基于CiteSpace的甲烷管控技術研究進展和熱點分析

賈國偉，許 邦，邵壯壯

(1.中國21世紀議程管理中心，北京 100036；2.北京工業大學 環境與生命學部環境化工系綠色催化與分離北京市重點實驗室，北京 100124；3.中國礦業大學(北京)應急管理與安全工程學院，北京 100083)

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，具有增溫潛勢大、排放增速快、氣體壽命短等特點。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告指出，在100年時間尺度內甲烷的全球增溫潛勢約是二氧化碳的27.9倍[1]。與二氧化碳相比，甲烷的壽命要短得多，排放在大氣中的甲烷經過約12 a即可自然分解，甲烷的穩定排放對氣候系統的長期影響為零，甲烷管控相當于二氧化碳的負排放[2]，對減緩全球溫度上升具有重要意義。

2021年12月，在英國格拉斯哥舉行的聯合國氣候變化會議(COP 26)上，由美國與歐盟發起，105個國家共同簽署了“全球甲烷承諾”，參與承諾的各方自愿統一行動，到2030年將全球甲烷的排放量在2020年甲烷排放水平的基礎上至少減少30%。近期甲烷管控技術受到了國內科研及技術人員廣泛的關注。張博等[3]分析了我國甲烷排放現狀及政策，提出應加強甲烷管控基礎研究工作，加大國際交流與合作及社會參與度；劉文革等[4]構建了煤礦甲烷排放主因素分析模型，提出了廢棄礦井瓦斯逸散監測及利用技術體系；薛明等[5]提出油氣行業源頭綠色化、過程清潔化、廢物資源化的融合發展機制建議，以期縮短構建甲烷排放檢測、核算與核查體系的時間；劉良云等[6]全面分析了全球碳盤點衛星遙感核心技術，提出了我國的碳監測衛星計劃方案。

目前,針對甲烷管控技術的相關研究尚不完善，對該領域的發展動態和熱點前沿缺乏系統性研究。文獻計量方法基于統計學，總結分析各領域研究進展、研究熱點，研究結果能夠反映各領域研究的發展態勢和熱點趨勢。因此，筆者基于文獻計量方法，結合研究機構合作網絡圖譜、關鍵詞共現圖譜等，梳理總結甲烷管控技術研究的發文數量、研究力量及研究熱點，分析甲烷管控技術的研究進展和動態趨勢，研究結果對支撐溫室氣體減排工作具有重要作用。

1 數據收集與分析方法

分析軟件CiteSpace由美國德雷塞爾大學陳超美教授研究開發并引入國內，其主要通過關鍵詞共現、機構分布、作者合作、文獻耦合等要素的可視化功能，展現和分析學科前沿的趨勢和知識關聯狀態[7-8]。本次研究數據來源于Web of Science核心合集和中國CNKI數據庫，檢索時間段為2011—2021年，同時為了保證分析結果的準確性和客觀性，保留論文(Articles)和綜述論文(Review Articles)2種類型，采用基本檢索方式，以“全記錄與參考文獻”結果導出。為了保證對甲烷管控技術研究現狀分析的全面性，分別從能源、農業、廢棄物等分領域的甲烷減排技術和排放、監測、捕集(空氣)等綜合管控類的甲烷共性技術兩大方面篩選主題詞。最終確定了煤炭領域的瓦斯抽采(gas extraction)和瓦斯利用(gas utilization)、油氣領域的油氣甲烷(oil and gas methane)、農業領域的農業甲烷(agricultural methane)、廢棄物領域的廢棄物甲烷(waste methane)等5個主題詞，以及甲烷排放(methane emission)、甲烷監測(methane monitoring)、甲烷捕集(methane capture)等3個共性技術的主題詞，對上述8個中英文主題詞進行檢索分析，共檢索到甲烷排放(methane emission)28 043篇、甲烷監測(methane monitoring)6 935篇、甲烷捕集(methane capture)6 636篇、瓦斯抽采(gas extraction)4 574篇、瓦斯利用(gas utilization)3 842篇、油氣甲烷(oil and gas methane)10 449篇、農業甲烷(agricultural methane)8 264篇、廢棄物甲烷(waste methane)5 635篇。對8個中英文主題詞取并集后排除重復部分，最終從CNKI和Web of Science數據庫中分別收集了24 358篇和50 020篇文獻。

