该领域的理论与方法基础。其中, 关于森林碳汇的研究(如 A large and persistent carbon sink in the world’s forests 和 Forests and climate change: Forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests)揭示森林在全球碳循环中的关键地位, 系统地阐释了森林对气候调节的强大反馈机制。这类研究推动了碳收支研究从单纯的碳汇测算转向森林生态系统的综合功能评价[24-25]。关于土壤碳储量的研究(如 The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation)则深化了对土壤有机碳垂直分布、储量变化和土地利用影响的认识, 为土壤碳封存技术和农业减排提供理论支撑。这一研究方向体现土壤科学与生态学的交叉贡献, 推动了碳循环研究的机制化和定量化[26]。此外, 高被引文献还拓展到生态系统服务与多目标权衡, 反映出研究方向已从单一的碳汇功能转向对生物多样性、农业生产和减排策略的综合考量。这一趋势表明碳收支研究正在与政策需求和可持续发展目标深度对接[27]。

主要发文期刊同样反映研究重心与学科特征。Science of the Total Environment 以多尺度综合评估为特色, 突出碳收支问题的系统性; Global Change Biology 侧重全球变化背景下的生态系统碳循环动态, 尤其强调碳收支与生物多样性、生态系统功能的耦合; Agriculture, Ecosystems & Environment 则将研究重心放在农业生态系统的碳效应与生态管理方面, 为低碳农业实践提供科学支撑。

总体来看, 高被引论文凸显森林与土壤在碳循环研究中的核心地位, 高发文量期刊则展现从基础理论到应用实践的多学科格局。此外, 高被引文献揭示碳收支研究的学科转向, 即从聚焦森林和土壤等自然过程, 逐步走向兼顾生态系统服务、土地利用优化及政策导向的综合研究。随着碳中和战略和气候治理目标的推进, 未来的研究中将更加注重技术创新(如遥感与大数据)、政策评估与区域应用的结合, 从而推动碳收支研究由单一的生态过程解析向综合性系统建模转变, 并进一步强化其在全球气候治理中的知识贡献与决策支撑功能。

2.5 主要学科领域分析

碳收支与土地利用领域的学科分布展现显著的多学科交叉特性, 不同学科在理论构建和实践应用中形成互补格局(图7)。环境科学以 33%的占比居首位, 体现其作为核心学科的重要地位, 研究重点涵盖碳循环过程、碳排放控制以及生态系统对碳平衡的响应, 为该领域的研究提供了系统性的理论框架。生态学(13%)关注生态系统碳汇功能, 尤其在森林、湿地和草原等关键生态系统的碳储存动态研究中表现突出, 为土地管理提供了生物学视角的支撑。土壤科学(10%)则深化对土壤有机碳储量与动态变化的理解, 揭示土地利用对土壤碳循环的影响, 为碳封存与农业管理提供理论基础。

与此同时, 环境研究(9%)从社会经济视角拓展研究维度, 强调土地利用与碳排放的复杂关系, 为低碳政策制定与区域规划提供实践支撑。地球科学与多学科研究(9%)通过整合遥感技术与地质模型, 为区域尺度的碳排放与土地动态提供空间和时间上的洞见。林学(6%)、气象与大气科学(5%)、绿色与可持续科学技术(5%)、农学(5%)和生物多样性保护(5%)等学科进一步强调实践导向。林学聚焦森林碳汇优化, 气象科学探讨碳排放与气候变化的耦合机制, 绿色技术推动碳捕集与封存(CCS)等减排手段, 农学与生物多样性研究则分别凸显农业利用方式与生物多样性在碳循环中的重要作用。

整体来看, 碳收支与土地利用研究已形成以环境科学为核心、生态学和土壤科学为支撑、社会科学与技术学科共同参与的多学科协同格局。通过这一链条式的知识体系实现从理论框架(环境科学)、机制深化(生态学或土壤科学)、方法工具(遥感或信息科学)到应用实践(政策、农业和低碳技术)的有机衔接。未来, 通过进一步加强遥感技术、数据科学与生态系统管理的深度融合, 将推动该领域实现跨尺度、跨系统的创新发展, 为全球碳中和战略与气候治理提供更具系统性和前瞻性的科学支撑。

3 讨论

作为应对全球气候变化的重要领域, 碳收支与土地利用研究的发展高度依赖多学科交叉整合与研究议题的动态演化。研究方向已经从早期聚焦碳循环和碳收支核算的基础理论, 逐步扩展至城市化和碳中和等政策导向的应用研究, 呈现理论深化与实践转型相互促进的发展趋势。

