基于文献计量学的施肥机械领域研究进展

张猛强 张宏 董学璋 拜海龙 姚杰 兰海鹏

摘要：為了解施肥机械领域的发展现状，直观地掌握施肥机械领域的现状和主要学术脉络，基于Web of Science核心论文集、中国学术期刊全文数据库、世界知识产权组织Patent Scope、中国专利全文数据库四个数据库，利用数理统计和知识图谱可视化软件，绘制施肥机械领域知识图谱。结果表明：施肥机械领域论文发文量和专利发布量逐年上升；中美是施肥机械领域论文发文量和专利发布量最多的国家，且以美国农业部和中国科学院为中心与其他机构进行密切合作；国外施肥机械领域发表期刊主要为农林科学类期刊，国内主要为农业机械类期刊；国内外在施肥机械领域内的研究方向都是以变量施肥为核心；国外研究热点和前沿集中在以精准农业作为载体，将传感器、物联网、机器学习等新型技术手段运用在施肥机械领域；国内研究热点和前沿集中在变量施肥、数值模拟；综上，施肥机械领域研究大致分为萌芽期、起步期、发展期三个阶段，现处于第三阶段，未来施肥机械领域研究将有望向着无人值守的方向发展。

关键词：施肥机械；VOSviewer；文献计量；Web of Science

中图分类号：S224

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02009110

收稿日期：2022年7月5日  修回日期：2022年9月15日

基金项目：兵团重大科技项目（2021AA005、2021AA0050302）

第一作者：张猛强，男，2000年生，河南驻马店人，硕士研究生；研究方向为农业机械化工程。Email： 1449110481@qq.com

通讯作者：兰海鹏，男，1982年生，黑龙江巴彦人，教授，博士；研究方向为农业机械化工程。Email： lanhaipeng@126.com

Research progress of fertilizing machinery based on bibliometrics

Zhang Mengqiang， Zhang Hong， Dong Xuezhang， Bai Hailong， Yao Jie， Lan Haipeng

（College of Mechanical Electrification Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China）

Abstract：

The research of fertilization machinery is related to food security and the coordinated development of agricultural production and ecological environment. This paper provides a reference for relevant researchers to systematically understand the development status of the field of fertilization machinery， and provides reference for subsequent research. In order to grasp the current situation and main academic context of the field of fertilization machinery more intuitively， this paper used mathematical statistics and knowledge graph visualization software based on four databases such as Web of Science core papers， China Academic Journal Fulltext Database， WIPO Patent Scope and China Patent FullText Database， and the knowledge map of fertilization machinery field was drawn. The results show that the number of papers published and patents issued in the field of fertilization machinery has increased year by year. China and the United States have the largest number of papers published and patents issued in the field of fertilization machinery， and the United States Department of Agriculture and the Chinese Academy of Sciences as the center of close cooperation with other institutions. Foreign periodicals in the field of fertilization machinery are mainly agricultural and forestry periodicals， while domestic periodicals are mainly agricultural machinery periodicals. The research directions in the field of fertilization machinery at home and abroad are all based on variable fertilization. Foreign research hotspots and frontiers focus on precision agriculture as a carrier， and the application of sensors， Internet of things， machine learning and other new technologies in the field of fertilization machinery. Domestic research hotspots and frontiers focus on variable fertilization and numerical simulation. In summary， the research in the field of fertilization machinery can be roughly divided into three stages （germination stage， initial stage and development stage）， and now it is in the third stage. The future research in the field of fertilization machinery is expected to develop in the direction of unattended mode.

Keywords：

fertilizing machinery； VOSviewer； bibliometrics； Web of Science

0 引言

随着世界人口快速增长，人类对于粮食的需求不断增加，而在农业生产活动中施用肥料是最快、最有效提高农作物产量的重要手段［1］。根据联合国粮食及农业组织（FAO）统计表明，施用肥料对于农作物产量增加大约在55%［2］；中国化肥试验网表明，施用肥料对于粮食作物的产量增加为40%～50%左右［3］。但是随着施用肥料数量激增，人工施肥不能满足现状。因此，采用施肥机械代替人工施肥，解决劳动强度高、肥料利用率低等问题迫在眉睫。

