可視化分析國內養(yǎng)殖環(huán)境類研究熱點

文│潘慧青（福建貝迪藥業(yè)有限公司寧德市企業(yè)技術中心）

隨著人們健康化水平的提升，對畜牧產品的需求不斷攀升，預計到2050年人們對肉類產品的需求量將增加73%，因此會快速推進畜牧養(yǎng)殖業(yè)集約化和規(guī)模化的發(fā)展進程。相關數據資料顯示，我國畜牧業(yè)已連續(xù)20年以平均9.9%的增速遞增，約占農業(yè)總產值的33.3%，而我國畜禽養(yǎng)殖產生的糞污由1999年的19億噸迅速增至2010年的40億噸，但糞污無公害化處理不足10%，超過80%的養(yǎng)殖糞污存在場外存放或未處理現象。研究表明，養(yǎng)殖糞污干物質含量為20%～25%，未消化的蛋白質含量約占糞污干物質的30%，這些均是養(yǎng)殖業(yè)廢氣產生的源頭。數據顯示，全球氨氣排放量約39%來源于畜禽養(yǎng)殖，全球農業(yè)氨氣總產出的80%左右來源于養(yǎng)殖糞污，而我國養(yǎng)殖業(yè)氨氣排放量約占國內總氨氣量的60%，約占全球13.6%。因此，我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的同時還給我國帶來了環(huán)境污染，也給養(yǎng)殖業(yè)造成了影響。

隨著全球大數據分析的加快，世界各國加速推進大數據的戰(zhàn)略布局，在畜牧領域內的應用逐步凸顯。本文通過檢索CNKI數據庫獲取“養(yǎng)殖環(huán)境+微生物技術”等相關研究文獻，采用Bicomb、gCLUTO等軟件，將養(yǎng)殖環(huán)境類研究熱點進行可視化分析和研究。以便掌握該領域研究方向、捕捉學術研究熱點，并結合分析結果針對不同主題進行科學剖析，為該領域后續(xù)研究與開發(fā)提供參考依據。

一、數據來源與研究方法

1.數據來源。計算機檢索CNKI文獻數據庫，檢索時間為數據庫建庫開始到2019年10月12日，檢索式策略為：首先在CNKI高級檢索欄內以主題詞“微生物or生物技術or微生態(tài)or益生菌or EM or乳酸菌or芽孢桿菌or酵母菌or光合細菌or霉菌”進行檢索，檢索結果獲得文獻83178篇；然后以主題詞“養(yǎng)殖or畜禽or水產or畜牧or畜or禽or水產or反芻”AND“環(huán)境or氨氣or廢氣”進行檢索結果內再檢索，結果獲得文獻418篇；去除重復文獻、會議通知、無作者文獻和非研究性文章等，最終納入有效研究文獻的有137篇，上述有效文獻導出的文獻信息格式均為Note First格式。

2.研究方法。文章研究方法為：首先借助軟件Bicomb2.0提取納入文獻的總關鍵詞，對獲取的關鍵詞進行梳理，如無意關鍵詞（如“研究”等）的刪除和近義詞的合并，根據高頻詞界定方法獲取高頻關鍵詞，并依據獲取的高頻關鍵詞的數量進行人工調節(jié)適用于本文研究的關鍵詞數量；其次借助軟件Bicomb2.0將獲取關鍵詞生成共詞矩陣；接著借助軟件UCINET對共詞矩陣進行關鍵詞社會網絡圖譜可視化繪制和計算關鍵詞點中心度值及接近中心度值。

借助軟件gCLUTO采用重復二分法，進行關鍵詞的雙聚類統(tǒng)計分析，具體統(tǒng)計分析工作包括聚類的關鍵詞詞篇矩陣統(tǒng)計分析、可視化山峰圖分析和雙聚類矩陣分析，其中關鍵詞詞篇矩陣統(tǒng)計分析關鍵指標分別包括類別對象數量、類內對象間平均相似度、類內對象間平均相似度的標準差、類間平均相似度和類間平均相似度的標準差。最后進一步研究本文研究領域的研究熱點和主題分配情況等。

