沼液綜合利用技術的統計學特性分析

黃 剛 周瑆玥 朱書景

(湖北大學 資源環境學院，湖北 武漢 430068)

0 引言

隨著生物質能源利用技術的不斷發展，大型沼氣工程技術日益成熟，依托養殖業和種植業提供大量的原材料，以厭氧發酵為核心的處理技術是解決有機固廢污染的重要手段，產生的沼氣也具有極高的利用價值，但在處理過程中會產生一種液態副產物沼液[1-3]。沼液具有“資源化”和“廢物化”的特點[4]。一方面沼液是一種優質的有機物，產量巨大，包含農作物生長所需的豐富的氮、磷、鉀及腐殖酸等多種營養成分，施用于農田，有利于改良土壤結構、促進農作物生長，提高農作物品質[5-7]；另一方面沼液還具有高氨氮、高COD、高懸浮固體以及較低的碳氮比，生化性能較差等特性[8-12]，若隨意排放，會導致環境二次污染。因此沼液的合理處置與否，已成為制約沼氣工程建設的重要因素之一。

沼液的綜合利用技術已經成為我國乃至世界各國家共同研究的熱點，發達國家對于沼液的處置都是通過長期貯存后作為肥料在土地間自然消納為主[13]，而我國很少有足夠的土地來貯存和消納沼液，更多是以沼液綜合利用為主。目前，國內外雖然出現了許多關于沼液處置利用的技術與方法，但缺乏對沼液綜合利用技術的系統性總結與歸納，不能客觀準確地反映出沼液在綜合利用方面的發展趨勢。因此運用統計學的方法以及一些可視化軟件對沼液綜合利用技術進行統計分析非常重要。

統計學具有客觀性和定量化的特點，能夠有效處理特定領域數據問題，文獻計量學方法是以文獻的外部特征進行評價科學研究成果的重要方法，結合兩者特性，以文獻的數量統計及文獻的外部特征為研究對象，運用一定的數理統計方法進行定量分析，能夠準確反映出科學領域的研究現狀和發展趨勢[14]。可視化軟件Citespace是一款應用于科學文獻識別并顯示科學發展新趨勢和新動態的軟件，它以科學知識為計量研究對象，顯示科學知識的發展進程與結構關系，用科學知識圖譜表示出該領域的發展熱點和趨勢[15]。VOSviewer是一款用來構建和查看文獻計量圖譜的文獻計量分析軟件，是基于文獻被引，繪制出各領域的科學圖譜[16]。

因此，本文通過運用統計學、文獻計量學的方法以及Citespace和VOSviewer等可視化軟件對沼液綜合利用技術進行統計分析，以期系統準確的分析出沼液綜合利用技術領域的發展趨勢和發展方向，并對進一步研究提供一定的數據與方法支持。

1 數據來源與研究方法

Web of Science是全球最大、涵蓋學科類別最多的綜合性學術期刊，收錄了大約11 000多種權威且高影響力的學術期刊。本文所用數據全部采集于Web of Science核心合集中的Science citation Index Expanded數據庫，以主題TS=“biogas* slurry*”and“treat*”and“comprehensive utilization”為主要篩選目標，在以“Anaerobic fermentation slurry”“biogas liquid”“biogas fluid”“digestate”“Anaerobic digestion”等為關鍵詞進行檢索，檢索時間跨度為2004-2019年，共檢索出1 243篇與沼液綜合利用技術相關的文獻，其中Article共1 106篇(占總文獻數的89%)，proceedings paper共99篇(8%)，review共24篇(2.1%)等。文獻發表語言以英文為主，合計1 218篇，占檢索文獻總數的98%。

對檢索的1 243篇文獻進行統計學分析，從文獻總量、文獻類別、刊源分布特征、發表文獻國家分布情況、文獻主要作者、文獻被引次數及文獻關鍵詞集的詞頻進行數據整理分析，初步得出沼液綜合利用領域的發展現狀，結合檢索文獻的部分高頻關鍵詞所形成的聚類圖譜來揭示沼液綜合利用技術領域發展熱點及未來發展趨勢。

2 結果分析

2.1 發文量年度變化趨勢分析

2004-2019年關于沼液綜合利用技術的研究文獻整體呈現穩步增長的趨勢(見圖1)，從2005年以來，國內外畜牧業發展迅速，規模化率和集約化率逐年提高，需要處理的畜禽糞污增加，導致沼液的產生量也增加，巨大而集中的沼液使得就地消納變得困難[17]，因此沼液處置與綜合利用問題逐漸得到重視，關于沼液綜合利用技術的文獻的數量整體呈現穩步增長的趨勢。隨著研究的不斷深入，沼液綜合利用技術在未來是一個比較熱門的研究領域。

