基于文獻計量學的棉花秸稈研究現狀與熱點分析

馬文鵬，趙宇曦，劉 斌，3，何洪優, 任海偉

(1.新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉 831100；2.中糧營養健康研究院有限公司，北京 102209；3.北京優聯格瑞食品有限責任公司, 北京 101012; 4.蘭州理工大學 生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050)

中國是世界上最大的棉花生產國,每年的產量約占全球棉花產量的25%。棉花收獲后會剩余大量的廢棄物,如秸稈、棉花葉和棉花殼,僅棉花秸稈的量每年就有4000萬噸[1]。新疆作為全國最重要的棉花種植基地，棉花秸稈資源十分豐富。棉花秸稈是棉花生產的主要副產物，其含有豐富的木質素、纖維素和半纖維素以及粗蛋白等物質，可廣泛用于農畜業、工業、能源、環保等領域，具有極高的開發利用潛力[2]。1997年，張佑華[3]所在的農一師三團機務科在原先純人工砍運秸稈的背景下，研發新型壓桿器，使得 95%以上的棉稈都能翻壓入土，不露地表。2003年，新疆農業大學魏敏[4]通過對照試驗得出粉碎棉花秸稈作為粗飼料,可被綿羊采食和利用的結論。2007年，石河子大學鄧輝[5]以棉花秸稈為原料，研究了原料預處理的方法，篩選了乙醇發酵菌株，并系統研究了秸稈水解液發酵轉化乙醇的工藝。2015年，新疆農業大學晉強[6]等根據新疆棉花秸稈利用的現狀及問題,論述了棉花秸稈制作粗骨料的探索性思路。目前關于棉花秸稈領域研究現狀與發展趨勢的研究相對較少。我國對棉花秸稈的研究較國外起步晚，研究的系統性和針對性上還有待提升，為把握棉花秸稈在應用與開發領域的研究現狀與發展趨勢，以公開的各種科技文獻為研究對象，采用文獻計量法，運用數學、統計學與文獻學方法來描述、評價和預測棉花秸稈研究現狀與發展趨勢。筆者收集中文載文375篇(1986年7月～2021年12月)、外文載文481篇(1933年1月～2021年12月)，系統性分析棉花秸稈領域研究現狀并預測發展趨勢，能夠為合理有效地處理利用棉花秸稈提供理論支撐,促進社會經濟可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

國外數據，本文以 Web of Science 數據庫為來源。2021 年 12月作者基于 WOS 檢索，檢索式為: TI=((cotton or gossypium spp)AND(straw* or stalk* or husk*))，對檢索結果進行人工篩查，去除報告、新聞、會議通知等不相關條目。

國內數據，本文以中國學術期刊網絡出版總庫(China Academic Journal Network Publishing Database)為來源。檢索標題包含“棉花秸稈”的論文。對檢索結果進行人工篩查，剔除無關文獻。

1.2 試驗方法

知識圖譜分析是引文分析理論和信息技術可視化發展而來的綜合分析手段，本研究運用知識圖譜可視化分析軟件 VOSviewer與文獻計量分析相結合的方式，分析發文量時序分布、研究熱點、研究主題等方面的特征，揭示國內外棉花秸稈研究的前沿熱點問題等內容。

(1)發文量時序分析。按時間統計棉花秸稈發文量，對比中外發文量變化趨勢，分析棉花秸稈研究的中外發展變化及其影響因素。

(2)研究熱點分析。提取中外棉花秸稈研究文獻的關鍵詞，進行共現聚類分析，探究各研究熱點的知識群組，反映關鍵詞之間的親疏關系。

(3)學科分布分析。統計中外棉花秸稈研究發文量排名前10的期刊學科分布，分析棉花秸稈研究領域文獻的研究層次和研究主題在學科中受關注程度。

2 結果與分析

以主題聚類、關鍵詞共現等為主要分析內容，運用VOSviewer可視化分析軟件對國內外棉花秸稈研究進展進行梳理分析，形成棉花秸稈研究領域在研究熱點、發展方向等方面主要結論，為下一步研究提供指導。

