基于文獻計量的秸稈綜合利用研究熱點與前沿分析

徐志宇，薛穎昊, ，張軍，孫仁華，石祖梁，赫天一，王久臣*

1. 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125；2. 沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧 沈陽 110866；3. 安徽省農業技術推廣總站，安徽 合肥 230001；4. 沈陽農業大學農學院，遼寧 沈陽 110866

秸稈是重要的生物質資源，中國作為糧食生產大國，2017年，秸稈產生量為 8.05億噸，秸稈可收集資源量6.74億噸，秸稈利用量5.85億噸（中華人民共和國生態環境部，2020）。為解決秸稈利用問題，提高農業廢棄物資源化利用效率，國家投入了大量人力、物力及財力，不斷加大秸稈綜合利用的工作力度，完善秸稈“收儲運”體系和扶持政策，以推動秸稈綜合利用產業化、規模化發展（馬驍軒等，2016）。自2008年國務院辦公廳印發《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》后，中國逐步形成了肥料化、燃料化、飼料化、原料化、基料化的“五料化”秸稈利用途徑（王丹丹，2020）。其中，“肥料化”主要指利用秸稈作為農作物肥料，主要手段有腐熟還田、秸稈直接還田、堆漚還田、生物反應堆等（敖金成等，2015）；“燃料化”指秸稈的能源化利用，主要技術有固化成型、炭化、燃料乙醇、生物柴油、熱解氣化、沼氣化以及直燃發電等（朱顥等，2017）；“飼料化”主要是利用秸稈生產飼料，其主要方法包括青（黃）貯法、堿化法、氨化法、直接壓塊加工飼料法、揉搓絲化加工飼料法等（王平等，2019）；“原料化”主要指利用秸稈制作再加工產品，包括人造板材、復合材料等（靳璇等，2016）；而“基料化”是指以秸稈為主要原料，加工或制備為動物、植物及微生物生長提供良好條件和一定營養的有機固體物料，如食用菌生產栽培基質、植物育苗與栽培基質、動物飼養過程中所使用的秸稈墊料等（石祖梁等，2016）。

文獻計量是指利用數學和統計學的方法來了解某個研究領域的發展概況和趨勢，通過系統地總結該領域的研究現狀、熱點和前沿問題，科學地評價科研機構和學者的科研能力，對于把握學科發展方向，跟蹤最新進展，提高科研效率具有重要意義。為了解秸稈綜合利用的研究發展態勢，都華等（2017）采用文獻計量的方法，對秸稈利用相關文獻的發表時間、作者、發文機構、涉及的學科類別、基金項目資助情況以及研究熱點等做了統計和分析。但總的來看，國內外采用文獻計量法研究秸稈綜合利用的報道較少，且就秸稈應用方向做分類探討的還未報道過。本文從肥料化、燃料化、飼料化、原料化、基料化的秸稈利用“五料化”應用入手，分別收集秸稈綜合利用領域5個應用方向發表的相關中文和英文文獻，分析文獻的分布特征、機構、作者、研究熱點及前沿等情況，從而了解整個領域近 20年來的研究概況，為制定并優化秸稈資源化的政策提供科學依據。

1 數據的獲取與處理

1.1 研究數據的來源

分別在CSCD數據庫和Web of Science核心合集的 Science Citation Index Expanded （SCIEXPANDED）數據庫中通過主題檢索的方式檢索獲得秸稈綜合利用領域1999—2019年度的所有相關中文和英文論文（其中，CSCD論文8314篇，SCI-E論文20899篇），并結合領域專家的專業辨別，對獲得的論文進行肥料化利用、燃料化利用、飼料化利用、原料化利用和基料化利用5個應用方向分類（檢索時間為2019年10月，未限定文獻類型）。

