国内农业用生物炭的研究脉络和趋势——基于CiteSpace的可视化分析

卜 康 敏 孙 毅 涛 李 文 佳 海 江 波

（西北农林科技大学农学院，陕西 杨凌 712100）

引言

生物炭活化期间能够增加土壤的吸附能力，促进农田水分蓄存和养分提升，为作物营造一个良好的生长环境，使养分更大效率的被作物利用［1］.农业上应用生物炭可显著提高作物的产量、保护农田生态环境，促进农业可持续发展.由于生物炭颗粒的平均密度小于土壤颗粒的平均密度［2］，农田通过增施生物炭，可以有效的降低土壤容重，从而降低农业机械耕作的能量需求［3］、节省农业成本、减轻农业生态环境污染.因此，生物炭在农业上的应用及价值受到了国内外众多学者们的关注与研究，成为了近些年学术上的热点题材.隋阳辉［4］等研究表明，低量生物炭配施常规氮肥可提高营养生长期玉米单株干物质积累；俞若涵［5］等研究发现，向土壤中施入一定量的生物炭，可显著促进作物的生长发育，从而为作物的增产增收奠定基础；张楠［6］等研究表明，土壤中添加生物炭可提高其磷素含量，促进苗期植株磷吸收，从而在较低化学磷肥用量条件下保持棉田高产和磷肥的高效利用；李辉［7］等研究表明，生物质炭基肥对改善黄土高原旱塬区苹果叶片营养和果实品质以及提高经济效益具有显著作用；顾博文［8］等研究表明，连续施用生物炭可以有效地缓解花生开花下针期和成熟期叶片放氧复合体的受损程度.而国外学者们也对其有相当多的研究，例如：Ahmad等研究表明［9］，生物炭由于其优异的吸附性能，开始被广泛用作吸附剂.Khan，HA等研究表明［10］，生物炭有改善环境的结果，且可用作缓释的潜在肥料，以实现可持续和绿色农业应用.Semida，WM等研究表明［11］，生物炭可以提高土壤在不同生物和非生物胁迫下的作物生产能力，促进全球粮食安全.总之，随着我国农业供给侧结构改革不断深入，以及环保监管日益严格，各地区化肥使用量有所下降，作为天然肥料的生物炭肥市场迎来了良好发展契机.

有关农业用生物炭领域的文章数量较多，仅仅以文献阅读、总结归纳等方式了解该领域在一定的局限性，因此有必要运用文献计量学对农业用生物炭的研究进行可视化分析，从而填补该领域研究的空白.本文基于CiteSpace 可视化分析软件，对中国知网（CNKI）中文数据库有关“农业用生物炭”进行文献计量统计分析，检索了1994年至2021年的相关文献，通过对研究热点、研究趋势等计量的分析，从而给中国未来农业领域中从事生物炭研究的相关科研人员提供有价值的参考信息和研究方向，进而推动我国农业发展的创新与进步.尤其是近年来国家对秸秆综合利用的重视度较高，生物炭技术作为秸秆综合利用的重要途径之一，必将在全国范围内得到大规模推广和应用，同时在“双碳”背景下，我国生物炭产业化进程将不断加快，未来行业发展前景可期.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文全部的数据均来源于中国知网（CNKI）中文数据库，在CNKI数据库中进行高级检索，具体检索参数设置为：“主题=［（生物炭AND农业）OR（生物质炭AND农业）］”，检索范围为全文数据库至2021年11月，检索日期为2021年11月11日，共检索出1310篇期刊文献及论文.为保证分析统计结果更加具有权威性、精确性及代表性，将选取范围设置成仅核心期刊、CSCCI期刊和CSCD期刊，并对检索结果中出现的一些与“生物炭”有关，但不属于应用在农业领域的、结果重复的记录等科学噪点进行人工排查剔除［12］，最终得到的有效文献数量集合为870篇.