二、結果與分析

1.關鍵詞統(tǒng)計分析。按照上述研究方法共獲取研究所需關鍵詞62個（表1），占比文獻總關鍵詞量的17.3%，且截取的62個關鍵詞頻次的累計值達到關鍵詞總頻次的55%，因此截取的關鍵詞可認為屬于本研究領域文獻的研究熱點內容及其科研方向的核心詞匯，可大致反映本領域研究熱點。

從表1可看出，除本文主題關鍵詞氨氣外，位于高頻關鍵詞前十位的分別為枯草芽孢桿菌、除臭微生物、微生態(tài)制劑、硫化氫、生產性能、益生菌、肉雞、豬糞、EM、生長性能，上述高頻關鍵詞可在很大程度上反映當前國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域內的科研熱點與方向（編者注：EM是Effective Microorganisms的縮寫，EM菌為一種混合菌，一般包括光合菌、酵母菌、乳酸菌等有益菌類）。

2.社會網絡分析。為對國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域內所納入研究的關鍵詞進一步深層次剖析，文章借助軟件UCINET繪制了關鍵詞的社會網絡圖譜（圖1）。由圖1可知，關鍵詞氨氣、枯草芽孢桿菌、生產性能、硫化氫、除臭微生物、豬、肉雞、益生菌等位于該網絡的核心位置，周圍連線較為密集，指向有害氣體、環(huán)境、氨氣濃度、消化率、瘤胃發(fā)酵、水質調控、養(yǎng)殖水體、豬糞、中草藥微生態(tài)制劑、畜禽舍等高頻詞，表明當前國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域存在較為核心的熱點研究，且研究相對集中。

另外，通過計量計算關鍵詞點中心度值與接近中心度值可進一步尋求和分析該領域的研究熱點。統(tǒng)計計量獲得關鍵詞點中心度值平均值為14.76，關鍵詞氨氣為147，其次是枯草芽孢桿菌78，表明關鍵詞氨氣為研究網絡的絕對核心地位，也是國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善的主要靶目標。還有12個高頻關鍵詞高于14.76，分別為硫化氫、微生態(tài)制劑、除臭微生物、生產性能、肉雞、EM、豬、有害氣體，據此確定上述關鍵詞在本研究網絡中的地位較高，應為處于中心或次中心位置，屬于領域內熱點研究。

◎圖1 關鍵詞社會網絡圖譜

表1 關鍵詞統(tǒng)計

表2 關鍵詞詞篇矩陣雙聚類分析

關鍵詞的接近中心度值越小越表明該關鍵詞為網絡研究的核心點，可佐證和完善點中心度值所得出的結果。經統(tǒng)計計量，關鍵詞氨氣值最小，佐證了其核心地位，除點中心度值得出的14個關鍵詞外還新挖掘了27個關鍵詞，分別為水質調控、養(yǎng)殖水體、仔豬、羊糞、血清生化指標、巨大芽孢桿菌、空氣質量、乳酸菌、蛋品質、二氧化碳、絲蘭提取物、脲酶、中草藥等，表明該類關鍵詞與其他詞聯(lián)系相對緊密，并以中心節(jié)點為橋梁同核心節(jié)點進行聯(lián)系，可補充國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域的研究熱點。

從圖1可以看出，基于微生物法的養(yǎng)殖環(huán)境改善研究中以枯草芽孢桿菌研究為主，其次為EM菌群制劑和乳酸菌，而納豆芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、光合細菌和真菌（如酵母、米曲霉等）多圍繞網絡外緣，其研究相對分散或較為薄弱，或為該領域的新的研究分枝，而中草藥微生態(tài)制劑已成為該領域內微生態(tài)制劑與除臭中草藥相結合的新的研究方向和應用方向。

3.關鍵詞雙聚類分析。為進一步研究該領域內關鍵詞彼此更深層次的結構構建，并直觀性理解和劃分其所代表的領域主題研究，本部分借助gCLUTO軟件對所納入研究的關鍵詞進行了雙聚類計量學分析，通過雙聚類方法分析可分別獲得納入研究的關鍵詞的聚類分析情況數據值（表2）、聚類可視化山峰圖（圖2）和可視化矩陣分析圖（圖3）。