2.1 發文量時序分布

學術論文發文量的時序變化是衡量棉花秸稈研究領域發展的重要指標。統計CNKI和WOS中以棉花秸稈為研究主題的發文量，建立發文量時序分布圖，分析文獻時間分布和變化趨勢，對比棉花秸稈研究的中外差異，如圖1所示。

圖1 國內外棉花秸稈研究文獻發表年份趨勢圖

由圖 1 可見，國外棉花秸稈領域研究遠早于國內，早在 1933 年開始從棉花秸稈和棉花尖中纖維素的單位細胞對棉花秸稈進行探索[7]。從1961 年開始，對棉花秸稈有了持續性研究，每年均有研究成果，直至 2006年。從2007年開始，研究進入增長期，雖然個別年份文獻量有所下降，但總體增長態勢顯著。2021 年有 53 篇研究成果產出，達到高峰。

國內方面，1990 年杭書群[8]以“用生產牡蠣菇的棉花秸稈作飼料”為題開啟了國內相關研究，此后國內相關研究成果數呈增長趨勢，2014年發表了45篇論文，達到高峰。隨后發表文獻量略有下降，2017 年以來，年均發表22.4篇論文。

2.2 研究熱點分析

2.2.1 國內研究熱點分析

關鍵詞是作者對論文研究主題核心概括，圖2為國內棉花秸稈研究高頻關鍵詞共現網絡圖。圖中字體大小表示關鍵詞詞頻，字體越大，詞頻越高。節點顏色代表所屬聚類，圖中不同顏色代表不同聚類。節點間連線表示關鍵詞之間聯系，連線粗細度、顏色深淺度代表聯系緊密度，連線越粗、顏色越深，表示聯系越緊密。

圖2 國內棉花秸稈研究高頻關鍵詞共現網絡圖

由圖 2可見，整個視圖主要包括利用、吸附、棉花秸稈產量、秸稈還田、力學性能、預處理、機械化7個聚類。將各關鍵詞整理成表 1。結合圖 2、表 1 分析，總體來看，國內學者對棉花秸稈的研究主要集中于棉花秸稈的產量、力學性能、秸稈還田等方面。

表1 國內棉花秸稈研究熱點主題詞列表

2.2.1.1 棉花秸稈利用

水泥土、混凝土等在巖土工程界應用廣泛,為我國建筑行業發展做出了應有貢獻。水泥土自身的抗折強度低，硫酸鹽侵蝕會造成混凝土耐久性損傷，鹽漬土更是具有鹽脹、溶陷、腐蝕和吸濕軟化等問題。為了改善以上缺點,使其能夠更好地滿足作為支護體系的強度要求以及實際工程建設的要求，會進行固化或加固處理，其中秸稈纖維作為優良的加筋材料應用于加筋工程中，能夠提高整體的性能。

國內學者對于棉花秸稈提高水泥土、混凝土、鹽漬土的強度等性能進行了深入研究。如安徽理工大學土木建筑學院的李永彬[9]等研究摻入棉花秸稈纖維的水泥土經過數次干濕循環后的抗壓強度變化。干濕循環30次后纖維依然存在一定的加筋效果,可應用于一定期間內的工程支護體系。安徽理工大學的蘇強[10]對素混凝土和棉花秸稈纖維混凝土在硫酸鹽侵蝕環境中自然侵蝕機制和干濕循環機制的性能進行了探討。蘇州科技大學的倪天翼[11]采用棉花秸稈纖維作為加筋材料,對水泥鹽漬土和鹽漬土素土兩種類型的土進行加筋固化,分析并對比了棉花秸稈纖維加筋這兩種類型土的加筋效果。同時對兩種加筋土施加一定次數的干濕循環和凍融循環,分別研究了兩種加筋土抗壓強度、抗折強度,壓縮系數以及滲透系數的變化規律和機理,為推進秸稈纖維在加筋工程中的應用提供理論基礎。相關研究為棉花秸稈的資源利用提供了合理途徑,并豐富了棉花秸稈纖維加筋土的研究,為秸稈纖維的實際應用提供理論參考。