1.2 數據可視化

利用社會網絡分析工具 Gephi 0.9.2開展高頻關鍵詞聚類分析與可視化展示。在網絡圖中，節點代表關鍵詞，節點越大說明與其共同出現在相同論文中的關鍵詞數越多，那么該關鍵詞在共現網絡中的地位也就越關鍵。節點之間的連線的粗細則體現了關鍵詞之間的共現強度，連線越粗，表示兩個關鍵詞同時出現在相同論文中的次數越多，這兩個關鍵詞之間的聯系越緊密。聚類分析中，聯系最緊密的關鍵詞被歸為一類，并以一個相同的顏色加以表示，代表一個研究熱點。

2 結果與分析

2.1 秸稈綜合利用領域近20年論文發表趨勢

如圖1所示，近20年來秸稈綜合利用領域的發文總量和中文發文量的變化趨勢基本吻合，整體呈現不斷增長的趨勢。從發表文獻數量變化情況來看，1999—2007年間，發文基數較小，發文總量在1000篇以下，其中中文發文量在400篇以下；2008—2018年間，發文總量與中文發文量除了2017年之外，其余年份均保持逐年增長的態勢，2018年發文總量已達到2644篇，中文發文量也達到了1500篇（2019年數據在獲取時并非全年完整數據，因此暫不列入參考）。從發文總量和中文發文量對比來看，1999年中文發文量僅占領域論文總數的9%左右，連年增長至2014年時占比已超過50%，2018年的占比已增長至56.7%，說明秸稈綜合利用領域的中文和英文發表論文數量均處于增長狀態，且中文發文量的增長速度較英文發文量要快得多，已逐步占據領域主導地位。

圖1 秸稈綜合利用領域近20年論文發表趨勢Fig. 1 The trend of publication articals in the field of comprehensive utilization of straw in the past 20 years

2.2 中、英文發文主要機構

秸稈綜合利用領域中文發文量排名前 15位的機構及其發文情況如圖2所示，發文量前15位的高產機構中有11所農林類高校，3個研究所以及1個國家重點實驗室。其中，有4個機構的發文量在300篇以上，分別是西北農林科技大學、南京農業大學、中國農業大學和甘肅農業大學，尤以西北農林科技大學的發文量為最高，達583篇，優勢明顯。

圖2 秸稈綜合利用中文發文量前15的機構Fig. 2 Top 15 institutions with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

秸稈綜合利用領域英文發文量排名前 15位的機構及其發文情況如圖3所示。發文量前15位的高產機構中有10所大學和5個科研院所。有4個機構的發文量在300篇以上，分別為Chinese Acad Sci、ARS、China Agr Univ、Agr & Agri Food Canada。其中，以中國科學院（Chinese Acad Sci）發文量最高（1156篇），其余機構的發文量在199—300篇之間。在15個高發文機構中，中國機構有7個，表明國內的秸稈綜合利用研究在國際上被重視。

圖3 秸稈綜合利用英文發文量前15的機構Fig. 3 Top 15 institutions with the number of English publication articals on the comprehensive utilization of straw

2.3 中、英文發文主要研究者

表1反映了秸稈綜合利用領域近20年來中文發文量排名前 15位的高產作者及其發文情況。16位高產作者來自于 15個機構，其中，南京農業大學有4位高產作者，甘肅農業大學和西北農林科技大學各有3位高產作者。發文量50篇及以上的作者共有4位，甘肅農業大學的張仁陟和江蘇省農業科學院的常志州兩位的發文量超過了 70篇，優勢明顯；余下兩位分別是吉林農業大學的竇森和農業農村部規劃設計研究院的趙立欣。

表1 秸稈綜合利用中文發文量前15的作者Table 1 Top 15 authors with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

表2反映了秸稈綜合利用近20年來英文發文量排名前15位的高產作者及其發文情況。15位高產作者來自 13個不同的機構。其中，密歇根州立大學（Michigan State Univ）、中國科學院（Chinese Acad Sci）各有2位高產作者。發文量在60篇及以上作者共有4位，其中來自魯汶大學（Khon Kaen Univ）的Wanapat發文量高達126篇，優勢明顯；余下3位為俄亥俄州立大學（Ohio State Univ）的Lal、密歇根州立大學（Michigan State Univ）的Dale以及中國科學院的Chen Hongzhang（陳洪章）。

