基于專利文獻分析的土壤污染修復技術發展現狀與展望

串麗敏，鄭懷國*，趙同科，趙靜娟，顏志輝，張曉靜

（1.北京市農林科學院農業科技信息研究所，北京市農村遠程信息服務工程技術研究中心，北京 100097；2.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097）

基于專利文獻分析的土壤污染修復技術發展現狀與展望

串麗敏1，鄭懷國1*，趙同科2*，趙靜娟1，顏志輝1，張曉靜1

（1.北京市農林科學院農業科技信息研究所，北京市農村遠程信息服務工程技術研究中心，北京 100097；2.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097）

為明確土壤污染修復技術在世界范圍的研究布局和發展態勢，基于德溫特專利創新索引數據庫（Derwent Innovation Index，DII）對2005—2013年土壤污染修復技術專利進行了計量學統計，并探討了該技術的研究布局、研究重點及發展趨勢。結果顯示，世界范圍內土壤污染修復技術涉及的專利申請量逐漸增長，土壤污染修復技術研究較為活躍。中國是該技術領域主要的專利申請國，也是最大的技術來源國，其專利數量從2005年逐年上升，尤其是2009年以后呈現快速上升趨勢。土壤污染修復技術相關專利涉及的學科領域呈現交叉趨勢，技術布局廣泛，主要涉及化學、儀器與儀表、工程學、水資源學等方面。土壤污染修復領域主題詞聚類分析顯示，土壤砷、鎘、鉛、鉻污染是該領域的研究熱點，土壤污染物的穩定固化、植物修復、電動化修復、添加調理劑、土壤淋洗、離子束、分離回收等是可供采用的重要技術，并且2010年以后，污染物穩定固化、植物修復、添加調理劑修復技術的研發活動更為活躍。基于以上研究，認為今后應加強研發高效經濟的土壤污染修復技術，注重已有專利成果的轉化，促進專利的市場應用，使其發揮更大的社會和經濟效益。

土壤污染；土壤修復；專利；文獻計量；發展態勢

土壤作為陸地生態系統重要組成部分，是人類和動物居住不可替代的環境因子，也是食物安全與人體健康的基本保障，在保護環境和維持生態平衡中具有重要作用。2013年年底第二次土壤調查結果顯示，我國耕地總面積為1.353億hm2，由于生態承載問題日益突出，受到中重度污染的耕地面積約為333.3萬hm2，適宜穩定利用的耕地約為1.2億hm2[1]。面對土壤污染的嚴峻形勢，如何修復已成為當今農業、生態和環境科學領域研究的熱點。為了實現土地的可持續利用，保障人類獲得充足且安全的食品和生活環境，迫切需要研究并提出經濟、高效、可行的土壤污染修復技術。

專利信息能反映最新的科技發明、創造和設計，其所包含的科技信息中有80%未被其他媒體公開過，是重要的科技情報信息源。通過對專利文獻的深入分析，可以對特定技術領域發展做出趨勢預測，對競爭對手進行跟蹤研究等，從而為國家、行業、企業生產經營決策和管理決策提供信息支撐[2-4]。專利的文獻計量分析可以客觀、定量地反映某一學科的宏觀發展態勢，并已被不少學科所采用，在農業、林業、環境科學、新能源利用等方面，學者已經做過大量的文獻計量分析，研究方法也較為成熟[5-11]。有專家指出，科學文獻的數量和質量是對科學技術水平的一種重要量度[12-14]。從文獻計量角度探討科學研究布局和發展態勢是一種有效的途徑和方法[15-17]。

為明確土壤污染修復技術領域在世界范圍的研究布局和發展態勢，本研究基于德溫特專利創新索引數據庫（Derwent Innovation Index，DII）對土壤污染修復技術領域的專利進行計量學統計，探討該技術的研究現狀、研究重點及發展趨勢，為土壤環境學科的發展、研究布局的規劃以及為我國土壤污染修復技術的創新和政府管理部門農業環境保護決策的制定提供參考與借鑒。

1 數據來源與統計方法

本部分以湯森路透的德溫特專利創新索引數據庫作為數據源，分析土壤污染修復領域相關的專利情況，檢索式如下：TS（主題詞）=（soil or field or farmland or cropland）AND（pollut*or contaminat*）AND（removal or remediat*or decontaminat*or stabilizat*or phytoremediat*or bioremediat*or co-remediat*or phytoextract*or phytostabilizat*or phytoinfiltrat*or phytovolatilizat*or localizat*or accumulat*or hyperaccumulat*or amendments or additives）。檢索時間跨度為2005—2013年，檢索日期為2014年8月18日（由于專利申請日和公開日之間通常存在18個月的滯后期，2013年的專利數量僅供參考）。以檢索到的全部專利為數據集，利用湯森路透的數據分析工具Thomson Data Analyzer（TDA）和Aureka專利在線分析工具等，從專利年度申請趨勢（按基本專利年，下同）、專利受理機構、優先權國家、主要申請機構、學科領域和技術布局、高被引專利等角度對土壤污染修復技術領域相關專利數據進行了計量統計與文本挖掘分析。

