基于CiteSpace的甲烷管控技术研究进展和热点分析

贾国伟，许 邦，邵壮壮

(1.中国21世纪议程管理中心，北京 100036；2.北京工业大学 环境与生命学部环境化工系绿色催化与分离北京市重点实验室，北京 100124；3.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083)

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，具有增温潜势大、排放增速快、气体寿命短等特点。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出，在100年时间尺度内甲烷的全球增温潜势约是二氧化碳的27.9倍[1]。与二氧化碳相比，甲烷的寿命要短得多，排放在大气中的甲烷经过约12 a即可自然分解，甲烷的稳定排放对气候系统的长期影响为零，甲烷管控相当于二氧化碳的负排放[2]，对减缓全球温度上升具有重要意义。

2021年12月，在英国格拉斯哥举行的联合国气候变化会议(COP 26)上，由美国与欧盟发起，105个国家共同签署了“全球甲烷承诺”，参与承诺的各方自愿统一行动，到2030年将全球甲烷的排放量在2020年甲烷排放水平的基础上至少减少30%。近期甲烷管控技术受到了国内科研及技术人员广泛的关注。张博等[3]分析了我国甲烷排放现状及政策，提出应加强甲烷管控基础研究工作，加大国际交流与合作及社会参与度；刘文革等[4]构建了煤矿甲烷排放主因素分析模型，提出了废弃矿井瓦斯逸散监测及利用技术体系；薛明等[5]提出油气行业源头绿色化、过程清洁化、废物资源化的融合发展机制建议，以期缩短构建甲烷排放检测、核算与核查体系的时间；刘良云等[6]全面分析了全球碳盘点卫星遥感核心技术，提出了我国的碳监测卫星计划方案。

目前,针对甲烷管控技术的相关研究尚不完善，对该领域的发展动态和热点前沿缺乏系统性研究。文献计量方法基于统计学，总结分析各领域研究进展、研究热点，研究结果能够反映各领域研究的发展态势和热点趋势。因此，笔者基于文献计量方法，结合研究机构合作网络图谱、关键词共现图谱等，梳理总结甲烷管控技术研究的发文数量、研究力量及研究热点，分析甲烷管控技术的研究进展和动态趋势，研究结果对支撑温室气体减排工作具有重要作用。

1 数据收集与分析方法

分析软件CiteSpace由美国德雷塞尔大学陈超美教授研究开发并引入国内，其主要通过关键词共现、机构分布、作者合作、文献耦合等要素的可视化功能，展现和分析学科前沿的趋势和知识关联状态[7-8]。本次研究数据来源于Web of Science核心合集和中国CNKI数据库，检索时间段为2011—2021年，同时为了保证分析结果的准确性和客观性，保留论文(Articles)和综述论文(Review Articles)2种类型，采用基本检索方式，以“全记录与参考文献”结果导出。为了保证对甲烷管控技术研究现状分析的全面性，分别从能源、农业、废弃物等分领域的甲烷减排技术和排放、监测、捕集(空气)等综合管控类的甲烷共性技术两大方面筛选主题词。最终确定了煤炭领域的瓦斯抽采(gas extraction)和瓦斯利用(gas utilization)、油气领域的油气甲烷(oil and gas methane)、农业领域的农业甲烷(agricultural methane)、废弃物领域的废弃物甲烷(waste methane)等5个主题词，以及甲烷排放(methane emission)、甲烷监测(methane monitoring)、甲烷捕集(methane capture)等3个共性技术的主题词，对上述8个中英文主题词进行检索分析，共检索到甲烷排放(methane emission)28 043篇、甲烷监测(methane monitoring)6 935篇、甲烷捕集(methane capture)6 636篇、瓦斯抽采(gas extraction)4 574篇、瓦斯利用(gas utilization)3 842篇、油气甲烷(oil and gas methane)10 449篇、农业甲烷(agricultural methane)8 264篇、废弃物甲烷(waste methane)5 635篇。对8个中英文主题词取并集后排除重复部分，最终从CNKI和Web of Science数据库中分别收集了24 358篇和50 020篇文献。