表2 秸稈綜合利用英文發文前15的作者Table 2 Top 15 authors with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

2.4 中英文高被引論文

通過分析高被引論文，可以找出推動學科發展、處于領域領軍位置的作者。表3是秸稈綜合利用領域被引用頻次排名前 10位的中文文獻。從表中可以看出，韓魯佳等（2002）的《中國農作物秸稈資源及其利用現狀》被引用頻次最高，該論文詳細介紹了農作物秸稈作為工業造紙原料、畜牧飼料、造肥還田以及農村生活能源的利用現狀和秸稈綜合利用新技術。其次是勞秀榮等（2003）的《秸稈還田與化肥配合施用對土壤肥力的影響》，提出了長期秸稈還田并配施適量的化肥，是培肥地力，提高產量的有效措施之一。高引用論文不僅豐富了秸稈綜合利用各個應用方向的理論基礎，還為如何高效利用農作物秸稈提供了依據。

表3 秸稈綜合利用被引頻次前10的中文文獻Table 3 Top 10 Chinese publication articals cited for comprehensive utilization of straw

表 4是秸稈綜合利用領域被引用頻次排名前10位的英文文獻。其中，被引用頻次最高的是Mohan et al.（2006）的《Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: A critical review》，該論文闡明了通過快速熱解利用生物質，可以生產既可用作能源又可作為化工生產原料的產品，即秸稈的燃料化應用途徑。其次 Kumar et al.（2009）的《Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production》和Weiland et al.（2010）的《Biogas production: Current state and perspectives》，其分別闡述了木質纖維素生物質的各種預處理方法和利用秸稈生產沼氣的現狀、前景。英文高引用頻次論文打破了秸稈傳統肥料化利用途徑，為秸稈綜合利用指提供了新思路。

表4 秸稈綜合利用被引頻次前10的英文文獻Table 4 Top 10 English publication articals cited for comprehensive utilization of straw

2.5 中、英文發文關注度

根據 4個年段（1999—2003、2004—2008、2009—2013和2014—2019年）中5個技術應用方向（肥料化、燃料化、飼料化、原料化和基料化）所包含文獻的占比分布情況，分析中文和英文發表論文關注方向隨時間演變規律。

2.5.1 不同應用方向中文發文量的演變規律

中文發文在不同應用方向的數量占比隨時間演變規律如圖 4所示，肥料化應用方向在 2004—2008、2014—2019年兩個年段發文量占比均達到60%以上，而在1999—2003、2009—2013年兩個年段的發文量占比也均超過50%，為近20年來秸稈綜合利用領域研究最熱的應用方向。燃料化應用方向在1999—2003年段發文量占比最低，但從2004年開始發文量占比顯著遞增，雖于 2014—2019年段有所回落，仍是自 2003年以來秸稈綜合利用領域的第二大研究熱點方向。飼料化應用方向在1999—2003年段為秸稈綜合利用領域第二大研究熱點方向（發文量占比15.29%），但從2004年開始關注度低于燃料化應用方向。原料化應用方向在各個年段的發文量占比變化趨勢跟飼料化應用方向相同，但從 2004年開始發文量占比要高于飼料化應用方向，是秸稈綜合利用領域第三大研究熱點方向。基料化應用方向的發文數量雖然逐年上升，但在各個年段的占比基本保持 5%左右，整體關注熱度相對較低。

圖4 秸稈綜合利用中文發文5個應用方向的研究關注度演變Fig. 4 Research attention evolution of five application of Chinese publication articals for comprehensive utilization of straw

2.5.2 不同應用方向英文發文量的演變規律

英文發文在不同應用方向的數量占比隨時間演變過程如圖5所示。從圖中可以看出，近20年來秸稈綜合利用領域的英文發文量雖然在逐年增長，但肥料化應用方向和飼料化應用方向的發文量占比卻在不斷降低，而燃料化應用方向的發文量占比則處于遞增狀態，并于 2009年后成為秸稈綜合利用領域研究相對最熱的應用方向（發文量占比超過40%）。在2009年之前，肥料化應用方向是秸稈綜合利用領域研究英文文獻最熱的應用方向，1999—2003年和2004—2008年兩個年段的發文量占比分別為51.71%和48.56%；而飼料化應用方向的發文量占比則低于肥料化應用方向，在 1999—2003年和2004—2008年兩個年段的發文量占比分別為31.1%和23.18%，為秸稈綜合利用研究領域英文文獻第二大熱點方向。從近 20年來的發文數據來看，原料化應用方向和基料化應用方向的發文量占比始終低于 5%，在秸稈綜合利用領域英文文獻中處于相對較低的關注水平。

