基于文献计量学的农业废弃物资源化利用研究现状及态势分析

王吉平，苏天明，张野，王瑾，何铁光

（广西壮族自治区农业科学院 农业资源与环境研究所，广西 南宁 530007）

农业废弃物主要包括种植业、养殖业和相关农产品加工产生的废弃物等，其资源化利用是农村环境治理、农业可持续发展和绿色循环农业科技产业发展的重要保障。据估算，全球每年产生约2 000亿t秸秆［1］,仅我国每年产生秸秆量就达近9 亿t，产生的畜禽粪污达38 亿t，但这些废弃物的综合利用率不到60%［2］。未实现资源化利用和无害化处理的农业废弃物量大面广，造成大量资源的浪费，且随意乱堆乱放和焚烧处理，给城乡生态环境造成了严重影响，已成为当前土壤、水体和大气污染的主要来源。随着联合国粮农组织提出的《联合国2030 年可持续发展议程》和我国发布的《全国农业可持续发展规划（2015年—2030年）》、《乡村振兴战略规划（2018年—2022 年）》的有关决策部署中，将农业废弃物资源化利用作为重要考核内容和指标；在2020 年9 月1 日实施的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》第五章第六十五条中明确规定，对于作物秸秆和畜禽粪污，需回收利用，避免环境污染。因此，农业废弃物的合理高效资源化利用已成为当前备受关注的热点。

现有研究中，以秸秆为主要成分的种植废弃物主要通过直接还田处理［3］、微生物降解转化后肥料化或饲料化利用［4］、热解转化为生物炭［5］等方法实现资源化利用。同时，秸秆类木质纤维素原料的材料化利用［6］也是当前的研究热点，其中选择性分离提取木质纤维素的不同组成，制备纳米纤维素材料或以木质素为原料合成其他材料等途径得到广泛的关注。由于木质纤维素成份结构交联紧密，因此秸秆类废弃物资源化的预处理工艺也是当前的研究重点［7,8］；以粪污为主的养殖废弃物，其主要的资源化利用方式为厌氧发酵产生物沼气［9］或堆肥后进行还田处理［10］。由于其含有重金属和抗生素等有害成份，通过不同的发酵添加剂或工艺控制进行无害化处理［11］是其肥料化利用的前提。近年来随着国际国内对农业可持续发展和绿色循环农业发展的重视，农业废弃物资源化利用研究日益深入，为充分了解目前国际国内对农业废弃物资源化利用现状及发展趋势，明确当前该领域研究的热点和趋势，本文通过国内外文献数据库发表的文献进行计量学统计，从刊文数量变化、研究机构和主要作者分布和合作关系网络、高频关键词等方面对当前在农业废弃物资源化利用的研究热点和发展态势进行客观分析和探讨，以期为农业废弃物的资源化利用领域进一步发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

中文文献数据取自中国知网（CNKI）、万方数据知识服务平台和维普资讯中文期刊服务平台，对3 大中文期刊检索平台采用高级检索，检索“主题”=“农业废弃物”并含“利用”或者“主题”=“木质纤维素”并含“利用”或者“主题”=“养殖废弃物”并含“利用”或者“主题”=“畜禽粪便”并含“利用”或者“主题”=“秸秆”并含“利用”，检索时间为2015 年—2020 年，精确匹配检索，期刊来源选择中文核心期刊，检索日期为2020 年6 月29 日。其中中国知网检索到3 473 条结果，万方数据库检索到3 730条结果，维普平台检索到1 679 条结果。下载所有检索结果后，人工剔除重复结果和非相关结果后，最终得到3 655 条中文文献检索结果。

外文文献数据选自美国科学信息研究所Web of science（WOS）数据库中的Web of scienceTM核心合集，检索式为：主题（Agricultural Waste Utilization）OR 主 题 （Lignocellulose Utilization） OR 主 题（Breeding waste Utilization） OR 主 题 （Livestock manure Utilization） OR 主题 （Straw Utilization），时间跨度为2015 年—2020 年，检索日期为2020 年6 月29 日。共得到2 898 条结果。经人工筛选剔除重复结果、信息不全结果和非相关结果后，共得到2 285 条英文文献检索结果。

1.2 分析方法

本文主要运用 CiteSpace（5.7.R1） 软件［12］，分析2015 年—2020 年国内外发表有关农业废弃物利用的研究工作内容及进展情况，包括发文时间、作者、国家、机构及关键词和被引情况分析等。并对相关结果进行可视化，通过知识图谱分析，获取该研究领域近6 年来的研究现状、热点及未来发展态势。

