造纸行业碳排放研究现状及发展趋势可视化分析

何旭丹 李永智 贾学桦 张 亮 王焕松 程言君

（1.北京市科学技术研究院资源环境研究所，北京，100089；2.中国轻工业联合会，北京，100037）

20 世纪80 年代开始，人们不断通过煤炭、石油、天然气等化石能源燃烧活动和工业生产过程及土地利用变化与林业等人为活动产生大量温室气体的排放，造成严重的大气保温效应导致全球变暖（气候变化），即“温室效应”，温室气体的排放简称“碳排放”。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次评估报告主要结论指出，从1880—2012 年的130 多年以来，显示人类活动导致20 世纪50 年代以来50%以上的全球气候变暖，碳排放引起全球气候变暖、气温升高、海平面上升等环境恶化现象，对全球可持续发展及生态文明建设带来严重威胁[1]，目前世界各国都积极参与碳排放的管控和减排目标。造纸行业作为全球的高耗能工业，为首先列入碳排放交易市场的产业之一，2016 年调查显示造纸工业是世界第四大耗能工业[2]，约占世界总能源消耗的6%，直接产生的CO2约占工业的2%[3]，因此，造纸行业的碳减排活动对人类和自然的可持续发展及全球碳排放控制都有着至关重要的作用。

近年来，伴随着市场纸张需求的增长将进一步加剧对能源的消耗及碳排放的增加，从而导致更加严重的环境问题，低碳经济时代已成为21 世纪发展的新经济模式，为应对全球气候变化和能源安全问题，并在建立国际新秩序的过程中占据有利地位[4]，如何实现造纸行业的绿色低碳产业转型及碳达峰碳中和目标正成为重要的研究主题，因此有必要对造纸行业的碳排放问题展开深入的研究。然而，目前缺乏在近几十年时间内全球造纸行业碳排放研究的系统数据，因此对相关研究前沿、研究热点及未来发展趋势进行全面梳理。

文献计量分析（学）方法是以文献体系及计量特征为研究对象，采用数学和统计学的分类方法，绘制科学知识图谱[5-7]，多视角跟踪研究科学知识发展进程、分布结构和变化规律[8]，从而分析、评价及预测科技技术的研究发展方向的特征及规律，因此，本课题采用文献计量学方法对1995—2022 年国内外造纸行业碳排放的研究进行系统总结，借助可视化分析软件CiteSpace 揭示了该研究领域的研究现状、热点及发展趋势，与传统的文献综述相比，本课题用可视化的一种新瞬态模式分析方法从全球视角来对造纸行业碳排放在时间尺度上的发展进行回顾[9-10]，以便研究人员及时了解世界范围内对该领域的研究现状及发展趋势，为科学研究人员和政策制定者开展科学合理的碳排放研究框架体系及系统等进一步提供参考、理论依据及指导。

1 研究设计

1.1 研究方法

为全面探析国内外造纸行业碳排放的发展前景及研究热点，本课题使用CiteSpace 软件对造纸行业碳排放相关文献进行科学计量学分析。CiteSpace 软件又称“引文空间”，原理是利用科学计量学方法和数据信息可视化分析文献中的关键信息及热点，目前广泛应用在科学计量学、信息科学、医学等60 多个领域，是一种通过构建文献合作信息和共现网络对研究数据进行视觉化展示和描述趋势的一款可视化分析工具[11]。利用CiteSpace绘制的各个科学知识图谱，实现研究领域内的可视化，探析该研究领域在不同时期造纸行业碳排放研究的特征及热点，多层面上推断研究演变的途径及未来趋势。

1.2 数据来源

本课题以学术和文献计量研究使用最广泛覆盖全球重要影响力的文献数据库之一的Web of Science 系统进行文献检索，包括SCI-EXPANDED 和SCCI。系统语言选择“English”，为提高检索与主题相关的准确性，检索项设定为“paper pulp carbon emission”“paper making carbon emission”“pulp and paper carbon emission”或“pulp mills carbon emissions”，文献类型选择“核心合集”的所有文献类型，检索时间跨度设定为不限，经过数据符合性处理及CiteSpace 软件对信息缺失、重复文献进行精炼后共得到143篇文献，文献分布在1995—2022 年，设置TOP N 阈值为50，不进行其他裁剪计算。