2 结果和讨论

2.1 发文数量统计分析

2011—2021年各行业领域甲烷相关文献统计对比如图1所示，2011—2021年各关键词检索的中、英文文献统计对比如图2、图3所示。

图1 2011—2021年各行业领域甲烷相关文献数量统计

图2 2011—2021年各关键词检索的中文文献数量统计

图3 2011—2021年各关键词检索的英文文献数量统计

由图1可知，近10年内发表的关于“甲烷管控技术”的英文文献数量快速增长，中文文献数量较为稳定，保持在每年1 000篇左右，中文与英文的文献数量差距呈逐步增大趋势。

由图2、图3可知，我国在煤炭行业中瓦斯抽采与利用领域发文量最高，年均超过400篇，占比约为40%。近3年来，我国对甲烷排放的关注显著增加，文献数量增加近30%；甲烷捕集、油气甲烷的相关文献数量逐渐增多；废弃物甲烷研究文献居甲烷管控技术各行业领域英文文献研究首位，且呈快速增长趋势，2021年文献数量占比超28%；综合管控方面甲烷捕集文献数量少于甲烷监测文献数量；油气方面甲烷管控文献占比逐年升高，煤炭甲烷文献占比则呈现下降趋势，自2016年的2.8%下降到2021年的2.3%。国外对于油气行业甲烷排放情况的关注有所增加，这种行业方向的侧重与各国能源结构具有密切关系，且众多国家出台了甲烷管控的相关政策或法律法规，并对油气行业甲烷排放源提出了具体要求[7]。在综合管控方面，2015年开始甲烷捕集方面文献数量逐步超过甲烷监测方面。

2.2 研究力量分布

2.2.1 作者及合著分析

在CNKI和Web of Science数据库中分别提取了679名和3 673名相关作者的信息。选取中国与外国各行业的代表作者，分析研究团队及其研究内容。

1)煤炭领域。我国在瓦斯抽采与利用方面的研究团队较多，主要有：程远平、林柏泉等中国矿业大学研究团队，以减少煤炭生产过程中甲烷向大气逸散为目的，研究了煤层瓦斯含量测量方法、含瓦斯煤性质及瓦斯抽采与资源化利用的技术方法[8]；以李树刚和林海飞为代表的西安科技大学研究团队，主要研究瓦斯在煤层中的运移规律及煤与瓦斯共采技术等[9]；以许江、彭守建为代表的重庆大学研究团队，主要研究内容为瓦斯抽采等技术[10-12]。在国外，以Barkley和Davis为代表的宾夕法尼亚大学研究团队，主要研究瓦斯抽采及瓦斯发电等技术[13]。

2)油气行业甲烷管控领域。中国石化石油勘探开发研究院的许科伟、杨帆和王国建共同研究油气勘探与微泄漏，基于油气泄漏致使甲烷排放，探寻甲烷管控的方法[14];以Daniel J Jacob、Joannes D Maasakkers和Sheng Jianxiong为代表的美国哈佛大学研究团队，主要研究甲烷排放与卫星检测等技术[15]；以美国国家海洋和大气管理局的Colm Sweeney和美国密歇根大学Eric A Kort为代表的2个研究团队，联系十分密切，共同研究美国的甲烷人为排放及二氧化碳、甲烷排放与监测技术[16];我国广东省汕头市环境保护监测站的赖永忠基于甲烷监测方向研究甲烷管控的方法，主要研究测定挥发性有机物的吹扫捕集气相色谱质谱联用的分析方法[17]。