2 结果讨论

2.1 发文量的时间分析

对2015 年—2020 年的中外文文献进行发文量随年份变化分析，2015 年—2019 年中外文文献发表数量基本稳定，且中文核心期刊文献年发文量均高于外文文献。其中中文核心期刊每年文献发表量为700篇左右，整体数量较为稳定，外文文献平均发表量每年在450篇左右，呈逐年缓慢递增态势，2020年由于并未能完整计算，年文献发表数量较低，按照每年发表文章数量来看，下半年将是该领域内文献发表较为集中的时期。

图1 2015 年—2020 年农业废弃物资源化利用研究中外文文献发文数量Fig.1 Number of papers published on agricultural waste recycling from 2015 to 2020

2.2 文献发文国家及机构分析

2.2.1 中文文献主要发文机构及合作网络分析

农业废弃物资源化利用是农业可持续发展的重要内容，充分利用农业废弃物资源已被联合国作为2015年—2030年全球发展工作的目标之一。2015年—2020年中文文献发表的机构及合作关系如图2所示（不同单位之间的连线代表单位之间合作发文，连线颜色代表合作年份，紫色到红色分别是2015 年—2020年；节点大小表明文章发表数量，节点越大说明文章发表数量越多，节点不同颜色的年轮面积代表不同年份的发文数量，可视化选择每个切片Top50 的机构进行展示，且阈值大于等于10 的单位名称会被展示出来），其中发文数量排名前5 的分别是中国科学院大学（55篇）、西北农林科技大学资源环境学院（37篇）、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所（35篇）、沈阳农业大学工程学院（32 篇）和吉林农业大学资源与环境学院（31 篇）。各单位之间的合作较为紧密，且中国科学院大学和中国农业科学院及中国农业大学作为农业研究方面的三大主力单位，与全国各省地方农科院和农业大学合作频繁。主要发文单位中，中科院大学研究的主要方向包括秸秆还田对土壤理化性质及作物的生长影响［3,13］、废弃物堆肥资源化的预处理工艺［14］及过程中物质及微生物变化机理［15,16］、畜禽废弃物堆肥过程中重金属和抗生素的钝化降解［11,17］等。

图2 中文文献主要发文机构及合作情况可视化Fig.2 Visualization of main publishing institutions and cooperation of literature in Chinese

2.2.2 外文文献主要发文国家和机构及合作网络分析

外文文献主要发表国家中，中国（829）、印度（291） 和美国 （237） 为 2015 年—2020 年发文前 3 的国家，其中中国科学院发表文献123 篇，是从事农业废弃物研究全球发表成果最多的单位。各个国家及机构间合作关系网络如图3（不同单位之间的连线代表单位之间合作发文，连线颜色代表合作年份，紫色到红色分别是2015 年—2019 年）。在中国机构发表的外文文献中，大部分合作均在国内的单位中发生，清华大学、西北农林科技大学和南京农业大学、中国农业科学院等也保持着与国外相关机构在农业废弃物资源化利用领域的合作，美国、印度的下属研究机构也是本国内的合作更为紧密，而欧洲国家在各国间的合作更多，这可能是由于其地理位置相近所导致的。

中国研究机构发表的外文文献在2015 年—2019年发文量呈现不断上升的态势，分别发表外文文献99、137、143、197 和253 篇。发表的文献中被引次数前5 的文献均为综述，分别是厌氧发酵在沼气方面的研究进展，主要综述了影响厌氧发酵过程的因素尤其是发酵助剂的应用［18］，木质纤维素能源化利用的预处理方法［19］及利用其制备有机污染物吸附剂［20］，土壤镉污染修复的有机改良剂生产及应用［21］及粪肥管理的有效利用途径和方法［22］。美国近年来发表的高被引用论文中，更多的着眼于探索微生物利用木质纤维素原料生产下一代生物燃料及调节微生物的中央代谢来优化生物燃料的生产［23］、提取分馏木质素实现木质素到芳香族的高效选择性转化［24］和气化有机物发酵转化为燃料或化学品［25］等，这些研究方向产生的产品价值相对更高，但产业化难度也更大，是未来农业废弃物高值化利用的前沿热点。在木质纤维素的材料化利用领域，利用木质纤维素原料制备纳米纤维素［6,26］也是当前该领域内热门的研究方向之一。

图3 外文文献主要发文国家和机构及其合作关系网路可视化Fig.3 Visualization of main publishing institutions and countries and cooperation network of literature in foreign language