2 结果分析

2.1 造纸行业碳排放研究特征概况

2.1.1 造纸行业碳排放研究发文分布

对1995—2022 年间发文数量进行分析统计，数据表明造纸行业碳排放的相关研究发文数量总体呈增长趋势。图1 为造纸行业碳排放研究发文记录分布。根据如图1 所示，20 世纪90 年代初已经有研究者开始关注造纸行业的碳排放问题，同时出现关于碳排放相应的研究成果，随着全球气候变化，近10 年来，该领域研究逐渐受到全球广泛关注。1998 年，美国研究学者Ronald J Sutherland 对美国等发达国家气候变化的碳排放（包括造纸行业的影响）最先提出研究论点，他表明在过去的20 年里，造纸行业作为能源密集型行业和大型能源用户，经历了实质性的技术进步，提高了整体的生产率，从长远的角度看，技术具有突破的潜力，并可减少碳的排放，其次提高能源效率和促进环境清洁技术从而提高行业整体生产力，并寻求可替代能源[12]。21世纪初至今，关于该领域的研究日益受到各界学者的重视，随年份的变化全球相关研究文献数量也逐渐增加。

图1 造纸行业碳排放研究发文记录分布Fig.1 Distribution of carbon emissions research papers in paper making industry

2.1.2 造纸行业碳排放研究主要发文期刊分析

期刊作为传播知识的载体，在促进学术交流与科学发展中起着重要作用，表1 列出了刊载该领域文章数量前10 名的期刊，包含管理科学、环境科学、材料科学、生态学、环境工程、工程技术、能源与燃料等类别，均为综合性强的学科。刊载的期刊大多为顶级期刊，有一半在JCR 的Q1 分区，其中发文量最高的是《Energy Policy》，该期刊影响因子在6 以上。其他排行前10 名的期刊如《Resources Conservation and Recycling》 和《Journal of Cleaner Production》等的影响因子也均较高并达到9 以上，其中《Renewable & Sustainable Energy Reviews》较为突出，其影响因子已经高达14.982。这些期刊是具有影响力和权威性的国际专业期刊，表明随着全球气候严峻变化，越来越多的国家及地区的研究学者参与到该领域的研究中来，造纸行业碳排放研究受到了各界研究学者的关注。

表1 造纸行业碳排放研究发文量前10名的期刊Table 1 Top 10 journals on carbon emissions research in paper making industry

2.2 造纸行业碳排放研究方向与合作分析

2.2.1 主要发文国家及地区分析

本课题通过运用CiteSpace 软件对WOS 中所筛取的文献进行计量分析，探究造纸行业碳排放研究的发文国家合作特点。发文国家及地区分布网络图谱如图2所示，共有20个国家和地区发表过相关文献，除中国外主要为欧美发达国家和地区，这与目前全球的经济文化发展格局相一致。图谱中节点的大小代表发文量的多少，节点越大表示发文量越多，节点间连线的粗细体现合作相关程度的高低。

从图2 中可以看到，中国的节点最大，在造纸行业碳排放研究中发文量超过20 篇。紧随其后的是美国、瑞典和芬兰，发文量也都超过10 篇。中国作为主要工业CO2排放国之一，近年来对于碳排放总量控制的要求愈发严格，并提出了碳中和与碳达峰的双碳目标。随着相关学者对造纸行业碳排放研究的日渐重视，该领域未来的发文量预计也将大量增加。同时，主要的发文国家及地区形成了以中国、美国、瑞典、芬兰为核心，包括加拿大、奥地利、挪威、意大利、瑞士、葡萄牙和以色列等国家及地区的紧密合作网络。相比之下，非洲、南亚和南美洲等地区的科研力量较为薄弱，工业发展水平也相对有限，所以对该领域的关注度不高。因此，除中国外，目前全球造纸行业碳排放研究的主要科研力量来源于以美国、瑞典为首的西方发达国家。

图2 造纸行业碳排放发文国家及地区分布网络图谱Fig.2 Distribution network map of the publishing countries and regions in paper making industry

2.2.2 主要发文机构分析

针对全球造纸行业碳排放研究领域的科研机构进行梳理后，统计出截至目前全球发文量前10 名的研究机构，如表2所示。其中，发文量最高的科研机构是瑞典的查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology），发文量在10 篇以上。中国的科研机构发文量总和位居第一，并以高等院校为主。其中，华南理工大学（South China University of Technology）的发文量在全球位列第二，其在造纸行业碳排放领域的研究从2017年开始，研究成果相对较为前沿。中国、瑞典、美国和芬兰等国家的统计数据说明，较大比例的科研力量都存于高等教育机构中。造纸行业在碳中和与碳达峰的推进过程中，离不开政府的政策支持与产业的技术革命，为了实现产学研全链条的创新，希望将来能有更多其他类型的机构广泛参与到造纸行业碳排放的研究中。