2 結果和討論

2.1 發文數量統計分析

2011—2021年各行業領域甲烷相關文獻統計對比如圖1所示，2011—2021年各關鍵詞檢索的中、英文文獻統計對比如圖2、圖3所示。

圖1 2011—2021年各行業領域甲烷相關文獻數量統計

圖2 2011—2021年各關鍵詞檢索的中文文獻數量統計

圖3 2011—2021年各關鍵詞檢索的英文文獻數量統計

由圖1可知，近10年內發表的關于“甲烷管控技術”的英文文獻數量快速增長，中文文獻數量較為穩定，保持在每年1 000篇左右，中文與英文的文獻數量差距呈逐步增大趨勢。

由圖2、圖3可知，我國在煤炭行業中瓦斯抽采與利用領域發文量最高，年均超過400篇，占比約為40%。近3年來，我國對甲烷排放的關注顯著增加，文獻數量增加近30%；甲烷捕集、油氣甲烷的相關文獻數量逐漸增多；廢棄物甲烷研究文獻居甲烷管控技術各行業領域英文文獻研究首位，且呈快速增長趨勢，2021年文獻數量占比超28%；綜合管控方面甲烷捕集文獻數量少于甲烷監測文獻數量；油氣方面甲烷管控文獻占比逐年升高，煤炭甲烷文獻占比則呈現下降趨勢，自2016年的2.8%下降到2021年的2.3%。國外對于油氣行業甲烷排放情況的關注有所增加，這種行業方向的側重與各國能源結構具有密切關系，且眾多國家出臺了甲烷管控的相關政策或法律法規，并對油氣行業甲烷排放源提出了具體要求[7]。在綜合管控方面，2015年開始甲烷捕集方面文獻數量逐步超過甲烷監測方面。

2.2 研究力量分布

2.2.1 作者及合著分析

在CNKI和Web of Science數據庫中分別提取了679名和3 673名相關作者的信息。選取中國與外國各行業的代表作者，分析研究團隊及其研究內容。

1)煤炭領域。我國在瓦斯抽采與利用方面的研究團隊較多，主要有：程遠平、林柏泉等中國礦業大學研究團隊，以減少煤炭生產過程中甲烷向大氣逸散為目的，研究了煤層瓦斯含量測量方法、含瓦斯煤性質及瓦斯抽采與資源化利用的技術方法[8]；以李樹剛和林海飛為代表的西安科技大學研究團隊，主要研究瓦斯在煤層中的運移規律及煤與瓦斯共采技術等[9]；以許江、彭守建為代表的重慶大學研究團隊，主要研究內容為瓦斯抽采等技術[10-12]。在國外，以Barkley和Davis為代表的賓夕法尼亞大學研究團隊，主要研究瓦斯抽采及瓦斯發電等技術[13]。

2)油氣行業甲烷管控領域。中國石化石油勘探開發研究院的許科偉、楊帆和王國建共同研究油氣勘探與微泄漏，基于油氣泄漏致使甲烷排放，探尋甲烷管控的方法[14];以Daniel J Jacob、Joannes D Maasakkers和Sheng Jianxiong為代表的美國哈佛大學研究團隊，主要研究甲烷排放與衛星檢測等技術[15]；以美國國家海洋和大氣管理局的Colm Sweeney和美國密歇根大學Eric A Kort為代表的2個研究團隊，聯系十分密切，共同研究美國的甲烷人為排放及二氧化碳、甲烷排放與監測技術[16];我國廣東省汕頭市環境保護監測站的賴永忠基于甲烷監測方向研究甲烷管控的方法，主要研究測定揮發性有機物的吹掃捕集氣相色譜質譜聯用的分析方法[17]。