1.2 研究方法

CiteSpace 是由华人学者陈超美博士开发的一款文献计量软件，利用数学和统计学将科学研究结果和文献动态可视化，从而便于科研人员进行研究［13，14］.CiteSpace 利用国内的中国知网（CNKI）、国外的（Web of Science）等全文数据库检索出的结果进行可视化图谱的绘制，从而分析检索对象的研究路径及前沿探测［15］.2007年CiteSpace初引入我国，便受到国家及各领域学者的关注和广泛应用［16］.可视化图谱的一系列主要属性，包括其学科构成、发文作者、发文机构、内容、关键词及其相互关系，共同构成了科学领域的知识结构［17］.本文使用CiteSpace5.8.R3进行可视化图谱的绘制，通过对结果的聚类可视化分析，得出我国农业用生物炭的相关文献数量、逐年变化趋势、高频关键词、高产发文作者、发文机构，以及机构间、作者间的合作关系等信息.

2 文献计量分析

2.1 发文量与时间分布分析

年度发文量可以清晰的展现出不同研究领域文献的发表情况及受关注程度，是读者们了解该领域演变的重要指标［18］.本文通过检索知网（CNKI）数据库1994 年至2021 年11 月前的核心、CSCCI 和CSCD三个期刊，检索日期为2021年11月11日，得到有关我国农业用生物炭研究领域文献共870篇.中国农业用生物炭的发展经历了萌芽起步、加速上升、缓慢下降3个主要阶段（图1）.

1994年-2009年为萌芽起步阶段，在中国知网（CNKI）上共发表了2篇文献，从图1可以看出，在我国第一次出现农业用生物炭的文章是在1994年，在接下来的15年里，农业用生物炭的相关研究关注度较低，鲜有学者从事该方面的研究.

图1 我国农业用生物炭文献的发文量变化趋势

2010 年至2019 年为加速上升阶段，该阶段发文数量达到最大值，在中国知网（CNKI）上共发表了651篇相关文献，年均发文献量为65篇，并在2019年达到了年度发文量的最大值144篇.2011年，国家颁布了《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》，提出到2015年力争秸秆综合利用率超过80%；2016年，国家颁布了《关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案》，采取肥料化、原料化等多种途径，着力提升秸秆综合利用水平；2019年，颁布了《关于全面做好秸秆综合利用工作的通知》，明确因地制宜的确定秸秆利用方式.由此可以看出，此阶段在农业上应用生物炭已经成为中国的热点话题，国内大量学者、机构开始对这一领域展开充分的研究与分析.

从2020年至2021年为缓慢下降阶段，两年发文量为217篇，年均发文献量为109篇，虽然较2019年有关农业用生物炭的文献数量有所下降，但从拟合曲线趋势可以看出未来该领域研究文献数量仍会增长，整体数量较萌芽起步阶段仍是处于大幅度增加的状态，年均发表文献总量远超过萌芽起步和加速上升两个阶段，由此可以推测出，农业上应用生物炭的相关研究在未来仍将是农业可持续发展领域的热点.

2.2 农业用生物炭的关键词分析

2.2.1 关键词频率分析

关键词作为一篇文献的核心，是从文献主要内容中凝练出的具有实质意义的词语，对一个领域的学术研究具有高度的指导作用.将从中国知网（CNKI）人工排查筛选后的870篇有关农业用生物炭的文献导入CiteSpace5.8.R3软件，提取频次大于20的15个关键词（表1）.从表1中可以清晰的看出，该领域频次最高的关键词为“生物炭”，共出现418次，中介中心性为值为0.35，最早出现这一关键词的年份为2010年；由于生物炭也称为生物质炭，因此，频次排在第二位的与表1 中结果一致为“生物质炭”，共出现168次，其关键词中介中心性为0.47，最早出现的年份同样为2010年；“吸附”共出现了30次，最早出现该关键词的年份为2012年，其中介中心性最大，为0.52；“玉米”出现了27次，最早出现该关键词在2015年，“品质”出现了21次，最早出现该关键词在2014年，这两个关键词的中介中心性值最小，同为0.02.