表2 造纸行业碳排放研究排名前10名的科研机构Table 2 Top 10 Institutions of carbon emission research in paper making industry

图3 为造纸行业碳排放最高引用突现值前10 名的机构分析。从图3 可以看出，造纸行业碳排放研究的重心与关注度，从1995 年起至今，逐渐由欧美地区的研究机构向中国转移，这也与近年我国对于全国各行业碳排放的控制强度和研究热度的情况趋于一致。我国对碳排放的重视程度已经走在世界前列，随着碳排放的研究在我国各行业逐步细分，预计全球造纸行业的碳排放研究在未来将更加向中国集中。

图3 造纸行业碳排放最高引用突现值排名前10 名的科研机构Fig.3 Top 10 institutions with the strongest citation bursts in paper making industry

通过对造纸行业碳排放的科研机构进行可视化分析，可以看到节点数量为120，连线数量为93，密度为0.013，表明对造纸行业碳排放领域的研究机构数量较多，但相互之间的合作较为分散。图4显示出这些研究机构之间的合作关系，以及发文的时间和数量。从图4 中可以看出，查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的发文数量最多，时间周期跨度也相对较大，但其研究相对独立；我国的华南理工大学（South China University of Technology）紧随其后，发文数量较多，成果较新，与其他研究机构的合作也较为广泛。

图4 造纸行业碳排放科研机构可视化网络图谱Fig.4 Visualization of carbon emission research institutions in paper making industry

2.2.3 主要发文作者分析

通过对造纸行业碳排放研究的发文作者进行梳理归纳，表3列出了该领域发文量排名前五的作者及其发文篇数、国籍、所属机构与研究范围的关键词。高产作者中以我国华南理工大学轻工科学与工程学院的李继庚为首。从2013 年开始，李继庚共发表5 篇文献，代表了中国造纸行业碳排放领域科研发展的标志。发文量紧随其后的是洪蒙纳，同样隶属于华南理工大学轻工科学与工程学院，其在造纸行业碳排放领域发表的文章始于2019 年，研究成果走在了该领域的前沿。

表3 造纸行业碳排放研究排行前5 名的主要高产作者Table 3 Top 5 authors of carbon emission research in paper making industry

除中国学者外，芬兰拉彭兰塔工业大学的Esa Vakkilainen 与Katja Kuparinen，以及瑞典查尔姆斯理工大学的Johanna Jonsson，3 者分别发文4 篇，同样位居该领域发文量排名前5。北欧国家对造纸行业碳排放研究的广泛开展，体现了其对全球碳排放影响的重视与关注，其中瑞典在《巴黎协定》中承诺到2045年将温室气体（GHG）排放降至零。

另外，造纸行业碳排放研究领域的高产作者之间的合作较为突出，形成了一些作者协作团体。为更直观地展现研究学者之间的合作关系，本课题采用CiteSpace 软件生成了作者合作网络图谱，具体见图5。其中，作者之间连接的线条越多代表合作的范围越广。

图5 造纸行业碳排放研究作者合作网络图谱Fig.5 Map of cooperation network of carbon emission research authors in paper making industry

在图谱中，合作范围最为广泛的是以我国华南理工大学轻工科学与工程学院为中心展开的团体，包含李继庚（华南理工大学，中国）、洪蒙纳（华南理工大学，中国）、满奕（华南理工大学，中国），Lingbo Kong（加州大学伯克利分校，美国）等作者。他们主要是从中国造纸行业能源效率的提高潜力以及碳减排的可行措施入手进行深入研究。

2.2.4 共被引分析

通过对造纸行业碳排放领域的文献进行共被引分析，本课题将造纸行业碳排放研究的知识基础及演化脉络进行了系统梳理，统计出了其高被引文献，对该领域研究的关键性成果做了总结。在通过CiteSpace软件生成的造纸行业碳排放研究文献共被引网络图谱中，每一篇高被引文献采用一个节点来表示，文献的被引频次用节点的大小来体现，节点越大代表文献的被引频次越高，具体见图6。

图6 造纸行业碳排放共被引文献图谱Fig.6 Co-citation literature map of carbon emission in paper making industry

