基于CiteSpace植物功能性狀的研究進(jìn)展

張?jiān)隹?王 齊,吳雅華,劉興詔,黃柳菁

福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院, 福州 350002

植物功能性狀是聯(lián)系植物和環(huán)境之間的橋梁,適應(yīng)外部環(huán)境變化并(或)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能有一定影響[1]。近年來,植物功能性狀的研究從植物個(gè)體擴(kuò)展到生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)層次,并延伸到生態(tài)學(xué)多個(gè)研究領(lǐng)域,已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。

植物功能性狀研究已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展歷史,最早可以追溯到20世紀(jì)30年代Raunkiaer的生活型分類系統(tǒng)。自1987年《Functional Ecology》的創(chuàng)刊,生態(tài)學(xué)家開始研究植物某一功能性狀的變化,后《Journal of Vegetation Science》演化為植物功能性狀研究領(lǐng)域的主流期刊,較多學(xué)者開始關(guān)注該領(lǐng)域的研究,并將植物功能性狀與植物功能型兩個(gè)概念相結(jié)合[3]。植物功能性狀是國(guó)際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP,International Geosphere-Biosphere Program)核心項(xiàng)目—全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)(GCTE,Global Change and Terrestrial Ecosystem)的研究重點(diǎn)[4]。近20多年來,植物功能性狀的發(fā)展使得生態(tài)學(xué)家從新的視角重新審視生態(tài)學(xué)的復(fù)雜過程,功能性狀已被證明是探索各類生態(tài)學(xué)前沿問題的重要手段[5]。所以涌現(xiàn)出較多植物功能性狀相關(guān)綜述類文章,如植物功能性狀與生態(tài)系統(tǒng)功能和過程[6- 7],植物功能性狀對(duì)環(huán)境的響應(yīng)及適應(yīng)策略[8],植物功能性狀的進(jìn)化及變異[9],全球植物葉經(jīng)濟(jì)譜[10- 11],功能性狀與群落動(dòng)態(tài)[12],基于功能性狀對(duì)植物入侵的研究等[13- 14]。這些綜述對(duì)該領(lǐng)域具體方向的深入研究發(fā)揮重要作用。但也需要從宏觀視角全面了解當(dāng)前植物功能性狀研究進(jìn)展,研究熱點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)態(tài)。

面對(duì)植物功能性狀的海量文獻(xiàn),采用系統(tǒng)和精準(zhǔn)的文獻(xiàn)計(jì)量方法,進(jìn)行定量和定性相結(jié)合的可視化綜述,可以對(duì)植物功能性狀進(jìn)行更加精準(zhǔn)和全面的分析。可視化分析軟件CiteSpace側(cè)重于分析學(xué)科研究前沿?zé)狳c(diǎn)、主題演化趨勢(shì)、以及探測(cè)知識(shí)基礎(chǔ)之間的關(guān)系,是當(dāng)下較為流行的可視化科研數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件[15]。鑒于此,本文運(yùn)用CiteSpace文獻(xiàn)計(jì)量工具,對(duì)被引(Cited)和引文(Citing)文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和計(jì)量分析,提煉出植物功能性狀研究領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ),展示研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)趨勢(shì),把握研究的最新進(jìn)展和未來動(dòng)態(tài)。旨在為植物功能性狀研究提供借鑒和啟示。

1 研究數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文數(shù)據(jù)來源 Web of Science核心集合TM的科學(xué)引文索引擴(kuò)展版(science citation index expanded, SCI-E, 簡(jiǎn)稱 SCI),是國(guó)際公認(rèn)的權(quán)威數(shù)據(jù)庫,通過編寫檢索式來限定檢索范圍。并根據(jù)SCI 論文中關(guān)于 “植物功能性狀”這個(gè)主題詞的常用英文書寫,編制檢索式：TS= (″plant functional types″)or(″plant functional traits″),選擇類型為 ″ Article″ 和″ Review″ 的文獻(xiàn)進(jìn)行分析,共檢索1992—2017年植物功能性狀研究領(lǐng)域發(fā)表的SCI文獻(xiàn)2196篇(檢索時(shí)間為 2018 年1月14日)。

本文借助CiteSpace V分析工具,對(duì)植物功能性狀的知識(shí)基礎(chǔ)、研究熱點(diǎn)和趨勢(shì),以及主要研究力量進(jìn)行可視化分析。CiteSpace是由美國(guó)德雷塞爾大學(xué)(Drexel University) 陳超美教授將其開發(fā),用來挖掘、分析和進(jìn)行科研文獻(xiàn)可視化的分析軟件[16]。其綜合了信息可視化方法、文獻(xiàn)計(jì)量方法和數(shù)據(jù)挖掘算法,并具有“圖”和“譜”的雙重性質(zhì)與特征,既是可視化的知識(shí)圖形,又是序列化的知識(shí)譜系[17- 18]?？梢詮亩嘣?、動(dòng)態(tài)、分時(shí)的視角對(duì)植物功能性狀相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行信息挖掘。閾值選擇采用(c, cc, ccv)方式,(c為被引頻次,cc為共被引頻次,ccv為共被引系數(shù)),分別設(shè)定前、中、后3個(gè)時(shí)間分區(qū)的(c, cc, ccv),其他時(shí)間分區(qū)的閾值由線性插值決定,值的確定是經(jīng)過不斷調(diào)試、對(duì)比結(jié)果后而定[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)時(shí)間分布

