國內農業用生物炭的研究脈絡和趨勢
——基于CiteSpace的可視化分析

卜 康 敏 孫 毅 濤 李 文 佳 海 江 波

（西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100）

引言

生物炭活化期間能夠增加土壤的吸附能力，促進農田水分蓄存和養分提升，為作物營造一個良好的生長環境，使養分更大效率的被作物利用［1］.農業上應用生物炭可顯著提高作物的產量、保護農田生態環境，促進農業可持續發展.由于生物炭顆粒的平均密度小于土壤顆粒的平均密度［2］，農田通過增施生物炭，可以有效的降低土壤容重，從而降低農業機械耕作的能量需求［3］、節省農業成本、減輕農業生態環境污染.因此，生物炭在農業上的應用及價值受到了國內外眾多學者們的關注與研究，成為了近些年學術上的熱點題材.隋陽輝［4］等研究表明，低量生物炭配施常規氮肥可提高營養生長期玉米單株干物質積累；俞若涵［5］等研究發現，向土壤中施入一定量的生物炭，可顯著促進作物的生長發育，從而為作物的增產增收奠定基礎；張楠［6］等研究表明，土壤中添加生物炭可提高其磷素含量，促進苗期植株磷吸收，從而在較低化學磷肥用量條件下保持棉田高產和磷肥的高效利用；李輝［7］等研究表明，生物質炭基肥對改善黃土高原旱塬區蘋果葉片營養和果實品質以及提高經濟效益具有顯著作用；顧博文［8］等研究表明，連續施用生物炭可以有效地緩解花生開花下針期和成熟期葉片放氧復合體的受損程度.而國外學者們也對其有相當多的研究，例如：Ahmad等研究表明［9］，生物炭由于其優異的吸附性能，開始被廣泛用作吸附劑.Khan，HA等研究表明［10］，生物炭有改善環境的結果，且可用作緩釋的潛在肥料，以實現可持續和綠色農業應用.Semida，WM等研究表明［11］，生物炭可以提高土壤在不同生物和非生物脅迫下的作物生產能力，促進全球糧食安全.總之，隨著我國農業供給側結構改革不斷深入，以及環保監管日益嚴格，各地區化肥使用量有所下降，作為天然肥料的生物炭肥市場迎來了良好發展契機.

有關農業用生物炭領域的文章數量較多，僅僅以文獻閱讀、總結歸納等方式了解該領域在一定的局限性，因此有必要運用文獻計量學對農業用生物炭的研究進行可視化分析，從而填補該領域研究的空白.本文基于CiteSpace 可視化分析軟件，對中國知網（CNKI）中文數據庫有關“農業用生物炭”進行文獻計量統計分析，檢索了1994年至2021年的相關文獻，通過對研究熱點、研究趨勢等計量的分析，從而給中國未來農業領域中從事生物炭研究的相關科研人員提供有價值的參考信息和研究方向，進而推動我國農業發展的創新與進步.尤其是近年來國家對秸稈綜合利用的重視度較高，生物炭技術作為秸稈綜合利用的重要途徑之一，必將在全國范圍內得到大規模推廣和應用，同時在“雙碳”背景下，我國生物炭產業化進程將不斷加快，未來行業發展前景可期.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文全部的數據均來源于中國知網（CNKI）中文數據庫，在CNKI數據庫中進行高級檢索，具體檢索參數設置為：“主題=［（生物炭AND農業）OR（生物質炭AND農業）］”，檢索范圍為全文數據庫至2021年11月，檢索日期為2021年11月11日，共檢索出1310篇期刊文獻及論文.為保證分析統計結果更加具有權威性、精確性及代表性，將選取范圍設置成僅核心期刊、CSCCI期刊和CSCD期刊，并對檢索結果中出現的一些與“生物炭”有關，但不屬于應用在農業領域的、結果重復的記錄等科學噪點進行人工排查剔除［12］，最終得到的有效文獻數量集合為870篇.