2.3 文献发文作者及合作关系分析

2.3.1 国内文献作者发文情况及合作关系分析

农业废弃物资源化利用研究领域中，检索时间范围内中文文献发表数量最多的学者分别是赵立欣（34 篇）、孟海波（33 篇）、常志洲（24 篇）、姚宗路（22 篇）和张敏（18 篇），各学者间的合作网络关系如图4 所示。其中，发文量较多的学者之间合作更为紧密，整体呈现较强的区域性合作。在发文较多的作者中，研究内容主要研究集中在秸秆类废弃物的厌氧发酵［27-29］、秸秆热解炭化工艺过程物质变化研究和相关设备开发［30,31］，以及畜禽粪便在发酵过程中抗生素和重金属等污染物的消解钝化作用和机理［10,32,33］等。综上，该领域内发表中文文献的作者主要研究农业有机废弃物肥料化利用的过程机理和配方开发，秸秆类废弃物预处理工艺和热解炭化后再利用等；对于养殖废弃物则更多关注其厌氧发酵利用和在堆肥过程中抗生素和重金属的降解和钝化作用及机理，为实现其无害化利用提供研究基础。

图4 中文文献作者发文情况及合作网络可视化Fig.4 Visualization of authors and cooperation network in publication of literature in Chinese

2.3.2 外文文献作者发文情况及合作关系分析

外文文献作者发文情况及合作关系见图5。中国作为该领域内发文数量最多的国家，发文的作者数量最多且国内合作更为密切，说明我国在农业有机废弃物资源化利用领域研究更加广泛和深入。外文文献作者发文情况整体呈现区域性合作关系，合作密切程度与不同地区发文作者数量呈正比。总发文数量不低于5篇的前7位作者中，6位为中国科学家，另一位为印度学者。其中，Sun主要研究秸秆类废弃物中木质纤维素成分的分离提取过程和催化剂研究［34,35］，Liu 更多的致力于有机废弃物厌氧发酵及生物炭转化研究［36,37］；Li 对玉米秸秆和玉米芯水解过程和水解液发酵生产其他高值化学品的研究十分深入［38,39］；KUMAR 采用耐高温微生物实现木质纤维素废弃物转化为生物乙醇［40］，是一种更加高效的废弃物能源化的有效途径。

图5 外文文献作者发文情况及合作关系可视化Fig.5 Visualization of authors and cooperation network in publication of literature in foreign language

2.4 关键词共现分析

2.4.1 中文关键词分析

对中文文献进行关键词频次和聚类分析，选择每个切片top50进行2015年—2020年的关键词频次和聚类分析，得到的结果如图6 所示（不同颜色聚类模块为相关文献发表的年份，紫色为2015 年，红色为2020 年，颜色与年份的对应关系见图正上方。关键词节点大小代表其出现的频次，频次越大节点越大，关键词之间的连线代表和颜色代表其之间的联系和发生的年份，红色标签为聚类结果。聚类运行说明中，Modularity：聚类模块值（Q值），Q＞0.3 意味着聚类结构显著；Silhouette：S值：聚类平均轮廓值，S＞0.5 聚类是合理的，S＞0.7 意味着聚类是令人信服的），聚类结果中，关键词更多出现在木质纤维素降解和厌氧发酵过程方面，同时辅以产品还田后的评价体系，对作物生长、土壤理化性质和生物学性质的影响。不同年份关键词聚类结果见表1，整体上研究的对象没有发生变化，主要集中在种植、养殖废弃物和农业加工产业产生的废弃物。但在具体的利用方式上从的微生物降解或厌氧发酵扩大到制备生物炭等方面，利用途径不断拓宽，针对不同组分的利用也更为细化，且更加关注其肥料化还田后对土壤和作物的安全性评价，对物料中的抗生素和重金属及土壤中重金属的消解和钝化的研究愈来愈多，同时也着眼于实际处理成本和经济效益，选择快、省、好的农业废弃物资源化利用方式，促进技术落地和利用成本的降低。

表1 2015 年—2020 年中文文献关键词聚类结果Table 1 Keyword clustering results of Chinese literature from 2015 to 2020

2.4.2 外文文献关键词分析

外文文献的关键词频次和聚类结果分析详见图7，选择范围因子g-index K=25 进行文献关键词分析，共聚类得到20 个聚类标签，聚类主要包含木质纤维素废弃物的结构研究和预处理、生物转化、肥料化及能源化研究等，畜禽粪便的厌氧发酵沼气生产和堆肥研究等，总体与中文文献的研究方向和内容相近。但侧重点更多的偏向于废弃物能源化、材料化利用研究［41］，且研究深度更为细化，材料方向更趋向于微观结构领域［7］。