圖5 秸稈綜合利用英文發文5個應用方向的研究關注度演變Fig. 5 Research attention evolution of five application of English publication articals for comprehensive utilization of straw

2.6 中、英文研究熱點

對4個年段（1999—2003、2004—2008、2009—2013和2014—2019年）發表的中文和英文論文關鍵詞進行提取、清洗、整理與統計，得到發表論文中的高頻關鍵詞，通過分析高頻關鍵詞在各個年段中的分布情況，來剖析秸稈綜合利用領域中文和英文研究熱點隨時間演變規律。

2.6.1 中文研究熱點

通過分析中文論文高頻關鍵詞在各個時間段的分布情況，可以看出中文研究熱點的變化規律變化（圖6）。結果表明：關于秸稈還田、秸稈覆蓋、長期施肥、土壤理化性質、土壤水分、土壤微生物、土壤養分、土壤酶活性、小麥、水稻和產量等問題的研究是秸稈綜合利用領域中文文獻長期的研究熱點。其中，在 1999—2003年段比較獨特的研究關注點有鹽堿土、胡敏酸等；2004—2008年段比較獨特的研究關注點有好氧堆肥、節水等；2009—2013年段比較獨特的研究關注點有微生物生物量碳/氮等；2014—2019年段比較獨特的研究關注點有生物炭、群落結構等。綜合來看，在 2009年之前，中文文獻比較關注秸稈綜合利用對土壤改良和培肥的影響；而在 2009年之后，更多的研究焦點轉向了保護性耕作和作物產量變化以及土壤微生物群落結構等（王秋菊等，2019；葉新新等，2019；查良玉等，2015）。

2.6.2 英文研究熱點

通過分析英文論文高頻關鍵詞在各個時間段的分布情況，可以看出英文研究熱點的變化規律（圖7）。結果表明：關于tillage（耕作）、no-tillage（免耕）、conservation tillage（保護性耕作）、fertilization（施肥）、decomposition（分解）、growth performance（生長性能）、yeild（產量）、biomass（生物質）、rumen fernentation（瘤胃發酵）等問題的研究是英文文獻長期的研究熱點。其中，在1999—2003年段比較獨特的研究關注點有urea（尿素）、feed intake（采食量）、nitrogen mineralization（氮礦化）和soil erosion（土壤侵蝕）等；2004—2008年段比較獨特的研究關注點有straw mulch（秸稈覆蓋）等；2009—2013年段比較獨特的研究關注點有hemicellulose（半纖維素）、hydrolysis（水解）和simultaneous saccharification and fermentation（同步糖化發酵）等；2014—2019年段比較獨特的研究關注點有bio-oil（生物油）、anaerobic digestion（厭氧消化）、methane（甲烷）和microbial community（微生物群落）等。綜合來看，在2009年以前，秸稈綜合利用領域英文文獻的關注點聚焦在飼料可消化性、對牲畜生長性能等影響的飼料化應用和對作物產量、土壤有機碳等影響的肥料化應用上；而在 2009年以后關注點開始轉向制備生物乙醇（Ogura et al.，2013；Nakhshiniev et al.，2014；Parushi et al.，2018）、沼氣（Plaimein et al.，2016；Paritosh et al.，2019）、秸稈生物質熱解（Tabakaev et al.，2018；Yukesh et al.，2019）等燃料化應用和土壤微生物、氮磷有機質養分管理等肥料化應用上（Benbi et al.，2012；Mehmet et al.，2018）。