1.2 研究方法

CiteSpace 是由華人學者陳超美博士開發的一款文獻計量軟件，利用數學和統計學將科學研究結果和文獻動態可視化，從而便于科研人員進行研究［13，14］.CiteSpace 利用國內的中國知網（CNKI）、國外的（Web of Science）等全文數據庫檢索出的結果進行可視化圖譜的繪制，從而分析檢索對象的研究路徑及前沿探測［15］.2007年CiteSpace初引入我國，便受到國家及各領域學者的關注和廣泛應用［16］.可視化圖譜的一系列主要屬性，包括其學科構成、發文作者、發文機構、內容、關鍵詞及其相互關系，共同構成了科學領域的知識結構［17］.本文使用CiteSpace5.8.R3進行可視化圖譜的繪制，通過對結果的聚類可視化分析，得出我國農業用生物炭的相關文獻數量、逐年變化趨勢、高頻關鍵詞、高產發文作者、發文機構，以及機構間、作者間的合作關系等信息.

2 文獻計量分析

2.1 發文量與時間分布分析

年度發文量可以清晰的展現出不同研究領域文獻的發表情況及受關注程度，是讀者們了解該領域演變的重要指標［18］.本文通過檢索知網（CNKI）數據庫1994 年至2021 年11 月前的核心、CSCCI 和CSCD三個期刊，檢索日期為2021年11月11日，得到有關我國農業用生物炭研究領域文獻共870篇.中國農業用生物炭的發展經歷了萌芽起步、加速上升、緩慢下降3個主要階段（圖1）.

1994年-2009年為萌芽起步階段，在中國知網（CNKI）上共發表了2篇文獻，從圖1可以看出，在我國第一次出現農業用生物炭的文章是在1994年，在接下來的15年里，農業用生物炭的相關研究關注度較低，鮮有學者從事該方面的研究.

圖1 我國農業用生物炭文獻的發文量變化趨勢

2010 年至2019 年為加速上升階段，該階段發文數量達到最大值，在中國知網（CNKI）上共發表了651篇相關文獻，年均發文獻量為65篇，并在2019年達到了年度發文量的最大值144篇.2011年，國家頒布了《“十二五”農作物秸稈綜合利用實施方案》，提出到2015年力爭秸稈綜合利用率超過80%；2016年，國家頒布了《關于推進農業廢棄物資源化利用試點的方案》，采取肥料化、原料化等多種途徑，著力提升秸稈綜合利用水平；2019年，頒布了《關于全面做好秸稈綜合利用工作的通知》，明確因地制宜的確定秸稈利用方式.由此可以看出，此階段在農業上應用生物炭已經成為中國的熱點話題，國內大量學者、機構開始對這一領域展開充分的研究與分析.

從2020年至2021年為緩慢下降階段，兩年發文量為217篇，年均發文獻量為109篇，雖然較2019年有關農業用生物炭的文獻數量有所下降，但從擬合曲線趨勢可以看出未來該領域研究文獻數量仍會增長，整體數量較萌芽起步階段仍是處于大幅度增加的狀態，年均發表文獻總量遠超過萌芽起步和加速上升兩個階段，由此可以推測出，農業上應用生物炭的相關研究在未來仍將是農業可持續發展領域的熱點.

2.2 農業用生物炭的關鍵詞分析

2.2.1 關鍵詞頻率分析

關鍵詞作為一篇文獻的核心，是從文獻主要內容中凝練出的具有實質意義的詞語，對一個領域的學術研究具有高度的指導作用.將從中國知網（CNKI）人工排查篩選后的870篇有關農業用生物炭的文獻導入CiteSpace5.8.R3軟件，提取頻次大于20的15個關鍵詞（表1）.從表1中可以清晰的看出，該領域頻次最高的關鍵詞為“生物炭”，共出現418次，中介中心性為值為0.35，最早出現這一關鍵詞的年份為2010年；由于生物炭也稱為生物質炭，因此，頻次排在第二位的與表1 中結果一致為“生物質炭”，共出現168次，其關鍵詞中介中心性為0.47，最早出現的年份同樣為2010年；“吸附”共出現了30次，最早出現該關鍵詞的年份為2012年，其中介中心性最大，為0.52；“玉米”出現了27次，最早出現該關鍵詞在2015年，“品質”出現了21次，最早出現該關鍵詞在2014年，這兩個關鍵詞的中介中心性值最小，同為0.02.