2 結果與討論

2.1 專利申請宏觀態勢分析

2.1.1 專利申請數量及年度變化趨勢

結果顯示，與土壤污染修復技術相關的專利申請共2145項。相關專利申請量的變化可以反映全球范圍在該技術領域創新發明的活躍程度。2005—2013年期間，在土壤污染修復技術領域專利的年度申請量變化如圖1所示。結果顯示，2005—2010年，土壤污染修復技術領域的專利申請量逐漸增長，但是漲幅較為緩慢，2010年以后，該技術領域的專利申請量出現較快增長趨勢，尤其在2013年專利申請量達到432項，是2012年（256項）的1.7倍。可見，土壤污染修復技術領域的創新發明在2013年達到近幾年來的活躍高峰。

2.1.2 專利申請全球布局分析

不同專利受理機構的專利受理數量一定程度反映了該領域在全球的布局狀況。根據對土壤污染修復技術相關專利申請受理機構的統計（表1），受理量最多的前10個機構依次為中國國家知識產權局（CN）、美國專利商標局（US）、日本專利局（JP）、世界知識產權組織（WO）、韓國專利局（KR）、歐洲專利局（EP）、加拿大知識產權局（CA）、俄羅斯專利局（RU）、澳大利亞知識產權局（AU）和德國專利局（DE），說明土壤污染修復技術在以上眾多區域布局廣泛，市場也較為活躍。排名前10位國家的專利受理量占專利申請總量的89.2%，其中中國國家知識產權局受理的專利數量最多，為738件，占專利申請總量的21.2%，表明中國在土壤污染修復技術領域的研究和應用最為活躍。位居第二的美國專利商標局專利受理量為611件，占專利申請總量的17.6%，排名第三位的日本專利局為488件，占專利申請總量的14.0%。澳大利亞和德國專利受理機構的受理數量在100件以下。

圖1 2005—2013年土壤污染修復技術領域相關專利申請數量的年度變化Figure 1 The quantity of patent application in the field of contaminated soil remediation technology from the year 2005 to 2013

表1 受理土壤污染修復技術領域相關專利申請最多的前10個專利機構Table 1 The top10 institutions accepting the patent application related to contaminated soil remediation technology

2.1.3 專利技術來源國分析

優先權國一般意味著技術原創國。申請量排名在前10位的優先權國家分別為中國、美國、日本、韓國、加拿大、俄羅斯、德國、法國、歐洲專利局、英國（圖2）。排名第一位的中國在該領域的專利申請量高達627項，遠遠高于排名第二位和第三位的美國（514項）和日本（422項），說明中國是土壤污染修復領域最大的技術來源國。排名第四位和第五位的是韓國和加拿大，在土壤污染修復領域享有的優先權專利分別為244項和106項。其余國家的專利優先權申請量均在100項以下，遠遠低于上述排名靠前的國家。

中國在土壤污染修復技術領域的專利數量從2005年逐年上升，尤其是2009年以后呈現迅猛上升趨勢，超過了美國和其他國家（圖3）。美國在土壤污染修復技術領域的專利數量在2005—2013年基本平穩，保持在42～69項范圍。日本在2005年的專利數量高于中國和美國，然而到2010年開始呈現下降趨勢，在2013年的專利數量突然激增。韓國在土壤污染修復技術領域的專利數量保持在17～32項之間，其余國家每年在土壤污染修復技術領域的專利數量多在10項以內。

2.2 專利技術發展與布局分析

圖2 土壤污染修復技術領域相關專利排名前10位的優先權國家分布Figure 2 The top10 priority countries in the field of contaminated soil remediation technology

2.2.1 專利涉及的學科領域分析

根據德溫特數據庫的學科分類，分析土壤污染修復技術領域相關專利共涉及23個學科領域，其中分布較多的前10個主要是化學、儀器與儀表、工程學、水資源學、高分子科學、農學、生物技術與應用微生物學、能源與燃料、公共、環境與職業健康、藥物學與藥劑學（圖4）。涉及化學領域的專利數量最多，為1542項，占專利申請總量71.9%；其次是儀器與儀表領域，為1394項，約占專利申請總量的65.0%；排名第三的是工程學領域，為1081項，占專利申請總量的50.4%。其余學科領域的專利申請量在2～537項之間，遠遠低于前三個學科領域的申請量。