3)農業領域。我國相關研究團隊主要有：以中國農業科學院飼料研究所的刁其玉、屠焰、董利鋒等為代表的研究人員，主要研究飼料對牛羊生長性能、肉質、瘤胃發酵與生物菌群結構等的影響[18]，以及反芻動物甲烷排放量的測定，以甲烷產生原理為基礎，采取源頭管控的辦法控制農業甲烷排放量；由葉小梅帶領的江蘇省農業科學院研究團隊，主要研究秸稈或畜禽糞便的厭氧、混合等發酵過程，通過甲烷產生過程研究甲烷管控的方法[19]。國外農業領域甲烷管控研究人員主要有澳大利亞南十字星大學的Damien T Maher、意大利米蘭大學的Marco Fiala等[20-21]。

4)廢棄物甲烷管控方面。我國學者及研究人員主要基于有機廢棄物和生活污水2個層面，研究甲烷管控的有效措施。中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的趙立欣和農業農村部環境保護科研監測所的馮晶建立合作關系，共同研究秸稈、牛羊糞便等農業廢棄物及其發酵影響因素，以及甲烷產生過程，從源頭管控，促進甲烷管控研究發展[22]；以劉廣青為代表的北京化工大學研究團隊，主要研究廚余垃圾等有機作物厭氧消化過程和鈉鹽對其影響及甲烷排放潛力[23]，進而研究有機廢棄物的甲烷管控辦法；以王東波為代表的湖南大學團隊，主要研究了食物垃圾厭氧消化、廢水等城市生活廢棄物產生甲烷的過程及影響，從過程出發研究了廢棄物領域甲烷管控的辦法[24]。在國外，以Pariatamby和Rahedah為代表的馬來亞大學研究團隊，研究了有機廢物添加對甲烷氧化活性的影響[25]。

2.2.2 國別與機構分析

由統計可得，2011—2021年甲烷管控研究領域的論文來自143個國家和地區，但在此領域的研究較為集中，其中發文量前15的國家如圖4所示。

由圖4可以看出:中國和美國發文量分別為1 360篇和1 338篇，占據甲烷管控研究領域的第一梯隊，大幅領先于其他國家和地區，且兩國發文量之和約占總發文量的1/2，表明中美兩國在甲烷管控和氣候環境保護方面極其重視，同時也擁有雄厚的經濟和科研實力，并對該領域的研究投入了大量的財力和物力。加拿大發文量為426篇，位列第三，表明其在甲烷管控領域有較強的科研實力；德國、英國、澳大利亞分別以424、340和308篇文章緊隨其后，與加拿大同處于此研究領域的第二梯隊；印度、意大利、日本、法國處于此研究領域的第三梯隊；其余發文量較多的國家還包括西班牙、荷蘭、俄羅斯、波蘭和韓國等。

圖4 2011—2021年甲烷管控領域發文量前15位的國家

2011—2021年甲烷管控領域研究機構合作圖譜如圖5所示。機構數量以節點個數表示，節點(圓圈)的大小和字體標簽大小代表機構文獻的產出量；網絡中連線的疏密反映機構之間合作的密切程度。

圖5 2011—2021年甲烷管控領域研究機構合作圖譜

由圖4、圖5可以看出，全球共有1 058個研究機構在甲烷管控領域發表了學術研究成果，發文量排名前三的研究機構分別是中國科學院(253篇)、瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室(105篇)、美國國家海洋和大氣管理局(89篇)，其中中國科學院的發文量遙遙領先于其他機構，且在此領域的研究水平較高、影響程度較大；在機構分布方面，排名前15的機構分別來自中國、美國、俄羅斯、丹麥、加拿大，其中有7個中國機構，分別是中國科學院、瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室、中國科學院大學、中煤科工集團西安研究院有限公司、中國礦業大學、中煤科工集團重慶研究院有限公司及中國農業大學。

2.3 研究前沿與熱點

2.3.1 關鍵詞共現分析

為分析近些年中外甲烷管控的研究熱點，采用共現分析方法對2011—2021年數據中的關鍵詞進行分析。關鍵詞是作者將論文論點高度凝練后提取的，分析其演變情況可以有效了解該研究領域的總體特征和發展態勢。利用CiteSpace軟件繪制關鍵詞共現科學知識圖譜，得到2011—2021年國內外甲烷管控研究中文關鍵詞共現圖譜，如圖6所示。其中節點數N為617，連線數E為706。外文關鍵詞共現圖譜如圖7所示，其中節點數N為578，連線數E為726。