施肥机械是一种提高施肥作业效率、降低农业生产成本的农业机械设备［4］。施肥机械种类繁杂，根据农作物施肥方式不同分為基肥、种肥、追肥施肥机械；根据肥料物理形态不同可分为固态化肥、固态厩肥、液态化肥、液态厩肥施肥机械［5］。施肥机械的研究起步较早可以追溯到20世纪。欧美等发达国家受到人均耕地面积的影响，早在20世纪开始对施肥机械进行早期研究，出现畜拉式堆肥撒布机代替人工施肥［6］。到70年代欧美等发达国家已经对施肥全过程基本实现机械化作业［7］，并且开始初步研究变量施肥技术。90年代初美国首次将变量施肥技术应用在施肥机械［8］。美国因平原农场规模较大，且农业发展迅速，所以美国长期引领施肥机械的发展。日本因其耕地种植面积集约化且主要种植水稻，在中小型水田施肥机械中处于领先地位［9］。德国、法国等欧洲发达国家同样重视施肥机械的发展，德国近年来在ZA-M和ZA-B系列实现精准变量施肥作业［10］，法国研制Axis系列结合GPS和GIS系统提高施肥机械作业效率［11］。整体而言，施肥机械的发展与各国技术、国情有着密切关联。

中国对于施肥机械研究起步较晚。20世纪80年代中国开始研究施肥机械，并在90年代后期提出精准农业并开始借鉴和学习，同时不断突破关键技术，但整体发展相对发达国家具有一定差距［12］。2021年中央一号文件指出，持续推进化肥减量增效，提高施肥机械自主研发能力。因此，基于现实需求和国际发展趋势，中国需要加快施肥机械研究进程。

本研究为量化施肥机械研究进程，运用文献计量分析法，结合VOSviewer、CiteSpace等分析工具，从论文发文量、专利发布量、来源国家和科研机构等方面分析施肥机械领域研究现状，并利用论文关键词共现图谱和研究历程知识图谱分析施肥机械领域研究热点和未来研究方向。以期为相关科研人员系统了解施肥机械领域的发展现状提供参考，且为后续研究提供借鉴。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本研究从硕、博论文和高引文献常见表达中分别提取施肥机械领域相关中英文检索词。从四个数据库Web of Science核心集（下文简称“WoS”）、中国学术期刊全文数据库（下文简称“CNKI”）、世界知识产权组织Patent Scope（下文简称“WIPO”）、中国专利全文数据库（下文简称“CSPD”）进行施肥机械领域文献检索，检索时间2001年1月1日至2020年12月31日。检索式如下：

施肥机械领域英文检索以WoS为例，检索式为“TS=（fertilize* OR manure*） AND TS=（spreader* OR applicator* OR machine* OR distributor* OR spraying* OR apparatus* OR equip*）”；中文检索以CNKI为例，检索式为“SU=（‘施肥机+‘撒肥机+‘深施机+‘追肥机+‘水肥一体机+‘撒施机+‘撒布机）”。由于英文单词“fertilizer”不仅具有施肥的含义，同时可表达为受精，中文关键词“撒布机”不仅局限于施肥撒布机，还存在石灰、除雪和石料等撒布机，因此经人工筛选对所得文献进行剔除不相关文献和重复文献，最终筛选出WoS数据库2112篇文献；CNKI数据库993篇文献；WIPO数据库8043条记录；CSPD数据库4963条记录。

1.2 研究方法

文献计量分析法是一种对大量文献数据进行某一单元定量研究的科学方法［13］。这种方法首次由情报科学家Pritchard提出［14］，主要对文献机构、关键词等单元进行可视化以及特征规律研究。知识图谱分析称为可视化分析同时是文献计量分析法的重要研究方法之一［15］。对于如何构建完整的知识图谱包含以下步骤：检索式构建、数据下载、数据预处理、提取分析数据单元、构建关系矩阵网络、图谱参数调整、分析与阐述结果。

荷兰莱顿大学研究人员开发出基于文献计量分析法的可视化分析软件［16］。VOSviewer软件擅长构建共现网络，进行知识图谱可视化。在构建知识图谱时使用关联强度进行相似性计算，项目i和项目j的相似性Sij的计算公式如式（1）所示。

Sij=CijWiWj

（1）

式中：

Cij——

项目i和项目j的共现次数；

Wi——

项目i出现次数；

Wj——

项目j出现次数。

经过归一化、映射及聚类的数学处理，在图谱上两个项目则两个项目距离越近表现出两个项目相似性越高，关联强度越强。其中项目可为关键词、机构等。

首先利用Excel软件对论文和专利进行文献数量和文献来源国家统计，概述其发展现状；然后采用VOSviewer、CiteSpace文献计量分析软件作为分析工具，提取论文机构、关键词等单元进行可视化分析，最后对图谱进行分析与阐述，揭示施肥机械领域研究的特征和规律。