文獻(xiàn)數(shù)量隨時(shí)間的變化是研究領(lǐng)域發(fā)展演化的重要指標(biāo),反映該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。1992—2017年間,植物功能性狀經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)—波動(dòng)增長(zhǎng)—平穩(wěn)增長(zhǎng)—快速增長(zhǎng)4個(gè)階段(圖1)。分析發(fā)現(xiàn)1995年之前植物功能性狀研究領(lǐng)域年均發(fā)文數(shù)量在5篇以下,研究的關(guān)注度較弱,屬于起步階段；1996—2003年在不斷探索中形成植物功能性狀的概念和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法,發(fā)文量呈波動(dòng)態(tài)勢(shì)增加；2004—2010年理論基礎(chǔ)基本完成,出現(xiàn)大量研究性文獻(xiàn),進(jìn)入平穩(wěn)增長(zhǎng)期；2011—2017年關(guān)注度快速上升,尤其2014年以來,年度發(fā)文量達(dá)到200多篇,研究進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段。表明植物功能性狀研究領(lǐng)域已引起國(guó)際研究工作者的廣泛關(guān)注。由此推測(cè),隨著研究的不斷深入,植物功能性狀將迅速向成熟的領(lǐng)域發(fā)展。

圖1 1992—2017年植物功能性狀的年發(fā)表文獻(xiàn)量Fig.1 Changes of the numbers of publications on plant functional traits during 1992 to 2017

2.2 植物功能性狀知識(shí)基礎(chǔ)的識(shí)別

共被引參考文獻(xiàn)有著同一的研究脈絡(luò)或相似的研究主題,通過構(gòu)建參考文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)梳理研究方向,分析發(fā)展脈絡(luò),而網(wǎng)絡(luò)中頻次較高的參考文獻(xiàn)是該研究領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ),這些關(guān)鍵文獻(xiàn)具有較高的影響力。本文通過繪制文獻(xiàn)共被引時(shí)區(qū)圖,篩選出植物功能性狀研究領(lǐng)域的關(guān)鍵文獻(xiàn),挖掘其知識(shí)基礎(chǔ),旨在為后期相關(guān)研究者提供參考。

本文時(shí)間切片為1年,節(jié)點(diǎn)類型為參考文獻(xiàn),閾值設(shè)置(2, 3, 15),(3, 2, 20),(3, 3, 20)繪制文獻(xiàn)共被引時(shí)區(qū)圖(圖2),分別從半衰期、中心度、共被引頻次、突現(xiàn)性分析植物功能性狀的知識(shí)基礎(chǔ)。

圖2 文獻(xiàn)共被引時(shí)區(qū)圖Fig.2 The Timezone view of co-cited literature

時(shí)間色譜上從藍(lán)色到橙色表示時(shí)間的推演。節(jié)點(diǎn)年輪上的顏色對(duì)應(yīng)上方的時(shí)間色譜,連線的顏色代表首次共被引的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)年輪大小與共被引頻次呈正相關(guān)。紅色圈層表示具有突現(xiàn)性的節(jié)點(diǎn),即在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)頻次變化率高的文獻(xiàn)。CiteSpace設(shè)置：Node Types: Cited Reference, Selection Criteria: Top 25%, 其他采用默認(rèn)設(shè)置。

半衰期是顯示文獻(xiàn)從統(tǒng)計(jì)年度向前推算,占截至統(tǒng)計(jì)年度被引用文獻(xiàn)的總引用數(shù)50%的年數(shù),代表文獻(xiàn)的老化程度,半衰期越大,影響力越久遠(yuǎn)[20]。半衰期最大的是丹麥生態(tài)學(xué)家Raunkiaer[21](半衰期70)從植物外貌形態(tài)上劃分植物類型,提出了生活型譜(Life-form spectrum)的概念和劃分方法,生活型譜成為植物功能性狀的基礎(chǔ)研究,一直沿用至今；其次,英國(guó)生態(tài)學(xué)家Grime[22](半衰期38)按物種不同生境提出CSR(脅迫型、競(jìng)爭(zhēng)型、干擾型)植物生態(tài)對(duì)策理論,此理論在不同尺度上具有普適性,強(qiáng)烈影響生態(tài)學(xué)界。以上兩篇文獻(xiàn)發(fā)表較早,植物功能性狀理論和概念還未形成,但提出了植物形態(tài)描述和劃分方法,屬于植物功能性狀研究初期奠基文獻(xiàn),在后期的研究中被廣泛引用。