圖6 2011—2021年中文關鍵詞共現圖譜

圖7 2011—2021年外文關鍵詞共現圖譜

圖6和圖7中用半徑大小不同的“年輪形”節點和大小不同“十字形”節點來表示國內外甲烷管控研究關鍵詞的共現頻次。節點半徑越大、節點間連接線越粗，則表示該關鍵詞的共現頻次越高。由圖6、圖7可以看出：出現頻次較高的中文關鍵詞為穿層鉆孔(337)、卸壓增透(212)、水力沖孔(181)、順層鉆孔(165)、水力割縫(142)、厭氧發酵(91)、產甲烷菌(58)等；出現頻次較高的外文關鍵詞為Rumen microorganism(瘤胃微生物)(215)、Biogas production(沼氣生產)(196)、Co-digestion(共消化)(168)、Biogas production(沼氣生產)(132)、Fluid flow(流體流動)(117)、Antioxidant activity(抗氧化活性)(98)、Shale gas(頁巖氣)(75)等。

關鍵詞共現圖譜中節點最外層的深色圓圈顯示關鍵詞共現的中心性，中心性能反映某節點與其他節點之間的聯系及其在整個圖譜中的作用和地位。通過對關鍵詞共現中心性(中心性大于0.1)進行分析，可以得到對甲烷管控研究具有重要作用的熱點關鍵詞，進而得到近些年國內外甲烷管控研究領域內的研究熱點：國內研究熱點關鍵詞為排放特征(0.25)、餐廚垃圾(0.23)、排放通量(0.21)、卸壓增透(0.14)、順層鉆孔(0.13)、水力沖孔(0.11)、穿層鉆孔(0.11)；國外研究熱點關鍵詞為Hydrocarbon(碳氫化合物)(0.32)、Pressure swing adsorption(變壓吸附)(0.17)、Natural gas production(天然氣生產)(0.11)。

結合關鍵詞的出現頻次和中心性分析，可知我國甲烷管控的研究熱點主要集中在瓦斯抽采利用方面[26]，卸壓增透、順層鉆孔、水力沖孔、穿層鉆孔、水力割縫等技術是瓦斯抽采領域重要的研究熱點。國外甲烷管控技術的研究熱點主要集中在油氣行業方面。

2.3.2 突現詞分析

進一步研究某一時段引用量有較大變化的關鍵詞，探究某一個關鍵詞衰落或者興起的情況，進一步對該領域研究熱點進行分析，分別繪制中文和外文的突現詞共現圖譜，如圖8和圖9所示。圖中大小不同“十字形”節點用以表示突現詞，節點越大、節點之間的連線越粗則表示該突現詞的出現頻次越高。

年份

年份

分析圖8、圖9可知，2011—2015年，出現的突現強度較高的中文詞是封孔工藝，其次是預抽瓦斯、好氧堆肥、鉆孔間距等；出現的突現強度較高的外文詞是Denitrification(脫氮)，其次是Adsorption(吸附)、Methane oxidation(甲烷氧化)、Catalyst(催化劑)、Organic carbon(有機碳)等。脫氮[27]主要應用在土壤、垃圾填埋場等方面，氮可以影響甲烷產生、氧化和傳輸過程，最終影響甲烷排放量，因此脫氮可實現甲烷的資源化利用，減少環境污染。

2016—2021年突現強度較高的中文詞是乏風瓦斯、管道輸送，其次是替代燃料、兩堵一注、填埋處理等。乏風[28](又稱礦井乏風，簡稱VAM)指煤礦在采掘過程中對煤礦井下進行大量通風，供風風流經過開采工作面及其他用風地點后攜帶有瓦斯，其所含甲烷濃度(體積分數)低于0.75%。目前國內外現有乏風利用技術有乏風熱逆流反應器技術、催化逆流反應器技術、乏風甲烷氧化技術等。乏風瓦斯資源的利用對環境保護具有重要意義。