根據圖2可視化結果可知，每個山峰可代表不同主題類別，山峰（代表主題）彼此獨立分開，生成的山峰圖可反映不同主題類別的整體特征與效果，峰高同主題內研究對象的相似度呈正比關系、峰體積與主題內研究對象的數量呈正比關系、峰頂顏色同主題內偏差呈反比關系（即，顏色由冷色至暖色表示偏差由小到大）。

從表2統(tǒng)計計量結果看出，指標Size可直觀反映山峰圖的不同峰體積大小，指標ISdev和ESdev可反映山峰圖峰頂和曲面色彩，同時關鍵指標ISim和ESim的數值大小更客觀反映雙聚類的結果準確性，ISim越大且ESim越小其雙聚類結果越佳，本研究中雙聚類的ISim值＞0.35，ESim值＜0.125，并結合本領域的綜合知識，本部分的雙聚類分析結果較為可靠可信，利于全文關鍵詞的計量分析和主題劃分，雙聚類聚為4類較為理想。

由圖3可知，關鍵詞雙聚類可視化矩陣分析獲得4個主題，每個主題中“親緣關系”較近的合并聚攏一起，圖譜中關鍵詞間相交的顏色由白色至紅色表示關系值零值至較大值，黑色水平線隔開本領域研究的不同主題。由圖3可知，國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域的研究方向和熱點主要集中4個主題，即：微生物法對改善反芻動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用，微生物法對改善單胃動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用、微生物法對改善水產養(yǎng)殖水質的應用和中草藥微生態(tài)制劑在養(yǎng)殖環(huán)境改善中的應用，現將不同主題內容進行剖析。

（1）主題1。微生物法對改善單胃動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用。該主題研究體量最大，研究分布集中度和類內相似度最好（圖2中的0號山峰），該主題包涵高頻關鍵詞：氨氣濃度、蛋雞、肉雞、仔豬、微生態(tài)制劑、空氣質量、豬糞和豬舍雞舍等32個詞。具體內容分別為微生物制劑或產品種類與畜禽場微生物除臭及其對養(yǎng)殖性能的影響。

該主題微生物制劑或產品研究最多的分別為芽孢桿菌、乳酸菌和EM菌液，而芽孢桿菌在該主題內主要集中在枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、納豆芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌。其中該類芽孢桿菌均可通過奪氧來扶植腸道乳酸菌的生長進而達到占位和降低腸腔內容物酸度值并降低氨氣、硫化氫等有害氣體的產生；同時還可以分泌各種生物酶，如蛋白酶等，進而提高畜禽腸道內容物的飼料消化率，尤其是蛋白質的消化吸收，降低臭氣的排放；而枯草芽孢桿菌等還可抑制腐敗菌（如脲酶產生菌等）的生長和定植及其腸道與腸道菌群修復，進而降低氨氣、硫化氫等生成。

畜禽場微生物除臭技術具體可分為源頭除臭、過程除臭和尾端除臭，其中源頭除臭為菌制劑的直接飼料添加和飲水，臨床證明該階段不僅操作簡便、成本可控，并且可顯著改善畜禽腸道菌群和結構構建，利于畜禽養(yǎng)殖性能的提升；過程除臭為畜禽養(yǎng)殖管理環(huán)節(jié)中除臭作業(yè)，畜禽養(yǎng)殖過程中會產生大量固液排泄物，內含大量蛋白質和尿酸等，同時還有養(yǎng)殖中散落的飼料物料，這些都屬于氨氣等其他有毒有害氣體的產生源頭，如微生態(tài)噴霧劑進行過程中養(yǎng)殖舍噴霧可降低氨氣、硫化氫濃度，顯著改善養(yǎng)殖舍環(huán)境；尾端除臭是將微生態(tài)制劑或產品直接噴灑或添加在畜禽排泄物上，對排泄物進行分解轉化來減少臭氣的釋放。