3)农业领域。我国相关研究团队主要有：以中国农业科学院饲料研究所的刁其玉、屠焰、董利锋等为代表的研究人员，主要研究饲料对牛羊生长性能、肉质、瘤胃发酵与生物菌群结构等的影响[18]，以及反刍动物甲烷排放量的测定，以甲烷产生原理为基础，采取源头管控的办法控制农业甲烷排放量；由叶小梅带领的江苏省农业科学院研究团队，主要研究秸秆或畜禽粪便的厌氧、混合等发酵过程，通过甲烷产生过程研究甲烷管控的方法[19]。国外农业领域甲烷管控研究人员主要有澳大利亚南十字星大学的Damien T Maher、意大利米兰大学的Marco Fiala等[20-21]。

4)废弃物甲烷管控方面。我国学者及研究人员主要基于有机废弃物和生活污水2个层面，研究甲烷管控的有效措施。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的赵立欣和农业农村部环境保护科研监测所的冯晶建立合作关系，共同研究秸秆、牛羊粪便等农业废弃物及其发酵影响因素，以及甲烷产生过程，从源头管控，促进甲烷管控研究发展[22]；以刘广青为代表的北京化工大学研究团队，主要研究厨余垃圾等有机作物厌氧消化过程和钠盐对其影响及甲烷排放潜力[23]，进而研究有机废弃物的甲烷管控办法；以王东波为代表的湖南大学团队，主要研究了食物垃圾厌氧消化、废水等城市生活废弃物产生甲烷的过程及影响，从过程出发研究了废弃物领域甲烷管控的办法[24]。在国外，以Pariatamby和Rahedah为代表的马来亚大学研究团队，研究了有机废物添加对甲烷氧化活性的影响[25]。

2.2.2 国别与机构分析

由统计可得，2011—2021年甲烷管控研究领域的论文来自143个国家和地区，但在此领域的研究较为集中，其中发文量前15的国家如图4所示。

由图4可以看出:中国和美国发文量分别为1 360篇和1 338篇，占据甲烷管控研究领域的第一梯队，大幅领先于其他国家和地区，且两国发文量之和约占总发文量的1/2，表明中美两国在甲烷管控和气候环境保护方面极其重视，同时也拥有雄厚的经济和科研实力，并对该领域的研究投入了大量的财力和物力。加拿大发文量为426篇，位列第三，表明其在甲烷管控领域有较强的科研实力；德国、英国、澳大利亚分别以424、340和308篇文章紧随其后，与加拿大同处于此研究领域的第二梯队；印度、意大利、日本、法国处于此研究领域的第三梯队；其余发文量较多的国家还包括西班牙、荷兰、俄罗斯、波兰和韩国等。

图4 2011—2021年甲烷管控领域发文量前15位的国家

2011—2021年甲烷管控领域研究机构合作图谱如图5所示。机构数量以节点个数表示，节点(圆圈)的大小和字体标签大小代表机构文献的产出量；网络中连线的疏密反映机构之间合作的密切程度。

图5 2011—2021年甲烷管控领域研究机构合作图谱

由图4、图5可以看出，全球共有1 058个研究机构在甲烷管控领域发表了学术研究成果，发文量排名前三的研究机构分别是中国科学院(253篇)、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室(105篇)、美国国家海洋和大气管理局(89篇)，其中中国科学院的发文量遥遥领先于其他机构，且在此领域的研究水平较高、影响程度较大；在机构分布方面，排名前15的机构分别来自中国、美国、俄罗斯、丹麦、加拿大，其中有7个中国机构，分别是中国科学院、瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室、中国科学院大学、中煤科工集团西安研究院有限公司、中国矿业大学、中煤科工集团重庆研究院有限公司及中国农业大学。

2.3 研究前沿与热点

2.3.1 关键词共现分析

为分析近些年中外甲烷管控的研究热点，采用共现分析方法对2011—2021年数据中的关键词进行分析。关键词是作者将论文论点高度凝练后提取的，分析其演变情况可以有效了解该研究领域的总体特征和发展态势。利用CiteSpace软件绘制关键词共现科学知识图谱，得到2011—2021年国内外甲烷管控研究中文关键词共现图谱，如图6所示。其中节点数N为617，连线数E为706。外文关键词共现图谱如图7所示，其中节点数N为578，连线数E为726。

