基于文獻計量學的農業(yè)廢棄物資源化利用研究現(xiàn)狀及態(tài)勢分析

王吉平，蘇天明，張野，王瑾，何鐵光

（廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院 農業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007）

農業(yè)廢棄物主要包括種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和相關農產品加工產生的廢棄物等，其資源化利用是農村環(huán)境治理、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色循環(huán)農業(yè)科技產業(yè)發(fā)展的重要保障。據(jù)估算，全球每年產生約2 000億t秸稈［1］,僅我國每年產生秸稈量就達近9 億t，產生的畜禽糞污達38 億t，但這些廢棄物的綜合利用率不到60%［2］。未實現(xiàn)資源化利用和無害化處理的農業(yè)廢棄物量大面廣，造成大量資源的浪費，且隨意亂堆亂放和焚燒處理，給城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境造成了嚴重影響，已成為當前土壤、水體和大氣污染的主要來源。隨著聯(lián)合國糧農組織提出的《聯(lián)合國2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》和我國發(fā)布的《全國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015年—2030年）》、《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018年—2022 年）》的有關決策部署中，將農業(yè)廢棄物資源化利用作為重要考核內容和指標；在2020 年9 月1 日實施的《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》第五章第六十五條中明確規(guī)定，對于作物秸稈和畜禽糞污，需回收利用，避免環(huán)境污染。因此，農業(yè)廢棄物的合理高效資源化利用已成為當前備受關注的熱點。

現(xiàn)有研究中，以秸稈為主要成分的種植廢棄物主要通過直接還田處理［3］、微生物降解轉化后肥料化或飼料化利用［4］、熱解轉化為生物炭［5］等方法實現(xiàn)資源化利用。同時，秸稈類木質纖維素原料的材料化利用［6］也是當前的研究熱點，其中選擇性分離提取木質纖維素的不同組成，制備納米纖維素材料或以木質素為原料合成其他材料等途徑得到廣泛的關注。由于木質纖維素成份結構交聯(lián)緊密，因此秸稈類廢棄物資源化的預處理工藝也是當前的研究重點［7,8］；以糞污為主的養(yǎng)殖廢棄物，其主要的資源化利用方式為厭氧發(fā)酵產生物沼氣［9］或堆肥后進行還田處理［10］。由于其含有重金屬和抗生素等有害成份，通過不同的發(fā)酵添加劑或工藝控制進行無害化處理［11］是其肥料化利用的前提。近年來隨著國際國內對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色循環(huán)農業(yè)發(fā)展的重視，農業(yè)廢棄物資源化利用研究日益深入，為充分了解目前國際國內對農業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，明確當前該領域研究的熱點和趨勢，本文通過國內外文獻數(shù)據(jù)庫發(fā)表的文獻進行計量學統(tǒng)計，從刊文數(shù)量變化、研究機構和主要作者分布和合作關系網(wǎng)絡、高頻關鍵詞等方面對當前在農業(yè)廢棄物資源化利用的研究熱點和發(fā)展態(tài)勢進行客觀分析和探討，以期為農業(yè)廢棄物的資源化利用領域進一步發(fā)展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中文文獻數(shù)據(jù)取自中國知網(wǎng)（CNKI）、萬方數(shù)據(jù)知識服務平臺和維普資訊中文期刊服務平臺，對3 大中文期刊檢索平臺采用高級檢索，檢索“主題”=“農業(yè)廢棄物”并含“利用”或者“主題”=“木質纖維素”并含“利用”或者“主題”=“養(yǎng)殖廢棄物”并含“利用”或者“主題”=“畜禽糞便”并含“利用”或者“主題”=“秸稈”并含“利用”，檢索時間為2015 年—2020 年，精確匹配檢索，期刊來源選擇中文核心期刊，檢索日期為2020 年6 月29 日。其中中國知網(wǎng)檢索到3 473 條結果，萬方數(shù)據(jù)庫檢索到3 730條結果，維普平臺檢索到1 679 條結果。下載所有檢索結果后，人工剔除重復結果和非相關結果后，最終得到3 655 條中文文獻檢索結果。