2.2.2 基于IPC分類的技術布局分析

涉及的專利主要分布在“污染土壤的再生”以及“水、廢水、污水或污泥的處理”兩個技術方向上（表2），IPC專利類別分別為“B09C”和“C02F”，專利申請數量分別為780項和479項，各占專利申請總量的36.4%和22.3%。還有一些技術方向主要分布在“微生物或酶；其組合物；繁殖、保藏或維持微生物；變異或遺傳工程；培養基”、“分離”、“通過產生化學變化使有害的化學物質無害或減少害處的方法；用于防護有害化學試劑的覆蓋物或衣罩的材料組合物等”、“χ，γ輻射、微粒輻射或粒子轟擊的防護；處理放射性污染材料；及其去污染裝置”、“固體廢物的處理”、“不包含在其他類目中的各種應用材料；不包含在其他類目中的材料的各種應用”、“化學或物理方法，例如，催化作用、膠體化學；其有關設備”以及“園藝；蔬菜、花卉、稻、果樹、葡萄、啤酒花或海菜的栽培；林業；澆水”等方面，這些方向的專利數量在88～202項之間，其余技術方向的專利數量在80項以下。

圖3 土壤污染修復技術領域相關專利排名前10位的優先權國家年度專利數量變化Figure 3 The quantity of the top10 priority countries each year in the field of contaminated soil remediation technology

圖4 土壤污染修復技術相關專利涉及的前10個學科領域分布情況Figure 4 The distribution of the top10 subject areas in the field of contaminated soil remediation technology

2.2.3 基于德溫特分類的技術布局分析

土壤污染修復領域相關的專利主要分布在A、B、D、P、J、K、H、X八個部，即聚合物、塑料，藥物，食品、洗滌劑、水處理、生物技術，一般工程，化學工程，核子能、爆破、防護，石油，電力工程等（表3）。具體分布主要為P43、D15、D16、J01、K07等技術方向，其中分布在“P43”（分類、清洗；廢物處置）技術方向的專利有812項，排名第二位的“D15”代表“水處理、工業廢水和生活污水”的專利539項，排名第三位的“D16”表示“發酵工業”，該技術領域的專利數量有328項，前三項分別占專利申請總量的37.9%、25.1%和15.3%。其余專利的技術方向主要分布在包括蒸發、結晶等分離、物理保健、未分類的其他小商品、大型運輸和存儲系統、救生、消防、工業電氣設備、天然產物和聚合物、測試、未知結構的化合物等方面。

2.2.4 基于主題的專利聚類分析

運用Thomson Innovation中的ThemeScape專利地圖工具對檢索到的專利數據進行主題詞聚類分析，可以發現領域的技術熱點。從圖5可以看出，土壤污染修復領域相關專利中，土壤砷、鎘、鉛、鉻及有機污染物一直是土壤污染修復領域研究的熱點，污染物的穩定固化、植物修復、電動化、添加調理劑、土壤淋洗、離子束、分離回收等是可供采取的重要技術。通過時間切片的分析工具比較2005—2010年以及2010年以后專利產出的主題分布，發現2010年后各國在土壤砷、鎘、鉛、鉻污染方面開展了大量研究和技術研發，在重金屬穩定固化、植物修復、添加土壤調理劑修復技術上近幾年研發活動較為活躍。

表2 土壤污染修復相關專利涉及的IPC分類前10個技術方向Table 2 The top10 IPC classifications in the field of contaminated soil remediation technology

表3 土壤污染修復領域相關專利涉及的德溫特分類布局Table 3 The top10 Derwent classifications in the field of contaminated soil remediation technology

圖5 土壤污染修復領域專利聚類分析Figure 5 Patent cluster analysis for contaminated soil remediation

3 結論與展望

3.1 主要結論

通過對土壤污染修復相關專利分析，獲得的主要結論如下。

（1）2005—2013年土壤污染修復技術領域涉及的專利申請量逐漸增長，研究較為活躍。2013年達到近幾年來專利申請量的高峰，排名在前10位的優先權國家分別為中國、美國、日本、韓國、加拿大、俄羅斯、德國、法國、歐洲專利局、英國。中國在土壤污染修復技術領域的專利數量從2005年逐年上升，尤其是2009年以后呈現迅猛上升趨勢。