图6 2011—2021年中文关键词共现图谱

图7 2011—2021年外文关键词共现图谱

图6和图7中用半径大小不同的“年轮形”节点和大小不同“十字形”节点来表示国内外甲烷管控研究关键词的共现频次。节点半径越大、节点间连接线越粗，则表示该关键词的共现频次越高。由图6、图7可以看出：出现频次较高的中文关键词为穿层钻孔(337)、卸压增透(212)、水力冲孔(181)、顺层钻孔(165)、水力割缝(142)、厌氧发酵(91)、产甲烷菌(58)等；出现频次较高的外文关键词为Rumen microorganism(瘤胃微生物)(215)、Biogas production(沼气生产)(196)、Co-digestion(共消化)(168)、Biogas production(沼气生产)(132)、Fluid flow(流体流动)(117)、Antioxidant activity(抗氧化活性)(98)、Shale gas(页岩气)(75)等。

关键词共现图谱中节点最外层的深色圆圈显示关键词共现的中心性，中心性能反映某节点与其他节点之间的联系及其在整个图谱中的作用和地位。通过对关键词共现中心性(中心性大于0.1)进行分析，可以得到对甲烷管控研究具有重要作用的热点关键词，进而得到近些年国内外甲烷管控研究领域内的研究热点：国内研究热点关键词为排放特征(0.25)、餐厨垃圾(0.23)、排放通量(0.21)、卸压增透(0.14)、顺层钻孔(0.13)、水力冲孔(0.11)、穿层钻孔(0.11)；国外研究热点关键词为Hydrocarbon(碳氢化合物)(0.32)、Pressure swing adsorption(变压吸附)(0.17)、Natural gas production(天然气生产)(0.11)。

结合关键词的出现频次和中心性分析，可知我国甲烷管控的研究热点主要集中在瓦斯抽采利用方面[26]，卸压增透、顺层钻孔、水力冲孔、穿层钻孔、水力割缝等技术是瓦斯抽采领域重要的研究热点。国外甲烷管控技术的研究热点主要集中在油气行业方面。

2.3.2 突现词分析

进一步研究某一时段引用量有较大变化的关键词，探究某一个关键词衰落或者兴起的情况，进一步对该领域研究热点进行分析，分别绘制中文和外文的突现词共现图谱，如图8和图9所示。图中大小不同“十字形”节点用以表示突现词，节点越大、节点之间的连线越粗则表示该突现词的出现频次越高。

年份

年份

分析图8、图9可知，2011—2015年，出现的突现强度较高的中文词是封孔工艺，其次是预抽瓦斯、好氧堆肥、钻孔间距等；出现的突现强度较高的外文词是Denitrification(脱氮)，其次是Adsorption(吸附)、Methane oxidation(甲烷氧化)、Catalyst(催化剂)、Organic carbon(有机碳)等。脱氮[27]主要应用在土壤、垃圾填埋场等方面，氮可以影响甲烷产生、氧化和传输过程，最终影响甲烷排放量，因此脱氮可实现甲烷的资源化利用，减少环境污染。

2016—2021年突现强度较高的中文词是乏风瓦斯、管道输送，其次是替代燃料、两堵一注、填埋处理等。乏风[28](又称矿井乏风，简称VAM)指煤矿在采掘过程中对煤矿井下进行大量通风，供风风流经过开采工作面及其他用风地点后携带有瓦斯，其所含甲烷浓度(体积分数)低于0.75%。目前国内外现有乏风利用技术有乏风热逆流反应器技术、催化逆流反应器技术、乏风甲烷氧化技术等。乏风瓦斯资源的利用对环境保护具有重要意义。

2011—2021年突现强度最高的外文词是保护性耕作(Tillage)[29]。水稻田秸秆还田降低了CH4的排放，CH4的排放降低量会随着还田量和年限增加而增加。分析评价全球增温潜势时，如果考虑固碳作用，保耕措施能减少GHG排放甚至使农田转变成碳汇。