外文文獻數(shù)據(jù)選自美國科學信息研究所Web of science（WOS）數(shù)據(jù)庫中的Web of scienceTM核心合集，檢索式為：主題（Agricultural Waste Utilization）OR 主 題 （Lignocellulose Utilization） OR 主 題（Breeding waste Utilization） OR 主 題 （Livestock manure Utilization） OR 主題 （Straw Utilization），時間跨度為2015 年—2020 年，檢索日期為2020 年6 月29 日。共得到2 898 條結果。經(jīng)人工篩選剔除重復結果、信息不全結果和非相關結果后，共得到2 285 條英文文獻檢索結果。

1.2 分析方法

本文主要運用 CiteSpace（5.7.R1） 軟件［12］，分析2015 年—2020 年國內外發(fā)表有關農業(yè)廢棄物利用的研究工作內容及進展情況，包括發(fā)文時間、作者、國家、機構及關鍵詞和被引情況分析等。并對相關結果進行可視化，通過知識圖譜分析，獲取該研究領域近6 年來的研究現(xiàn)狀、熱點及未來發(fā)展態(tài)勢。

2 結果討論

2.1 發(fā)文量的時間分析

對2015 年—2020 年的中外文文獻進行發(fā)文量隨年份變化分析，2015 年—2019 年中外文文獻發(fā)表數(shù)量基本穩(wěn)定，且中文核心期刊文獻年發(fā)文量均高于外文文獻。其中中文核心期刊每年文獻發(fā)表量為700篇左右，整體數(shù)量較為穩(wěn)定，外文文獻平均發(fā)表量每年在450篇左右，呈逐年緩慢遞增態(tài)勢，2020年由于并未能完整計算，年文獻發(fā)表數(shù)量較低，按照每年發(fā)表文章數(shù)量來看，下半年將是該領域內文獻發(fā)表較為集中的時期。

圖1 2015 年—2020 年農業(yè)廢棄物資源化利用研究中外文文獻發(fā)文數(shù)量Fig.1 Number of papers published on agricultural waste recycling from 2015 to 2020

2.2 文獻發(fā)文國家及機構分析

2.2.1 中文文獻主要發(fā)文機構及合作網(wǎng)絡分析

農業(yè)廢棄物資源化利用是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內容，充分利用農業(yè)廢棄物資源已被聯(lián)合國作為2015年—2030年全球發(fā)展工作的目標之一。2015年—2020年中文文獻發(fā)表的機構及合作關系如圖2所示（不同單位之間的連線代表單位之間合作發(fā)文，連線顏色代表合作年份，紫色到紅色分別是2015 年—2020年；節(jié)點大小表明文章發(fā)表數(shù)量，節(jié)點越大說明文章發(fā)表數(shù)量越多，節(jié)點不同顏色的年輪面積代表不同年份的發(fā)文數(shù)量，可視化選擇每個切片Top50 的機構進行展示，且閾值大于等于10 的單位名稱會被展示出來），其中發(fā)文數(shù)量排名前5 的分別是中國科學院大學（55篇）、西北農林科技大學資源環(huán)境學院（37篇）、中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所（35篇）、沈陽農業(yè)大學工程學院（32 篇）和吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院（31 篇）。各單位之間的合作較為緊密，且中國科學院大學和中國農業(yè)科學院及中國農業(yè)大學作為農業(yè)研究方面的三大主力單位，與全國各省地方農科院和農業(yè)大學合作頻繁。主要發(fā)文單位中，中科院大學研究的主要方向包括秸稈還田對土壤理化性質及作物的生長影響［3,13］、廢棄物堆肥資源化的預處理工藝［14］及過程中物質及微生物變化機理［15,16］、畜禽廢棄物堆肥過程中重金屬和抗生素的鈍化降解［11,17］等。

圖2 中文文獻主要發(fā)文機構及合作情況可視化Fig.2 Visualization of main publishing institutions and cooperation of literature in Chinese

2.2.2 外文文獻主要發(fā)文國家和機構及合作網(wǎng)絡分析

外文文獻主要發(fā)表國家中，中國（829）、印度（291） 和美國 （237） 為 2015 年—2020 年發(fā)文前 3 的國家，其中中國科學院發(fā)表文獻123 篇，是從事農業(yè)廢棄物研究全球發(fā)表成果最多的單位。各個國家及機構間合作關系網(wǎng)絡如圖3（不同單位之間的連線代表單位之間合作發(fā)文，連線顏色代表合作年份，紫色到紅色分別是2015 年—2019 年）。在中國機構發(fā)表的外文文獻中，大部分合作均在國內的單位中發(fā)生，清華大學、西北農林科技大學和南京農業(yè)大學、中國農業(yè)科學院等也保持著與國外相關機構在農業(yè)廢棄物資源化利用領域的合作，美國、印度的下屬研究機構也是本國內的合作更為緊密，而歐洲國家在各國間的合作更多，這可能是由于其地理位置相近所導致的。