2011—2021年突現強度最高的外文詞是保護性耕作(Tillage)[29]。水稻田秸稈還田降低了CH4的排放，CH4的排放降低量會隨著還田量和年限增加而增加。分析評價全球增溫潛勢時，如果考慮固碳作用，保耕措施能減少GHG排放甚至使農田轉變成碳匯。

進一步挖掘圖譜可知，2019—2020年涌現了新興熱點內容，Biofuel(生物燃料)、Interspecies electron transfer(微生物種間電子轉移)、Methane reforming(甲烷重整)將是未來甲烷管控領域的前沿問題。

2.4 中外研究熱點對比分析

從地域角度可知，各地域的相關研究存在一定的共性，同時也有著較大的差異性[30]。在甲烷管控研究領域，中國和美國的發文量占據了領先地位，歐洲國家也以較高的發文量位居其后，因此筆者對中、美、歐洲國家2011—2021年在甲烷管控領域發表論文的高頻關鍵詞進行統計，對比分析中外近年來在此領域的研究熱點。2011—2021年中外甲烷管控領域高頻關鍵詞對比如表1所示。

表1 2011—2021年中外甲烷管控領域高頻關鍵詞對比

由表1可以看出：中國在甲烷管控領域的發文中出現頻次較高的關鍵詞有Gas extraction(瓦斯抽采)、Methanogens(產甲烷菌)、Numerical Simulation(數值模擬)、Drilling through layers(穿層鉆孔)、Anaerobic fermentation(厭氧發酵)；美國在甲烷管控領域的發文中出現頻次較高的關鍵詞有Anaerobic digestion(厭氧消化)、Biogas production(沼氣生產)、Oxidation(氧化)、Co-digestion(共消化)、Fermentation(發酵)；歐洲國家在甲烷管控領域的發文中出現頻次較高的關鍵詞有Fermentation(發酵)、Adsorption(吸附)、Anaerobic oxidation(厭氧氧化)、Numerical Simulation(數值模擬)、Biogas production(沼氣生產)。

結合其他高頻關鍵詞可知，中、美、歐洲在能源、農業及廢棄物等領域甲烷管控方面均有較多的學術研究成果，但中、美、歐存在一定的差異。中國的研究側重于瓦斯抽采、產甲烷菌、穿層鉆孔、厭氧發酵、卸壓增透等方向，而美國的研究側重于厭氧消化、沼氣生產、氧化、共消化、發酵、捕集、吸附等方向，歐洲國家的研究側重于發酵、吸附、厭氧氧化、瘤胃發酵、分解、封存等方向，各國研究的側重點呈現多元化。中美多家研究機構在甲烷排放和監測技術方面有著密切的合作關系；中歐在產甲烷菌、厭氧氧化等農業領域技術的發展方向一致；中、美、歐在全球甲烷管控和氣候變暖方面達成共識，為全球甲烷管控目標及全球氣候變暖的應對起到了有效的助推作用。

3 結語

1)從研究熱點來看，煤炭行業甲烷管控主要在卸壓增透、順層鉆孔、水力沖孔、穿層鉆孔、水力割縫等瓦斯抽采技術方面進行研究；油氣行業主要集中在變壓吸附、油氣化探、氣體逃逸、油氣泄漏研究等方面；農業行業主要聚焦厭氧發酵、產甲烷菌、瘤胃發酵研究等方面；廢棄物甲烷管控研究主要圍繞共消化、餐廚垃圾處理和堆肥。此外，綜合管控方面主要對排放特征、排放因子、排放標準、在線監測等進行研究。

2)從新興技術來看，生物燃料、微生物種間電子轉移、甲烷重整將是未來甲烷管控技術領域的前沿問題，研究將從源頭減少甲烷的生成、從末端進行甲烷的處理、利用衛星遙感等監測甲烷管控的成效等方向進行。

3)從地區分布角度來看，各區域在甲烷管控技術領域的研究各有側重點，研究呈現多元化。我國能源行業的甲烷管控相關研究較多，側重于煤炭瓦斯開采和利用等技術的研究；美國著重研究油氣、農業領域的甲烷管控，側重于厭氧消化等技術的研究；歐洲農業和廢棄物的相關研究較多，側重于瘤胃發酵等技術的研究。