圖1 2004-2019年沼液綜合利用技術研究年度發文量變化趨勢

依據文獻數量增長的快慢可將沼液綜合利用技術研究分為2個階段。第一階段(2004-2010年)的文獻數量較少且增長趨勢不明顯；第二階段(2011-2019年)的文獻數量大幅度增多且相較于第一階段，文獻增長幅度較大。第一階段每年發表的文獻數量普遍較少，說明對于沼液的處置還處于一個緩慢發展的階段，對于沼液綜合利用技術研究還處于一個起步摸索階段。在第一階段的基礎上，隨著沼液處置技術的逐漸成熟，沼液綜合利用技術逐漸形成新的技術體系，使得第二階段文獻發布增長率提高，發文數量也快速增長，特別是2015-2019年每年的文獻發布量劇增，均突破150篇。

2.2 學科及刊源分布特征分析

檢索的1 243篇與沼液綜合利用技術相關的文獻中共有67個學科類別，排名前10位的學科類別如表1所示。文獻數超過100篇的主要學科為環境科學生態學、工程學、農業、能源與燃料、微生物學、科學技術。這些學科與沼液處理、沼液的應用及沼液的資源化利用有著密切的聯系，是沼液綜合利用技術領域比較重要的學科。

對有關沼液綜合利用技術的文獻期刊進行統計，共有357個期刊，發文量排名前10的期刊如表2所示。其中Bioresource Technology(生物資源技術)期刊發表文獻數量最多，為120篇，占總文獻數量的9.7%，影響因子高達6.669，排名第二，H指數為229，排名第二。影響因子和H指數可以反映期刊在某一特征研究學科中的學術影響以及引文的使用壽命，是衡量期刊在某一領域的影響力[18]。Bioresource Technology(生物資源技術)的高H指數和影響因子，以及發布文獻的數量都表明了生物資源技術期刊對于推動沼液綜合利用技術的發展起著重要作用。

2.3 國家分布特征分析

通過對各國或地區發文量進行統計分析能夠準確的得出不同國家和地區在該領域的實力及影響力。結果表明，全世界共有51個國家參與了對沼液綜合利用技術的研究。中國、意大利和德國是發表超過100篇文獻的國家，其中中國發文量最多，為340篇 ，分別是意大利和德國發文量的2.1倍和2.8倍。中國貢獻了最多的個人文章(275篇)和合作文章(65篇)，這表明中國對沼液綜合利用技術領域發揮著重要作用及強大的影響力。因為中國是一個農業及畜禽養殖業大國，每年產生的有機固體廢棄物含量高居世界各國前列，通過厭氧發酵能夠有效減少秸稈、糞污等有機固體廢物，但隨之產生的沼液也會增加。由于土地面積的限制及處置技術的局限性，使得沼液處置不能僅進只由土地自然消納降解及其他無害化方式處置[17]，因此沼液的綜合利用成為了社會關注的重點，沼液綜合利用技術研究也快速開展起來，使得中國在沼液綜合利用技術領域內的研究成果豐富，相關文獻發表數量多。此外，中國的國家合作文獻發表量也處于第一的位置，也進一步顯示了中國在沼液綜合利用領域內的實力。

表1 2004-2019年沼液綜合利用技術領域涉及前10位的學科

表2 2004-2019年沼液綜合利用技術領域發文數量居前10位的期刊

表3 2004-2019年沼液綜合利用技術領域總發文量居前15位的國家

2.4 作者發文量統計分析

結果表明：2004年-2019年，共有3 789位作者參與了關于沼液綜合利用技術的研究；表4列舉了總發文數前15的作者，其中僅有6位作者發文量大于等于10篇，其中來自中國和德國的Zhao，YJ和Herrmann，A均發表了11篇文獻；發文量前20的作者中，中國和意大利各有7位作者，德國有4位，這些結果表明，中國、意大利和德國在這一研究領域都處于領先地位，與國家發文量數據分析結果一致。這三個國家在沼液綜合利用領域有很大的影響力，對沼液綜合利用技術的快速發展起到了推動作用。

