基于文献计量的秸秆综合利用研究热点与前沿分析

徐志宇，薛颖昊, ，张军，孙仁华，石祖梁，赫天一，王久臣*

1. 农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；2. 沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110866；3. 安徽省农业技术推广总站，安徽 合肥 230001；4. 沈阳农业大学农学院，辽宁 沈阳 110866

秸秆是重要的生物质资源，中国作为粮食生产大国，2017年，秸秆产生量为 8.05亿吨，秸秆可收集资源量6.74亿吨，秸秆利用量5.85亿吨（中华人民共和国生态环境部，2020）。为解决秸秆利用问题，提高农业废弃物资源化利用效率，国家投入了大量人力、物力及财力，不断加大秸秆综合利用的工作力度，完善秸秆“收储运”体系和扶持政策，以推动秸秆综合利用产业化、规模化发展（马骁轩等，2016）。自2008年国务院办公厅印发《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》后，中国逐步形成了肥料化、燃料化、饲料化、原料化、基料化的“五料化”秸秆利用途径（王丹丹，2020）。其中，“肥料化”主要指利用秸秆作为农作物肥料，主要手段有腐熟还田、秸秆直接还田、堆沤还田、生物反应堆等（敖金成等，2015）；“燃料化”指秸秆的能源化利用，主要技术有固化成型、炭化、燃料乙醇、生物柴油、热解气化、沼气化以及直燃发电等（朱颢等，2017）；“饲料化”主要是利用秸秆生产饲料，其主要方法包括青（黄）贮法、碱化法、氨化法、直接压块加工饲料法、揉搓丝化加工饲料法等（王平等，2019）；“原料化”主要指利用秸秆制作再加工产品，包括人造板材、复合材料等（靳璇等，2016）；而“基料化”是指以秸秆为主要原料，加工或制备为动物、植物及微生物生长提供良好条件和一定营养的有机固体物料，如食用菌生产栽培基质、植物育苗与栽培基质、动物饲养过程中所使用的秸秆垫料等（石祖梁等，2016）。

文献计量是指利用数学和统计学的方法来了解某个研究领域的发展概况和趋势，通过系统地总结该领域的研究现状、热点和前沿问题，科学地评价科研机构和学者的科研能力，对于把握学科发展方向，跟踪最新进展，提高科研效率具有重要意义。为了解秸秆综合利用的研究发展态势，都华等（2017）采用文献计量的方法，对秸秆利用相关文献的发表时间、作者、发文机构、涉及的学科类别、基金项目资助情况以及研究热点等做了统计和分析。但总的来看，国内外采用文献计量法研究秸秆综合利用的报道较少，且就秸秆应用方向做分类探讨的还未报道过。本文从肥料化、燃料化、饲料化、原料化、基料化的秸秆利用“五料化”应用入手，分别收集秸秆综合利用领域5个应用方向发表的相关中文和英文文献，分析文献的分布特征、机构、作者、研究热点及前沿等情况，从而了解整个领域近 20年来的研究概况，为制定并优化秸秆资源化的政策提供科学依据。

1 数据的获取与处理

1.1 研究数据的来源

分别在CSCD数据库和Web of Science核心合集的 Science Citation Index Expanded （SCIEXPANDED）数据库中通过主题检索的方式检索获得秸秆综合利用领域1999—2019年度的所有相关中文和英文论文（其中，CSCD论文8314篇，SCI-E论文20899篇），并结合领域专家的专业辨别，对获得的论文进行肥料化利用、燃料化利用、饲料化利用、原料化利用和基料化利用5个应用方向分类（检索时间为2019年10月，未限定文献类型）。

1.2 数据可视化

利用社会网络分析工具 Gephi 0.9.2开展高频关键词聚类分析与可视化展示。在网络图中，节点代表关键词，节点越大说明与其共同出现在相同论文中的关键词数越多，那么该关键词在共现网络中的地位也就越关键。节点之间的连线的粗细则体现了关键词之间的共现强度，连线越粗，表示两个关键词同时出现在相同论文中的次数越多，这两个关键词之间的联系越紧密。聚类分析中，联系最紧密的关键词被归为一类，并以一个相同的颜色加以表示，代表一个研究热点。

