可视化分析国内养殖环境类研究热点

文│潘慧青（福建贝迪药业有限公司宁德市企业技术中心）

随着人们健康化水平的提升，对畜牧产品的需求不断攀升，预计到2050年人们对肉类产品的需求量将增加73%，因此会快速推进畜牧养殖业集约化和规模化的发展进程。相关数据资料显示，我国畜牧业已连续20年以平均9.9%的增速递增，约占农业总产值的33.3%，而我国畜禽养殖产生的粪污由1999年的19亿吨迅速增至2010年的40亿吨，但粪污无公害化处理不足10%，超过80%的养殖粪污存在场外存放或未处理现象。研究表明，养殖粪污干物质含量为20%～25%，未消化的蛋白质含量约占粪污干物质的30%，这些均是养殖业废气产生的源头。数据显示，全球氨气排放量约39%来源于畜禽养殖，全球农业氨气总产出的80%左右来源于养殖粪污，而我国养殖业氨气排放量约占国内总氨气量的60%，约占全球13.6%。因此，我国畜牧养殖业快速发展的同时还给我国带来了环境污染，也给养殖业造成了影响。

随着全球大数据分析的加快，世界各国加速推进大数据的战略布局，在畜牧领域内的应用逐步凸显。本文通过检索CNKI数据库获取“养殖环境+微生物技术”等相关研究文献，采用Bicomb、gCLUTO等软件，将养殖环境类研究热点进行可视化分析和研究。以便掌握该领域研究方向、捕捉学术研究热点，并结合分析结果针对不同主题进行科学剖析，为该领域后续研究与开发提供参考依据。

一、数据来源与研究方法

1.数据来源。计算机检索CNKI文献数据库，检索时间为数据库建库开始到2019年10月12日，检索式策略为：首先在CNKI高级检索栏内以主题词“微生物or生物技术or微生态or益生菌or EM or乳酸菌or芽孢杆菌or酵母菌or光合细菌or霉菌”进行检索，检索结果获得文献83178篇；然后以主题词“养殖or畜禽or水产or畜牧or畜or禽or水产or反刍”AND“环境or氨气or废气”进行检索结果内再检索，结果获得文献418篇；去除重复文献、会议通知、无作者文献和非研究性文章等，最终纳入有效研究文献的有137篇，上述有效文献导出的文献信息格式均为Note First格式。

2.研究方法。文章研究方法为：首先借助软件Bicomb2.0提取纳入文献的总关键词，对获取的关键词进行梳理，如无意关键词（如“研究”等）的删除和近义词的合并，根据高频词界定方法获取高频关键词，并依据获取的高频关键词的数量进行人工调节适用于本文研究的关键词数量；其次借助软件Bicomb2.0将获取关键词生成共词矩阵；接着借助软件UCINET对共词矩阵进行关键词社会网络图谱可视化绘制和计算关键词点中心度值及接近中心度值。

借助软件gCLUTO采用重复二分法，进行关键词的双聚类统计分析，具体统计分析工作包括聚类的关键词词篇矩阵统计分析、可视化山峰图分析和双聚类矩阵分析，其中关键词词篇矩阵统计分析关键指标分别包括类别对象数量、类内对象间平均相似度、类内对象间平均相似度的标准差、类间平均相似度和类间平均相似度的标准差。最后进一步研究本文研究领域的研究热点和主题分配情况等。

二、结果与分析

1.关键词统计分析。按照上述研究方法共获取研究所需关键词62个（表1），占比文献总关键词量的17.3%，且截取的62个关键词频次的累计值达到关键词总频次的55%，因此截取的关键词可认为属于本研究领域文献的研究热点内容及其科研方向的核心词汇，可大致反映本领域研究热点。

从表1可看出，除本文主题关键词氨气外，位于高频关键词前十位的分别为枯草芽孢杆菌、除臭微生物、微生态制剂、硫化氢、生产性能、益生菌、肉鸡、猪粪、EM、生长性能，上述高频关键词可在很大程度上反映当前国内养殖环境微生物改善研究领域内的科研热点与方向（编者注：EM是Effective Microorganisms的缩写，EM菌为一种混合菌，一般包括光合菌、酵母菌、乳酸菌等有益菌类）。