此外，造纸行业碳排放的研究领域中，排在前10 名的高被引文献的基本信息如表4 所示。结合共被引文献图谱与文献信息，可以看到造纸行业碳排放研究领域的两个重要成果。首先，造纸行业碳排放的定量与定性分析逐步得到了完善，通过对造纸行业技术与流程的研究，测算出造纸需求、能源消耗以及减排潜力，从而在固定资产投资结构、造纸行业生产结构和工业能源结构方面，为造纸行业碳减排提供了解决方案。其次，除了扩大节能技术的应用范围外，在能源和物料利用效率的提升及材料的重复循环利用方面，为造纸行业有效提升减排效益提供了新的思路，促进了造纸行业碳减排目标的实现。

表4 造纸行业碳排放研究排行前10名高被引文献Table 4 Highly cited references of top 10 keywords in carbon emission research of papermaking industry

2.2.5 造纸行业碳排放研究热点主题分析

为了进一步研究造纸行业碳排放的知识结构，探寻该领域的研究热点，本课题采用CiteSpace 软件生成了造纸行业碳排放研究关键词图谱及其聚类图谱，如图7所示。关键词共现关系可以通过关键词聚类进行深化，从而计算出关系更加紧密的一组关键词，展现出包含多组词汇的主题聚类。从聚类图谱的输出结果可以观测到聚类模块值（Modularity）为0.6543，大于0.3，由此可知该聚类结果显著。同时，聚类平均轮廓值（Mean Silhouette） 为0.8693，大于0.7，说明该聚类可信度较高。

图7 造纸行业碳排放研究关键词及聚类图谱Fig.7 Keywords and clustering map of carbon emission in paper making industry

研究者们紧紧围绕造纸行业和CO2排放展开研究，共形成了10 个关键词聚类研究热点。通过对这10 个聚类进行整理归纳分析，可以发现造纸行业碳排放研究领域共形成了三大热点主题，分别从气候影响与可持续发展导向、能源利用效率导向和碳排放处理导向进行了广泛研究，下面将针对这三大主题进行逐一分析。

主题一：气候影响与可持续发展导向的造纸行业碳排放研究

这个热点主题包括聚类#1 CO2emissions、聚类#3 climate change 和聚类#9 sustainability 等，其中的主要关键词有CO2emissions （CO2排放）、climate change（气候变化）、environmental regulation（环境法规） 与life cycle assessment （全生命周期评价）等。碳排放对全球气候变化的影响，在欧洲的许多发达国家早已得到广泛关注，这些国家所采取的减少温室气体排放的措施也日益增多，其中所涉及的产业不仅有重工业，也涵盖了造纸行业在内的各类轻工行业。发展中国家在碳排放方面的研究虽然起步相对较晚，但很快走在了这个领域的前沿，其中重视程度最高的是中国。中国是纸张生产与消费的大国，在造纸行业领域也应加快推广低碳技术，开发清洁能源的使用，从而在总量上控制碳排放对气候变化的影响。

主题二：能源利用效率导向的造纸行业碳排放研究

这个热点主题包括聚类#5 green supplier selection、聚类#6 energy efficiency 与聚类#7 conserved energy 等，其中的主要关键词有green supplier selection（绿色供应商选择）、energy efficiency（能源效率）、energy saving（能源节约）与carbon reduction（碳减排）等。为了减轻碳排放对全球气候变化的影响，造纸行业不仅需要找到更高效清洁的能源供给方案，以减少产业原材料端的碳排放量，同时也要兼顾生产的高效率运行和低处理成本。在过去的20 年间，西方发达国家研究出了多种可应用在造纸行业的，包括混合燃油在内的能源侧技术革新，以降低每吨纸张产品的生产所需要消耗的化石燃料，从而减少碳排放的总量，并深入探讨了新技术设备投资的激励政策与造纸行业产品生产所带来的碳排放量之间的关系。

主题三：碳排放处理导向的造纸行业碳排放研究

这个热点主题包括聚类#2 CO2capture 与聚类#8 carbon capture 等，其中的主要关键词有CO2capture（CO2捕获）、negative CO2emissions（CO2负排放）、emission trade（排放交易）等。除了通过从生产源头减少化石能源的消耗来降低碳排放量，在对产品生产末端产生的碳排放进行处理方面，造纸行业也已经有了较多的研究和积累。其中既有CO2捕获和生物能储存（BECCS）等技术革新，也有为实现化石能源利用相关的气候目标，而探索的碳排放交易系统的政策措施。我国也一直在积极推进节能减排的多种发展路径，并依据《巴黎协定》做出了2030 年碳达峰的承诺，切实履行作为世界上最大的碳排放国的义务和责任。在节能技术提升、碳排放有效利用、绿电交易制度等政策背景下，造纸行业碳减排有着良好的前景。