表1 我国农业用生物炭文献的高频关键词

2.2.2 关键词共现图谱分析

关键词共现，即挖掘高频关键词之间的联系.如果某个关键词同时以高频出现在不同文献中，则它们的相关性十分的密切，能够代表该领域的热点研究［19］.将提取的870篇农业用生物炭相关的文献集合导入CiteSpace5.8.R3软件并进行数据分析转换，节点处理区设置为关键词，年份切片参数设置为1年，选中寻径网络剪裁（pathfi-nder）、修剪切网络（Pruning sliced networks）、修建合并网络（Pruning the merged ne-twork）3个处理，共产生404个节点和817条连线，最后生成关键词共现图谱（图2）并进行分析.关键词出现频次的高低可用知识图谱中图形节点的大小表示，关键词出现次数越多，图形节点越大；各个关键词之间存在的相互联系可由图中的连线表示，连线的颜色代表了各关键词首次关联的时间.由图2可知，关键词“生物炭”的图形节点最大，表明其出现频率最多，从“生物炭”与“农业”、“生产”等存在多条连线可以清晰的看出关键词之间的相关性.

图2 我国农业用生物炭的关键词共现图谱

2.2.3 关键词聚类图谱分析

关键词聚类是关键词共现的进一步深入研究，也是陈超美教授推荐的一种聚类方法.通过关键词聚类，可以很好的从该知识图谱中反映出各个关键词间的相关性，展现出某项技术或学科领域形成了哪几个主要的研究类团.聚类的序号，表明聚类内部成员数量的多少，序号从“0”开始，序号越小，则聚类内部成员数量越多，类团越大；反之，序号越大，则聚类内部成员数量越少，类团越小.当聚类团中成员数量（Size）小于10时，聚类效果较差，研究的意义不大；剪影度（Silhouette），反应一个类团内部各成员的紧密程度（成员间同质性），当其值大于0.7时，则紧密程度良好，类团内部成员聚类成功；当其值等于1时，聚类效果最好；文献出版平均年份（mean year），反映出该类团的研究主要处于哪一年.

本文通过筛选前10的聚类结果（图3），对所选文献进行关键词聚类分析.从表2可以得出，聚类#0“生物炭”，发表相关文献数量最多，共41篇，主要集中在2015年发表，其剪影度为1，该类团成员的聚类程度最佳，主要研究农业用生物炭对农业、温室气体强度、重金属等方面影响；聚类#1“水稻”，共发表34 篇相关文献，剪影度为0.975，主要集中在2016 年发表，研究农业用生物炭对水稻、土壤养分、产量等方面影响；聚类#7“热解”发表相关文献数量20篇，主要集中在2012年发表，主要研究农业用生物炭对生物质、孔隙结构、焦油等方面影响，剪影度与“生物炭”一致为1，该类团成员的聚类程度同样最佳.

图3 我国农业用生物炭的关键词聚类图谱

表2 我国农业用生物炭文献的聚类关键词

2.2.4 关键词时间线图谱分析

时间线图谱是陈超美教授近些年更推荐的一种时间图谱的展现方式，它主要侧重于展现聚类内部各成员之间的相关性、技术的演进以及历史的跨度过程，可以直观的反应出不同关键词在不同年份的出现情况，时间线图谱上的同一个聚类节点按顺序出现的年份依次排列在同一条水平线上［20，21］.为探究有关农业用生物炭领域的热点变迁及演变趋势，利用CiteSpace 软件，选择“Timeline View”，对研究热点分布作时间线图谱分析，筛选前10个聚类结果，如图4所示.从时间线图谱可以看出，1994年-2009年，我国对于农业用生物炭领域的研究及关注还较少，侧重点在“固化”、“生物质”和“热解”3 个主题；从2010年开始，可以明显看出聚类的成果开始增多，侧重点在“生物炭”、“生物质炭”、“秸秆”、“农业”等主题.由此可以得出，我国对于该领域研究的关注度从2010年开始呈井喷式增长，大量的学者对其展开科研，由此可以推断出，未来该领域仍将会是学者们研究方向的热点与趋势.