2.社会网络分析。为对国内养殖环境微生物改善研究领域内所纳入研究的关键词进一步深层次剖析，文章借助软件UCINET绘制了关键词的社会网络图谱（图1）。由图1可知，关键词氨气、枯草芽孢杆菌、生产性能、硫化氢、除臭微生物、猪、肉鸡、益生菌等位于该网络的核心位置，周围连线较为密集，指向有害气体、环境、氨气浓度、消化率、瘤胃发酵、水质调控、养殖水体、猪粪、中草药微生态制剂、畜禽舍等高频词，表明当前国内养殖环境微生物改善研究领域存在较为核心的热点研究，且研究相对集中。

另外，通过计量计算关键词点中心度值与接近中心度值可进一步寻求和分析该领域的研究热点。统计计量获得关键词点中心度值平均值为14.76，关键词氨气为147，其次是枯草芽孢杆菌78，表明关键词氨气为研究网络的绝对核心地位，也是国内养殖环境微生物改善的主要靶目标。还有12个高频关键词高于14.76，分别为硫化氢、微生态制剂、除臭微生物、生产性能、肉鸡、EM、猪、有害气体，据此确定上述关键词在本研究网络中的地位较高，应为处于中心或次中心位置，属于领域内热点研究。

◎图1 关键词社会网络图谱

表1 关键词统计

表2 关键词词篇矩阵双聚类分析

关键词的接近中心度值越小越表明该关键词为网络研究的核心点，可佐证和完善点中心度值所得出的结果。经统计计量，关键词氨气值最小，佐证了其核心地位，除点中心度值得出的14个关键词外还新挖掘了27个关键词，分别为水质调控、养殖水体、仔猪、羊粪、血清生化指标、巨大芽孢杆菌、空气质量、乳酸菌、蛋品质、二氧化碳、丝兰提取物、脲酶、中草药等，表明该类关键词与其他词联系相对紧密，并以中心节点为桥梁同核心节点进行联系，可补充国内养殖环境微生物改善研究领域的研究热点。

从图1可以看出，基于微生物法的养殖环境改善研究中以枯草芽孢杆菌研究为主，其次为EM菌群制剂和乳酸菌，而纳豆芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、光合细菌和真菌（如酵母、米曲霉等）多围绕网络外缘，其研究相对分散或较为薄弱，或为该领域的新的研究分枝，而中草药微生态制剂已成为该领域内微生态制剂与除臭中草药相结合的新的研究方向和应用方向。

3.关键词双聚类分析。为进一步研究该领域内关键词彼此更深层次的结构构建，并直观性理解和划分其所代表的领域主题研究，本部分借助gCLUTO软件对所纳入研究的关键词进行了双聚类计量学分析，通过双聚类方法分析可分别获得纳入研究的关键词的聚类分析情况数据值（表2）、聚类可视化山峰图（图2）和可视化矩阵分析图（图3）。

根据图2可视化结果可知，每个山峰可代表不同主题类别，山峰（代表主题）彼此独立分开，生成的山峰图可反映不同主题类别的整体特征与效果，峰高同主题内研究对象的相似度呈正比关系、峰体积与主题内研究对象的数量呈正比关系、峰顶颜色同主题内偏差呈反比关系（即，颜色由冷色至暖色表示偏差由小到大）。

从表2统计计量结果看出，指标Size可直观反映山峰图的不同峰体积大小，指标ISdev和ESdev可反映山峰图峰顶和曲面色彩，同时关键指标ISim和ESim的数值大小更客观反映双聚类的结果准确性，ISim越大且ESim越小其双聚类结果越佳，本研究中双聚类的ISim值＞0.35，ESim值＜0.125，并结合本领域的综合知识，本部分的双聚类分析结果较为可靠可信，利于全文关键词的计量分析和主题划分，双聚类聚为4类较为理想。

由图3可知，关键词双聚类可视化矩阵分析获得4个主题，每个主题中“亲缘关系”较近的合并聚拢一起，图谱中关键词间相交的颜色由白色至红色表示关系值零值至较大值，黑色水平线隔开本领域研究的不同主题。由图3可知，国内养殖环境微生物改善研究领域的研究方向和热点主要集中4个主题，即：微生物法对改善反刍动物养殖环境的应用，微生物法对改善单胃动物养殖环境的应用、微生物法对改善水产养殖水质的应用和中草药微生态制剂在养殖环境改善中的应用，现将不同主题内容进行剖析。