1) 理论深化。研究热点的演化表明, 土地利用变化-碳排放-碳封存的相互作用机制构成该领域的核心科学问题。这一过程涉及碳循环耦合和尺度一致性等关键议题, 推动环境科学、生态学和土壤科学理论的拓展。相关研究不仅明确了土地管理在全球碳平衡中的重要作用, 也揭示出通过优化土地资源配置应对气候变化的潜在路径。

2) 方法创新。方法进步正在成为研究的重要驱动力。遥感与地理信息科学的发展提供对土地利用和碳排放的高分辨率监测手段, 大数据与人工智能推动复杂系统建模和情景预测。这些方法共同促进碳监测、碳预算和土地利用优化的定量化、智能化和系统化发展, 为跨尺度研究和综合评估提供了技术支撑。

3) 应用与政策。研究议题正不断延伸至政策与实践层面。城市化进程、碳中和战略与土地利用管理等成为新的前沿方向, 多学科的综合分析为低碳路径设计和政策评估提供了学科支撑, 表明该领域正从学术探索逐步走向实践引导, 强调研究成果对全球气候治理和区域发展战略的服务功能。

尽管该领域的研究已取得显著的进展, 仍然面临以下挑战: 区域与全球尺度衔接不足、多学科融合深度不够、理论与实践的联动性有待加强[28]。未来的研究中需要进一步强化数据科学与传统理论的融合, 构建跨尺度、跨系统的综合模型, 并在遥感技术和高分辨率建模技术的支持下, 提升对复杂因果关系的解析能力。同时, 应加强区域实践与全球治理目标之间的对接, 推动碳收支研究在科学贡献与决策支撑功能上的双重提升[29]。

总体来看, 碳收支与土地利用研究正处于由基础理论迈向综合应用的发展阶段。通过多学科交叉与学科协同, 该领域的研究结果不仅为理解土地系统与碳循环的耦合机制提供坚实的理论基础, 也为实现全球碳中和战略和可持续发展目标贡献新颖的学术视角与实践路径。

4 结论与展望

4.1 结论

本文利用 CiteSpace 对 1992—2024 年土地利用与碳收支领域的文献进行系统的梳理, 通过关键词共现、聚类与突现分析揭示研究热点、演化脉络和学术前沿, 得到如下结论。

1) “碳平衡” “碳预算”和“碳封存”等基础性概念构成领域的核心理论框架, 而“气候变化” “遥感技术”和“城市化”等议题的兴起体现出研究工作逐步由理论探索走向实践应用的趋势。

2) 该领域的研究呈现以环境科学为核心, 生态学、土壤科学和地理信息科学等多学科协同发展的格局, 多学科融合推动着研究深度与广度的拓展。

3) 遥感、人工智能和高分辨率建模技术的应用显著地提升了碳排放监测与土地利用优化的精细化水平, 为区域碳核算与全球气候治理提供了坚实的技术支撑。

4.2 展望

未来, 土地利用与碳收支领域的研究将更加注重精细化的碳过程解析与多尺度的综合评估, 研究趋势正从宏观框架逐步转向具体应用场景的深化(包括低碳城市设计、碳汇能力优化以及土地利用模式对全球碳循环调控的机理探索)。遥感与高分辨率数据的动态模拟方法将在量化碳排放与碳封存的空间异质性和时间演变研究中发挥关键作用, 为区域和全球政策制定提供更精确的科学支撑。

“InVEST 模型” “城市化”和“碳中和”等新兴主题反映研究者对经济、政策与技术协同作用的高度关注。未来的研究中需要进一步明确减排目标下的技术经济可行性与政策优化路径, 平衡多元主体间的成本与收益, 并且在不同社会经济与生态背景下验证其适用性, 推动实现土地利用与碳平衡的双赢目标。

多学科融合将继续是研究的核心动力。环境科学提供系统框架, 生态学和土壤科学深化碳循环机制, 信息科学与人工智能推动精细化监测与模型优化, 经济学和政策科学则提供路径评估与决策支持。未来的研究中应聚焦跨学科、跨尺度的深度协作, 推动碳收支研究在理论创新与实践应用中的持续突破, 为全球碳中和战略和气候治理提供更具前瞻性与操作性的解决方案。

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