中國研究機構發(fā)表的外文文獻在2015 年—2019年發(fā)文量呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢，分別發(fā)表外文文獻99、137、143、197 和253 篇。發(fā)表的文獻中被引次數(shù)前5 的文獻均為綜述，分別是厭氧發(fā)酵在沼氣方面的研究進展，主要綜述了影響厭氧發(fā)酵過程的因素尤其是發(fā)酵助劑的應用［18］，木質纖維素能源化利用的預處理方法［19］及利用其制備有機污染物吸附劑［20］，土壤鎘污染修復的有機改良劑生產及應用［21］及糞肥管理的有效利用途徑和方法［22］。美國近年來發(fā)表的高被引用論文中，更多的著眼于探索微生物利用木質纖維素原料生產下一代生物燃料及調節(jié)微生物的中央代謝來優(yōu)化生物燃料的生產［23］、提取分餾木質素實現(xiàn)木質素到芳香族的高效選擇性轉化［24］和氣化有機物發(fā)酵轉化為燃料或化學品［25］等，這些研究方向產生的產品價值相對更高，但產業(yè)化難度也更大，是未來農業(yè)廢棄物高值化利用的前沿熱點。在木質纖維素的材料化利用領域，利用木質纖維素原料制備納米纖維素［6,26］也是當前該領域內熱門的研究方向之一。

圖3 外文文獻主要發(fā)文國家和機構及其合作關系網(wǎng)路可視化Fig.3 Visualization of main publishing institutions and countries and cooperation network of literature in foreign language

2.3 文獻發(fā)文作者及合作關系分析

2.3.1 國內文獻作者發(fā)文情況及合作關系分析

農業(yè)廢棄物資源化利用研究領域中，檢索時間范圍內中文文獻發(fā)表數(shù)量最多的學者分別是趙立欣（34 篇）、孟海波（33 篇）、常志洲（24 篇）、姚宗路（22 篇）和張敏（18 篇），各學者間的合作網(wǎng)絡關系如圖4 所示。其中，發(fā)文量較多的學者之間合作更為緊密，整體呈現(xiàn)較強的區(qū)域性合作。在發(fā)文較多的作者中，研究內容主要研究集中在秸稈類廢棄物的厭氧發(fā)酵［27-29］、秸稈熱解炭化工藝過程物質變化研究和相關設備開發(fā)［30,31］，以及畜禽糞便在發(fā)酵過程中抗生素和重金屬等污染物的消解鈍化作用和機理［10,32,33］等。綜上，該領域內發(fā)表中文文獻的作者主要研究農業(yè)有機廢棄物肥料化利用的過程機理和配方開發(fā)，秸稈類廢棄物預處理工藝和熱解炭化后再利用等；對于養(yǎng)殖廢棄物則更多關注其厭氧發(fā)酵利用和在堆肥過程中抗生素和重金屬的降解和鈍化作用及機理，為實現(xiàn)其無害化利用提供研究基礎。

圖4 中文文獻作者發(fā)文情況及合作網(wǎng)絡可視化Fig.4 Visualization of authors and cooperation network in publication of literature in Chinese

2.3.2 外文文獻作者發(fā)文情況及合作關系分析

外文文獻作者發(fā)文情況及合作關系見圖5。中國作為該領域內發(fā)文數(shù)量最多的國家，發(fā)文的作者數(shù)量最多且國內合作更為密切，說明我國在農業(yè)有機廢棄物資源化利用領域研究更加廣泛和深入。外文文獻作者發(fā)文情況整體呈現(xiàn)區(qū)域性合作關系，合作密切程度與不同地區(qū)發(fā)文作者數(shù)量呈正比?？偘l(fā)文數(shù)量不低于5篇的前7位作者中，6位為中國科學家，另一位為印度學者。其中，Sun主要研究秸稈類廢棄物中木質纖維素成分的分離提取過程和催化劑研究［34,35］，Liu 更多的致力于有機廢棄物厭氧發(fā)酵及生物炭轉化研究［36,37］；Li 對玉米秸稈和玉米芯水解過程和水解液發(fā)酵生產其他高值化學品的研究十分深入［38,39］；KUMAR 采用耐高溫微生物實現(xiàn)木質纖維素廢棄物轉化為生物乙醇［40］，是一種更加高效的廢棄物能源化的有效途徑。