（1）主题1。微生物法对改善单胃动物养殖环境的应用。该主题研究体量最大，研究分布集中度和类内相似度最好（图2中的0号山峰），该主题包涵高频关键词：氨气浓度、蛋鸡、肉鸡、仔猪、微生态制剂、空气质量、猪粪和猪舍鸡舍等32个词。具体内容分别为微生物制剂或产品种类与畜禽场微生物除臭及其对养殖性能的影响。

该主题微生物制剂或产品研究最多的分别为芽孢杆菌、乳酸菌和EM菌液，而芽孢杆菌在该主题内主要集中在枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、纳豆芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌。其中该类芽孢杆菌均可通过夺氧来扶植肠道乳酸菌的生长进而达到占位和降低肠腔内容物酸度值并降低氨气、硫化氢等有害气体的产生；同时还可以分泌各种生物酶，如蛋白酶等，进而提高畜禽肠道内容物的饲料消化率，尤其是蛋白质的消化吸收，降低臭气的排放；而枯草芽孢杆菌等还可抑制腐败菌（如脲酶产生菌等）的生长和定植及其肠道与肠道菌群修复，进而降低氨气、硫化氢等生成。

畜禽场微生物除臭技术具体可分为源头除臭、过程除臭和尾端除臭，其中源头除臭为菌制剂的直接饲料添加和饮水，临床证明该阶段不仅操作简便、成本可控，并且可显著改善畜禽肠道菌群和结构构建，利于畜禽养殖性能的提升；过程除臭为畜禽养殖管理环节中除臭作业，畜禽养殖过程中会产生大量固液排泄物，内含大量蛋白质和尿酸等，同时还有养殖中散落的饲料物料，这些都属于氨气等其他有毒有害气体的产生源头，如微生态喷雾剂进行过程中养殖舍喷雾可降低氨气、硫化氢浓度，显著改善养殖舍环境；尾端除臭是将微生态制剂或产品直接喷洒或添加在畜禽排泄物上，对排泄物进行分解转化来减少臭气的释放。

微生物技术对畜禽养殖生长和生产性能的影响也成为该主题的研究热点之一，郭丽华等研究发现地衣芽孢杆菌菌剂除猪舍氨气浓度外还可显著降低母猪便秘率、仔猪腹泻率，有效提高母猪和仔猪的生长性能；王恒毅等报道，微生物制剂不仅具有降低氨气和减少苍蝇数量的效果，还可提高肉仔鸡成活率，降低料重比，提高生产效益。

◎图2 关键词双聚类可视化山峰图

（2）主题2。中草药微生态制剂在养殖环境改善中的应用。该主题研究体量最小，研究分布集中度和类内相似度差（图2中的1号山峰），该主题包涵高频关键词中草药、中草药微生态制剂、牛舍、畜禽舍、羊舍、有害气体和环境等关键词。

具体内容为中草药及其中药微生态制剂在动物养殖环境中的改善应用和效果。吕伟等研究中草药微生态制剂对控制规模化羊场、羊舍有害气体的影响结果表明，添加1.5%的中草药微生态制剂可降低羊舍氨气浓度；胡立国等报道了中草药微生态制剂（含党参、白术、乳酸菌等）能够显著降低规模化牛场、牛舍内的氨气浓度、硫化氢浓度和二氧化碳浓度，消除环境臭味，还有一定的灭蝇效果；潘宝海等报道了肉鸡日粮中添加微生态制剂和丝兰有效物均能降低肉鸡舍内氨气浓度；刘辉等报道了中药植物（龙舌兰科提取物）和微生态制剂（芽孢菌、酵母、曲霉）均能使鸡舍内氨气浓度降低，利于鸡舍环境进一步改善；谢式云等研究发现了中草药红茶菌制剂对规模化猪场断奶仔猪猪舍内氨气浓度较对照组可显著降低43.60%，经济效益提高13.36%，结果表明，中草药红茶菌制剂可降低保育猪舍内氨气浓度，利于断奶仔猪生长性能提升。

另外，随着无抗养殖和环保的深化，中草药微生态制剂将成为未来研究和临床应用的热点之一，但目前的主要限制是相关中草药的类别以龙舌兰科植物为主，其他类别的可与饲用微生态配伍的中药较少，然而该方向仍然具有广阔的市场化前景。

（3）主题3。微生物法对改善反刍动物养殖环境的应用。该主题研究体量一般（图2 中的2号山峰），研究分布集中度和类内相似度一般，该主题包涵高频关键词包括瘤胃发酵、牛粪、羊粪、氨气、消化率、酵母和米曲霉等。