圖7 秸稈綜合利用英文文獻分年段高頻關鍵詞分布Fig. 7 High frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from English publication articals by year

2.7 中、英文研究前沿

對2016—2019年段發表的中文和英文論文關鍵詞進行提取、清洗、整理與統計，得到發表論文中的高頻關鍵詞，通過分析高頻關鍵詞的聚類情況，發掘秸稈綜合利用領域中文和英文的研究前沿。

2.7.1 中文研究前沿

利用高頻關鍵詞在文獻中的共現關系，通過聚類分析方法描述中文研究前沿（圖 8），結果表明秸稈綜合利用領域中文文獻主要有6個研究前沿。其中，肥料化應用方向有3個研究前沿，分別是涉及秸稈還田相關的土壤養分、土壤微生物相關的研究（李棟宇等，2018；茍麗瓊等，2019；羅熳麗等，2020），秸稈還田、長期施肥等對土壤有機碳等土壤特性的影響作用研究（劉哲等，2018；王秋菊等，2019）和秸稈覆蓋、耕作方式等對作物產量、品質及經濟效益等影響的相關研究（任江波等，2018；李昊昱等，2019；葉新新等，2019）；燃料化有應用方向有2個研究前沿，分別是秸稈生物炭相關的吸附、熱解等問題的相關研究（何佳聞等，2019）和秸稈發酵、預處理等問題的相關研究（丁紹蘭等，2018）；原料化有1個研究前沿，即秸稈復合材料力學性能、合成方法等相關問題的研究（朱士強等，2019；曾哲等，2019）。

圖8 秸稈綜合利用中文文獻研究前沿高頻關鍵詞聚類Fig. 8 Clustering map of high frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from Chinese publication articals research frontiers

2.7.2 英文研究前沿

利用高頻關鍵詞在文獻中的共現關系，通過聚類分析方法描述英文研究前沿（圖 9）。結果表明秸稈綜合利用領域英文文獻主要有8個研究前沿：分別是涉及秸稈生物質熱解燃燒相關問題的研究（Singh et al.，2018；Teresa et al.，2019），保護性耕作等對作物產量、土壤碳環境等影響的相關研究（Sarker et al.，2019），秸稈纖維素酶解、同步糖化發酵等方法制備生物乙醇的相關研究（Procentese et al.，2019；Tantayotai et al.，2019），秸稈堆肥等過程中甲烷、一氧化二氮、二氧化碳等環境氣體排放問題的相關研究，秸稈發酵制備沼氣應用的相關研究（Kilic et al.，2019），土壤微生物、氮磷養分等問題的相關研究（Akhtar et al.，2019），土壤有機質激發效應的相關研究（Kumar et al.，2019）以及效應面優化法的相關研究（Jafari et al.，2017）。

圖9 秸稈綜合利用英文文獻研究前沿高頻關鍵詞聚類Fig. 9 Clustering map of high frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from English publication articals research frontiers

3 結論

本文對近20年來在CSCD和SCI-E中收錄的以“秸稈綜合利用”為主題發表的中英文文獻進行分析，通過高引論文、發文單位、發文作者等關鍵信息了解秸稈綜合利用領域研究現狀，5個應用方向在不同年段的發文量占比了解中英文發文量的演變規律，并經聚類高頻關鍵詞了解 5個應用方向的中、英文研究熱點與前沿情況，能在一定程度上反映出秸稈綜合利用的技術發展歷程。主要結論如下：

（1）近 20年來，秸稈綜合利用領域的中英文發文量呈現不斷增長的趨勢。在 2008年以后，秸稈綜合利用領域中文文獻研究熱度開始處于快速升溫狀態，且中文研究已逐步占據領域主導地位。

