农作物秸秆肥料化利用研究文献计量分析*

薛颖昊，冯浩杰，孙仁华，胡潇方，李晓阳，徐志宇※

（1.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125；2.山东农业大学资源与环境学院，泰安 271018）

0 引言

我国是世界上最大的农业国之一，拥有丰富的秸秆资源。全国第二次污染源普查结果显示，我国秸秆资源产生量为8.05亿t，可收集的秸秆资源量为6.74亿t，秸秆利用量为5.85亿t[1]。肥料化利用为主，饲料化、燃料化稳步推进，原料化和基料化为辅的秸秆综合利用格局基本形成[2,3]。目前，秸秆肥料化是最快捷、最大批量处理剩余秸秆的有效利用途径，按照技术模式主要分为直接还田（翻压还田、覆盖还田等）和间接还田（过腹还田、堆沤还田等）两大类[4-6]；其中直接还田基本实现了以机械化为主的还田方式。2019年全国秸秆机械化还田面积为0.546亿hm2(8.19亿亩)，比2016年同比提高13.75%。

在绿色农业发展的要求下，我国未来农业发展需要走低投入、低消耗、低排放和高效率的循环农业道路[7,8]，对秸秆肥料化利用来说是一个巨大的机遇和挑战。此外，秸秆肥料化利用也是实现化肥施用零增长、保证粮食稳产增产、助力碳中和碳达峰的重要措施之一[9,10]。秸秆堆肥生产的有机肥在小麦、大豆、蔬菜等作物上均具有良好的增产效果，减少了养分淋溶损失、提高了肥料利用率[11-13]。尹华军等定量评估了秸秆养分投入对化肥替代的贡献率，理论上28.92%、98.86%的秸秆还田率能完全替代钾肥与磷肥的有效施用量，而全量秸秆还田可替代87.22%的氮肥有效施用量[14]。以我国95项田间试验数据（n=446）为基础的分析结果表明，秸秆直接还田显著提高了土壤有机碳含量，平均增幅为13.97%[15]。

虽然已有综述报道了秸秆肥料化利用的研究进展，但采用文献计量学方法系统研究秸秆肥料化发展现状和研究热点的文献相对较少。在过去的十几年间，国内外学者在秸秆肥料化利用领域做了大量的研究工作，发表了大量的论文及论著。文章以Web of Science核心集数据库和中国科学引文数据库为数据源，检索1999—2019年国内外有关秸秆肥料化利用的论文文献，对发文量、作者、机构等计量对象进行分析，系统总结秸秆肥料化利用领域的发展态势；借助关键词共现分析的可视化描述凝练研究前沿与热点问题，以期为研究者了解国内外秸秆肥料化利用的发展过程和程度以及未来的研究方向提供参考和借鉴。

1 数据的获取与处理

1.1 研究数据来源

该文数据来源于Web of Science核心合集数据库（SCI-Expanded数据库）和中国科学引文数据库（CSCD数据库），针对文献的篇名、摘要和关键词进行检索，中文文献围绕“秸秆”“还田”“生物质炭”等主题词的59个变形词或同义词制定检索式，英文文献围绕“straw”“straw-returning”“biochar”等主题词的76个变形词或同义词制定检索式。检索时间跨度为1999年至2019年，检索文献类型为秸秆肥料化利用的所有文献类型，检索时间为2019年10月。经过筛选，删去与主题词无关的文献，最终得到SCI-E论文8 580篇，CSCD论文5 128篇。

1.2 数据可视化

利用网络数据可视化和分析工具Gephi V0.9.2开展高频关键词聚类分析与可视化展示。在聚类网络视图中，节点代表关键词，节点大小代表关键词的出现频率；节点之间连线的粗细代表不同关键词共同出现的次数，连线越粗代表共同出现的次数越多；节点的颜色层次代表不同的研究前沿领域，联系紧密的关键词被归为同一研究前沿热点。