2.2.6 造纸行业碳排放研究知识演进分析

通过分析造纸行业碳排放研究热点的演变趋势，可以了解该领域未来的研究前沿。结合当今造纸行业碳排放研究的发展现状，与运用CiteSpace 生成的Timezone时区图谱，对造纸行业碳排放未来的研究趋势进行了预测。

Timezone时区图谱可以清晰地说明研究热点的最新状态以及彼此之间的关联，从而展现出研究热点随时间变动而产生演变的情况，造纸行业碳排放关键词Timezone 时区谱图见图8。如图8 所示，造纸行业碳排放研究历程分为3个阶段。

图8 造纸行业碳排放研究关键词Timezone时区视图Fig.8 Timezone view of carbon emission research in paper making industry

第一阶段（1995—2000 年）：这一时期是造纸行业碳排放研究的起步阶段，研究的主要对象是相关概念和理论，其中以CO2emission（CO2排放）为主导。由于这方面的研究主题在当时较新，各行业的专家和学者尚未达成统一共识，因此研究的集中度较低。其中，率先提出的是墨西哥国立自治大学的Sheinbaum教授，他针对墨西哥工业能源利用与碳排放影响的趋势进行了研究，并重点分析了造纸、钢铁、制糖业等高耗能的产业中，碳排放与行业产出、结构变化和基础燃料混合效果之间的关系。这段期间的研究表明，造纸行业与其他工业的碳排放走进了人们的视野，逐渐开始被关注和重视。

第二阶段（2001—2010 年）：这段期间内造纸行业碳排放的研究热点井喷式爆发，其中包括energy efficiency（能源效率）、climate change policy（气候变化政策）、greenhouse gas emission（温室气体排放）和life cycle assessment（全生命周期评价）等。研究热点的集中涌现，体现出造纸行业碳排放的研究步入了快速发展阶段。随着全球经济的迅猛发展，造纸行业对能源的需求也大量增加，使得造纸行业的化石能源消耗成为了导致碳排放量上升的一个重要因素。以美国、丹麦、瑞典为首的西方各国学者，对造纸行业碳减排问题做了重点关注。这些国家已处于高度工业化的发展阶段，对造纸行业碳排放展开研究刻不容缓。

第三阶段（2011 年至今）：这一时期是造纸行业碳排放研究的阶梯式上升阶段，这段期间的研究热点关键词包括environmental management（环境管理）、system（系统）、economy（经济）、CO2mitigation（碳中和）和carbon footprint（碳足迹）等。结合前一阶段中的量化评估应用与产品全生命周期分析，以及新一阶段中的碳足迹视角研究，学者们对造纸行业的节能潜力和环境效益进行了定量评估，为造纸行业碳减排的研究提供了理论支持。同时，造纸行业碳排放与环境管理和宏观经济之间的关系，也在这一阶段中被深入研究和探讨。

通过分析造纸行业碳排放研究的发展历程可以看到，从研究主题的提出到因全球气候变化而对这个领域关注度的提高，再到造纸行业碳排放研究定量评估的广泛应用，随着研究层次的逐渐深入，研究方法也经历了从理论框架和因素分析，到背景研究和数据导向计量分析的转变。

3 结 语

本课题以造纸行业碳排放研究现状及发展趋势可视化分析为主题，通过运用文献计量分析CiteSpace软件，对“Web of Science 核心合集”中（1995—2022年）的相关文献进行可视化分析，在对研究文献的主要来源期刊、主要发文国家及地区、主要发文机构、主要发文作者、共被引文献、关键词共现和时区视图等图谱和数据进行分析后，梳理并论述了造纸行业碳排放研究的背景特征概况、历史研究主题以及未来研究导向。

3.1 在造纸行业碳排放研究的主要科研力量方面，中国与美国、瑞典和芬兰等发达国家的学者及其研究机构形成了紧密的合作网络，为该领域提供了大量的科研支持并贡献了关键性的研究成果。其中，中国华南理工大学在发文量方面遥遥领先，成为了造纸行业碳排放研究的重要推动力，未来还可以进一步加强与企业等研究机构的合作，希望能有更多其他类型的机构广泛参与到该领域的研究。

3.2 在造纸行业碳排放研究的热点方面，可以总结为三大研究导向，分别为气候影响与可持续发展导向、能源利用效率导向和碳排放处理导向的造纸行业碳排放研究。从1995年至今，造纸行业碳排放研究的热点持续围绕着碳排放、能源效率和气候变化政策等问题，随着研究层次的逐渐深入，研究方法由理论框架和因素分析，逐渐演变为背景研究和数据导向计量分析。