圖5 外文文獻作者發(fā)文情況及合作關系可視化Fig.5 Visualization of authors and cooperation network in publication of literature in foreign language

2.4 關鍵詞共現(xiàn)分析

2.4.1 中文關鍵詞分析

對中文文獻進行關鍵詞頻次和聚類分析，選擇每個切片top50進行2015年—2020年的關鍵詞頻次和聚類分析，得到的結果如圖6 所示（不同顏色聚類模塊為相關文獻發(fā)表的年份，紫色為2015 年，紅色為2020 年，顏色與年份的對應關系見圖正上方。關鍵詞節(jié)點大小代表其出現(xiàn)的頻次，頻次越大節(jié)點越大，關鍵詞之間的連線代表和顏色代表其之間的聯(lián)系和發(fā)生的年份，紅色標簽為聚類結果。聚類運行說明中，Modularity：聚類模塊值（Q值），Q＞0.3 意味著聚類結構顯著；Silhouette：S值：聚類平均輪廓值，S＞0.5 聚類是合理的，S＞0.7 意味著聚類是令人信服的），聚類結果中，關鍵詞更多出現(xiàn)在木質纖維素降解和厭氧發(fā)酵過程方面，同時輔以產品還田后的評價體系，對作物生長、土壤理化性質和生物學性質的影響。不同年份關鍵詞聚類結果見表1，整體上研究的對象沒有發(fā)生變化，主要集中在種植、養(yǎng)殖廢棄物和農業(yè)加工產業(yè)產生的廢棄物。但在具體的利用方式上從的微生物降解或厭氧發(fā)酵擴大到制備生物炭等方面，利用途徑不斷拓寬，針對不同組分的利用也更為細化，且更加關注其肥料化還田后對土壤和作物的安全性評價，對物料中的抗生素和重金屬及土壤中重金屬的消解和鈍化的研究愈來愈多，同時也著眼于實際處理成本和經(jīng)濟效益，選擇快、省、好的農業(yè)廢棄物資源化利用方式，促進技術落地和利用成本的降低。

表1 2015 年—2020 年中文文獻關鍵詞聚類結果Table 1 Keyword clustering results of Chinese literature from 2015 to 2020

2.4.2 外文文獻關鍵詞分析

外文文獻的關鍵詞頻次和聚類結果分析詳見圖7，選擇范圍因子g-index K=25 進行文獻關鍵詞分析，共聚類得到20 個聚類標簽，聚類主要包含木質纖維素廢棄物的結構研究和預處理、生物轉化、肥料化及能源化研究等，畜禽糞便的厭氧發(fā)酵沼氣生產和堆肥研究等，總體與中文文獻的研究方向和內容相近。但側重點更多的偏向于廢棄物能源化、材料化利用研究［41］，且研究深度更為細化，材料方向更趨向于微觀結構領域［7］。

在按年度進行的關鍵詞共現(xiàn)及聚類的分析結果中（表2），整體的聚類結果不同年份間相似性較高。厭氧發(fā)酵和生物沼氣、生物乙醇的轉化研究、木質纖維素原料的結構成分和預處理工藝研究是當前的研究熱點。同時聚類結果表明，利用生物轉化技術進行農業(yè)廢棄物的資源化利用尤其是開發(fā)不同種類的功能微生物進行廢棄物的資源化轉化，并將農業(yè)廢棄物往高值化、低污染的方向利用，是該領域研究熱點的發(fā)展趨勢。

圖7 外文文獻關鍵詞聚類分析Fig.7 Keyword clustering analysis of foreign literature

表2 2015 年—2019 年外文文獻關鍵詞聚類結果Table 2 Keyword clustering results of foreign literature from 2015 to 2019

