基于文獻計量分析生物炭的發展情況

孔繁藝， 盧升高

(浙江大學 環境與資源學院， 杭州 310058)

生物炭是一種限氧或絕氧條件下熱分解有機物的產物，熱解溫度一般在300～700 ℃，大多數生物炭具有高度多孔的結構和較大的表面積，它的分子結構顯示出高度的化學和微生物穩定性[1-2]，將其作為土壤改良劑可以產生顯著的環境和農業效益[3]。2006年Marris[4]在Nature發表文章，指出生物炭能夠以某種方式收集養分和水分，使土壤碳含量增加并可緩解氣候變暖。Biochar是bio charcoal的縮寫，2007年澳大利亞第一屆國際生物炭會議上將生物炭統一命名為biochar[5]。對于生物炭的應用歷史悠久[6]，但涉及的科學研究還缺乏多維度總結分析，本文篩選出Web of Science數據庫2000—2020年生物炭的相關文獻，通過文獻計量學手段[7-9]，如利用HistCite軟件作引文分析[8]、VOSviewer軟件作網絡分析和可視化呈現[10]、CiteSpace軟件進行聚類分析[11]和突發性檢測[12]，追蹤了國際上生物炭的發展歷程，重點分析了文獻中標題、關鍵詞、摘要的術語共現關系，揭示學界普遍研究的重點話題和熱點話題，為后續科研工作提供一定參考。

1 數據來源與研究方法

研究數據來源于Web of Science(WoS)的核心合集數據庫(文獻類型精煉為article和review)，本研究利用標題詞為“biochar”，時間跨度為2000—2020年，檢索時間為2021年7月1日，得到文獻9 505篇，其中9 109篇article(95.8%)，396篇review(4.2%)，導入到HistCite軟件中，得到有效文獻9 494篇，涉及到917種期刊；將2020年的2 498篇文獻，導入到HistCite軟件中，得到有效文獻2 493篇。

HistCite引文分析工具[13]可以得出引文圖譜和文獻的重要參數，如本文用到的總當地被引數(total local citation score，TLCS)表示某一文獻在搜集到的文獻群中被引用次數，總全球被引數(total global citation score，TGCS)表示某一文獻在搜索的數據庫中被引用次數，一篇文章TLCS越高說明該文章在該領域內影響力越高，TGCS越高說明該文章被越多不同領域學者引用。VOSviewer[14]可以構建和查看各種基于文獻計量關系的圖譜，在圖譜中同一個顏色表示為一個聚類，詞語之間距離越近聯系越緊密。CiteSpace[15]進行聚類分析找出較為相似的文獻集合，并可對關聯度大的術語作突現分析，能探測出某一時段出現量的較大變化，表明某個關鍵詞興起或衰落。

2 結果與分析

2.1 研究國家和機構

從2000年到2007年，以biochar為標題詞發文數量僅為7篇(圖1)，2008年后相關文獻數量迅速增長。美國在2004年時就用biochar為標題詞發表論文，而中國在2008年后開始以biochar為標題詞發表論文。2014年后中國每年的發文量超過美國并成為該領域每年發文量最高的國家。2016年后中國在該領域發文累計量達到893篇，超過美國的發文量827篇，成為累計發文量最多的國家。2018年后WoS中biochar超過一半發文量來源于中國，表明中國在該領域學術潛力巨大且在該領域中已經投入了相當多的科研力量。發文累計量最高的10個國家發文總數占總發文量的97.9%(表1)，中國發文累積量雖然最多，但被引數和印度接近，不及美國、澳大利亞等發達國家，說明相較于部分發達國家，中國發表文章的質量仍然有待提高。

圖1 2000—2020年生物炭領域年度發文量

表1 發文累計量最高的10個國家

發文量超過100篇的機構共24家，這些機構共發表4 533篇論文，約占總發文量的一半。發文量最多的10家機構見表2，其中美國機構3家，中國機構有7家。中國科學院以絕對優勢成為發文量第一的機構，發文量為781篇，在發文數量上遠超排第二名的美國農業部(發文量為292篇)，但被引數比佛羅里達大學、浙江大學等4家機構低，其發文質量仍有待提高。佛羅里達大學發文量排第八，TLCS和篇被引數排第一，表明在生物炭領域佛羅里達大學的學術影響力較大。中國機構應注重實驗設計的創新性，以產生高質量的科研成果。

表2 發文累計量最高的10個機構

2.2 高產作者和高被引文章

經統計，共25 954名作者，選出發文量前10名的學者(表3)，其中包括4名中國學者(湖南大學曾光明教授，上海交通大學曹心德教授，浙江農林大學王海龍教授，香港理工大學Tsang, Daniel C. W.)。以搜索文獻的TLCS為依據進行排序，選出前10篇，其中包括6篇綜述(表4)。

表3 發文累計量最高的10位學者

繪制出生物炭前20被引的引文編年圖(圖2)，這些文獻發表年份集中在2007—2014年，高被引文章綜合敘述生物炭在環境修復[16]、氣候變化[17]、增加作物產量[18]方面的作用。

美國佛羅里達大學農業和生物工程系的高斌教授是生物炭研究領域的重要人物，其發表文章TLCS次數最高，他與全球18位學者有合作關系，近年來不斷產出高質量文章。韓國高麗大學環境科學與生態工程系Ok,Yong Sik教授，目前在韓國生物炭研究中心工作，發文數量最多，達238篇，在污染土壤修復方面是引領人物，與全球34位學者有合作關系，該學者團隊發表了兩篇前10高被引論文。編號279文獻被引次數最高，該文獻作者是美國康奈爾大學的Lehmann, Johannes發表，該作者在高產作者中排第9位，他的論文[19]回顧了過去生物炭作為土壤改良劑的研究，指出生物炭對土壤微生物區系的部分影響，并指出之后研究可以深入認識生物炭與土壤微生物、動物和植物根系作用的具體機制。