2.2.1.2 棉花秸稈吸附

隨著工業現代化的快速發展，工業廢水中夾雜的各種有毒物質和難以降解的污染物對環境影響日益嚴重，對工業廢水處理的要求也日益嚴格。采礦、冶煉、化工等行業所產生的重金屬離子隨其工業廢棄物進入水體，它們會對環境和人體產生嚴重的危害[12]。吸附法作為一種高效且經濟的從水中去除重金屬離子的方法，受到研究人員的重視。生物炭是將農林廢棄生物質材料在高溫限氧條件下制備成富碳多孔物質[13]。將纖維素廢棄物改性后處理廢水中重金屬離子的方法，與傳統的廢水處理方法相比具有成本低、吸附效果好、對環境友好等優點。

國內學者對于棉花秸稈吸附廢水中磷、亞甲基藍、硫酸根離子、PPCPs污染物等物質的機理和作用進行了深入研究。如山東師范大學的封玉[14]研究由農業廢棄物棉花秸稈為原材料制備的棉花秸稈生物炭和改性生物炭對水體中PPCPs污染物氧氟沙星和布洛芬的吸附機理,進一步優化吸附過程,為農業廢棄物棉花秸稈的資源化利用提供新的途徑。塔里木大學水利與建筑工程學院的王澤慶[15]等通過批量平衡實驗探討棉花秸稈生物炭對亞甲基藍(MB)的吸附特性。濱州學院的余葆青[16]等采用NaOH處理過的棉花秸稈去除廢水中的Pb2+和Cu2+,探究不同因素對Pb2+、Cu2+的吸附效果的影響,確定最佳吸附工藝條件。棉花秸稈吸附廢水中重金屬離子的研究以及生物質活性炭的高效制備將是棉花秸稈吸附研究中需長期關注的主題，也將為解決環境污染問題以及農業廢棄物棉花秸稈的資源化利用問題提供可行思路。

2.2.1.3 棉花產量

國內學者就棉花秸稈對于棉花產量的影響進行了深入研究。石河子大學水利建筑工程學院的張金珠[17]等探索秸稈覆蓋對北疆滴灌棉花生長特征和產量的影響，結果表明秸稈覆蓋對棉花生長及產量具有一定的促進效果。南京農業大學的梁耘[18]通過研究不同施氮量下秸稈與生物炭還田對棉花生物量累積分配與產量形成及其相關因素的影響規律,為鹽堿地棉花秸稈還田方式和氮肥用量的合理選擇提供理論支撐,進而為實現棉花高產、穩產、高效提供理論基礎。山東農業大學的劉艷慧[19]研究連續全量棉花秸稈還田對土壤理化性質及產量品質的影響。研究表明秸稈還田提高了棉花群體總鈴數、單鈴重,進而提高了籽棉產量和皮棉產量,但對衣分及纖維品質無顯著影響。相關研究為提高棉花產量提供了建議的耕作和栽培方法，并為棉花秸稈資源的合理利用提供理論依據。

2.2.1.4 秸稈還田

作物秸稈富含碳、氮、磷和鉀等養分,是一種天然的有機肥。秸稈還田是一種高效管理秸稈的方式,且通常能夠增加作物產量和提升土壤肥力[20]。

國內學者就棉花秸稈還田進行了深入研究。石河子大學新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室的常漢達[21]等以新疆瑪納斯河流域長期連作棉田為研究對象, 分析連作結合秸稈還田對土壤有機碳結構和穩定性的影響。研究表明棉田長期連作結合秸稈還田后土壤有機質結構趨于脂肪化,土壤礦物結合對有機質保護性升高,有機質穩定性升高。山東農業大學農學院作物生物學國家重點實驗室的劉艷慧[22]等研究棉花秸稈還田對土壤微生物數量及酶活性的影響，研究結果表明持續棉花秸稈還田有利于保持和改善土壤的生物學特性。山東農業大學的李金埔[23]通過棉花秸稈還田試驗，探討棉花秸稈還田對棉田土壤理化性質、酶活性、微生物和棉花產量品質的影響，以期為棉花秸稈還田的大面積推廣應用提供理論依據。秸稈還田技術、通過桔稈還田保持和改善土壤的生物學特性等問題將是今后重要的研究話題。