（2）土壤污染修復領域相關專利涉及的學科領域呈現交叉趨勢，技術布局廣泛。主要涉及化學、儀器與儀表、工程學、水資源學、高分子科學、農學、生物技術與應用微生物學、能源與燃料、公共、環境與職業健康、藥物學與藥劑學等領域。主要分布在“污染土壤的再生”以及“水、廢水、污水或污泥的處理”兩個技術方向上。“χ，γ輻射、微粒輻射或粒子轟擊的防護；處理放射性污染材料；及其去污染裝置”技術方向的專利保護越來越得到重視。

（3）基于主題詞的分析結果顯示，土壤砷、鎘、鉛、鉻及有機污染物一直是土壤污染修復領域研究的熱點，污染物的穩定固化、植物修復、電動化、添加調理劑、土壤淋洗、離子束、分離回收等是采取的重要技術。2010年以后，中國土壤最受關注的是重金屬和有機污染物，更傾向于生物修復技術，主要是植物修復和生物降解，電動化、淋洗、固定化等技術也同時發展。通過添加表面活性劑、螯合劑、調理劑、叢枝菌根、微生物接種劑等方法對污染土壤進行原位和異位修復是其重要研究熱點。同時，基于農產品安全的風險評估也逐漸受到重視，并通過作物對污染土壤的響應以及土壤微生物有效性、微生物群落多樣性、環境污染風險等方法開展土壤污染風險評估。

表4 2010—2013年比2005—2009年出現頻率高的前50個土壤污染修復相關專利主題詞Table 4 The higher frequency of top 50 phrases in patent of 2010—2013 than 2005—2009 related to contaminated soil remediation

3.2 問題歸納

基于土壤污染修復領域的發展現狀，發現目前在研究和應用中仍然存在如下問題。

（1）當前研究多著重于實驗室或盆栽的模擬修復，已有的技術成果實際應用到現實的修復工程中還不夠廣泛，多數仍然處于研究試驗階段。

（2）雖然我國在土壤污染修復領域的專利申請量位居世界前位，并且主要的科研院所和高校也有專利申請，但是整體申請數量仍然偏低，保護范圍還不夠廣泛，缺少本國專利的國際戰略保護。在土壤污染修復領域相關的專利產權保護意識有待進一步加強。

（3）在研究布局上，我國與發達國家和地區差別不是很大，均主要開展修復機理、技術研發、工程應用、風險評估和修復效果評估方面的研究；采用的修復技術主要集中在植物修復、微生物修復、化學修復和物理修復；針對的污染物也主要是重金屬（包括鎘、鉻、鋅、鉛、砷和汞等）及持久性有機污染物，特別是多環芳烴。但是總體而言，除了上述幾個方面，發達國家早期還布局了放射性物質（如銫和鍶）的污染修復，設立了服務推廣項目和突發事件應對計劃。隨著自然災害等突發事件的增多，以及人為的放射性物質泄漏等事件給生態環境和人類健康造成了巨大威脅。我國在設立一些有關土壤污染修復的應急計劃，防御性地布局具有潛在危險的有害物質的污染修復研究方面還存在不足。

3.3 發展途徑

針對土壤污染修復技術發展現狀，結合當前國家發展需求，提出今后應在以下幾方面加強工作：

（1）注重加強污染源頭防控：土壤污染防治重在“防控”。對于未污染的農田土壤，應科學施用土壤化學投入品，對化肥、農藥等農用化學品進行科學管理和施用，避免由于過量施肥或劇毒高殘留農藥引起的土壤污染。嚴格禁止將具有污染土壤性質的工業項目建在居民生活區與引導發展的農業區，針對生活垃圾對土壤的污染，應實行垃圾分類回收，綜合利用可再生資源，搞好填埋區植被覆蓋，減輕污染。確定區域污染物質的排放量，允許的種類、藥量和濃度。制定相應監管政策和稅收政策，嚴格限制污染源排放，做到責任到人，控制并實時監測污染排放源頭，堅決杜絕污染物肆意排放。在有代表性的地區定期采樣或定點安置自動監測儀器，進行土壤環境質量的測定，以觀察污染狀況的定期變化規律，做好污染監測預警。從源頭上杜絕土壤點源污染擴大化，嚴格防控土壤污染。

（2）促進修復技術攻關：對于已經污染的土壤，確有必要恢復的，要著力探索經濟實用可行的綜合型修復技術，促進科技攻關。單一的修復技術已不能滿足當前對于土壤污染治理的需求，今后的研究方向應該是多種技術的有機結合。加強土壤調理劑研發與應用，開發與螯合劑協同作用的土壤改良劑，探索螯合誘導與其他生物工程結合的聯合修復技術，探索作物最佳施肥技術和病蟲害生物防治技術，開展修復技術的環境風險評估以及經濟可行性評價。