表1 我國農業用生物炭文獻的高頻關鍵詞

2.2.2 關鍵詞共現圖譜分析

關鍵詞共現，即挖掘高頻關鍵詞之間的聯系.如果某個關鍵詞同時以高頻出現在不同文獻中，則它們的相關性十分的密切，能夠代表該領域的熱點研究［19］.將提取的870篇農業用生物炭相關的文獻集合導入CiteSpace5.8.R3軟件并進行數據分析轉換，節點處理區設置為關鍵詞，年份切片參數設置為1年，選中尋徑網絡剪裁（pathfi-nder）、修剪切網絡（Pruning sliced networks）、修建合并網絡（Pruning the merged ne-twork）3個處理，共產生404個節點和817條連線，最后生成關鍵詞共現圖譜（圖2）并進行分析.關鍵詞出現頻次的高低可用知識圖譜中圖形節點的大小表示，關鍵詞出現次數越多，圖形節點越大；各個關鍵詞之間存在的相互聯系可由圖中的連線表示，連線的顏色代表了各關鍵詞首次關聯的時間.由圖2可知，關鍵詞“生物炭”的圖形節點最大，表明其出現頻率最多，從“生物炭”與“農業”、“生產”等存在多條連線可以清晰的看出關鍵詞之間的相關性.

圖2 我國農業用生物炭的關鍵詞共現圖譜

2.2.3 關鍵詞聚類圖譜分析

關鍵詞聚類是關鍵詞共現的進一步深入研究，也是陳超美教授推薦的一種聚類方法.通過關鍵詞聚類，可以很好的從該知識圖譜中反映出各個關鍵詞間的相關性，展現出某項技術或學科領域形成了哪幾個主要的研究類團.聚類的序號，表明聚類內部成員數量的多少，序號從“0”開始，序號越小，則聚類內部成員數量越多，類團越大；反之，序號越大，則聚類內部成員數量越少，類團越小.當聚類團中成員數量（Size）小于10時，聚類效果較差，研究的意義不大；剪影度（Silhouette），反應一個類團內部各成員的緊密程度（成員間同質性），當其值大于0.7時，則緊密程度良好，類團內部成員聚類成功；當其值等于1時，聚類效果最好；文獻出版平均年份（mean year），反映出該類團的研究主要處于哪一年.

本文通過篩選前10的聚類結果（圖3），對所選文獻進行關鍵詞聚類分析.從表2可以得出，聚類#0“生物炭”，發表相關文獻數量最多，共41篇，主要集中在2015年發表，其剪影度為1，該類團成員的聚類程度最佳，主要研究農業用生物炭對農業、溫室氣體強度、重金屬等方面影響；聚類#1“水稻”，共發表34 篇相關文獻，剪影度為0.975，主要集中在2016 年發表，研究農業用生物炭對水稻、土壤養分、產量等方面影響；聚類#7“熱解”發表相關文獻數量20篇，主要集中在2012年發表，主要研究農業用生物炭對生物質、孔隙結構、焦油等方面影響，剪影度與“生物炭”一致為1，該類團成員的聚類程度同樣最佳.

圖3 我國農業用生物炭的關鍵詞聚類圖譜

表2 我國農業用生物炭文獻的聚類關鍵詞

2.2.4 關鍵詞時間線圖譜分析

時間線圖譜是陳超美教授近些年更推薦的一種時間圖譜的展現方式，它主要側重于展現聚類內部各成員之間的相關性、技術的演進以及歷史的跨度過程，可以直觀的反應出不同關鍵詞在不同年份的出現情況，時間線圖譜上的同一個聚類節點按順序出現的年份依次排列在同一條水平線上［20，21］.為探究有關農業用生物炭領域的熱點變遷及演變趨勢，利用CiteSpace 軟件，選擇“Timeline View”，對研究熱點分布作時間線圖譜分析，篩選前10個聚類結果，如圖4所示.從時間線圖譜可以看出，1994年-2009年，我國對于農業用生物炭領域的研究及關注還較少，側重點在“固化”、“生物質”和“熱解”3 個主題；從2010年開始，可以明顯看出聚類的成果開始增多，側重點在“生物炭”、“生物質炭”、“秸稈”、“農業”等主題.由此可以得出，我國對于該領域研究的關注度從2010年開始呈井噴式增長，大量的學者對其展開科研，由此可以推斷出，未來該領域仍將會是學者們研究方向的熱點與趨勢.