2 结果与分析

2.1 近20年秸秆肥料化利用领域论文发表趋势

如图1所示，近20年来秸秆肥料化利用领域的发文总量和中英文发文量的变化趋势基本一致，整体呈不断增长趋势（2019年数据在获取时并非全年完整数据，因此暂不列入参考）。外文文献主要分为两个阶段，第一阶段1999—2005年，英文文献发表数量呈缓慢上升阶段，发文数量从207篇增加至227篇；第二阶段2006—2018年，英文文献发表数量进入持续快速增长阶段，年发文量由304篇增加至1197篇，年均增长率为21.0%。中文文献主要分为两个阶段，第一阶段1999—2015年，中文文献发表数量呈快速增长趋势（除2007和2013年外），年发文量从19篇增加至470篇，截止2015年中文文献发文量占中英文发文总量的44.6%，比1999年提高了36.2%；第二阶段2016—2018年，中文文献发表进入稳定阶段，年发文量在440篇左右波动。

图1 近20年秸秆肥料化利用领域论文发表趋势

2.2 中英文发文主要机构

秸秆肥料化利用相关中文文献发表数量排名前10的机构及其发文情况如图2所示，其中包括7所农林类高校，2个研究所以及1个国家重点实验室。排名前10位的高产机构共发表中文文献2 241篇，占统计范围内中文总发文量的43.7%。西北农林科技大学（469篇）发文量最多，占中文发文总量的9.1%。此外，还有4个机构的发文量在200篇以上，分别是南京农业大学、甘肃农业大学、中国农业大学和中国科学院南京土壤研究所，发文优势明显。

图2 秸秆肥料化利用中文发文量前10的机构

图3显示了秸秆肥料化利用相关英文文献发表数量最高的10个研究机构及其发文情况。英文文献发表数量排名前10的高产机构中有4所大学和6个科研院所。其中中国研究机构有6个，表明国内秸秆肥料化利用相关研究在国际上的影响力逐步扩大。排名前10的高产研究机构中，中国科学院（637篇）、美国农业部农业研究中心（ARS）（521篇）发文量均超过了500篇，其余研究机构发文量130～260篇，与前两位研究机构发文量差距较大，说明这两家机构在秸秆肥料化研究领域处于领先地位。

图3 秸秆肥料化利用英文发文量前10的机构

2.3 中英文发文主要研究者

统计范围内，秸秆肥料利用领域近20年来中文发文量排名前10的高产作者及其发文情况见表1。排名前10的高产作者发文量为537篇，占统计范围内发文总量的10.5%。这12位高产作者分别来自8个机构，其中甘肃农业大学有3位高产作者，南京农业大学有2位高产作者。发文量在40篇以上的作者共有7位，甘肃农业大学的张仁陟（73篇）和吉林农业大学的窦森（55篇）两位的发文量超过了50篇，优势明显。

表1 秸秆肥料化利用中文发文量前10的作者

表2反映了秸秆肥料化利用近20年来英文发文量排名前10位的高产作者及其发文情况。排名前10位高产作者发文量为393篇，占统计范围发文总量的4.6%。发文量在30篇以上的作者共有5位，其中来自俄亥俄州立大学（Ohio State University）的Lal发文量高达83篇，在秸秆肥料化利用领域发文量遥遥领先；余下4位分别是阿德莱德大学（The University of Adelaide）的Marschner、卡塞尔大学（University of Kassel）的Joergensen、法国农业科学研究院（INRA）的Recous和中国科学院的吴金水。

表2 秸秆肥料化利用英文发文量前10的作者

2.4 中英文高被引论文

表3是秸秆肥料化利用领域被引用频次排名前10位的中文文献。从研究机构来看，3篇来自中国农业大学，3篇来自中国农业科学院，2篇来自山东农业大学，说明了中国农业大学和中国农业科学院在秸秆肥料化利用领域的地位。从发表的文章类型来看，研究论文有7篇，综述文章有3篇，说明在秸秆肥料化领域大多以针对性的科学研究为主。在10篇高被引文章中，被引次数最高的文章是韩鲁佳的《中国农作物秸秆资源及其利用现状》，总被引次数高达1 566次。其次是徐阳春的《长期免耕与施用有机肥对土壤微生物生物量碳、氮、磷的影响》，总被引次数为1 210次。