2.2.1.5 力學性能

通過分析研究棉花秸稈的力學性能,能夠為其在砌體結構、建筑材料、巖土工程等領域中的應用提供理論依據。

國內學者就棉花秸稈的力學性能、棉花秸稈草磚等相關應用進行了深入研究。新疆農業大學水利與土木工程學院的劉磊[24]等分析棉花秸稈的拉伸力學性能,為其在砌體結構中的應用提供理論依據。山東農業大學機械與電子工程學院的李玉道[25]等對棉花秸稈在不同時間、不同含水率的剪切強度和剪切功的變化進行了試驗研究，結果表明棉花秸稈剪切強度與含水率密切相關。新疆農業大學水利與土木工程學院的晉強[26]等研究棉花秸稈草磚制作工藝，并對草磚的力學性能進行測試，研究草磚的承載能力與壓縮率之間的關系。新疆農業大學的付彬彬[27]研究一種新型的填充墻體材料——棉花秸稈草磚,既能充分利用新疆豐富的農業廢棄物—棉花秸稈資源,又能使廣大農村住宅的保溫性能得到改善。新疆農業大學的肖磊[28]從建筑節能和廢棄物再利用方面入手,以水泥為膠凝材料,工業廢渣—鋼渣和礦渣為細骨料,與工業副產品—聚苯顆粒和農業廢棄物—棉花秸稈進行復合,研制出滿足牧民定居工程“暖圈”現澆圍護墻體要求的新型建筑材料。棉花秸稈力學性能、研制新型建筑材料、研制植物纖維水泥基復合材料等問題將成為未來研究的重要話題。

2.2.1.6 預處理

棉花秸稈是一種來源廣泛、廉價的可再生生物質資源,將秸稈中的纖維素水解為可溶性糖,再經發酵生成燃料乙醇,這是棉花秸稈資源化利用、保護環境的有效途徑之一。然而棉花秸稈致密復雜的細胞壁結構阻礙了纖維素酶的作用,為了有效轉化生物質,預處理是必要而重要的一步[29]。

國內學者就棉花秸稈的多種預處理方式進行了深入研究。西北農林科技大學食品科學與工程學院的蘇霞[30]等采用乙二醇對于棉花秸稈進行預處理，優化酶解糖化條件。塔里木大學動物科技學院的吳書奇[31]等為緩解飼草短缺的問題,采用硫酸處理、微波處理、蒸汽爆破處理等9種方法預處理棉花秸稈,軟化棉花秸稈中的木質素,增強飼喂時的適口性,提高棉花秸稈的利用率。西北農林科技大學的王華[32]通過SEM觀察、傅立葉變換紅外光譜分析技術及X-衍射分析技術對預處理前后秸稈的微觀結構進行分析，對不同預處理棉花秸稈進行酶解糖化及乙醇發酵初步試驗。棉花秸稈預處理方式在飼料、能源等領域的應用將成為未來研究的主題。

2.2.1.7 機械化

棉花秸稈收獲機械化,可實現棉花秸稈的高效低成本收集,解決棉稈規模化工業利用的瓶頸問題[33]。

國內學者就棉花秸稈收獲加工及利用機械化技術進行了深入研究。新疆石河子職業技術學院水利建筑工程分院的王靜[34]等設置5種不同機械化秸稈還田處理,對不同機械化秸稈還田方式下棉花生長發育指標和產量品質特征進行分析。綜合考慮推薦棉花整稈起拔不還田、臥式常規粉碎還田后起拔棉根不還田在生產中應用。山東農業大學機械與電子工程學院的宋占華[35]等的研究結果可為高效、低耗的棉花秸稈往復式切割器的設計提供參考。中國農業機械化科學研究院的王俊友[36]等分析國內外棉花秸稈收獲技術與裝備發展歷程,總結了不同機型結構工作原理及其應用效果,提出了適合于我國棉稈機械化收獲作業的理想機型與未來發展趨勢。棉花秸稈集儲運機械化的途徑和措施將會是未來的重點研究方向。

2.2.2 國外研究熱點分析

由圖3可見，整個視圖主要包含應用效能、熱解、結構特征、活性炭4個聚類。將各關鍵詞整理成表2。結合圖3、表2分析，總體來看，國外對棉花秸稈研究更偏向結構特征及應用效能，目的在于拓展棉花秸稈的綜合利用。