2 结果与分析

2.1 文献数量逐年变化趋势分析

文献数量逐年变化是该研究领域是否成为热点的重要体现，在一定程度上能够反映研究历程的变化规律［17］。施肥机械领域文献数量分布比例如图1所示。2001—2020年间施肥机械领域研究总体呈上升趋势。基于CNKI和CSPD统计数据，2001—2007年间论文发文量仅占总量9.77%，专利发布量仅占3.99%，增势较为缓慢。2008—2012年间论文发文量曲线斜率为0.30，专利为2.01，增势基本保持不变。2013—2020年间施肥机械领域研究开始快速积累，论文和专利分别在2019年和2018年达到顶峰，且总量占比高达11.08%、15.31%。文献具体数量的年分布情况见图2。

如图2所示，2001—2020年间施肥机械领域研究论文累计发文量达到3000余篇，专利累计发布量达到13000余件。论文发文量从2001年42篇到2020年发文量216篇，并在2020年達到单年最高216篇。国内论文发文量从2001年6篇到2020年91篇，并在2019年达到单年最高110篇，但在2020年论文发文量有所下降。专利发布量从2001年243件到2020年的753件，并在2020年达到单年最高753件。国内专利发布量从2001年18件到2020年748件，并在2018年达到单年最高760件。

总体而言，施肥机械领域研究趋势向好。国内论文年发文量与专利年发布量逐年增长，其中专利在数量统计中呈现出“S”型，2008年以前是缓慢增长，2008—2012年间年平均增长量增大，2012年以后专利数量开始爆发式增长，处于“S”型的填充效应。可以明显地看出国内对于实际应用更加注重。

2.2 文献来源国家和机构分析

通过对文献来源国家和机构的分析能够体现一个国家在该领域研究的综合实力以及它们之间的合作网络［18］。根据WoS、WIPO和CSPD对施肥机械领域文献来源国家的数量进行统计论文发文量和专利发布量TOP10，如表1所示。发文量前三的国家分别为美国、中国和巴西，发文量分别为321篇、298篇和121篇，占总发文量的35.04%。中国和美国专利发布量较大，分别是4963件和4797件，占总发布量的75.04%，其次是世界专利组织1400件。

根据WoS数据库进行统计施肥机械领域中发文量前8的机构，如表2所示。美国农业部以81篇论文（3.84%）高居榜首，其次是中国科学院以50篇论文（2.37%）位居第二，且在发文量前8的机构中有6个来自中美两国，加拿大农业食品部以36篇论文（1.70%）位居第三。可以明显看出中美两国是施肥机械领域研究主要国家。

为进一步了解各机构间的研究合作联系，图3给出了施肥机械领域论文发文机构频次大于等于20的机构间的合作关系网。将机构间的合作网分为三个部分：（1）以美国农业部为中心的合作网，美国当地院校与中国、欧洲等地区都有联系，且发文量和国际影响力大；（2）以中国科学院为中心的机构合作网，中国农业大学、华南农业大学等中国院校相互联系，且与美国院校合作较多，其次是其他国家院校进行合作，发文量和国际影响力较大；（3）以加拿大农业食品部为中心的机构合作网，与其他两个机构合作网相比，院校之间的联系较少且发文量和国际影响力略低。

2.3 发表刊物类型分析

通过对发表刊物类型进行统计分析，能够了解该领域研究的主要方向［18］。根据WoS、CNKI数据库对期刊文献来源进行统计，如表3所示。WoS发文量前五的期刊分别是《Applied Engineering in Agriculture》《Computers and Electronics in Agriculture》《Agronomy Journal》《Biosystems Engineering》《Journal of Environmental Quality》，主要为农林科学类期刊，其中又可以分为农业工程、工程技术—计算机、农艺学、环境科学等。CNKI发文量前五的期刊分别是《农业机械》《农机化研究》《当代农机》《农业机械学报》《农机科技推广》，主要为农业机械类，其中《农业机械学报》是国内农业类顶尖期刊。但是与WoS数据库期刊相比，国内整体期刊质量低于国外期刊质量。

2.4 被引论文分析

科研文献被他人认可的程度通常用被引频次来表示，被引频次也是衡量该领域重点研究方向的重要指标［19］。对WoS、CNKI数据库内施肥机械领域论文进行统计，被引频次TOP5的文献如表4所示。