中心度是識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中高度連接的節(jié)點(diǎn),是指經(jīng)過某個(gè)節(jié)點(diǎn)連接另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的最短路徑線,占這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最短路徑線之比,體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中文獻(xiàn)的重要性[17]。中心度最高的是Box EEO[23](中心度0.57)創(chuàng)建世界模型將植被類型與宏觀氣候聯(lián)系起來,得出植物類型和環(huán)境的相關(guān)關(guān)系,形成植物功能性狀的雛形。其次,Reich等[24](中心度0.51)運(yùn)用具有生態(tài)意義的葉壽命,定量地評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)特征,并明確植物、葉片與生境資源的依賴關(guān)系。這兩篇文獻(xiàn)處于該領(lǐng)域的探索階段,當(dāng)時(shí)全球氣候變化加劇,嚴(yán)重影響植物的生存環(huán)境,威脅著植物的生長(zhǎng)發(fā)育,所以植物與環(huán)境之間的實(shí)踐應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)被引頻次是引用文獻(xiàn)的次數(shù),被引頻次最高的兩篇文獻(xiàn)如下：2004年澳大利亞科學(xué)家Wright等[25](共被引頻次408)在Nature發(fā)表了全球尺度下 6 項(xiàng)植物葉功能性狀的研究,提出了經(jīng)典的葉經(jīng)濟(jì)譜(leaf economics spectrum)的概念,即植物性狀權(quán)衡理論,是該領(lǐng)域的新突破,引發(fā)廣泛關(guān)注和應(yīng)用；其次是Cornelissen等[26](共被引頻次366)總結(jié)植物功能性狀的測(cè)量方法,提出了全球范圍內(nèi)植物功能性狀分類體系和測(cè)量準(zhǔn)則,推動(dòng)植物功能性狀研究領(lǐng)域向規(guī)范化發(fā)展。這兩篇文獻(xiàn)均發(fā)表在該領(lǐng)域的發(fā)展階段,此時(shí)植物功能性狀已經(jīng)形成完整的理論和方法,提出創(chuàng)新性的生態(tài)學(xué)概念,引發(fā)該領(lǐng)域全新發(fā)展。

突現(xiàn)性反映文獻(xiàn)在一定時(shí)間內(nèi)被引頻次的增長(zhǎng)情況,突現(xiàn)性越大,說明被引頻次增長(zhǎng)越快。突現(xiàn)性最高的是Perez-harguindeguy等[27](突現(xiàn)性44.49),隨著科技的進(jìn)步和植物功能性狀研究領(lǐng)域的擴(kuò)展,重新制定了《植物功能性狀測(cè)量新冊(cè) New handbook for standardised measurement of plant functional traits worldwide》,彌補(bǔ)了以前測(cè)量方法的不足,此手冊(cè)實(shí)用范圍更廣、方法詳細(xì),為全球植物生態(tài)學(xué)研究者提供了標(biāo)準(zhǔn)化且易實(shí)施的性狀測(cè)量方法。其次是Kattge等[28](突現(xiàn)性43.29)建立全球植物功能性狀數(shù)據(jù)庫(TRY,Plant Trait Database),廣泛結(jié)合全球范圍內(nèi)植物功能性狀的研究,更加準(zhǔn)確評(píng)估和模擬生物地球化學(xué)和陸地生物多樣性的變化,提高了植物功能性狀的可用性。這兩篇文獻(xiàn)均發(fā)表在植物功能性狀拓展階段,在全球范圍內(nèi)掀起植物功能性狀研究的熱潮,成為生態(tài)學(xué)家研究重點(diǎn)。

以上經(jīng)典文獻(xiàn)被引頻次較高、持續(xù)被引時(shí)間較長(zhǎng),具有較高的學(xué)術(shù)影響力,反映植物功能性狀研究領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)。這些經(jīng)典文獻(xiàn)均關(guān)注發(fā)表時(shí)期全球生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題,并具有較高的理論性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性和應(yīng)用性。從經(jīng)典文獻(xiàn)分析來看,早期主要關(guān)注植物類型的描述和分類,并將植物功能性狀用于全球氣候變化研究中；中期主要研究模型的建立,預(yù)測(cè)和模擬植物功能性狀對(duì)環(huán)境的響應(yīng),并與生態(tài)系統(tǒng)功能和過程建立聯(lián)系；近期,由于植物功能性狀理論和實(shí)踐急劇增加,區(qū)域和全球性狀數(shù)據(jù)庫迅速擴(kuò)大,提高植物功能性狀在不同生態(tài)學(xué)層次的運(yùn)用,其中經(jīng)濟(jì)譜、功能多樣性,基于功能性狀研究群落生態(tài)是當(dāng)前研究重點(diǎn)。從經(jīng)典文獻(xiàn)的研究主題看,植物功能性狀與環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系是該研究領(lǐng)域始終關(guān)注的話題。