圖3 國外棉花秸稈研究關鍵詞共現圖

表2 國外棉花秸稈研究熱點主題詞列表

2.3 期刊分析

棉花秸稈研究中外發文量排名前 10 的期刊如表3、4所示。

表3 國內棉花秸稈研究發文量前10的期刊

《新型建筑材料》、《農業工程學報》、《新疆畜牧業》是國內發表棉花秸稈研究論文的主要發文期刊，所側重領域主要是建筑科學與工程、農業、畜牧與動物醫學。

棉花秸稈英文論文發文量最多的雜志是《Bioresourcetechnology》、《Bioresources》、《Industrialcorpsandproducts》，發 文 量 排 名 前 10 的 期 刊 中《Journalofhazardousmaterials》的影響因子最高，為 10.588。以上期刊所側重領域包括農業、化學、材料科學、能源和燃料。

表4 國外棉花秸稈研究發文量前10的期刊

3 結論與展望

3.1 結論

以中國知識資源總庫(CNKI)、Web of science數據庫為文獻源，采用文獻計量學方法，對棉花秸稈文獻按年度分布、研究領域、載文期刊等特征進行檢索與計量分析，得出如下結論：

(1)從發文量來看，總體上CNKI發文量少于WOS，并且國內棉花秸稈研究起步于1990年，晚于國外相關研究，中外在棉花秸稈領域研究發展水平存在一定差距。

(2)從載文期刊來看，目前國內棉花秸稈領域研究主要分布在建筑科學與工程、農業、畜牧與動物醫學等學科，學科相對集中，但是WOS數據庫中棉花秸稈在農業、化學、材料科學、能源和燃料、環境科學等多個研究領域備受關注，呈現多學科交叉融合的復雜特征。

(3)通過研究熱點分析可知，國內棉花秸稈研究主要集中于棉花秸稈的產量、力學性能、秸稈還田等方面。國外棉花秸稈研究聚焦于應用效能、熱解、結構特征等，目的在于拓展棉花秸稈的綜合利用。

本研究對中外文棉花秸稈領域研究文獻進行統計分析，結果直觀顯示了國內外棉花秸稈研究的熱點領域主題。由于檢索方式和文獻來源數據庫的不同，數據分析結果可能存在差異，但分析過程中盡可能選擇了代表性的文獻，也盡量修正和彌補了軟件不足。

棉花秸稈是農作物棉花收獲后的剩余副產物,能夠對棉花秸稈合理有效的處理利用是一個關于環保以及資源化的問題,滿足可持續發展的指導思想,對社會經濟的發展具有很重要的意義。本文通過文獻計量學分析，在一定程度上客觀反映了當前國內外棉花秸稈的研究熱點差異，為棉花秸稈相關科學研究及綜合利用實踐提供了參考方向。

3.2 展望

基于研究結果分析，剖析了中外棉花秸稈研究的未來展望。

(1)多學科交叉融合視角下的棉花秸稈研究亟待推進。研究結果顯示，目前國內棉花秸稈研究領域集中在農業、畜牧業等基礎學科領域，隨著棉花秸稈綜合利用需求的擴大，關于棉花秸稈的研究將會呈現出多學科門類知識的交叉滲透，特別是建筑、能源、環境、化學等多學科知識融合研究，基于學科交互融合視角對棉花秸稈主題進行深入挖掘和立體分析具有顯著的理論價值和社會實踐意義，也有利于發揮學科聚力優勢，實現理論創新和實踐創新。

(2)棉花秸稈生物質能源應用有待深入研究。結合國家能源消耗總量和強度“雙控”行動，為促進綠色低碳發展，推動碳達峰、碳中和步伐，著力系統性建設生物質替代燃料項目，通過棉花秸稈生物質能源應用的科技創新，積極破解秸稈處理難題，力爭讓更多農民和相關企業享受到技術進步帶來的實惠，實現良好的生態效益、經濟效益及社會效益。

(3)棉花秸稈研究的國際合作有待進一步拓展。國家統計局發布的《2020年農作物產量公告》顯示，2020年全國棉花總產591.0萬t，占比超過全球棉花總產的40%。由于國外棉花秸稈綜合利用技術研究比較成熟，同時國內存在一定的市場規模，國內外相關科研機構及企業可以合作更多的大型跨國研究項目，推動棉花秸稈綜合利用發展，從長遠看，棉花秸稈中外合作將成為未來發展趨勢。