續(xù)表

2.5 外文文獻引文分析

外文文獻中，2015 年—2020 年發(fā)表的文獻引用文獻情況如圖8 所示（A：外文文獻引文作者次數(shù)分析；B：外文文獻引文引用次數(shù)分析；C：外文文獻引文來源期刊分析）。其中，被引用次數(shù)前三的作者（圖8A），引用其發(fā)表的文獻主要研究領域為木質纖維素廢棄物中納米纖維素或納米材料的提取分離［6］、生物轉化木質纖維素高效預處理工藝及高值化學品或中間產物的生產［8,42,43］，秸稈類青貯或養(yǎng)殖廢棄物發(fā)酵過程中添加劑的開發(fā)和應用［9,44］等。高被引作者研究的領域大部分集中在木質纖維素廢棄物的資源化利用方面，該領域研究發(fā)表的論文更多且研究更為全面；養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的研究更少，這是因為種植業(yè)產生的廢棄物資源量多、分布廣且自身存在的毒害性更少，資源化利用方式更為多樣化；而養(yǎng)殖廢棄物由于其區(qū)域化、集約化程度高，利用方式相對較少，主要集中在厭氧發(fā)酵生產沼氣和堆肥還田等方面，故總體發(fā)表的文獻數(shù)量也更少。

圖8 外文文獻引用文獻分析結果可視化Fig.8 Visualization of analysis results of foreign literature citation

2015 年—2020 年發(fā)表的外文文獻的引文中，高引文獻引用次數(shù)最多的文獻 （圖8B）主要對木質纖維素生產乙醇的先進且低成本的預處理工藝進行了詳細的綜述，預處理的目的是為了提高原料的水解率，獲得更高的糖產量，化學和熱化學可能是目前最有效和最有前途的預處理工業(yè)應用技術［45-47］。同時木質纖維素中的木質素的高效提取和回收利用也作為當前研究的熱點得到研究者的廣泛關注［48,49］。這些被引用的文獻來源最多的期刊分別是Bioresourse Technology（1428次），Biomass&Bioenergy（726次）和 Renewable&Sustainable Energy Reviews（603 次）（圖8C），說明這三個雜志在該領域的權威性較高，這也與期刊的自身定位相關，其均將生物質資源的利用和轉化作為錄用文章選材重點。因此，這三類期刊可作為農業(yè)廢棄物資源化利用的權威性期刊，研究人員可通過這三個期刊的文獻更好更快地了解到該研究領域的發(fā)展情況和最新前沿技術。

3 結論

本文基于文獻計量學的方法對近6年來已發(fā)表的國內外針對農業(yè)廢棄物資源化研究領域的文獻數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析得出在這段期間內該領域文獻年發(fā)文總量基本趨于穩(wěn)定，且呈緩慢上升的趨勢；發(fā)文單位之間存在著較為密切的合作關系，但呈現(xiàn)一定的區(qū)域性合作，中國科學院是該領域內發(fā)表論文最多的科研單位。中文文獻主要研究的熱點為木質纖維素資源的微生物降解、肥料化和能源化利用機理和工藝研究，養(yǎng)殖廢棄物的厭氧發(fā)酵和有害成分的消減，同時趨于利用木質纖維素資源生產生物炭和細化組分進行微生物降解利用等；外文文獻的主要研究熱點與中文文獻類似，但整體研究趨勢更偏向于廢棄物的能源化和材料利用，如生產生物乙醇或分解糖化后利用微生物轉化成其它高值化學品；材料化利用方向趨于組分細化和微觀化，如將木質纖維素組分中木質素分離回收作為原料生產其它產品等。中外文文獻中，養(yǎng)殖廢棄物的利用更多傾向于厭氧發(fā)酵產沼氣或堆肥后還田，同時關注其中的有害物質的消減規(guī)律和機理，以期實現(xiàn)其全量無害化利用；木質纖維素原料的預處理是普遍關注且研究較多的熱點前沿，更好的預處理工藝能拓寬其資源化利用的方式，為實現(xiàn)農業(yè)有機廢棄物資源化利用建立堅實的基礎。

農業(yè)廢棄物資源化利用是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和構建生態(tài)文明，促進人與自然和諧的重要措施，隨著國內外相關政策的實施和高質量社會的發(fā)展，該領域的研究成果將會再次出現(xiàn)增長，研究內容和方向也將得到進一步拓展。本文總結了近6 年來國內外農業(yè)廢棄物資源化利用的主要方式和重大研究成果，探討了該領域的研究熱點和發(fā)展態(tài)勢，為農業(yè)廢棄物資源化利用研究的進一步發(fā)展提供了一定的科學參考。