2 结果与分析

2.1 秸秆综合利用领域近20年论文发表趋势

如图1所示，近20年来秸秆综合利用领域的发文总量和中文发文量的变化趋势基本吻合，整体呈现不断增长的趋势。从发表文献数量变化情况来看，1999—2007年间，发文基数较小，发文总量在1000篇以下，其中中文发文量在400篇以下；2008—2018年间，发文总量与中文发文量除了2017年之外，其余年份均保持逐年增长的态势，2018年发文总量已达到2644篇，中文发文量也达到了1500篇（2019年数据在获取时并非全年完整数据，因此暂不列入参考）。从发文总量和中文发文量对比来看，1999年中文发文量仅占领域论文总数的9%左右，连年增长至2014年时占比已超过50%，2018年的占比已增长至56.7%，说明秸秆综合利用领域的中文和英文发表论文数量均处于增长状态，且中文发文量的增长速度较英文发文量要快得多，已逐步占据领域主导地位。

图1 秸秆综合利用领域近20年论文发表趋势Fig. 1 The trend of publication articals in the field of comprehensive utilization of straw in the past 20 years

2.2 中、英文发文主要机构

秸秆综合利用领域中文发文量排名前 15位的机构及其发文情况如图2所示，发文量前15位的高产机构中有11所农林类高校，3个研究所以及1个国家重点实验室。其中，有4个机构的发文量在300篇以上，分别是西北农林科技大学、南京农业大学、中国农业大学和甘肃农业大学，尤以西北农林科技大学的发文量为最高，达583篇，优势明显。

图2 秸秆综合利用中文发文量前15的机构Fig. 2 Top 15 institutions with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

秸秆综合利用领域英文发文量排名前 15位的机构及其发文情况如图3所示。发文量前15位的高产机构中有10所大学和5个科研院所。有4个机构的发文量在300篇以上，分别为Chinese Acad Sci、ARS、China Agr Univ、Agr & Agri Food Canada。其中，以中国科学院（Chinese Acad Sci）发文量最高（1156篇），其余机构的发文量在199—300篇之间。在15个高发文机构中，中国机构有7个，表明国内的秸秆综合利用研究在国际上被重视。

图3 秸秆综合利用英文发文量前15的机构Fig. 3 Top 15 institutions with the number of English publication articals on the comprehensive utilization of straw

2.3 中、英文发文主要研究者

表1反映了秸秆综合利用领域近20年来中文发文量排名前 15位的高产作者及其发文情况。16位高产作者来自于 15个机构，其中，南京农业大学有4位高产作者，甘肃农业大学和西北农林科技大学各有3位高产作者。发文量50篇及以上的作者共有4位，甘肃农业大学的张仁陟和江苏省农业科学院的常志州两位的发文量超过了 70篇，优势明显；余下两位分别是吉林农业大学的窦森和农业农村部规划设计研究院的赵立欣。

表1 秸秆综合利用中文发文量前15的作者Table 1 Top 15 authors with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

表2反映了秸秆综合利用近20年来英文发文量排名前15位的高产作者及其发文情况。15位高产作者来自 13个不同的机构。其中，密歇根州立大学（Michigan State Univ）、中国科学院（Chinese Acad Sci）各有2位高产作者。发文量在60篇及以上作者共有4位，其中来自鲁汶大学（Khon Kaen Univ）的Wanapat发文量高达126篇，优势明显；余下3位为俄亥俄州立大学（Ohio State Univ）的Lal、密歇根州立大学（Michigan State Univ）的Dale以及中国科学院的Chen Hongzhang（陈洪章）。