圖4 我國農業用生物炭的關鍵詞時間線圖譜

2.3 主要作者合作分析

某個領域的研究作者之間的合作圖譜，即學者們以研究生產新的科學知識為目的而在一起工作所展現的圖譜.通過作者合作圖譜的閱讀，可以了解到國內有哪些研究人員在農業用生物炭領域具有很高的造詣，以及幫助讀者了解到該領域核心帶頭學者的變化和更新，從而促進該領域的學術研究與合作.將提取的農業用生物炭的相關文獻合集導入CiteSpace軟件并進行數據分析轉換，節點處理區設置為作者，年份切片參數設置為1年，不進行網絡剪裁，最后生成作者間合作圖譜（圖5）.圖中節點（作者名字）的大小代表作者發表文獻的數量，節點越大，則發表的數量越多；各個節點的連線代表作者之間存在的合作關系，連線的顏色代表了各作者首次合作的時間.圖5中共包括442個節點和1030條連線，農業用生物炭作者合作網絡密度為0.0106.由圖5可知，學者潘根興和李戀卿的節點最大并存在連線，表明二人發表與農業用生物炭有關的文章最多并存在合作關系.

對農業用生物炭領域發文量前10位作者進行統計分析，如表3所示.發文數量最多的為南京農業大學的潘根興，總發文數量為56篇，最早發文年份為2011年，表明其在該領域為核心帶頭人物這與上文圖5中結論一致.發文量前10位作者中，潘根興、李戀卿、張旭輝、鄭金偉、劉曉雨、鄭聚鋒6位學者均屬于南京農業大學，由此可以看出該領域最具代表性和權威性的機構是南京農業大學.

圖5 我國農業用生物炭的研究作者合作圖譜

表3 我國農業用生物炭文獻的高產作者統計表

2.4 主要機構分析

某個研究領域的發文機構能夠具體表現機構的專業性、權威性、代表性和科研完善的進度.將提取的農業用生物炭的相關文獻合集導入CiteSpace軟件并進行數據分析轉換，節點處理區設置為作者，年份切片參數設置為1年，不進行網絡剪裁，最后生成機構間合作圖譜（圖6）.圖6共有3個類團，每個類團中的節點大小代表了機構發文數量，各個節點之間的連線代表了機構之間的合作關系，連線的顏色代表了各個機構首次合作的時間.由此可以得出，南京農業大學有關農業用生物炭領域的發文數量最多，其與中國農業科學院、內蒙古農業大學、中國農業大學等多機構存在合作關系.

圖6 我國農業用生物炭的研究機構合作圖譜

通過對發文量前10的機構進行統計分析，如表4所示.可以看出進行農業用生物炭領域相關研究的機構主要是我國高等農業院校和國家重點研究所.其中發文量處于領頭的機構為南京農業大學和沈陽農業大學，南京農業大學的發文量最多，達89篇，這與上文主要作者發文量的趨勢一致；其次是沈陽農業大學，雖然該機構總發文獻量共65篇，但其發文量總數排在前10的學者僅有1位，表明該校從事農業用生物炭領域研究的團隊較多，領頭核心人物只有1位，這可能與該校在2020年11月15日專門成立了生物炭研究院有關.

表4 我國農業用生物炭文獻的機構發文量

2.5 主要資助基金分析

某個研究領域資助基金的數量可以反映出該領域的價值及受關注程度.通過對870篇有關農業用生物炭文獻的資助基金數量前10 位進行統計，如表5 所示.“國家自然科學基金”、“國家重點研發計劃”、“國家科技支撐計劃”、“國家高技術研究發展計劃（863計劃）”4個基金資助為國家級的基金資助，共發文獻549篇，占總發文量的63.10%.其中基金發文量最多的是“國家自然科學基金”，共發文326篇.從上述數據得出，我國國家層面對該領域也達到了高度重視并給予了大量的基金支持，由此可以推測出該領域在未來仍然會是各個學者、研究機構以及國家關注的重點.