表3 秸秆肥料化利用被引频次前10的中文文献

表4是秸秆肥料化利用领域被引用频次排名前10的英文文献。从发表的文章类型来看，研究论文有5篇，综述文章有5篇，引用次数排名前3位的均是综述文章，说明秸秆肥料化领域中综述性论文具有较好的引领性作用。引用排名前10的论文中，被引频次最高的是Lal的《Soil carbon sequestration to mitigate cli-mate change》，被引频次为1 673次；其次是Kalbitz的《Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: A review》，被引频次是1 495次。

表4 秸秆肥料化利用被引频次前10的英文文献

2.5 主要期刊来源分析

CSCD数据库中秸秆肥料化利用相关文献发表数量排名前10的中文期刊见表5。这10种期刊总发文量为2 013篇，占统计范围内发文总量的39.26%。其中发文量最多的期刊是《农业工程学报》，共发表秸秆肥料化利用相关文献241篇，占总发文量的4.70%，总被引次数3 562次，位居所有期刊第一位。此外，《中国农业科学》期刊发文量为174篇，排名第9位，但单篇平均被引次数（18.9次）和总被引次数（3 290次）分别位居第1位、第2位。从统计数据看，秸秆肥料化利用相关文献发表数量排名前10的中文期刊主要集中在土壤学、生态学和环境等领域。

表5 秸秆肥料化利用发文量前10的中文期刊

表6为Web of Science核心合集数据库秸秆肥料化利用相关文献发表数量排名。排名前10的期刊总发文量为2 288篇，占统计范围内发文总量的26.67%，平均影响因子5.359。其中发文量最多的期刊是Soil and Tillage Research，共发表秸秆肥料化利用相关文献488篇，期刊近5年影响因子为6.368，总被引次数位居第一。Soil Biology and Biochemistry期刊近5年影响因子为8.312，近5年影响因子、单篇平均被引次数和H指数以绝对优势排名第一，说明该期刊在秸秆肥料化利用领域具有较高的学术价值和影响力。此外，期刊Agriculture Ecosystems and Environment发文量虽然位居第6，但单篇平均被引次数排在第2位（42.0次）。

表6 秸秆肥料化利用发文量前10的英文期刊

2.6 中英文文献研究热点

对1999—2019年发表的中英文论文关键词进行提取、清洗、整理与统计，其中中文文献选取词频在25次及以上的100个高频关键词，英文文献选取词频在27次及以上的177个高频关键词，通过聚类分析研究高频关键词的共现关系，分析秸秆肥料化利用领域的研究热点。

2.6.1 中文文献研究热点

图4显示了近20年中文文献高频关键之间的共现网络关系。结果显示7个秸秆肥料化利用研究热点领域的中心关键词分别是产量、土壤有机碳、秸秆覆盖、土壤养分、堆肥、氮磷、微生物多样性。其中最大的研究热点聚类是耕作方式对作物产量、品质及经济效益等影响的相关研究（紫色区域），中心关键词是产量，包含耕作方式、冬小麦、水分利用效率、水稻、夏玉米等25个高频关键词；其次是秸秆还田、长期施肥等对土壤有机碳等特性的影响作用研究（绿色区域），中心关键词是土壤有机碳，包含长期施肥、微生物量碳、温室气体、土壤团聚体等13个高频关键词。在我国秸秆综合利用政策的支持和推动下，秸秆肥料化利用面积逐年增大，但如何通过配套的栽培、耕作等农艺措施减弱秸秆还田可能产生的负面影响，实现培肥土壤、作物稳产增产的目标，一直是学者们关注的重点研究内容。此外，在“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的国家战略背景驱动下，秸秆肥料化利用的固碳效应、温室气体减排效应等方面的研究也将持续成为学者们的研究重点。

图4 秸秆肥料化利用中文文献高频关键词共现知识图谱

2.6.2 英文文献研究热点

通过聚类分析方法分析了近20年高频关键词在英文文献中的共现关系（图5）。结果表明：关于nitrogen、biochar、yield、residue management、 no-tillage、 bacteria/fungi等问题是英文文献秸秆肥料化利用领域长期研究的6个热点。与中文文献不同，英文文献主要研究热点关键词出现的频率差异较小，关键词之间的联系更加紧密。其中最大的研究热点聚类是秸秆还田相关的土壤有机质、土壤微生物等问题的相关研究（紫色区域），包含nitrogen、soil organic matter、 decomposition、 soil、 dynamics、carbon等17个高频关键词；其次是秸秆生物炭对甲烷、一氧化二氮等气体排放影响的相关问题研究（绿色区域），中心包含 biochar、 nitrous oxide、 rice、 methane、paddy soil、greenhouse gas等16个高频关键词。与中文文献相比，英文文献研究热点更偏重于秸秆肥料化利用的生态环境效应领域。