運用分子生物學和基因工程技術，強化超富集植物材料的篩選。在引入超富集植物之前，充分論證其造成生物入侵等的負面風險評估，因地制宜地誘導、培育本地兼具高生物量和高富集能力的植物。充分利用生態位差異的優勢，開展超富集植物與農作物的間套作研究以及木本和草本植物聯合修復的研究。

（3）加強技術成果的應用示范與推廣：理論研究終歸是要投入應用實踐，科學研究要與應用實踐并重。土壤污染修復技術的應用在很大程度上依賴于修復設備和監測設備的支撐。在經濟實用可行的土壤污染修復技術研發的基礎上，兼顧經濟效益和生態效益，研發先進適用裝備和高效低成本功能材料，加強重金屬氣提、氧化還原、熱脫附、淋洗等物化修復設備的研發以及工程的規模化，增強修復技術和裝備的應用示范與推廣，注重已有技術成果的轉化，進而有序促進土壤修復產業發展，使基礎的理論研究用于指導應用實踐，發揮更大的社會和經濟效益。

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The development status and future prospective of remediation technology for contaminated soils based on patent analysis

CHUAN Li-min1,ZHENG Huai-guo1*,ZHAO Tong-ke2*,ZHAO Jing-juan1,YAN Zhi-hui1,ZHANG Xiao-jing1
（1.Institute of Information on Science and Technology of Agriculture,The Research Center of Beijing Engineering Technology for Rural Remote Information Services,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China;2.Institute of Plant Nutrition and Natural Resources,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences,Beijing 100097,China）

The remediation of contaminated soil is a hot topic in the field of agricultural,ecological and environmental sciences.In this paper,the present research distribution,the main research themes and the develop trend of remediation technology for contaminated soil were analyzed based on patents in the period of 2005—2013 retrieved from the Derwent Innovation Index.The results showed that the number of patent applications related to soil remediation gradually increased in the world,suggesting the research in this field is more active in these years.China is not only the major country of patent application,but also the largest country of technology origin.The number of patents applied increased year by year from 2005,especially after 2009.Patents related to polluted soil remediation also showed an interdisciplinary trend,and span across a wide range of disciplines,including chemistry,instruments&instruction,engineering,water resources and other aspects.Patent cluster analysis showed that arsenic,cadmium,lead,chromium pollution were the hot research fields,and contaminants sta-bilization in soil,phytoremediation,electrokinetic remediation,amendments addition,soil leaching,ion beam,separated and recovered the pollutants were the important technologies applied in soil remediation.It was also emphasized that the research and development activities in contaminants stabilization,phytoremediation,and amendments addition become more active after 2010.Based on the above findings,it is recommended that low-cost and high-efficiency technologies for soil remediation should be focused on developing,and current available technologies and theories should be applied in practice to provide increased social and economic benefits.

soil contaminated;soil remediation;patent;bibliometrics;development tendency

X53

A

1672-2043（2016）11-2041-08

10.11654/jaes.2016-0219

2016-02-24

北京市農林科學院科技創新能力建設專項（KJCX20140207，KJCX20160503）；北京市農林科學院農業科技信息所基金項目（2015xxs002）；國家科技支撐計劃項目（2012BAD15B01）

串麗敏（1984—），女，河北人，博士，助理研究員，主要從事農業環境與學科發展態勢研究。E-mail：xiaochuan200506@126.com

*通信作者：鄭懷國E-mail：guanzhangxx@163.com；趙同科E-mail：tkzhao@126.com

的變化可以從側面反映研究熱點的布局。通過對中國土壤污染修復相關專利2010—2013年出現頻率高于2005—2009年的主題詞變化分析可以看出（表4），2010年以后，中國土壤最受關注的是（類）重金屬和有機污染物，其中（類）重金屬主要是鎘、砷、鉻、鋅、銅、汞等，有機物污染主要是多環芳烴類、多氯聯苯、菲、石油烴、芘和原油中的有機成分等。修復技術的研究更傾向于生物修復，主要是植物修復和生物降解，電動化、淋洗、固定化等技術也同時發展。通過添加表面活性劑、螯合劑、調理劑、叢枝菌根、微生物接種劑等方法對污染土壤進行原位和異位修復是其研究熱點。同時，基于農產品安全的風險評估也逐漸受到重視，并從作物對污染土壤的響應以及土壤微生物有效性、微生物群落多樣性、環境污染風險等方面開展土壤污染風險評估。

串麗敏，鄭懷國，趙同科，等.基于專利文獻分析的土壤污染修復技術發展現狀與展望[J].農業環境科學學報,2016,35（11）：2041-2048.

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