其中，WoS数据库被引频次最多为137次，其次为71次、48次和45次。论文1、论文2和论文3研究方向一致为变量施肥。论文1为综述论文，分析无人机在精准农业中的应用，利用无人机进行施肥作业。论文2是Zaman等［20］根据不同树冠大小与水果产量不同，利用超声波传感器扫描生成不同施肥处方图，实现变量施肥的目的。论文3是Maleki等［21］因为田间土壤磷的固有空间变异性较大，使用可见光和近红外土壤传感器进行土壤磷含量的测量并开发成为模型，利用自制程序来记录土壤光谱和预测土壤磷含量，在施肥机械移动期间计算磷酸盐含量，并向施肥机械提供信号调整施肥量。论文4和5研究方向为施肥机械性能检测，分别利用图像处理技术和数值模拟仿真技术测试施肥机械性能，提出一种新的测试方法。

在CNKI数据库内施肥机械领域论文被引频次分别为195次、151次、118次、111次和93次。论文6、论文7、论文9和论文10研究方向一致，为变量施肥机械的研制以及控制系统的开发。论文8为综述论文，在一定程度上对我国施肥机械研究现状进行了阐述与分析。其中论文2是马旭等［22］自制一种能够实现精准农业变量施肥的系统，将GPS（全球定位系统）、GIS（地理信息系统）和DDS（信号发生器）相结合，利用预先存储数据的IC卡进行施肥决策，实现精准农业意义上的变量施肥。论文9是张书慧等［2324］在前期研制的基础上，利用传感器进行施肥机械前进速度监测和读取预先将施肥量数据写入的IC卡，对排肥轴的转速进行控制，以达到实时自动变量施肥的目的。可以看出国内外在施肥机械领域内的研究方向都是以变量施肥为核心，其次，国内普遍基础性较强。

3 施肥机械相关领域研究热点分析

3.1 高频关键词图谱制作

根据WoS、CNKI数据库对其中高频关键词进行可视化分析，利用VOSviewer文献计量可视化软件对高频关键词进行图谱绘制。VOSviewer根据关键词连接紧密强度进行聚类，同一类别关键词共现频率越高，代表研究同一领域越相近［25］。首先对施肥机械领域研究文献统计关键词频次，确定最高关键词频词，其中CNKI数据库中施肥机最高关键词频次为238次，WoS数据库中Fertilizer为最高关键词频次为84次，如表5所示，其次确定VOSviewer文献计量可视化软件关键词阈值，根据普赖斯定律发文量的阈值m≈0.749Nmax（Nmax为最大发文量）确定高频关键词阈值［26］。CNKI和WoS数据库阈值分别为11.56、6.86，在CNKI数据库中选取频次大于12的高频关键词；在WoS数据库中选取频次大于7的高频关键词。结果如图4和图5所示。

3.2 研究热点及关键词分析

研究热点是该领域学者主要关注的问题，也是该领域研究的主要趋势。而关键词是文章主要内容的概括，也是文章主要内容的体现，能够在一定程度上反映该领域的研究热点［18］。

3.2.1 国内施肥机械领域研究热点及关键词分析

中文关键词共现图谱中施肥机、免耕施肥播种机、变量施肥、设计、开沟器、整机质量等高频关键词，表明国内施肥机械领域向着施肥机械联合机组［27］、保护性耕作［28］、农艺要求［29］、配套动力［30］、变量施肥控制系统［31］、数值模拟仿真［32］的方向发展，从最近几年相关文献发表来看，其中变量施肥、数值模拟仿真是研究热点。

3.2.2 国外施肥机械领域研究热点及关键词分析

英文关键词共现图谱中化肥（Fertilizer）、精准农业（Precision Agriculture）、粪肥（Manure）、产量（Yield）、氮（Nitrogen）等高频关键词，大多数文献是将精准农业作为载体，将传感器［33］、物联网［34］、机器学习［35］等新型技术手段运用在施肥机械领域。

3.3 研究历程图谱绘制

关键词研究历程可以体现历年来关键词的演变和热点更替。使用CiteSpace软件对CNKI、WoS数据库进行关键词共现分析，基于时间轴得到关键词时间线图6和图7。

第一阶段萌芽期：2001—2007年间随着精准农业的提出和环境保护意识的增强，变量施肥机械进入快速发展时期，2001年Yang等［36］提出一种能够同时改变两种液体肥料施肥速率的排肥器，并说明了其静态和动态性能以及现场施用精度。结果表明，排肥器具有非常好的动态响应和较高的施用精度。其测试结果对精准农业中变量施肥机械的开发和测试具有实用性。2004年王秀等［29］提出一种根据GPS导航系统与预先设计的处方图进行变量施肥，且该施肥机械可与国产拖拉机进行配套使用。变量施肥技术以及变量施肥机械的設计与研究，时至今日，依然是施肥机械的重要主题。