（2）Wanapat、Mohan和張仁陟等學者，以及中國科學院、魯汶大學和西北農林科技大學等機構為推動秸稈綜合利用研究，做出了巨大貢獻。

（3）近 20年來，肥料化應用方向始終是秸稈綜合利用領域中文文獻最主要的研究方向。在2004年之前，秸稈綜合利用領域中文文獻的研究應用方向相對強弱表現為肥料化>飼料化>原料化>燃料化>基料化；在2004年之后，秸稈綜合利用領域中文文獻的研究應用方向相對強弱表現為肥料化>燃料化>原料化>飼料化>基料化。與秸稈綜合利用領域中文研究關注方向不同，近 20年來在肥料化應用方向和飼料化應用方向的英文發文量占比處于不斷下降趨勢，而燃料化應用方向的英文發文量占比處于不斷上升趨勢。在 2009年之前，英文文獻對肥料化和飼料化應用給予了相對較高的關注度；而在 2009年以后，更多的研究關注方向轉移到了燃料化應用。中文和英文文獻對于秸稈原料化和基料化應用研究始終關注度較低。

（4）近 20年來秸稈綜合利用中英文研究熱點的變化契合秸稈綜合利用研究方向的變化規律。在2009年之前，中文文獻比較關注秸稈綜合利用對土壤改良和培肥的影響；而在 2009年之后，更多的研究焦點轉向了保護性耕作和作物產量變化以及土壤微生物群落結構等。與中文研究焦點不同的是，在 2009年以前，英文文獻對秸稈綜合利用的關注點聚焦在飼料可消化性、對牲畜生長性能等影響的飼料化應用和對作物產量、土壤有機碳等影響的肥料化應用上；而在 2009年以后關注點開始轉向制備生物乙醇、沼氣、秸稈生物質熱解等燃料化應用和土壤微生物、氮磷有機質養分管理等肥料化應用上。

（5）秸稈綜合利用領域中文研究前沿主要涉及秸稈肥料化、燃料化和原料化3個應用方向，共有秸稈還田對土壤特性的影響作用、秸稈覆蓋對作物的影響、秸稈熱解和發酵應用、秸稈復合材料力學性能及合成方法等 6個重要前沿。與中文文獻不同，英文文獻近年來的研究比較傾向于秸稈綜合利用對環境的影響，如保護性耕作等對土壤碳環境的影響和秸稈堆肥過程中甲烷和一氧化二氮等環境氣體排放問題等；除此之外，還有秸稈生物質熱解燃燒、秸稈發酵制備生物乙醇和沼氣等涉及秸稈燃料化應用方向的前沿研究，同時還有肥料化應用對土壤微生物及氮磷養分影響等，研究的點較多，面較廣。

4 展望

如何將秸稈資源變成寶，將農業的另一半利用的更好，是我們下一步的工作和研究方向。建議要明確發展方向，充分發揮好秸稈的“四大功能”：

一是聚焦肥料化利用，促進耕地保育。耕地是糧食生產的命根子，秸稈是土壤有機質的重要來源，要因地制宜推進秸稈直接還田、有機肥還田、炭化還田，發揮好秸稈在改善土壤性狀、優化土壤功能、提高耕地質量等方面的重要作用，為落實“藏糧于地”戰略、夯實國家糧食安全基礎提供有力支撐。

二是聚焦飼料化利用，促進種養循環。農作物秸稈上聯種植業，下聯養殖業，是草食動物不可或缺的“五谷雜糧”。要進一步推進秸稈青黃貯、膨化、壓塊等飼料化利用，充分發揮秸稈的聯結紐帶作用，推動種植業和養殖業高效結合。

三是聚焦燃料化利用，促進節能減排。秸稈是“零碳排放”的生物質能源，具有清潔可再生的特點。要推進成型燃料、打捆直燃、秸稈燃氣等燃料化利用，大力發展秸稈供熱、秸稈供氣、秸稈供暖，不斷優化農村用能結構、推動節能減排。

四是聚焦基料化、原料化利用，促進產業發展。秸稈是開啟農尾工頭的“金鑰匙”，是農業生態產業發展新的增長點。要通過壯大秸稈育秧基質、食用菌基料、清潔制漿造紙、零甲醛板材等規模化產業，將豐富的秸稈資源轉化為高附加值的綠色產品，實現秸稈全值利用、梯次利用，發揮秸稈在拓展農業產業鏈、解決農村就業等方面的重要作用，為農民增收、為農業增效。