表2 秸秆综合利用英文发文前15的作者Table 2 Top 15 authors with the number of Chinese publication articals on the comprehensive utilization of straw

2.4 中英文高被引论文

通过分析高被引论文，可以找出推动学科发展、处于领域领军位置的作者。表3是秸秆综合利用领域被引用频次排名前 10位的中文文献。从表中可以看出，韩鲁佳等（2002）的《中国农作物秸秆资源及其利用现状》被引用频次最高，该论文详细介绍了农作物秸秆作为工业造纸原料、畜牧饲料、造肥还田以及农村生活能源的利用现状和秸秆综合利用新技术。其次是劳秀荣等（2003）的《秸秆还田与化肥配合施用对土壤肥力的影响》，提出了长期秸秆还田并配施适量的化肥，是培肥地力，提高产量的有效措施之一。高引用论文不仅丰富了秸秆综合利用各个应用方向的理论基础，还为如何高效利用农作物秸秆提供了依据。

表3 秸秆综合利用被引频次前10的中文文献Table 3 Top 10 Chinese publication articals cited for comprehensive utilization of straw

表 4是秸秆综合利用领域被引用频次排名前10位的英文文献。其中，被引用频次最高的是Mohan et al.（2006）的《Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: A critical review》，该论文阐明了通过快速热解利用生物质，可以生产既可用作能源又可作为化工生产原料的产品，即秸秆的燃料化应用途径。其次 Kumar et al.（2009）的《Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production》和Weiland et al.（2010）的《Biogas production: Current state and perspectives》，其分别阐述了木质纤维素生物质的各种预处理方法和利用秸秆生产沼气的现状、前景。英文高引用频次论文打破了秸秆传统肥料化利用途径，为秸秆综合利用指提供了新思路。

表4 秸秆综合利用被引频次前10的英文文献Table 4 Top 10 English publication articals cited for comprehensive utilization of straw

2.5 中、英文发文关注度

根据 4个年段（1999—2003、2004—2008、2009—2013和2014—2019年）中5个技术应用方向（肥料化、燃料化、饲料化、原料化和基料化）所包含文献的占比分布情况，分析中文和英文发表论文关注方向随时间演变规律。

2.5.1 不同应用方向中文发文量的演变规律

中文发文在不同应用方向的数量占比随时间演变规律如图 4所示，肥料化应用方向在 2004—2008、2014—2019年两个年段发文量占比均达到60%以上，而在1999—2003、2009—2013年两个年段的发文量占比也均超过50%，为近20年来秸秆综合利用领域研究最热的应用方向。燃料化应用方向在1999—2003年段发文量占比最低，但从2004年开始发文量占比显著递增，虽于 2014—2019年段有所回落，仍是自 2003年以来秸秆综合利用领域的第二大研究热点方向。饲料化应用方向在1999—2003年段为秸秆综合利用领域第二大研究热点方向（发文量占比15.29%），但从2004年开始关注度低于燃料化应用方向。原料化应用方向在各个年段的发文量占比变化趋势跟饲料化应用方向相同，但从 2004年开始发文量占比要高于饲料化应用方向，是秸秆综合利用领域第三大研究热点方向。基料化应用方向的发文数量虽然逐年上升，但在各个年段的占比基本保持 5%左右，整体关注热度相对较低。

图4 秸秆综合利用中文发文5个应用方向的研究关注度演变Fig. 4 Research attention evolution of five application of Chinese publication articals for comprehensive utilization of straw