2.3 植物功能性狀研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)

CiteSpace時(shí)區(qū)圖(Timezone)能夠直觀反映出不同時(shí)間研究領(lǐng)域的前沿及其衍生關(guān)系,進(jìn)而對(duì)未來的發(fā)展作出合理的預(yù)測(cè)[29]。而關(guān)鍵詞作為學(xué)術(shù)論文研究熱點(diǎn)的高度概括,是論文的核心和精髓,指示著學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。突現(xiàn)性較高的關(guān)鍵詞是某個(gè)時(shí)期內(nèi)頻次變化率高的詞,能夠挖掘研究熱點(diǎn),反映研究前沿和趨勢(shì)。鑒于此,本文按照關(guān)鍵詞的突現(xiàn)性和頻次進(jìn)行篩選(表1),通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析植物功能性狀的研究熱點(diǎn),并揭示發(fā)展趨勢(shì)。本文將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 CiteSpace V中,時(shí)間切片為1年,節(jié)點(diǎn)類型為關(guān)鍵詞,閾值設(shè)置(2, 3, 15),(3, 3, 20),(3, 2, 20)。選擇時(shí)區(qū)圖,結(jié)果如圖3和表2所示。

探索階段(1992—1995年)：隨著全球氣候變化的不斷深入研究,植物功能性狀開始進(jìn)入生態(tài)學(xué)的研究視野,成為國(guó)際地圈—生物圈計(jì)劃的重要研究?jī)?nèi)容之一[4]?！癱limate change(氣候變化)”、“vegetation(植被)”、“ecosystem(生態(tài)系統(tǒng))”是該階段頻次最高的關(guān)鍵詞,表明環(huán)境-植被-生態(tài)系統(tǒng)三者之間的關(guān)系是植物功能性狀研究的核心。其中,植被特征包括“growth(生長(zhǎng))”、“dynamics(動(dòng)態(tài))”、“phenology(物候)”、“photosynthesis(光合作用)”、“l(fā)eaf nitrogen carbon(葉片氮含量)”、“competition(競(jìng)爭(zhēng)力)”；環(huán)境因子包括“temperature(溫度)”、“atmospheric carbon dioxide(大氣 CO2)”、“soil organic carbon(土壤有機(jī)碳含量)”、“carbon cycle(碳循環(huán))”?！皉ain forest(熱帶雨林)”是研究早期關(guān)注的森林生態(tài)系統(tǒng)?！癿odel(模式)”、“response(響應(yīng))”是植物功能性狀重要研究方法和評(píng)價(jià)要素,將復(fù)雜、多樣的植物種群劃分相對(duì)簡(jiǎn)單的類型,有效地預(yù)測(cè)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的變化。

發(fā)展階段(1996—2003年)：該階段出現(xiàn)大量的突現(xiàn)詞和高頻詞,表明植物功能性狀成為研究熱點(diǎn),相關(guān)的生態(tài)學(xué)概念和新型的測(cè)量技術(shù)與方法層出不盡,研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。尤其1996年是植物功能性狀快速發(fā)展年,突現(xiàn)性和頻次均較大。該階段出現(xiàn) “functional type(功能型)”、“plant functional type(植物功能型)”、“plant functional trait(植物功能性狀)”、“trait(性狀)”、“functional trait(功能性狀)”等相類似的生態(tài)學(xué)概念(圖3)。2001年Diaz和Cabido[1]總結(jié)前人研究,給出植物功能性狀較明確的定義“是適應(yīng)外部環(huán)境變化并(或)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能有一定影響的植物性狀”,得到廣泛認(rèn)可,植物功能性狀的概念逐漸明晰,推動(dòng)植物功能性狀標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。此時(shí)“disturbance(干擾)”一詞的突現(xiàn)性較大,是該階段植物功能性狀主要研究方向,主要因子包括“fire(火)”、“grazing(放牧)”。其次,植物功能性狀也延伸到“biodiversity(生物多樣性)”、“productivity(生產(chǎn)力)”、“species richness(物種豐富度)”、“classification(分類系統(tǒng))”、“biosphere model(生物圈模型)”等多個(gè)生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域,使植物功能性狀研究?jī)?nèi)容發(fā)生根本性的改變。“seed size(種子大小)”和“specific leaf area(比葉面積)”是植物結(jié)構(gòu)性狀,在這一時(shí)期逐漸興起一直延續(xù)至今。同時(shí),隨著植物功能性狀研究方法和理論的提高,由森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到“grassland(草原)”生態(tài)系統(tǒng),主要通過植物功能性狀變化響應(yīng)放牧對(duì)草原植物群落的干擾程度[30]。此外,植物功能性狀運(yùn)用于不同環(huán)境“gradient(梯度)”的研究,探討植物在不同環(huán)境梯度下的多個(gè)性狀之間的“strategy(生態(tài)策略)”,出現(xiàn)了一批代表性研究報(bào)告和著述。