图4 我国农业用生物炭的关键词时间线图谱

2.3 主要作者合作分析

某个领域的研究作者之间的合作图谱，即学者们以研究生产新的科学知识为目的而在一起工作所展现的图谱.通过作者合作图谱的阅读，可以了解到国内有哪些研究人员在农业用生物炭领域具有很高的造诣，以及帮助读者了解到该领域核心带头学者的变化和更新，从而促进该领域的学术研究与合作.将提取的农业用生物炭的相关文献合集导入CiteSpace软件并进行数据分析转换，节点处理区设置为作者，年份切片参数设置为1年，不进行网络剪裁，最后生成作者间合作图谱（图5）.图中节点（作者名字）的大小代表作者发表文献的数量，节点越大，则发表的数量越多；各个节点的连线代表作者之间存在的合作关系，连线的颜色代表了各作者首次合作的时间.图5中共包括442个节点和1030条连线，农业用生物炭作者合作网络密度为0.0106.由图5可知，学者潘根兴和李恋卿的节点最大并存在连线，表明二人发表与农业用生物炭有关的文章最多并存在合作关系.

对农业用生物炭领域发文量前10位作者进行统计分析，如表3所示.发文数量最多的为南京农业大学的潘根兴，总发文数量为56篇，最早发文年份为2011年，表明其在该领域为核心带头人物这与上文图5中结论一致.发文量前10位作者中，潘根兴、李恋卿、张旭辉、郑金伟、刘晓雨、郑聚锋6位学者均属于南京农业大学，由此可以看出该领域最具代表性和权威性的机构是南京农业大学.

图5 我国农业用生物炭的研究作者合作图谱

表3 我国农业用生物炭文献的高产作者统计表

2.4 主要机构分析

某个研究领域的发文机构能够具体表现机构的专业性、权威性、代表性和科研完善的进度.将提取的农业用生物炭的相关文献合集导入CiteSpace软件并进行数据分析转换，节点处理区设置为作者，年份切片参数设置为1年，不进行网络剪裁，最后生成机构间合作图谱（图6）.图6共有3个类团，每个类团中的节点大小代表了机构发文数量，各个节点之间的连线代表了机构之间的合作关系，连线的颜色代表了各个机构首次合作的时间.由此可以得出，南京农业大学有关农业用生物炭领域的发文数量最多，其与中国农业科学院、内蒙古农业大学、中国农业大学等多机构存在合作关系.

图6 我国农业用生物炭的研究机构合作图谱

通过对发文量前10的机构进行统计分析，如表4所示.可以看出进行农业用生物炭领域相关研究的机构主要是我国高等农业院校和国家重点研究所.其中发文量处于领头的机构为南京农业大学和沈阳农业大学，南京农业大学的发文量最多，达89篇，这与上文主要作者发文量的趋势一致；其次是沈阳农业大学，虽然该机构总发文献量共65篇，但其发文量总数排在前10的学者仅有1位，表明该校从事农业用生物炭领域研究的团队较多，领头核心人物只有1位，这可能与该校在2020年11月15日专门成立了生物炭研究院有关.

表4 我国农业用生物炭文献的机构发文量

2.5 主要资助基金分析

某个研究领域资助基金的数量可以反映出该领域的价值及受关注程度.通过对870篇有关农业用生物炭文献的资助基金数量前10 位进行统计，如表5 所示.“国家自然科学基金”、“国家重点研发计划”、“国家科技支撑计划”、“国家高技术研究发展计划（863计划）”4个基金资助为国家级的基金资助，共发文献549篇，占总发文量的63.10%.其中基金发文量最多的是“国家自然科学基金”，共发文326篇.从上述数据得出，我国国家层面对该领域也达到了高度重视并给予了大量的基金支持，由此可以推测出该领域在未来仍然会是各个学者、研究机构以及国家关注的重点.