第二阶段起步期：2008年前后国内外利用数值模拟仿真技术不断研发和优化农业机械设备。20世纪70年代Cundall等首次提出离散元法并在之后得到快速发展［37］。2009年Van等［38］首次尝试用离散元法（DEM）模拟肥料颗粒流在离心式撒肥机的运动，采用两种不同的试验验证仿真的有效性。结果表明：模拟结果与试验结果具有较好一致性。2013年李鹏等［39］提出一种摆管式撒肥机，使用EDEM仿真软件对颗粒肥料在摆管式撒肥机运动过程进行模拟，并进行台架试验。结果表明：仿真结果与台架试验撒肥的分布情况有较好的相似性。计算机数值模拟仿真能够减少农业机械研发时间和简化样机制作流程，提高设计效率及质量，以期降低研发成本。在动态模拟仿真过程中，能够为设计提供关键信息，揭示农业机械运动机理，为现代农业机械设计提供新思路［40］。

第三阶段发展期：2013年伊始，随着农业4.0的提出，近年来机器学习、高质量传感器、ZigBee等高新技术不断应用在农业机械中，施肥机械向着现代化、智能化发展。Vadivel等［41］介绍一个监测系统——Hypaponics，它使用传感器进行监测，并使用机器学习算法基于数据进行预测，以减少化肥施用增加农民收入。Xue等［42］介绍一种基于ZigBee技术的深度施肥可变液肥施肥机。采用带远程控制软件的上位机单片机相结合，对液肥流量进行测量和控制，通过流量计监测液肥液位，收集液肥流量信息，采用增量式PID控制算法动态调节变频器频率，使液肥流量准确达到设定值。结果表明，该施肥机精度可达99.52%。因此，与传统农业机械相比，随着不同类型的高质量传感器的发展，已经彻底改变了农业生产系统，为精准农业领域打开了一扇新的大门。

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过检索Web of Science核心合集数据库（WoS）、中国学术期刊全文数据库（CNKI）、世界知识产权组织Patent Scope（WIPO）、中国专利全文数据库（CSPD）共4个数据库中关于施肥机械领域研究的期刊论文和发明专利。通过文献计量概述了近20年研究信息的数量分布和质量来源情况，借助知识图谱梳理研究脉络、内容进展和研究前沿，分析了施肥机械领域研究在我国及国际上的研究动态，得到如下结论。

1） 施肥机械领域论文发文量和专利发布量逐年上升，论文发文量由2001年42篇增至2020年216篇，专利发布量由2001年243件增至2020年753件，且国内对于实际应用更加注重。

2） 施肥机械领域研究中美两国论文发文量分别为298篇、321篇；专利发布量分别为4963件、4797件；美国农业部和中国科学院是发文量做多的机构，分别为81篇、50篇；中美两国是施肥机械领域研究内的主力国，以美国农业部、中国科学院为中心与其他国家进行合作研究。

3） 施肥机械国际领域内的热门期刊为《Applied Engineering in Agriculture》《Computers and Electronics in Agriculture》和《Agronomy Journal》等，发文量分别为71篇、42篇、30篇等，主要为农林科学类期刊；国内热门期刊为《农业机械》《农机化研究》和《农业机械学报》等，发文量分别为178篇、173篇、74篇等，主要为农业机械类期刊。

4） 国内外在施肥机械领域内的研究方向都是以变量施肥为核心，其次，国内普遍基础性较强。

5） 国外研究热点和前沿集中在以精准农业作为载体，将传感器、物联网、机器学习等新型技术手段运用在施肥机械领域；国内研究热点和前沿集中在变量施肥、数值模拟仿真的应用。

6） 施肥机械领域研究大致分为三个阶段，萌芽期：精准农业的提出，变量施肥机械进入快速发展时期；起步期：数值模拟仿真技术的提出，兴起研发和优化施肥机械热潮；发展期：农业4.0的提出，施肥机械向着现代化、智能化发展。

4.2 展望

近20年来，施肥机械领域研究依旧处于上升趋势，与国外研究相比，国内更注重施肥机械领域的应用基础研究。因此，国内应该加强施肥机械领域关键技术研究，提高自主研发能力；积极探索农机农艺农信相融合，推动交叉学科研究发展；加大施肥机械科研力度，加强国际合作，提高研究成果影响力，扩大施肥机械研究领域。随着农业4.0的提出，智慧农业、数字农业的浪潮推动了施肥机械领域与新兴科技（如GPS、机器学习、物联网等）的高速融合。未来，借助人工智能等新技术的应用，施肥机械领域有望向着无人值守的方向发展。

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