表1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要信息表

圖3 熱點(diǎn)關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)圖Fig.3 The Timezone view of hot keywords年輪上的顏色對(duì)應(yīng)上方的時(shí)間色譜；年輪節(jié)點(diǎn)大小和頻次成正相關(guān),年輪的紅色圈層代表節(jié)點(diǎn)具有突現(xiàn)性;CiteSpace設(shè)置：Node Types: Keyword, Selection Criteria: Top 25%, 其他采用默認(rèn)設(shè)置

平穩(wěn)階段(2004—2010年)：該階段關(guān)鍵詞的數(shù)量開始下降,突現(xiàn)性和頻次也降低,表明通過研究?jī)?nèi)容泛化的過熱期后,經(jīng)驗(yàn)借鑒的文獻(xiàn)較多,創(chuàng)新性和突破性的研究熱點(diǎn)較少。熱點(diǎn)關(guān)鍵詞僅有3個(gè),分別是“l(fā)and use change(土地利用變化)”、“carbon balance(碳平衡)”、“plant trait(植物性狀)”。隨著人類活動(dòng)干擾和全球變化的加劇,“土地利用變化”進(jìn)入生態(tài)學(xué)研究視野,是全球環(huán)境和生物多樣性變化的主要驅(qū)動(dòng)力,決定著植物功能性狀的分布[5]?！疤计胶狻笔巧鷳B(tài)系功能的重要指標(biāo),反映植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,成為研究熱點(diǎn)。在此期間,學(xué)者對(duì)植物功能性狀研究的科學(xué)性、標(biāo)準(zhǔn)性展開深入討論,形成明確的定義和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法后,致使迅速增加全球范圍內(nèi)植物性狀數(shù)據(jù)庫的覆蓋[25,31]。

拓展階段(2011—2017年)：隨著研究的不斷深入和細(xì)化,出現(xiàn)新的技術(shù)和理論,打破瓶頸出現(xiàn)了新突破?！發(fā)eaf trait(葉性狀)”、“economics spectrum(經(jīng)濟(jì)譜)”、“functional diversity(功能多樣性)”、“community ecology(群落生態(tài))”、“wood density(木材密度)”等是當(dāng)前植物功能性狀的研究熱點(diǎn),“tropical forest(熱帶森林)”是主要的研究對(duì)象。葉片作為植物與環(huán)境接觸面積最大的器官,對(duì)環(huán)境響應(yīng)極為敏感[32-33]。Wright等[25]2004年研究葉性狀提出典型的經(jīng)濟(jì)譜概念,指出了植物對(duì)資源的權(quán)衡策略,即經(jīng)過環(huán)境篩選后形成的性狀組合[11,34-35]。隨著葉經(jīng)濟(jì)譜的發(fā)展,直到2011年較多學(xué)者才關(guān)注“l(fā)eaf economics spectrum(葉經(jīng)濟(jì)譜)”,并延伸出莖經(jīng)濟(jì)譜的概念,“木材密度”是莖經(jīng)濟(jì)譜的重要指標(biāo),反映植物獲取資源的能力。近年來,植物“功能多樣性”與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系成為生態(tài)學(xué)關(guān)注焦點(diǎn)[36-37],自de Bello等[38]提出功能多樣性的概念并給出了具體的算法后,得到廣泛的應(yīng)用,主要用來表示植物功能性狀在群落內(nèi)和群落間的變化,反映生態(tài)系統(tǒng)功能。同時(shí),植物功能性狀廣泛運(yùn)用于“群落生態(tài)”的研究中,McGil等[39]提出將功能性狀作為重建“群落生態(tài)”的方法,認(rèn)為功能性狀普遍可比性能夠超越物種,因此,基于功能性狀的研究有望改善以往群落生態(tài)學(xué)過于糾纏物種難以發(fā)現(xiàn)普適法則[40]。后Violle和Jiang[41]在群落研究中基于功能性狀提出了“性狀生態(tài)位”的概念,利用功能性狀描述生態(tài)位在群落生態(tài)中取得較大進(jìn)展[42-43]。此外,由于物種遺傳差異和環(huán)境異質(zhì)性,植物種間和種內(nèi)均存在性狀“變異”,性狀變異對(duì)群落構(gòu)建和共存具有重要意義[44]。以上的研究具有重要的理論價(jià)值,拓寬植物功能性狀研究的廣度和深度,也是植物功能性狀研究中的新突破。