表5 我國農業用生物炭文獻的基金資助項目

3 農業用生物炭的研究前沿

爆發性檢測，指一個變量的值短時間內爆發式增加，突然變成了熱點研究領域，被學者、學術機構和國家廣泛關注.爆發性檢測可以發現某研究領域從單一到多元的演進趨勢，可從關鍵詞中得到出現頻次在短時間內突然增加的研究領域或主題，進而預測那些關鍵詞在未來是否會成為熱點領域［22］.通過對870篇文獻進行爆發性檢測，可清晰的看出關鍵詞出現的時間、結束的時間、關鍵詞強度以及未來熱點領域的研究趨勢（圖7）.其中“土壤”這一關鍵詞的強度最大，其值為5.11，爆發期持續了3年；“水稻土”的強度為1.81，“品質”的強度為2.03，但二者爆發期持續時間最長，同為5年.由圖7可知，隨著該領域的深入研究，2019年-2021年出現了“小麥”、“水稻”等與農業有關的關鍵詞，進一步延伸了農業用生物炭領域，表明未來農業用生物炭依舊是研究熱點趨勢.從“廢棄物”、“cd”、“生長”和“土壤性質”4個關鍵詞可以看出，未來農業用生物炭的研究前沿將更多的傾向于農業生態環境保護、農業土壤環境治理等方面.

圖7 我國農業用生物炭的文獻突現詞

4 未來我國農業用生物炭的研究熱點趨勢

由于有關農業用生物炭領域的關鍵詞中具有較多專業術語，難以直觀清晰理解.通過查閱聚類相關國內外在該領域的高被引文獻及核心文獻，排除分類不當及概述不清的關鍵詞，從而總結出3大研究熱點主題，分別為農作物品質改善及增產、農田土壤理化性質的改良及養分的提高、農業生態環境的修復及可持續發展.

4.1 農作物品質改善及增產

隨著農業用生物炭的不斷深入研究，其在農作物生產及品質改良方面的積極作用已愈發受到重視［23，24］，并在水稻、小麥、大豆、玉米等農作物增產上取得了良好的功效.Jeffery等［25］，研究發現將生物炭摻入農田土壤中，將提高大約10%的農作物生產率.在亞馬遜河地區的大田試驗表明，在土壤中施入生物炭用量為11t·hm-2時，2年4個生長季后水稻和高粱產量累積增加了約75%［26］.張偉明等［27］研究表明，當對水稻施用生物炭用量為10g kg-1時，將促進其各器官協同發育，從而達到增產；在完全隨機的田間試驗中，在氮肥用量相同的情況下，小麥產量和SOC含量隨著生物炭用量的增加而增加［28］；生物炭的應用增強了大豆中的碳同化，促進生物量積累和產量增加，從而提高大豆的產量［29］；生物炭對農作物的增效存在一定的累加作用，Major等［30］，通過進行4年的施用生物炭于玉米和大豆輪作農田試驗結果表明，當生物炭用量為20t·hm-2時，第1年玉米產量并未提高，從第2年至第4年，玉米產量逐年較對照增加了28%、30%和140%.生物炭不僅可以提高農田作物的產量，還對作物抗逆性有一定的改善.Akhtar S等［31］研究表明，通過農田施用生物炭，可降低了小麥對Na+的吸收轉化，進而提高小麥生長和生產力；同時生物炭的施用可顯著改善鹽堿地的中馬鈴薯的生長發育及產量形成［32］.

盡管目前生物炭應用在農田上可以顯著提高作物的產量及改善品質，但我國土壤類型眾多，當前針對農業用生物炭的適宜用量于不同類型農作物以及生物炭對不同氣候、地區下農作物影響的研究鮮有報道，生物炭是否對農作物產生負面效應還存在不確定性及未知性，因此，未來生物炭對農作物品質及產量的影響，仍將是我國該領域的研究熱點趨勢.