在按年度进行的关键词共现及聚类的分析结果中（表2），整体的聚类结果不同年份间相似性较高。厌氧发酵和生物沼气、生物乙醇的转化研究、木质纤维素原料的结构成分和预处理工艺研究是当前的研究热点。同时聚类结果表明，利用生物转化技术进行农业废弃物的资源化利用尤其是开发不同种类的功能微生物进行废弃物的资源化转化，并将农业废弃物往高值化、低污染的方向利用，是该领域研究热点的发展趋势。

图7 外文文献关键词聚类分析Fig.7 Keyword clustering analysis of foreign literature

表2 2015 年—2019 年外文文献关键词聚类结果Table 2 Keyword clustering results of foreign literature from 2015 to 2019

续表

2.5 外文文献引文分析

外文文献中，2015 年—2020 年发表的文献引用文献情况如图8 所示（A：外文文献引文作者次数分析；B：外文文献引文引用次数分析；C：外文文献引文来源期刊分析）。其中，被引用次数前三的作者（图8A），引用其发表的文献主要研究领域为木质纤维素废弃物中纳米纤维素或纳米材料的提取分离［6］、生物转化木质纤维素高效预处理工艺及高值化学品或中间产物的生产［8,42,43］，秸秆类青贮或养殖废弃物发酵过程中添加剂的开发和应用［9,44］等。高被引作者研究的领域大部分集中在木质纤维素废弃物的资源化利用方面，该领域研究发表的论文更多且研究更为全面；养殖废弃物资源化利用的研究更少，这是因为种植业产生的废弃物资源量多、分布广且自身存在的毒害性更少，资源化利用方式更为多样化；而养殖废弃物由于其区域化、集约化程度高，利用方式相对较少，主要集中在厌氧发酵生产沼气和堆肥还田等方面，故总体发表的文献数量也更少。

图8 外文文献引用文献分析结果可视化Fig.8 Visualization of analysis results of foreign literature citation

2015 年—2020 年发表的外文文献的引文中，高引文献引用次数最多的文献 （图8B）主要对木质纤维素生产乙醇的先进且低成本的预处理工艺进行了详细的综述，预处理的目的是为了提高原料的水解率，获得更高的糖产量，化学和热化学可能是目前最有效和最有前途的预处理工业应用技术［45-47］。同时木质纤维素中的木质素的高效提取和回收利用也作为当前研究的热点得到研究者的广泛关注［48,49］。这些被引用的文献来源最多的期刊分别是Bioresourse Technology（1428次），Biomass&Bioenergy（726次）和 Renewable&Sustainable Energy Reviews（603 次）（图8C），说明这三个杂志在该领域的权威性较高，这也与期刊的自身定位相关，其均将生物质资源的利用和转化作为录用文章选材重点。因此，这三类期刊可作为农业废弃物资源化利用的权威性期刊，研究人员可通过这三个期刊的文献更好更快地了解到该研究领域的发展情况和最新前沿技术。

3 结论

本文基于文献计量学的方法对近6年来已发表的国内外针对农业废弃物资源化研究领域的文献数据进行统计，分析得出在这段期间内该领域文献年发文总量基本趋于稳定，且呈缓慢上升的趋势；发文单位之间存在着较为密切的合作关系，但呈现一定的区域性合作，中国科学院是该领域内发表论文最多的科研单位。中文文献主要研究的热点为木质纤维素资源的微生物降解、肥料化和能源化利用机理和工艺研究，养殖废弃物的厌氧发酵和有害成分的消减，同时趋于利用木质纤维素资源生产生物炭和细化组分进行微生物降解利用等；外文文献的主要研究热点与中文文献类似，但整体研究趋势更偏向于废弃物的能源化和材料利用，如生产生物乙醇或分解糖化后利用微生物转化成其它高值化学品；材料化利用方向趋于组分细化和微观化，如将木质纤维素组分中木质素分离回收作为原料生产其它产品等。中外文文献中，养殖废弃物的利用更多倾向于厌氧发酵产沼气或堆肥后还田，同时关注其中的有害物质的消减规律和机理，以期实现其全量无害化利用；木质纤维素原料的预处理是普遍关注且研究较多的热点前沿，更好的预处理工艺能拓宽其资源化利用的方式，为实现农业有机废弃物资源化利用建立坚实的基础。

农业废弃物资源化利用是农业可持续发展和构建生态文明，促进人与自然和谐的重要措施，随着国内外相关政策的实施和高质量社会的发展，该领域的研究成果将会再次出现增长，研究内容和方向也将得到进一步拓展。本文总结了近6 年来国内外农业废弃物资源化利用的主要方式和重大研究成果，探讨了该领域的研究热点和发展态势，为农业废弃物资源化利用研究的进一步发展提供了一定的科学参考。