簡(jiǎn)言之,植物功能性狀研究?jī)?nèi)容不斷細(xì)化和深入,研究范圍從大尺度的全球氣候變化延伸到區(qū)域尺度的土壤、大氣成分、土地利用、干擾等變化；從單一生境、單個(gè)性狀擴(kuò)展到多生境和性狀組合；從光合特性、化學(xué)元素(光合作用、葉氮含量)發(fā)展到結(jié)構(gòu)性狀(比葉面積、種子大小)和氣孔屬性(氣孔導(dǎo)度),不斷深入研究多種性狀的協(xié)同或趨異的變化規(guī)律。

2.4 主要研究力量分析

2.4.1主要研究國(guó)家或地區(qū)

圖4 國(guó)家合作共現(xiàn)圖譜Fig.4 The network of country cooperation 節(jié)點(diǎn)越大,發(fā)文量越多,反之越小;CiteSpace設(shè)置：Node Types: Country, Selection Criteria: Top 50%, 其他采用默認(rèn)設(shè)置

分析不同國(guó)家發(fā)表文獻(xiàn)情況在某種程度上反映該國(guó)家對(duì)于該領(lǐng)域的重視程度及影響力,檢索發(fā)現(xiàn)有82個(gè)國(guó)家(地區(qū))研究了植物功能性狀(圖4和表2)。美國(guó)的發(fā)文量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)居世界第一(726篇),表明美國(guó)處于植物功能性狀研究的主導(dǎo)地位。中國(guó)的發(fā)文量位于第4,說明中國(guó)所涉及植物功能性狀研究較多,反映出我國(guó)的科研水平的提高。根據(jù)發(fā)文數(shù)量和被引頻次,發(fā)現(xiàn)美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、西班牙的論文綜合影響力較高,而中國(guó)的論文篇均被引頻次較低。從各國(guó)研究的主題來看,在氣候變化的背景下,植物功能性狀廣泛運(yùn)用于生物多樣性、干擾、生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域,植物的光合作用、氣孔導(dǎo)度、經(jīng)濟(jì)譜等研究方面受到多個(gè)國(guó)家的關(guān)注。其中,關(guān)注度不同,中國(guó)更側(cè)重于基于植物功能性狀研究草原生態(tài)系統(tǒng),以及與生產(chǎn)力的關(guān)系。

2.4.2主要研究機(jī)構(gòu)

分析研究機(jī)構(gòu)的分布可以幫助了解學(xué)術(shù)界對(duì)該領(lǐng)域的支持和認(rèn)同程度,從而有利于機(jī)構(gòu)之間的合作。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1992—2017年發(fā)文量前10的機(jī)構(gòu)中(圖5),中國(guó)機(jī)構(gòu)占兩家,中國(guó)科學(xué)院(Chinese Acad Sci)發(fā)文量第一,216篇,中國(guó)科學(xué)院大學(xué)位居第九(Univ Chinese Acad Sci),44篇；德國(guó)馬克斯·普朗克生物地球化學(xué)研究所(Max Planck Inst Biogeochem)位居第二,75篇；法國(guó)有三家分別是,位居第三的法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院(INRA),66篇,位居第七的法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS),52篇；位居第十的格勒諾布爾大學(xué)(Univ Grenoble),44篇；澳大利亞麥考瑞大學(xué)(Macquarie Univ)位居第4,62篇；美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)(Univ Minnesota)位居第5,58篇；荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)(Vrije Univ Amsterdam)位居第6,56篇；西班牙科爾多瓦大學(xué)(Univ Nacl Cordoba)位居第8,44篇。中心度在0.1以上均是馬克斯·普朗克生物地球化學(xué)研究所0.5,法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院0.11,麥考瑞大學(xué)0.11,明尼蘇達(dá)大學(xué)0.32,阿姆斯特丹自由大學(xué)0.25,法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心0.14。馬克斯·普朗克生物地球化學(xué)研究所中心性和發(fā)文量均較高,可見其所在植物功能性狀研究方面有較強(qiáng)的影響力,論文具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值。

表2 植物功能性狀研究前 10 個(gè)國(guó)家的發(fā)文情況及研究主題

圖5 機(jī)構(gòu)合作共現(xiàn)圖譜Fig.5 The network of institutional cooperation節(jié)點(diǎn)越大,發(fā)文量越多,反之越少;CiteSpace設(shè)置：Node Types: Institution, Selection Criteria: Top 50%, 其他采用默認(rèn)設(shè)置