4.2 農田土壤理化性質的改良及養分的提高

土壤肥力對農作物生長起著至關重要的作用，并對農作物生產力的高低有著重要的影響［33］.生物炭改善農田土壤理化性質及養分提高主要有以下方面：（1）施用生物炭在農田進行碳化時，由于生物炭顆粒的平均密度小于土壤顆粒的平均密度，可以有效的降低土壤容重，從而降低農業機械耕作的能量需求，形成多孔結構，顯著提高土壤中的有效含水量［34］；（2）pH值可影響農田土壤養分的微生物多樣性和植物生理生化過程［35］，生物炭呈堿性，可顯著中和酸性土壤，降低土壤酸化度［36］；（3）生物炭可影響農田各物質循環和C和N的陽離子交換，從而提高土壤養分［37］.（4）生物炭可作為有機肥與農肥配合施用，從而有效減少肥料養分流失及農肥施用，避免農田土壤板結，改善土壤質量［38］.

目前，針對農業用生物炭在不同農田土壤類型及不同溫度下對農作物的影響鮮有報道，在室溫中研究的結果與實際的結果仍存在差異，農業用生物炭對農田土壤的弊端還未完全顯現出來，因此未來生物炭對農田土壤理化性質的影響仍需進一步系統研究.

4.3 農業生態環境的修復及可持續發展

如今，我國農業在發展中越來越注重環境保護，農業生態系統的可持續發展已成為大部分農業區的主要發展目標［39］.生物炭的存在與農業生態系統密不可分，Smith 等［40］研究表明，農業生態工程中可通過增加土壤碳儲存量從而調節土壤碳排放到大氣，其中的一種策略是在生物質中捕獲大氣中的二氧化碳，然后生產生物炭并將其儲存在土壤中［41］.生物炭對于農業生態系統中存在的部分重金屬污染物存在一定的修復機理.其中最常見的就是生物炭灰分中存在某些元素能夠有效的促使重金屬在農田土壤中鈍化，從而形成穩定化合物，減輕重金屬的毒害作用［42］.

生物炭通過減輕農田土壤重金屬的污染，提高作物產量，保護生態環境，從而促進農業生態的可持續發展，但目前生物炭對于環境污染物只能起到吸附、減緩的作用，未能完全消除污染，后續研究需要考慮并分析農業用生物炭的時效性及最大效率吸附污染物的用量；農業用生物炭有關治理農田重金屬污染多為鎘污染，考慮的因素較為單一，對于其他農田重金屬污染的有效防治及預防二次污染有待進一步研究.

5 結論

農業用生物炭，在改良土壤理化性質、提高作物產量等方面具有十分突出的優勢，有助于推動我國農業實現可持續發展與保護農業生態環境. 本文統計分析數據基于中國知網（CNKI）全文數據庫至2021年11月有關農業用生物炭1310篇期刊文獻及論文，將選取范圍設置成僅核心期刊、CSCCI期刊和CSCD期刊3個期刊，人工排除科學噪點，最終得到的有效文獻數量集合為870篇.通過對研究進程、研究熱點、研究現狀、研究內容等方面統計，利用CiteSpace軟件進行可視化分析及知識圖譜的繪制，結果表明：

5.1 我國農業用生物炭研究領域的發展主要經歷了萌芽起步、加速上升、緩慢下降3個主要階段，年度發文數量逐年增加，研究內容逐漸從單一到多元化.從2019年起，年度發文數量逐漸下降，但整體數量較萌芽起步階段仍是處于大幅度增加的狀態，年度發表文獻總量遠超過萌芽起步和加速上升兩個階段，由此可以推測出，農業上應用生物炭的相關研究在未來仍將是農業可持續發展領域的熱點.

5.2 研究作者之間合作密切，具備穩定的科研團隊與技術，該領域的代表性研究員主要是潘根興、李戀卿等高等農業院校和國家重點研究所的學者和技術人員.

5.3 該領域研究中，南京農業大學與中國農業科學院、內蒙古農業大學、中國農業大學等多高校機構存在合作關系，具有代表性的研究機構為發文量89篇的南京農業大學和發文量65篇的沈陽農業大學.5.4 我國國家層面十分重視該領域的研究，63.1%數量的文章都具有“國家自然科學基金”、“國家重點研發計劃”等國家重點基金項目支持及保障.

5.5 我國農業用生物炭正在逐漸轉向維持農業生態環境可持續發展的方向邁進.未來我國農業用生物炭的研究趨勢可能主要集中在農作物品質改善及增產、農田土壤理化性質的改良及養分的提高、農業生態環境的修復及可持續發展三個方面.