表4 生物炭領域內被引最多的10篇文獻

圖2 2000—2020年生物炭前20高被引論文關系圖譜

2.3 高產期刊和領域

文獻來源期刊共有917種，選出發文量前10名的期刊(表5)，其中5份出版國是荷蘭，3份是英國，2份是德國。而生物炭領域的第一本專業刊物Biochar由沈陽農業大學主辦，2019年3月出版創刊號，該期刊是全英文季刊，創刊以來發表生物炭的專業研究論文，截至2020年12月31日，發文量61篇，總被引數為596。在高產期刊中，BioresourceTechnology的TLCS和TGCS均最高，可以得出該期刊在生物炭領域的學術影響力最大，其次是Chemosphere。從研究領域分析，大部分文章表現出明顯的交叉學科特征，29%的發文量屬于環境科學和生態學(environmental sciences ecology)，其次是農業(agriculture，18%)和工程(engineering，15%)。

表5 生物炭領域內發文量最多的10種期刊

2.4 研究重點和熱點

對關鍵詞進行分析時，篩選出20 a來出現頻次150次以上的詞語，得到101個結果，作聚類視圖分析，圓圈大小代表出現次數，連線代表共現關系，共4個聚類(圖3)。藍色聚類中出現主要關鍵詞為soil amendment(213次)、N2O emissions(158次)、microbial community(266次)、mineralization(259次)等，表明學界關注生物炭作為土壤改良劑的應用效果，并在改良的過程中將生物炭的應用與礦化過程、氣候變化、微生物群落等研究相關聯。紅色聚類中出現主要關鍵詞為adsorption(2 983次)、waste-water(575次)、contaminants(225次)、reduction(201次)、activated carbons(1 072次)、zero-valent iron(168次)、nanoparticles(221次)等，表明學界使用生物炭作為污水處理的材料時關注溶液中有毒物質的吸附，同時較多關注改性材料(如納米顆粒、磁性生物炭)的使用及相關吸附或還原機制研究。綠色聚類中出現主要關鍵詞為pyrolysis temperature(835次)、rice straw(161次)、sewage-sludge(446次)、wood(163次)、fast pyrolysis(191次)、slow pyrolysis(261次)等，表明科學家在研究制備生物炭時，考慮熱解溫度、熱解速率、原材料等因素的影響。黃色聚類中出現主要關鍵詞為heavy metals(1 193次)、cadmium(564次)、remediation(445次)、lead(339次)、immobilization(387次)、mobility(187次)等，表明學界近20 a來針對重金屬污染，不斷發掘生物炭的功能，試圖解釋生物炭作用時不同重金屬的遷移固定規律。

對2020年的關鍵詞單獨進行分析，篩選出頻次50次以上的詞語，主要有soil(276次)、contaminated soil(52次)、water(285次)、waste water(203次)等，形成的聚類視圖分類與詞頻排序規律與圖3接近，表明目前對生物炭的研究仍處于發展期[20]。分析2020年文獻的摘要部分，篩選出現100次的最相關術語進行密度視圖分析，得到共現關系(圖4)。通過對比20 a的關鍵詞詞頻，判斷生物炭應用在水處理方面熱度下降，而應用到土壤改良方面的熱度上升。

通過CiteSpace來探測某一關鍵詞興起和衰落的情況如表6，根據表中強度數值，可以評估某一關鍵詞出現的相對次數。分析得出，近年來的熱點是研究生物炭(biochar)各種功能的機理(如adsorption mechanism強度為2.86、functional group強度為5.67)、選擇性的制備[21](如manure-derived biochar強度為5.05)和改性生物炭(如magnetic biochar強度為4.3)以便能在環境中有更好地應用。根據表6中關鍵詞出現情況可知，近年來對生物炭吸附能力和機制、環境風險、氮循環的研究熱度增加。

每個圓圈代表一個關鍵詞，共101個關鍵詞，4個聚類；僅顯示300條連線圖3 2000—2020年生物炭關鍵詞共現關系

圖4 2020年文獻摘要部分術語密度

3 小結與討論

近20 a來生物炭領域文獻數量快速增加并具有持續增長的熱度和潛力。中國在生物炭方面的研究逐漸深入，2016年后中國的累計發文量一直保持世界第一，且與世界上50個國家有合作發文。中國在研究內容和方法上與國際主流接近，但發文的篇被引次數仍有待提高，需深入本領域探求創新性。

中國科學院是發文量最大的機構，佛羅里達大學是發文質量最高的機構。高產作者之間互相合作，共同產出多篇高被引文章，因此，學者需要加強相互間交流以便發表更多高質量論文。BioresourceTechnology和Chemosphere期刊發文數量和質量都很高，是該領域發文的首選期刊。

目前生物炭領域重點依然是土壤改良、水中污染物吸附、重金屬的固定或吸附、自身結構和功能的優化等，在環境修復、農業生產上應用較多。研究的熱點主要是針對性的改變生物炭的理化性質以優化其在環境中的應用。

表6 2000—2020年生物炭關鍵詞興盛

綜上，國內外學者對生物炭的應用進行了許多研究，國內起步晚，但后勁十足且偏向于實際應用，未來生物炭的研究應涉足多介質復合污染的吸附研究、與植物和微生物聯合修復土壤，同時應加強對生物炭自身環境風險的研究，為環境應用提供足夠的實踐支持。