图5 秸秆肥料化利用英文文献高频关键词共现知识图谱

2.7 中英文文献研究前沿

对2016—2019年发表的中英文论文关键词进行提取、清洗、整理与统计，中文文献选取词频在5次及以上的143个高频关键词，英文文献选取词频在11次及以上的147个高频关键词，通过聚类分析研究高频关键词的共现关系，分析秸秆肥料化利用领域的研究前沿。

2.7.1 中文文献研究前沿

利用2016—2019年高频关键词在中文文献中的共现关系，分析秸秆肥料化利用领域的研究前沿（图6）。秸秆肥料化利用领域中文文献主要有7个研究前沿的聚类。聚类1（紫色区域）：以产量为主，涉及秸秆覆盖、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，包括秸秆覆盖、耕作方式、土壤水分等34个节点；聚类2（绿色区域）：以土壤有机碳为主，涉及秸秆还田、长期施肥等对土壤有机碳等特性的影响作用研究，主要包括长期施肥、土壤团聚体、温室气体等21个节点；聚类3（天蓝色区域）：以生物炭为主，涉及秸秆生物炭吸附以及热解等问题的相关研究，包括土壤理化性质、重金属、硝态氮等14个节点；聚类4（橙色区域）：以土壤养分为主，涉及秸秆还田相关的土壤微生物研究，包括土壤微生物、土壤酶活性、有机物料等11个节点；此外还包括3个小的聚类，中心关键词分别是堆肥（红色）、水稻（灰色）、稻草还田（深绿色）。

图6 秸秆肥料化利用中文文献研究前沿关键词共现知识图谱

2.7.2 英文文献研究前沿

通过聚类分析2016—2019年高频关键词在英文文献中的共现关系，描述英文研究前沿（图7）。结果表明秸秆综合利用领域英文文献主要有7个研究前沿的聚类。聚类1（紫色区域）：以yield为主，涉及秸秆还田、保护性耕作等对作物产量、土壤特性等影响的相关研究，包括no-tillage、conservation tillage、soil property等19个节点；聚类2（草绿色区域）：以biochar为主，涉及秸秆生物炭对土壤微生物、肥力等的影响的相关研究，包括rice、manure、microbial community等15个节点；聚类3（天蓝色区域）：以nitrous oxide为主，涉及秸秆还田对甲烷、一氧化二氮等气体排放等影响的相关研究，包括greenhouse gas、paddy soil、methane等9个节点；聚类4（橙色区域）：以residue management为主，涉及秸秆还田、保护性耕作等对土壤有机碳等特性的影响作用研究，包括soil organic carbon、tillage、conservation agriculture等9个节点；聚类5（土灰色区域）：以nitrogen为主，涉及秸秆还田分解及对土壤营养物、土壤品质影响等问题的相关研究，包括soil organic matter、decomposition、soil quality等9个节点；聚类6（玫红色区域）：以carbon sequestration为主，涉及长期施肥对土壤碳回收、微生物等影响的相关研究，主要包括microbial biomass、long-term fertilization等5个节点。此外，还有一个小的聚类（绿色），包含bacteria、fungi 2个高频词，涉及土壤菌类的相关研究。

图7 秸秆肥料化利用英文文献研究前沿关键词共现知识图谱

3 结论

该文通过利用Web of Science核心合集数据库（SCI-Expanded）和中国科学引文数据库（CSCD）对秸秆肥料化利用领域的相关文献进行检索，通过发文量、高被引论文、发文单位、发文期刊、发文作者等关键信息了解秸秆肥料化利用领域研究现状，利用Gephi V0.9.2对高频关键词进行聚类分析了解该研究领域的中英文研究热点和前沿情况，在一定程度上反映出秸秆肥料化利用的技术发展历程，从中得出结论。