表5 我国农业用生物炭文献的基金资助项目

3 农业用生物炭的研究前沿

爆发性检测，指一个变量的值短时间内爆发式增加，突然变成了热点研究领域，被学者、学术机构和国家广泛关注.爆发性检测可以发现某研究领域从单一到多元的演进趋势，可从关键词中得到出现频次在短时间内突然增加的研究领域或主题，进而预测那些关键词在未来是否会成为热点领域［22］.通过对870篇文献进行爆发性检测，可清晰的看出关键词出现的时间、结束的时间、关键词强度以及未来热点领域的研究趋势（图7）.其中“土壤”这一关键词的强度最大，其值为5.11，爆发期持续了3年；“水稻土”的强度为1.81，“品质”的强度为2.03，但二者爆发期持续时间最长，同为5年.由图7可知，随着该领域的深入研究，2019年-2021年出现了“小麦”、“水稻”等与农业有关的关键词，进一步延伸了农业用生物炭领域，表明未来农业用生物炭依旧是研究热点趋势.从“废弃物”、“cd”、“生长”和“土壤性质”4个关键词可以看出，未来农业用生物炭的研究前沿将更多的倾向于农业生态环境保护、农业土壤环境治理等方面.

图7 我国农业用生物炭的文献突现词

4 未来我国农业用生物炭的研究热点趋势

由于有关农业用生物炭领域的关键词中具有较多专业术语，难以直观清晰理解.通过查阅聚类相关国内外在该领域的高被引文献及核心文献，排除分类不当及概述不清的关键词，从而总结出3大研究热点主题，分别为农作物品质改善及增产、农田土壤理化性质的改良及养分的提高、农业生态环境的修复及可持续发展.

4.1 农作物品质改善及增产

随着农业用生物炭的不断深入研究，其在农作物生产及品质改良方面的积极作用已愈发受到重视［23，24］，并在水稻、小麦、大豆、玉米等农作物增产上取得了良好的功效.Jeffery等［25］，研究发现将生物炭掺入农田土壤中，将提高大约10%的农作物生产率.在亚马逊河地区的大田试验表明，在土壤中施入生物炭用量为11t·hm-2时，2年4个生长季后水稻和高粱产量累积增加了约75%［26］.张伟明等［27］研究表明，当对水稻施用生物炭用量为10g kg-1时，将促进其各器官协同发育，从而达到增产；在完全随机的田间试验中，在氮肥用量相同的情况下，小麦产量和SOC含量随着生物炭用量的增加而增加［28］；生物炭的应用增强了大豆中的碳同化，促进生物量积累和产量增加，从而提高大豆的产量［29］；生物炭对农作物的增效存在一定的累加作用，Major等［30］，通过进行4年的施用生物炭于玉米和大豆轮作农田试验结果表明，当生物炭用量为20t·hm-2时，第1年玉米产量并未提高，从第2年至第4年，玉米产量逐年较对照增加了28%、30%和140%.生物炭不仅可以提高农田作物的产量，还对作物抗逆性有一定的改善.Akhtar S等［31］研究表明，通过农田施用生物炭，可降低了小麦对Na+的吸收转化，进而提高小麦生长和生产力；同时生物炭的施用可显著改善盐碱地的中马铃薯的生长发育及产量形成［32］.

尽管目前生物炭应用在农田上可以显著提高作物的产量及改善品质，但我国土壤类型众多，当前针对农业用生物炭的适宜用量于不同类型农作物以及生物炭对不同气候、地区下农作物影响的研究鲜有报道，生物炭是否对农作物产生负面效应还存在不确定性及未知性，因此，未来生物炭对农作物品质及产量的影响，仍将是我国该领域的研究热点趋势.

4.2 农田土壤理化性质的改良及养分的提高

土壤肥力对农作物生长起着至关重要的作用，并对农作物生产力的高低有着重要的影响［33］.生物炭改善农田土壤理化性质及养分提高主要有以下方面：（1）施用生物炭在农田进行碳化时，由于生物炭颗粒的平均密度小于土壤颗粒的平均密度，可以有效的降低土壤容重，从而降低农业机械耕作的能量需求，形成多孔结构，显著提高土壤中的有效含水量［34］；（2）pH值可影响农田土壤养分的微生物多样性和植物生理生化过程［35］，生物炭呈碱性，可显著中和酸性土壤，降低土壤酸化度［36］；（3）生物炭可影响农田各物质循环和C和N的阳离子交换，从而提高土壤养分［37］.（4）生物炭可作为有机肥与农肥配合施用，从而有效减少肥料养分流失及农肥施用，避免农田土壤板结，改善土壤质量［38］.