2.5 高影響力文獻分析

文獻的引用次數在一定程度上反映了該篇文獻在此研究領域的重要程度和影響力，文獻的引用次數越高說明該文獻在此研究領域質量越高，引用次數越低說明該文獻在此研究領域的影響程度越小。表4選取了數據庫中引用頻次排在前15位的文獻，經統計發現，引用頻次最高的是Weiland，Peter[19]發表的Biogas production: current state and perspectives，引用頻次高達1 123次，該文獻主要研究沼氣發酵的現狀以及未來趨勢，包括了沼氣發酵過程產生沼液和沼渣的處置及利用問題。該綜述表明，通過一定的處置技術回收沼液中養分，不僅能夠實驗對沼液的綜合利用，還能夠有效提高沼液可生化性能，沼液降低處置難度，實現沼液合理達標排放，沼液處置效率低的問題。其次是Li[20]在2014年發表的Solid-state anaerobic digestion for methane production from organic waste。該文獻探討不同原料沼氣產量的變化以及木質纖維素生物質預處理以提高沼氣產量的必要性。總結通過使用沼液或瀝濾液作為接種劑可增加沼氣的產量，同時還可以實現對沼液的二次利用。通過對引用頻次排在前2位的文獻進行分析，發現針對沼液的處置問題，可以通過兩個方向進行研究，即達標處理排放和回收再利用。當前我國是農業大國和畜牧業大國，每年產生的秸稈及糞污產量巨大，在原料資源充足的條件下，可以充分推動沼氣工程的發展[2-3]。但是產生的消化沼液也很多，除了利用土地消納消化沼液外，若將這些沼液豐富的養分進行綜合利用，不僅能夠回收大部分的資源進行二次利用，也能夠在使用合理的工藝進行處理的情況下，避免由于沼液隨意排放對環境造成二次污染，能夠有效緩解我國在土壤污染、水體污染帶來的危害。因此對沼液的新型有效的綜合利用技術研究在未來會有很好的發展潛力。

表4 2004-2019年沼液綜合利用技術領域總發文量居前20位的國家

表5 2004-2019年沼液綜合利用技術領域引用頻次排在前20位的文獻

2.6 關鍵詞詞頻分析

關鍵詞是學術論文中不可或缺的組成部分，是論文的主題內容的濃縮，是精煉出的概括論文主題的詞匯。通過對高頻率出現的關鍵詞集進行統計分析，能夠跟深一步的了解領域內的發展現狀與方向，并掌握未來的發展趨勢及動態。從2005-2019年統計的文獻結果表明，1 243篇文獻中包括了2 741個關鍵詞，統計出了出現頻次次數前20的關鍵詞，結果如表6所示。

出現頻次較高的是“Anaerobic digestion” “Digestate” “biogas”以及“Biogas slurry”這4個詞是本文主要檢索的關鍵詞。在沼液養分綜合利用方面“Microalgae”“Biochar”“Sewage sludge”等是近幾年出現頻次相對較高且排名都有一定增長，表明了近幾年來沼液處理的研究熱點集中于微藻處理技術、生物炭處理技術以及污泥混合處理技術等方面；“Nutrient removal” “digestate treatment” “nutrients”等關鍵詞在近幾年的出現頻次的排名都有大幅度的提升，表明對于沼液利用的新途徑以及新的資源化利用技術是沼液綜合利用技術領域的研究熱點及趨勢。

表6 2004年-2019年沼液綜合利用技術研究中出現頻率最高的20個關鍵詞

2.7 未來研究熱點及發展趨勢

為進一步探明沼液綜合利用技術領域未來的研究熱點和趨勢的準確性，利用Citespace軟件對所有統計到的高頻關鍵詞進行相似性及共現分析，生成新的關鍵詞集聚類圖譜，如圖3所示，將沼液綜合利用主要關鍵詞分成6個聚類。表7中的Cluster ID表示聚類號；Size表示每個聚類中出現關鍵詞的個數；Silhouette表示每個聚類的平均輪廓值，簡稱S值；Label(LLR)表示聚類默認的標簽詞，標簽詞是根據TF*IDF 加權算法給出的。其中，從S值的大小可以檢驗聚類是否具有足夠的相關性，當S>0.7時，認為聚類是高效率令人信服的，若S值在0.5以上時，一般認為聚類是合理的[15]。前3個聚類的S值均接近0.7。因此總結了最大的3個聚類。為了更好的了解前3個聚類的具體信息，從Summary of Clusters獲取了前3大聚類的主題信息。

fodder crop是最大的聚類，主要研究飼料作物。通過將一定量的發酵沼液與普通畜禽飼料混合使用，能夠對畜禽生長、發育周期等方面起到促進作用。桑磊等[21]研究表明沼液中含有多種常量物質，游離的氨基酸，維生素，微量元素磷、鈣、鉀、銅、鐵、鋅、鎂等和活力較強的纖維素酶，蛋白酶，而且大多數可溶性營養物質易于消化吸收，能滿足畜禽的生長要求，是一種理想的飼料添加劑；在普通飼料中添加一定量的沼液能夠有效促進豬、魚、雞鴨等畜禽的生長，有利于提高飼料利用率，減少飼料的使用量，縮短畜禽的發育周期，降低生成本，提高瘦肉率，并且還能夠有利于畜禽防病、治病等。將沼液作為畜禽飼料添加劑是沼液資源化利用的一個方面，沼液的資源化利用是沼液處置的最有效的措施之一[4]，不僅能夠對沼液所含有的營養成分進行再次利用，還能夠有效緩解沼液的處置問題。在發展生態農業形勢下，實現沼液資源化利用顯得非常有必要。因此對于沼液的資源化利用將成為未來的熱點研究方向。