2.4.3主要發(fā)文作者

通過發(fā)文作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析可以得出合作密切的學(xué)者群,發(fā)掘?qū)W術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)效應(yīng)。從圖6可以看出發(fā)文次數(shù)較多的作者是Lavorel S,頻次為46次,Reich PB,35次,Cornelissen JHC,34次,Diaz S,33次,Prentice IC,28次,Kattge J,27次,發(fā)文量在15篇以上的作者還有,Wright IJ,Wirth C,Enright NJ,Niinemets U,發(fā)文量在10篇以上共有28位。主要有5個(gè)學(xué)術(shù)合作團(tuán)體：Lavorel S、Garnier E和Quetier F等學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),主要研究植物功能性狀對(duì)環(huán)境因子(干擾、火、土地利用、氣候和大氣成分變化)的響應(yīng),以及制定植物功能性狀劃分和測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)[6,45-46]；Cornelissen JHC、Diaz S 、Gurvich DE和Bardgett RD等學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),規(guī)范了植物功能性狀的理論概念,建立簡(jiǎn)單有效的測(cè)量方法,統(tǒng)一了全球測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),主要研究植物功能性狀和生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系[26,31,47]。Reich PB 、Buchmann N和Oleksyn J等學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),主要研究葉性狀,并在植物性狀的權(quán)衡策略和環(huán)境適應(yīng)性中取得較大的成就[8,48-49]。Kattge J、Wirth C、Penuelas J和Shipley B等學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),在全球植物功能性狀數(shù)據(jù)庫建立和統(tǒng)計(jì)方法的制定中做出較大貢獻(xiàn)[28,50]。Prentice IC、Guiot J、Harrison SP和Smith B等學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),主要研究氣候變化對(duì)植被的影響,并構(gòu)建植被模型[4,51-53]。從作者網(wǎng)絡(luò)來看,植物功能性狀的發(fā)文作者之間交流較多,學(xué)者之間的聯(lián)系較緊密。

圖6 作者合作共現(xiàn)圖譜Fig.6 The network of author cooperation節(jié)點(diǎn)越大,作者的發(fā)文次數(shù)越多,反之越少;CiteSpace設(shè)置：Node Types: Author, Selection Criteria: Top 25%, 其他采用默認(rèn)設(shè)置

3 結(jié)論與建議

本文利用CiteSpace 對(duì)1992—2017年來自SCI中植物功能性狀相關(guān)文獻(xiàn)信息進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)和可視化分析。展示出了植物功能性狀研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量的年變化、知識(shí)基礎(chǔ)、研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)、核心發(fā)文國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)、發(fā)文作者的分布。由此得出以下結(jié)論：

1992—2017年植物功能性狀的發(fā)文量分為緩慢增長(zhǎng)—波動(dòng)增長(zhǎng)—平穩(wěn)增長(zhǎng)—快速增長(zhǎng)4個(gè)階段,這25年間植物功能性狀的研究主題不斷變化。1992—1995年為探索階段,主要關(guān)注“氣候變化”、“植被”、“生態(tài)系統(tǒng)”、“模型”等；1996—2003年為發(fā)展階段,規(guī)范了植物功能性狀的概念和測(cè)定方法,關(guān)注“干擾”、“物種多樣性”、“生產(chǎn)力”等；2004—2010為平穩(wěn)階段,關(guān)注“土地利用變化”、“碳平衡”、“植物性狀”；2011—2017年為拓展階段,出現(xiàn)了創(chuàng)新性的“經(jīng)濟(jì)譜”、“功能多樣性”、“性狀生態(tài)位”等熱點(diǎn)。植物功能性狀研究?jī)?nèi)容規(guī)范性和系統(tǒng)性逐漸增強(qiáng),由最初模糊冗雜的定義發(fā)展到規(guī)范明確的概念和理論方法。研究范圍從區(qū)域尺度擴(kuò)展到全球范圍。研究領(lǐng)域從個(gè)體、種群、群落擴(kuò)展到生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)層次。并廣泛運(yùn)用于草原、森林、陸地、濕地生態(tài)系統(tǒng)中,其中,氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、干擾是該研究領(lǐng)域始終關(guān)注的重點(diǎn)。

植物功能性狀的研究力量主要分布在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家。發(fā)文機(jī)構(gòu)較多,其中,中國(guó)科學(xué)院位居第一,占據(jù)主要地位。在植物功能性狀研究領(lǐng)域貢獻(xiàn)較高的作者是Sandra Lavorel, Peter B Reich, Johannes H C Cornelissen,提出植物功能性狀的概念和理論、規(guī)范了研究方法,推動(dòng)植物功能性狀的發(fā)展。

隨著植物功能性狀測(cè)量技術(shù)進(jìn)步和各種模型的建立,使其成為探索各類生態(tài)學(xué)前言問題的重要手段。綜合前文分析結(jié)果,仍有值得未來探索和研究的方向：