微生物技術對畜禽養(yǎng)殖生長和生產性能的影響也成為該主題的研究熱點之一，郭麗華等研究發(fā)現地衣芽孢桿菌菌劑除豬舍氨氣濃度外還可顯著降低母豬便秘率、仔豬腹瀉率，有效提高母豬和仔豬的生長性能；王恒毅等報道，微生物制劑不僅具有降低氨氣和減少蒼蠅數量的效果，還可提高肉仔雞成活率，降低料重比，提高生產效益。

◎圖2 關鍵詞雙聚類可視化山峰圖

（2）主題2。中草藥微生態(tài)制劑在養(yǎng)殖環(huán)境改善中的應用。該主題研究體量最小，研究分布集中度和類內相似度差（圖2中的1號山峰），該主題包涵高頻關鍵詞中草藥、中草藥微生態(tài)制劑、牛舍、畜禽舍、羊舍、有害氣體和環(huán)境等關鍵詞。

具體內容為中草藥及其中藥微生態(tài)制劑在動物養(yǎng)殖環(huán)境中的改善應用和效果。呂偉等研究中草藥微生態(tài)制劑對控制規(guī)模化羊場、羊舍有害氣體的影響結果表明，添加1.5%的中草藥微生態(tài)制劑可降低羊舍氨氣濃度；胡立國等報道了中草藥微生態(tài)制劑（含黨參、白術、乳酸菌等）能夠顯著降低規(guī)模化牛場、牛舍內的氨氣濃度、硫化氫濃度和二氧化碳濃度，消除環(huán)境臭味，還有一定的滅蠅效果；潘寶海等報道了肉雞日糧中添加微生態(tài)制劑和絲蘭有效物均能降低肉雞舍內氨氣濃度；劉輝等報道了中藥植物（龍舌蘭科提取物）和微生態(tài)制劑（芽孢菌、酵母、曲霉）均能使雞舍內氨氣濃度降低，利于雞舍環(huán)境進一步改善；謝式云等研究發(fā)現了中草藥紅茶菌制劑對規(guī)模化豬場斷奶仔豬豬舍內氨氣濃度較對照組可顯著降低43.60%，經濟效益提高13.36%，結果表明，中草藥紅茶菌制劑可降低保育豬舍內氨氣濃度，利于斷奶仔豬生長性能提升。

另外，隨著無抗養(yǎng)殖和環(huán)保的深化，中草藥微生態(tài)制劑將成為未來研究和臨床應用的熱點之一，但目前的主要限制是相關中草藥的類別以龍舌蘭科植物為主，其他類別的可與飼用微生態(tài)配伍的中藥較少，然而該方向仍然具有廣闊的市場化前景。

（3）主題3。微生物法對改善反芻動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用。該主題研究體量一般（圖2 中的2號山峰），研究分布集中度和類內相似度一般，該主題包涵高頻關鍵詞包括瘤胃發(fā)酵、牛糞、羊糞、氨氣、消化率、酵母和米曲霉等。

具體內容為菌制劑在牛羊養(yǎng)殖及其環(huán)境中的應用與效果，其中根據圖3可知所涉及的真菌主要集中在酵母和米曲霉等。張翔飛研究發(fā)現肉牛添加活性酵母可降低氨氣中氮含量，顯著提升瘤胃發(fā)酵液中乙酸、丙酸、丁酸和總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）濃度水平；那日蘇等報道了酵母培養(yǎng)物可降低綿羊瘤胃發(fā)酵液中的氮含量，提高TVFA含量，且促進機體生長；肖君等報道了2‰的米曲霉培養(yǎng)物可降低綿羊瘤胃氨氣中氮含量，4‰的米曲霉培養(yǎng)物不僅可以改善綿羊瘤胃內環(huán)境，還有利于提高纖維物質降解率，提高消化率；樸光赫等報道了綿羊添加0.4%米曲霉培養(yǎng)物+1.0%酵母培養(yǎng)物組的瘤胃發(fā)酵效果能顯著降低氨氣中氮含量，顯著提高乙酸、丙酸和TVFA濃度；黃鈺鈴等報道了采用細黃鏈霉菌處理羊糞可顯著降低臭味，羊糞惡臭級別（Z）由處理前的3直接降至1.5；另外，付曉政等也報道了EM制劑可降低牛糞中氨氣中氮含量，減少氨氣釋放，有利于改善舍內空氣質量。根據該主題分析可知菌制劑對反芻動物養(yǎng)殖的影響主要通過改善瘤胃發(fā)酵，提高消化率，調節(jié)pH，同時降低糞污氨氣中的氮含量，達到降低氨的釋放。