anaerobic digest主要研究厭氧發酵。研究表明通過將沼液直接回用或者經過一定處理后接種到厭氧發酵過程中，能夠大大提高甲烷的產生量，同時能夠有效地抑制或者消滅發酵原料中的病原微生物。殷麗麗等[22]在預處理沼液與餐廚廢棄物的厭氧產氣發酵特性的研究中發現，將沼液進行水浴加熱、超聲波和曝氣等預處理后，直接與餐廚廢棄物混合后進行厭氧發酵實驗，獲得了更高產率的甲烷量，大大提高了產甲烷的效率；yang，Fuli[23]等將硫酸鹽廢水、玉米秸稈以及秸稈發酵沼液混合后進行高溫濕式厭氧發酵，結果表明共消化后可獲得較高的甲烷產量和硫酸鹽去除率。袁萬哲[24]等研究表明將沼液與病死豬進行混合厭氧發酵實驗時，發現沼液能夠對豬的致病微生物進行無害化處理，能夠有效地抑制和殺死病原微生物。

Nutrient removal主要研究沼液的營養物去除。沼液中含有豐富的營養物質，蔬菜及藻類能夠充分吸收沼液中的各種營養物質，并將這些營養物質轉為其蛋白質等所需要的物質，實現沼液資源的再次利用[25-27]。徐衛紅等[28]為探究沼液對萵筍和生菜硝酸鹽含量以及品質影響時，發現萵筍和生菜能夠有效去除沼液中TN、TP的含量，且產量大大提高，營養品質得到改善。蔬菜內的硝酸鹽含量也有所降低，氨基酸和含水量有所提高。夏旗等[29]在對純頂螺旋藻處理沼液研究表明，在溫度30℃，光照強度4 000Lux條件下，純頂螺旋藻對沼液中COD、TN、TP的去除率均高達90%以上，并且處理沼液后的純頂螺旋藻增重比高達120%，能夠通過加工制成蛋白質產品，實現了資源的轉移利用。

圖2 沼液綜合利用技術的關鍵詞聚類圖譜

表7 前三大聚類信息總結表

利用VOSviewer軟件，根據每年出現的不同關鍵詞來確定該領域的熱點，如圖4所示。圖4反映了2014-2019年關鍵詞的變化，每一個節點代表一個關鍵詞，節點越大，表明該關鍵詞出現的頻次越高，節點的顏色隨著時間變化也越來越淺。可分析出沼液綜合利用領域內的發展熱點。第一階段是2014-2015年，沼液的處置多集中在沼液處理后的達標排放，通常采用生化處理工藝或者組合工藝處理沼液，使水質達到排放標準后排放；第二階段是2015-2017年，該階段在沼液生化處理工藝的基礎上，利用微藻、金魚藻等藻類協同作用，這樣避免了由于沼液可生化性能差而導致生化處理后水質依然不達標的現象，使水質更進一步凈化，這兩個階段都是以處理沼液，達標排放為目的；第三階段是2017-2019年，以沼液綜合利用為目的，通過利用沼液中各種豐富的養分，制作成動物飼料添加劑，抗蟲害制劑、土壤修復劑等，為沼液的處理提供了新的方向。沼液的養分資源化利用及發展的新應用是未來的一個發展趨勢。

圖3 沼液綜合利用技術關鍵詞的研究熱點和趨勢

3 結語

本文利用統計學的方法并結合Citespace、Vosviewer軟件，對2004-2019年與沼液綜合利用有關的研究文獻進行綜述，分析未來的研究熱點與發展趨勢。結果表明：

(1)2004-2019年共檢索出1 243篇有關沼液處置的文獻，總發文量呈持續增長的趨勢。

(2)1 243篇文獻發表在357種期刊雜志上，涉及67個學科類別，其中，生物資源技術(BT)是發表文獻數目最多的期刊。

(3)在沼綜合利用研究領域中，中國從總發文量、獨立發文量、合作發文量均領先于其他國家，表明中國對沼液綜合利用技術發展的重視程度以及在該領域的強大影響力。

(4)從關鍵詞的使用頻率看，近幾年沼液綜合利用在生化處理工藝、作物、蔬菜以及微藻等沼液處理技術、沼液養分的資源化利用及沼液發展的新應用等方面是研究熱點。其中，沼液養分的資源化利用和沼液發展的新應用是未來研究的新趨勢。