(1)研究發(fā)現(xiàn)葉性狀(比葉面積、葉經(jīng)濟(jì)譜)和莖性狀(莖密度)關(guān)鍵詞的突現(xiàn)性和頻次較高,而缺乏地下部分根相關(guān)研究的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞?？赡芤蛑参锏厣喜糠秩菀撞杉蜏y(cè)量,莖、葉功能性狀取得較大進(jìn)展。而地下部分根功能性狀研究相對(duì)困難,但是根系決定著植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收,影響植物的光合作用,并與植株高度、生長(zhǎng)速率密切相關(guān)。因此,未來還需要深入研究地下功能性狀,彌補(bǔ)地下部分(根)和地上部分(莖、葉)研究不平衡問題。其次,植物功能性狀不應(yīng)該單獨(dú)看待和分析,功能性狀之間是相互權(quán)衡的,今后應(yīng)該綜合分析植物功能性狀在不同器官間營(yíng)養(yǎng)元素及形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異,尤其是莖、葉、根、開花器官和種子的性狀。

(2)近年來植物功能性狀發(fā)文量快速增加,但熱點(diǎn)關(guān)鍵詞逐漸減少(圖1和圖3)。在未來的研究中應(yīng)利用先進(jìn)的技術(shù)手段,彌補(bǔ)當(dāng)前研究的不足,推動(dòng)理論和方法的創(chuàng)新。如,當(dāng)前植物功能性狀研究主要集中在某一時(shí)間段上的特定值,未考慮植物功能性狀在物種不同生長(zhǎng)發(fā)育階段和年際之間的動(dòng)態(tài)變化,所以還未探明植物功能性狀在時(shí)間尺度上的變化,這將是未來該研究領(lǐng)域重要的研究方向之一。同時(shí)缺乏不同空間上氣候、土壤和地形因子對(duì)植物功能性狀的影響。因此,今后可以構(gòu)建植物功能性狀的時(shí)間推演和空間模型,以及運(yùn)用先進(jìn)的遙感和激光雷達(dá)技術(shù),解決不同空間和時(shí)間上植物功能性狀的大量測(cè)定問題。

(3)在拓展階段(2011—2017年),植物功能性狀延伸到群落生態(tài)學(xué)研究中取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,并提出新穎的(功能)性狀生態(tài)位的概念,而此概念目前缺乏經(jīng)驗(yàn)證據(jù)支撐[40]。因此,今后可從以往研究物種分布轉(zhuǎn)向關(guān)注群落性狀分布,從物種生態(tài)位轉(zhuǎn)向關(guān)注性狀生態(tài)位,從而更加明確探尋群落構(gòu)建法則,并推動(dòng)植物功能性狀在群落生態(tài)的發(fā)展。同時(shí),在植物功能性狀的研究方法上,應(yīng)結(jié)合植物系統(tǒng)發(fā)育信息,植物功能性狀與物種自身的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系密切?？梢哉f遺傳變異和表現(xiàn)型可塑性決定了植物功能性狀的表達(dá),這兩個(gè)因素反映在種內(nèi)性狀變異和物種生態(tài)策略上。物種生態(tài)策略在發(fā)展階段(1996—2003年)得到關(guān)注,相對(duì)種內(nèi)性狀變異,現(xiàn)階段理論方法發(fā)展較為成熟。而種內(nèi)性狀變異具有重要的生態(tài)意義,影響物種相對(duì)適合度和競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度,尤其在局域尺度種內(nèi)變異難以忽略。因此,今后應(yīng)明確如何對(duì)種內(nèi)性狀變異進(jìn)行定量分析,并納入相關(guān)的模型研究。

(4)隨著全球氣候變化的不斷深入研究,植物功能性狀主要研究對(duì)環(huán)境因子(“溫度”、“土壤”、“氣候”)的響應(yīng),而氣候變化也引起物種衰減和不良的生態(tài)后果。因此,今后應(yīng)將植物功能性狀的研究運(yùn)用于物種保護(hù)和修復(fù)、以及生態(tài)系統(tǒng)管理的工作。例如,利用功能性狀來識(shí)別稀有種和瀕危種的特征,并采取相應(yīng)的保護(hù)措施,根據(jù)功能性狀的指示作用制定物種保護(hù)和修復(fù)策略。

(5)隨著全球植物性狀數(shù)據(jù)庫、西北歐植物區(qū)系性狀數(shù)據(jù)庫、地中海盆地植物性狀數(shù)據(jù)庫和德國(guó)植物區(qū)系植物性狀數(shù)據(jù)庫等的建立,相應(yīng)促進(jìn)該地區(qū)植物功能性狀的發(fā)展。而我國(guó)有著獨(dú)特的氣候和豐富的植被類型,為植物功能性狀的研究提供得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。為此,今后我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)與國(guó)際間的交流和合作,構(gòu)建核心學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì),領(lǐng)會(huì)上述數(shù)據(jù)庫的理論和方法體系,進(jìn)一步完善我國(guó)植物性狀的采集、測(cè)定和分析,推動(dòng)我國(guó)植物功能性狀數(shù)據(jù)庫的建立。