2.5.2 不同应用方向英文发文量的演变规律

英文发文在不同应用方向的数量占比随时间演变过程如图5所示。从图中可以看出，近20年来秸秆综合利用领域的英文发文量虽然在逐年增长，但肥料化应用方向和饲料化应用方向的发文量占比却在不断降低，而燃料化应用方向的发文量占比则处于递增状态，并于 2009年后成为秸秆综合利用领域研究相对最热的应用方向（发文量占比超过40%）。在2009年之前，肥料化应用方向是秸秆综合利用领域研究英文文献最热的应用方向，1999—2003年和2004—2008年两个年段的发文量占比分别为51.71%和48.56%；而饲料化应用方向的发文量占比则低于肥料化应用方向，在 1999—2003年和2004—2008年两个年段的发文量占比分别为31.1%和23.18%，为秸秆综合利用研究领域英文文献第二大热点方向。从近 20年来的发文数据来看，原料化应用方向和基料化应用方向的发文量占比始终低于 5%，在秸秆综合利用领域英文文献中处于相对较低的关注水平。

图5 秸秆综合利用英文发文5个应用方向的研究关注度演变Fig. 5 Research attention evolution of five application of English publication articals for comprehensive utilization of straw

2.6 中、英文研究热点

对4个年段（1999—2003、2004—2008、2009—2013和2014—2019年）发表的中文和英文论文关键词进行提取、清洗、整理与统计，得到发表论文中的高频关键词，通过分析高频关键词在各个年段中的分布情况，来剖析秸秆综合利用领域中文和英文研究热点随时间演变规律。

2.6.1 中文研究热点

通过分析中文论文高频关键词在各个时间段的分布情况，可以看出中文研究热点的变化规律变化（图6）。结果表明：关于秸秆还田、秸秆覆盖、长期施肥、土壤理化性质、土壤水分、土壤微生物、土壤养分、土壤酶活性、小麦、水稻和产量等问题的研究是秸秆综合利用领域中文文献长期的研究热点。其中，在 1999—2003年段比较独特的研究关注点有盐碱土、胡敏酸等；2004—2008年段比较独特的研究关注点有好氧堆肥、节水等；2009—2013年段比较独特的研究关注点有微生物生物量碳/氮等；2014—2019年段比较独特的研究关注点有生物炭、群落结构等。综合来看，在 2009年之前，中文文献比较关注秸秆综合利用对土壤改良和培肥的影响；而在 2009年之后，更多的研究焦点转向了保护性耕作和作物产量变化以及土壤微生物群落结构等（王秋菊等，2019；叶新新等，2019；查良玉等，2015）。

2.6.2 英文研究热点

通过分析英文论文高频关键词在各个时间段的分布情况，可以看出英文研究热点的变化规律（图7）。结果表明：关于tillage（耕作）、no-tillage（免耕）、conservation tillage（保护性耕作）、fertilization（施肥）、decomposition（分解）、growth performance（生长性能）、yeild（产量）、biomass（生物质）、rumen fernentation（瘤胃发酵）等问题的研究是英文文献长期的研究热点。其中，在1999—2003年段比较独特的研究关注点有urea（尿素）、feed intake（采食量）、nitrogen mineralization（氮矿化）和soil erosion（土壤侵蚀）等；2004—2008年段比较独特的研究关注点有straw mulch（秸秆覆盖）等；2009—2013年段比较独特的研究关注点有hemicellulose（半纤维素）、hydrolysis（水解）和simultaneous saccharification and fermentation（同步糖化发酵）等；2014—2019年段比较独特的研究关注点有bio-oil（生物油）、anaerobic digestion（厌氧消化）、methane（甲烷）和microbial community（微生物群落）等。综合来看，在2009年以前，秸秆综合利用领域英文文献的关注点聚焦在饲料可消化性、对牲畜生长性能等影响的饲料化应用和对作物产量、土壤有机碳等影响的肥料化应用上；而在 2009年以后关注点开始转向制备生物乙醇（Ogura et al.，2013；Nakhshiniev et al.，2014；Parushi et al.，2018）、沼气（Plaimein et al.，2016；Paritosh et al.，2019）、秸秆生物质热解（Tabakaev et al.，2018；Yukesh et al.，2019）等燃料化应用和土壤微生物、氮磷有机质养分管理等肥料化应用上（Benbi et al.，2012；Mehmet et al.，2018）。