具体内容为菌制剂在牛羊养殖及其环境中的应用与效果，其中根据图3可知所涉及的真菌主要集中在酵母和米曲霉等。张翔飞研究发现肉牛添加活性酵母可降低氨气中氮含量，显著提升瘤胃发酵液中乙酸、丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸（TVFA）浓度水平；那日苏等报道了酵母培养物可降低绵羊瘤胃发酵液中的氮含量，提高TVFA含量，且促进机体生长；肖君等报道了2‰的米曲霉培养物可降低绵羊瘤胃氨气中氮含量，4‰的米曲霉培养物不仅可以改善绵羊瘤胃内环境，还有利于提高纤维物质降解率，提高消化率；朴光赫等报道了绵羊添加0.4%米曲霉培养物+1.0%酵母培养物组的瘤胃发酵效果能显著降低氨气中氮含量，显著提高乙酸、丙酸和TVFA浓度；黄钰铃等报道了采用细黄链霉菌处理羊粪可显著降低臭味，羊粪恶臭级别（Z）由处理前的3直接降至1.5；另外，付晓政等也报道了EM制剂可降低牛粪中氨气中氮含量，减少氨气释放，有利于改善舍内空气质量。根据该主题分析可知菌制剂对反刍动物养殖的影响主要通过改善瘤胃发酵，提高消化率，调节pH，同时降低粪污氨气中的氮含量，达到降低氨的释放。

（4）主题4。微生物法对改善水产养殖水质的应用。该主题研究体量中等，研究分布集中度和类内相似度相对偏高（图2 中的3 号山峰），该主题包涵高频关键词虾蟹、水质、水质净化/调控、养殖水体/废水、降解和光合细菌等。

◎图3 关键词双聚类可视化矩阵分析结果

具体内容为光合细菌在水产养殖及其水质改善中的应用与效果。水产养殖水体氨、氮主要来源于投喂的饲料和施肥，饲料投饵、水体残饵、施肥（尤其是氮肥）和水产动物排泄物（尿素、尿酸等）的水体内增加均会导致养殖水体中的氨、氮浓度升高，易于水产动物疫病发生。

根据本文分析可知该部分的微生物法研究主要集中在光合细菌及其配伍的复合菌制剂等，光合细菌（PSB）可将养殖污水中的硫化合物、氮化合物和二氧化碳等进行光合作用，还可降低亚硝酸盐浓度和硫化氢浓度，提高水质能量转化效率，改善水质。付保荣等报道了0.50%、1%剂量的PSB泼洒水体后较对照组氨、氮最多可降低63%，并对致病菌弧菌属、气单胞菌属等具有一定抑制作用；赵亮等报道了河蟹全封闭育苗系统内添加PSB较对照组可使氨、氮下降和亚硝态氮浓度分别下降41.5%、41.4%，并提高幼体成活率、单位产量和总出苗量20%。但PSB在养殖水体中达到一定浓度值才可对水质的理化指标具有改善作用，尤其是在高密度水产养殖中泼洒的PSB浓度过低将难以产生结果，另外PSB在养殖水体中具有一定周期性，应根据水体中有机物的具体浓度和实时季节及时调整其投放时间等。

三、结论

本文以大数据可视化分析方法为全文研究思维路径，通过关键词统计分析、关键词社会网络分析和关键词双聚类可视化分析，全方位多层次剖析了国内养殖环境微生物改善研究领域当前的研究热点与方向。文章检索CNKI获取有效研究文献共137篇，纳入研究的高频关键词62个。

研究结果表明国内养殖环境微生物改善研究领域当前的研究方向和热点主要集中在四个主题方向：微生物法对改善反刍动物养殖环境的应用，微生物法对改善单胃动物养殖环境的应用、微生物法对改善水产养殖水质的应用和中草药微生态制剂在养殖环境改善中的应用。其中微生物法对改善单胃动物养殖环境的应用研究最为丰富和成熟，涉及菌种和微生态制剂品种最为丰富。中草药微生态制剂在养殖环境改善中的应用研究较为薄弱且研究分散度高，存在一定的局限性，但该方向仍然在无抗和环保强化的养殖环境下具有广阔的市场化前景。微生物法对改善反刍动物与水产养殖环境中的研究和应用在未来仍需加强。今后，笔者将对SCI相关文献的国外资料进行可视化分析以补充本研究的内容。