目前，针对农业用生物炭在不同农田土壤类型及不同温度下对农作物的影响鲜有报道，在室温中研究的结果与实际的结果仍存在差异，农业用生物炭对农田土壤的弊端还未完全显现出来，因此未来生物炭对农田土壤理化性质的影响仍需进一步系统研究.

4.3 农业生态环境的修复及可持续发展

如今，我国农业在发展中越来越注重环境保护，农业生态系统的可持续发展已成为大部分农业区的主要发展目标［39］.生物炭的存在与农业生态系统密不可分，Smith 等［40］研究表明，农业生态工程中可通过增加土壤碳储存量从而调节土壤碳排放到大气，其中的一种策略是在生物质中捕获大气中的二氧化碳，然后生产生物炭并将其储存在土壤中［41］.生物炭对于农业生态系统中存在的部分重金属污染物存在一定的修复机理.其中最常见的就是生物炭灰分中存在某些元素能够有效的促使重金属在农田土壤中钝化，从而形成稳定化合物，减轻重金属的毒害作用［42］.

生物炭通过减轻农田土壤重金属的污染，提高作物产量，保护生态环境，从而促进农业生态的可持续发展，但目前生物炭对于环境污染物只能起到吸附、减缓的作用，未能完全消除污染，后续研究需要考虑并分析农业用生物炭的时效性及最大效率吸附污染物的用量；农业用生物炭有关治理农田重金属污染多为镉污染，考虑的因素较为单一，对于其他农田重金属污染的有效防治及预防二次污染有待进一步研究.

5 结论

农业用生物炭，在改良土壤理化性质、提高作物产量等方面具有十分突出的优势，有助于推动我国农业实现可持续发展与保护农业生态环境. 本文统计分析数据基于中国知网（CNKI）全文数据库至2021年11月有关农业用生物炭1310篇期刊文献及论文，将选取范围设置成仅核心期刊、CSCCI期刊和CSCD期刊3个期刊，人工排除科学噪点，最终得到的有效文献数量集合为870篇.通过对研究进程、研究热点、研究现状、研究内容等方面统计，利用CiteSpace软件进行可视化分析及知识图谱的绘制，结果表明：

5.1 我国农业用生物炭研究领域的发展主要经历了萌芽起步、加速上升、缓慢下降3个主要阶段，年度发文数量逐年增加，研究内容逐渐从单一到多元化.从2019年起，年度发文数量逐渐下降，但整体数量较萌芽起步阶段仍是处于大幅度增加的状态，年度发表文献总量远超过萌芽起步和加速上升两个阶段，由此可以推测出，农业上应用生物炭的相关研究在未来仍将是农业可持续发展领域的热点.

5.2 研究作者之间合作密切，具备稳定的科研团队与技术，该领域的代表性研究员主要是潘根兴、李恋卿等高等农业院校和国家重点研究所的学者和技术人员.

5.3 该领域研究中，南京农业大学与中国农业科学院、内蒙古农业大学、中国农业大学等多高校机构存在合作关系，具有代表性的研究机构为发文量89篇的南京农业大学和发文量65篇的沈阳农业大学.5.4 我国国家层面十分重视该领域的研究，63.1%数量的文章都具有“国家自然科学基金”、“国家重点研发计划”等国家重点基金项目支持及保障.

5.5 我国农业用生物炭正在逐渐转向维持农业生态环境可持续发展的方向迈进.未来我国农业用生物炭的研究趋势可能主要集中在农作物品质改善及增产、农田土壤理化性质的改良及养分的提高、农业生态环境的修复及可持续发展三个方面.