（1）世界范围内对秸秆肥料化利用领域重视程度提高，1999—2019年该领域英文发文数量整体均呈不断上升趋势；1999—2015年中文发文量逐年递增，但在2016年以后发文量趋向稳定，数量保持在250篇左右。

（2）Lal、Marschner和Joergensen等学者是基于英文文献的秸秆肥料化领域核心作者，张仁陟、窦森和黄高宝等学者是基于中文文献的秸秆肥料化领域主要作者。他们对促进秸秆肥料化领域的发展、拓宽该研究领域起到重要作用。

（3）中国科学院和西北农林科技大学等是国内近20年间基于中英文献在秸秆肥料化利用领域的核心机构，在秸秆肥料化领域做出了较高的科研贡献。

（4）分析发文期刊情况，《农业工程学报》是国内发表秸秆肥料化研究相关文章以及总被引次数最多的期刊；Soil and Tillage Research是秸秆肥料化领域发表英文文献篇数以及总被引次数最多的期刊，同时Soil Biology and Biochemistry是该领域单篇引用次数最高的期刊；科研工作者想了解该领域的研究动态，可以及时跟踪这些具有较高影响力期刊的研究内容。

（5）通过关键词共现知识图谱分析发现，秸秆肥料化领域基于中文文献的研究热点为“产量”“土壤有机碳”“秸秆还田”“土壤养分”等方向，基于英文文献的研究热点为“soil organic matter”“biochar”“yield”“crop residue”“no-tillage”等方向，以上有关秸秆肥料化的环境、经济效益以及利用方式之间的交叉研究是目前的主要研究方向。此外，涉及秸秆炭化还田、土壤微生物群落特征、土壤碳固持等研究方向[16-18]关键词的频率和共现强度增大，受关注度较高，可能是未来该领域的主要研究方向。

4 不足与展望

该研究对秸秆肥料化领域的研究热点和前沿分析具有一定的启发意义，但也具有一定的局限性。首先，运用Gephi对大量文献的关键词进行可视化分析处理，利用中英文文献探索研究热点、研究前沿关键词之间的隐藏规律，但受提取信息以及分析方法自身局限性，可能会造成分析结果存在一定偏差；其次，该研究确定了秸秆肥料化主要的研究热点和前沿，限于篇幅，缺乏对研究热点和前沿相关信息的深入挖掘，例如研究方法、理论背景以及每项工作的创新发现等。

耕地是粮食生产的命根子，秸秆是土壤有机质的重要来源，随着秸秆“五料化”利用政策体系和支撑技术体系逐渐完善，秸秆肥料化作为秸秆资源化利用最广泛、直接利用的途径仍将受到持续关注。建议从以下三方面着手，发挥好农作物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、保障国家粮食安全提供有力支撑。

（1）关注秸秆直接还田。秸秆还田是秸秆综合利用最简便、最直接、最经济的途径。农业农村部农作物秸秆资源台账数据显示，秸秆直接还田已成为最主要的利用方式。需要进一步开展秸秆还田效应相关机理研究，研究秸秆还田过程中不同区域、不同作物土壤—作物系统驱动机理、环境因子的调控机制、最适还田量等关键性机理问题[19-22]。同时，加强秸秆还田配套技术的研发和集成，建立健全秸秆还田技术标准体系，做好秸秆还田生态效应的长期定位监测工作。

（2）关注秸秆炭化还田。“秸秆炭化还田减排固碳技术”被列为2021年农业农村部十大引领性技术之一，是秸秆直接还田的重要补充方式，将单一的秸秆直接还田方式拓展为“收储—炭化—产品化—还田”的技术链条。通过生物炭的输入可直接实现农田土壤碳封存，减少温室气体排放，还可通过炭化副产物的能源化利用、在工业环节助力化石能源替代减排，可为应对全球气候变化作出积极贡献[23,24]。

（3）关注秸秆有机肥还田。秸秆是农业生产重要的有机肥原材料，有机肥还田是生态循环农业发展和绿色种养循环农业试点的重要组成。需合理选择秸秆生物反应堆、秸秆堆沤还田等技术，通过秸秆有机肥替代化肥，促进畜禽粪污和秸秆资源化利用[25,26]，发展循环经济，加快建立植物生产、动物转化、微生物还原的种养循环体系，促进农业绿色发展。