进一步挖掘图谱可知，2019—2020年涌现了新兴热点内容，Biofuel(生物燃料)、Interspecies electron transfer(微生物种间电子转移)、Methane reforming(甲烷重整)将是未来甲烷管控领域的前沿问题。

2.4 中外研究热点对比分析

从地域角度可知，各地域的相关研究存在一定的共性，同时也有着较大的差异性[30]。在甲烷管控研究领域，中国和美国的发文量占据了领先地位，欧洲国家也以较高的发文量位居其后，因此笔者对中、美、欧洲国家2011—2021年在甲烷管控领域发表论文的高频关键词进行统计，对比分析中外近年来在此领域的研究热点。2011—2021年中外甲烷管控领域高频关键词对比如表1所示。

表1 2011—2021年中外甲烷管控领域高频关键词对比

由表1可以看出：中国在甲烷管控领域的发文中出现频次较高的关键词有Gas extraction(瓦斯抽采)、Methanogens(产甲烷菌)、Numerical Simulation(数值模拟)、Drilling through layers(穿层钻孔)、Anaerobic fermentation(厌氧发酵)；美国在甲烷管控领域的发文中出现频次较高的关键词有Anaerobic digestion(厌氧消化)、Biogas production(沼气生产)、Oxidation(氧化)、Co-digestion(共消化)、Fermentation(发酵)；欧洲国家在甲烷管控领域的发文中出现频次较高的关键词有Fermentation(发酵)、Adsorption(吸附)、Anaerobic oxidation(厌氧氧化)、Numerical Simulation(数值模拟)、Biogas production(沼气生产)。

结合其他高频关键词可知，中、美、欧洲在能源、农业及废弃物等领域甲烷管控方面均有较多的学术研究成果，但中、美、欧存在一定的差异。中国的研究侧重于瓦斯抽采、产甲烷菌、穿层钻孔、厌氧发酵、卸压增透等方向，而美国的研究侧重于厌氧消化、沼气生产、氧化、共消化、发酵、捕集、吸附等方向，欧洲国家的研究侧重于发酵、吸附、厌氧氧化、瘤胃发酵、分解、封存等方向，各国研究的侧重点呈现多元化。中美多家研究机构在甲烷排放和监测技术方面有着密切的合作关系；中欧在产甲烷菌、厌氧氧化等农业领域技术的发展方向一致；中、美、欧在全球甲烷管控和气候变暖方面达成共识，为全球甲烷管控目标及全球气候变暖的应对起到了有效的助推作用。

3 结语

1)从研究热点来看，煤炭行业甲烷管控主要在卸压增透、顺层钻孔、水力冲孔、穿层钻孔、水力割缝等瓦斯抽采技术方面进行研究；油气行业主要集中在变压吸附、油气化探、气体逃逸、油气泄漏研究等方面；农业行业主要聚焦厌氧发酵、产甲烷菌、瘤胃发酵研究等方面；废弃物甲烷管控研究主要围绕共消化、餐厨垃圾处理和堆肥。此外，综合管控方面主要对排放特征、排放因子、排放标准、在线监测等进行研究。

2)从新兴技术来看，生物燃料、微生物种间电子转移、甲烷重整将是未来甲烷管控技术领域的前沿问题，研究将从源头减少甲烷的生成、从末端进行甲烷的处理、利用卫星遥感等监测甲烷管控的成效等方向进行。

3)从地区分布角度来看，各区域在甲烷管控技术领域的研究各有侧重点，研究呈现多元化。我国能源行业的甲烷管控相关研究较多，侧重于煤炭瓦斯开采和利用等技术的研究；美国着重研究油气、农业领域的甲烷管控，侧重于厌氧消化等技术的研究；欧洲农业和废弃物的相关研究较多，侧重于瘤胃发酵等技术的研究。