图7 秸秆综合利用英文文献分年段高频关键词分布Fig. 7 High frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from English publication articals by year

2.7 中、英文研究前沿

对2016—2019年段发表的中文和英文论文关键词进行提取、清洗、整理与统计，得到发表论文中的高频关键词，通过分析高频关键词的聚类情况，发掘秸秆综合利用领域中文和英文的研究前沿。

2.7.1 中文研究前沿

利用高频关键词在文献中的共现关系，通过聚类分析方法描述中文研究前沿（图 8），结果表明秸秆综合利用领域中文文献主要有6个研究前沿。其中，肥料化应用方向有3个研究前沿，分别是涉及秸秆还田相关的土壤养分、土壤微生物相关的研究（李栋宇等，2018；苟丽琼等，2019；罗熳丽等，2020），秸秆还田、长期施肥等对土壤有机碳等土壤特性的影响作用研究（刘哲等，2018；王秋菊等，2019）和秸秆覆盖、耕作方式等对作物产量、品质及经济效益等影响的相关研究（任江波等，2018；李昊昱等，2019；叶新新等，2019）；燃料化有应用方向有2个研究前沿，分别是秸秆生物炭相关的吸附、热解等问题的相关研究（何佳闻等，2019）和秸秆发酵、预处理等问题的相关研究（丁绍兰等，2018）；原料化有1个研究前沿，即秸秆复合材料力学性能、合成方法等相关问题的研究（朱士强等，2019；曾哲等，2019）。

图8 秸秆综合利用中文文献研究前沿高频关键词聚类Fig. 8 Clustering map of high frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from Chinese publication articals research frontiers

2.7.2 英文研究前沿

利用高频关键词在文献中的共现关系，通过聚类分析方法描述英文研究前沿（图 9）。结果表明秸秆综合利用领域英文文献主要有8个研究前沿：分别是涉及秸秆生物质热解燃烧相关问题的研究（Singh et al.，2018；Teresa et al.，2019），保护性耕作等对作物产量、土壤碳环境等影响的相关研究（Sarker et al.，2019），秸秆纤维素酶解、同步糖化发酵等方法制备生物乙醇的相关研究（Procentese et al.，2019；Tantayotai et al.，2019），秸秆堆肥等过程中甲烷、一氧化二氮、二氧化碳等环境气体排放问题的相关研究，秸秆发酵制备沼气应用的相关研究（Kilic et al.，2019），土壤微生物、氮磷养分等问题的相关研究（Akhtar et al.，2019），土壤有机质激发效应的相关研究（Kumar et al.，2019）以及效应面优化法的相关研究（Jafari et al.，2017）。

图9 秸秆综合利用英文文献研究前沿高频关键词聚类Fig. 9 Clustering map of high frequency keywords on comprehensive utilization of straw collected from English publication articals research frontiers

3 结论

本文对近20年来在CSCD和SCI-E中收录的以“秸秆综合利用”为主题发表的中英文文献进行分析，通过高引论文、发文单位、发文作者等关键信息了解秸秆综合利用领域研究现状，5个应用方向在不同年段的发文量占比了解中英文发文量的演变规律，并经聚类高频关键词了解 5个应用方向的中、英文研究热点与前沿情况，能在一定程度上反映出秸秆综合利用的技术发展历程。主要结论如下：

（1）近 20年来，秸秆综合利用领域的中英文发文量呈现不断增长的趋势。在 2008年以后，秸秆综合利用领域中文文献研究热度开始处于快速升温状态，且中文研究已逐步占据领域主导地位。