（4）主題4。微生物法對改善水產養(yǎng)殖水質的應用。該主題研究體量中等，研究分布集中度和類內相似度相對偏高（圖2 中的3 號山峰），該主題包涵高頻關鍵詞蝦蟹、水質、水質凈化/調控、養(yǎng)殖水體/廢水、降解和光合細菌等。

◎圖3 關鍵詞雙聚類可視化矩陣分析結果

具體內容為光合細菌在水產養(yǎng)殖及其水質改善中的應用與效果。水產養(yǎng)殖水體氨、氮主要來源于投喂的飼料和施肥，飼料投餌、水體殘餌、施肥（尤其是氮肥）和水產動物排泄物（尿素、尿酸等）的水體內增加均會導致養(yǎng)殖水體中的氨、氮濃度升高，易于水產動物疫病發(fā)生。

根據本文分析可知該部分的微生物法研究主要集中在光合細菌及其配伍的復合菌制劑等，光合細菌（PSB）可將養(yǎng)殖污水中的硫化合物、氮化合物和二氧化碳等進行光合作用，還可降低亞硝酸鹽濃度和硫化氫濃度，提高水質能量轉化效率，改善水質。付保榮等報道了0.50%、1%劑量的PSB潑灑水體后較對照組氨、氮最多可降低63%，并對致病菌弧菌屬、氣單胞菌屬等具有一定抑制作用；趙亮等報道了河蟹全封閉育苗系統(tǒng)內添加PSB較對照組可使氨、氮下降和亞硝態(tài)氮濃度分別下降41.5%、41.4%，并提高幼體成活率、單位產量和總出苗量20%。但PSB在養(yǎng)殖水體中達到一定濃度值才可對水質的理化指標具有改善作用，尤其是在高密度水產養(yǎng)殖中潑灑的PSB濃度過低將難以產生結果，另外PSB在養(yǎng)殖水體中具有一定周期性，應根據水體中有機物的具體濃度和實時季節(jié)及時調整其投放時間等。

三、結論

本文以大數據可視化分析方法為全文研究思維路徑，通過關鍵詞統(tǒng)計分析、關鍵詞社會網絡分析和關鍵詞雙聚類可視化分析，全方位多層次剖析了國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域當前的研究熱點與方向。文章檢索CNKI獲取有效研究文獻共137篇，納入研究的高頻關鍵詞62個。

研究結果表明國內養(yǎng)殖環(huán)境微生物改善研究領域當前的研究方向和熱點主要集中在四個主題方向：微生物法對改善反芻動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用，微生物法對改善單胃動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用、微生物法對改善水產養(yǎng)殖水質的應用和中草藥微生態(tài)制劑在養(yǎng)殖環(huán)境改善中的應用。其中微生物法對改善單胃動物養(yǎng)殖環(huán)境的應用研究最為豐富和成熟，涉及菌種和微生態(tài)制劑品種最為豐富。中草藥微生態(tài)制劑在養(yǎng)殖環(huán)境改善中的應用研究較為薄弱且研究分散度高，存在一定的局限性，但該方向仍然在無抗和環(huán)保強化的養(yǎng)殖環(huán)境下具有廣闊的市場化前景。微生物法對改善反芻動物與水產養(yǎng)殖環(huán)境中的研究和應用在未來仍需加強。今后，筆者將對SCI相關文獻的國外資料進行可視化分析以補充本研究的內容。