（2）Wanapat、Mohan和张仁陟等学者，以及中国科学院、鲁汶大学和西北农林科技大学等机构为推动秸秆综合利用研究，做出了巨大贡献。

（3）近 20年来，肥料化应用方向始终是秸秆综合利用领域中文文献最主要的研究方向。在2004年之前，秸秆综合利用领域中文文献的研究应用方向相对强弱表现为肥料化>饲料化>原料化>燃料化>基料化；在2004年之后，秸秆综合利用领域中文文献的研究应用方向相对强弱表现为肥料化>燃料化>原料化>饲料化>基料化。与秸秆综合利用领域中文研究关注方向不同，近 20年来在肥料化应用方向和饲料化应用方向的英文发文量占比处于不断下降趋势，而燃料化应用方向的英文发文量占比处于不断上升趋势。在 2009年之前，英文文献对肥料化和饲料化应用给予了相对较高的关注度；而在 2009年以后，更多的研究关注方向转移到了燃料化应用。中文和英文文献对于秸秆原料化和基料化应用研究始终关注度较低。

（4）近 20年来秸秆综合利用中英文研究热点的变化契合秸秆综合利用研究方向的变化规律。在2009年之前，中文文献比较关注秸秆综合利用对土壤改良和培肥的影响；而在 2009年之后，更多的研究焦点转向了保护性耕作和作物产量变化以及土壤微生物群落结构等。与中文研究焦点不同的是，在 2009年以前，英文文献对秸秆综合利用的关注点聚焦在饲料可消化性、对牲畜生长性能等影响的饲料化应用和对作物产量、土壤有机碳等影响的肥料化应用上；而在 2009年以后关注点开始转向制备生物乙醇、沼气、秸秆生物质热解等燃料化应用和土壤微生物、氮磷有机质养分管理等肥料化应用上。

（5）秸秆综合利用领域中文研究前沿主要涉及秸秆肥料化、燃料化和原料化3个应用方向，共有秸秆还田对土壤特性的影响作用、秸秆覆盖对作物的影响、秸秆热解和发酵应用、秸秆复合材料力学性能及合成方法等 6个重要前沿。与中文文献不同，英文文献近年来的研究比较倾向于秸秆综合利用对环境的影响，如保护性耕作等对土壤碳环境的影响和秸秆堆肥过程中甲烷和一氧化二氮等环境气体排放问题等；除此之外，还有秸秆生物质热解燃烧、秸秆发酵制备生物乙醇和沼气等涉及秸秆燃料化应用方向的前沿研究，同时还有肥料化应用对土壤微生物及氮磷养分影响等，研究的点较多，面较广。

4 展望

如何将秸秆资源变成宝，将农业的另一半利用的更好，是我们下一步的工作和研究方向。建议要明确发展方向，充分发挥好秸秆的“四大功能”：

一是聚焦肥料化利用，促进耕地保育。耕地是粮食生产的命根子，秸秆是土壤有机质的重要来源，要因地制宜推进秸秆直接还田、有机肥还田、炭化还田，发挥好秸秆在改善土壤性状、优化土壤功能、提高耕地质量等方面的重要作用，为落实“藏粮于地”战略、夯实国家粮食安全基础提供有力支撑。

二是聚焦饲料化利用，促进种养循环。农作物秸秆上联种植业，下联养殖业，是草食动物不可或缺的“五谷杂粮”。要进一步推进秸秆青黄贮、膨化、压块等饲料化利用，充分发挥秸秆的联结纽带作用，推动种植业和养殖业高效结合。

三是聚焦燃料化利用，促进节能减排。秸秆是“零碳排放”的生物质能源，具有清洁可再生的特点。要推进成型燃料、打捆直燃、秸秆燃气等燃料化利用，大力发展秸秆供热、秸秆供气、秸秆供暖，不断优化农村用能结构、推动节能减排。

四是聚焦基料化、原料化利用，促进产业发展。秸秆是开启农尾工头的“金钥匙”，是农业生态产业发展新的增长点。要通过壮大秸秆育秧基质、食用菌基料、清洁制浆造纸、零甲醛板材等规模化产业，将丰富的秸秆资源转化为高附加值的绿色产品，实现秸秆全值利用、梯次利用，发挥秸秆在拓展农业产业链、解决农村就业等方面的重要作用，为农民增收、为农业增效。