肖鵬飛，安 璐，吳德東

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基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析的全球生物質(zhì)炭研究進(jìn)展

肖鵬飛，安 璐，吳德東

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040）

為了深入了解國內(nèi)外生物質(zhì)炭的研究現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)，為相關(guān)研究領(lǐng)域的科研工作者與決策者提供參考，該文以Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對2003—2020年間全球發(fā)表的生物質(zhì)炭研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析。全球生物質(zhì)炭研究的發(fā)文量呈快速增長趨勢，其中中國總發(fā)文量和總被引頻次均位居世界首位。中國-美國是生物質(zhì)炭研究最大的合作關(guān)系體。發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是中國科學(xué)院。中國有8名學(xué)者發(fā)文量進(jìn)入世界前20名，上海交通大學(xué)曹心德的總發(fā)文量和總被引頻次位列大陸學(xué)者榜首。發(fā)文量最大的學(xué)科方向是環(huán)境科學(xué)。中國在生物質(zhì)炭研究方面發(fā)展快、成果產(chǎn)出多，但缺乏有國際影響力的核心成果，在研究創(chuàng)新性和發(fā)文質(zhì)量上還有待提升。關(guān)鍵詞分析表明，生物質(zhì)炭在土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用、利用生物質(zhì)炭處理廢水及修復(fù)污染土壤，以及生物質(zhì)炭制備方法和工藝的創(chuàng)新是生物質(zhì)炭的主要研究熱點(diǎn)。而生物質(zhì)炭制備材料與工藝的創(chuàng)新、各類功能型生物質(zhì)炭納米復(fù)合材料的開發(fā)，以及繼續(xù)拓寬生物質(zhì)炭在不同領(lǐng)域的高效利用可能成為今后的研究熱點(diǎn)。

生物質(zhì)炭；聚類分析；文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)；Web of Science；發(fā)文量；突現(xiàn)關(guān)鍵詞

0 引 言

生物質(zhì)炭是指生物質(zhì)原料在低氧條件下經(jīng)過高溫?zé)崃呀馑纬傻墓腆w產(chǎn)物[1]，其來源有農(nóng)業(yè)廢棄物[2]、城市廢棄物[3]和木材廢棄物[4]等。因具有較高碳素含量、較大表面積以及多孔結(jié)構(gòu)等，生物質(zhì)炭被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域[5]。已有研究證實(shí)，將生物質(zhì)炭施入生態(tài)系統(tǒng)后，不僅可以提高作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量和肥力，還可以改善土壤理化性質(zhì)，在增加土壤微生物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)固碳的目的[6-7]。此外，生物質(zhì)炭在減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的排放以及污染環(huán)境修復(fù)等方面同樣發(fā)揮著重要的作用[8-10]。近年來，全球發(fā)表的生物質(zhì)炭相關(guān)的研究成果日益增多，但這些成果僅從不同角度來闡述生物質(zhì)炭的作用，很少有研究收集并總結(jié)相關(guān)的全球生物質(zhì)炭研究的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。因此有必要針對近十幾年來全球生物質(zhì)炭的研究進(jìn)展進(jìn)行全面梳理，進(jìn)一步明晰生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是指對某研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行定量分析研究的科學(xué)[11-12]。因具有客觀性、定量化、模型化等特點(diǎn)，文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、政治、生態(tài)、管理等諸多領(lǐng)域[13-15]。采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對生物質(zhì)炭研究進(jìn)行系統(tǒng)回顧，對于揭示該領(lǐng)域的核心技術(shù)和重點(diǎn)領(lǐng)域，探索未來研究方向，尋求國家、研究機(jī)構(gòu)和作者之間的合作具有重要意義。

盡管近年來學(xué)者們對生物質(zhì)炭表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，也發(fā)表了較多的生物質(zhì)炭方面的文獻(xiàn)，但傳統(tǒng)的綜述類文獻(xiàn)很難對該領(lǐng)域在大時(shí)間尺度上的進(jìn)展進(jìn)行有效的總結(jié)和定量分析，缺乏從全球的視角對這一領(lǐng)域進(jìn)行全面把握。因此，本文利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對2003—2020年間 Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫中收錄的生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，在運(yùn)用系統(tǒng)中自帶的統(tǒng)計(jì)功能對發(fā)文量等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用VOSviewer和CiteSpace可視化文獻(xiàn)分析工具對生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行重點(diǎn)分析，揭示國際生物質(zhì)炭領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展前沿。與傳統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述相比，本研究是對生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域在大時(shí)間尺度上的發(fā)展進(jìn)行回顧和可視化的新嘗試，有助于科學(xué)研究人員把握該領(lǐng)域的發(fā)展特點(diǎn)，指導(dǎo)今后的工作。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所有數(shù)據(jù)均來源于美國科技信息所推出的Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫覆蓋了世界上最重要和最有影響力的文獻(xiàn)。本文以“TI=biochar”作為檢索項(xiàng)，共獲得2003年以來發(fā)表的文獻(xiàn)7 687篇，其中研究論文和綜述論文分別有6 990和311篇，分別占總發(fā)文量的90.93%和4.05%。以此作為生物質(zhì)炭相關(guān)分析樣本進(jìn)行后續(xù)的歸類計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析，文中所有數(shù)據(jù)的檢索日期截止至2020年9月5日。

1.2 研究方法

利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析。使用Microsoft Excel 2007分析出版數(shù)量的趨勢，采用多項(xiàng)式模型預(yù)測下一年發(fā)表量的增長趨勢。同時(shí)，使用Web of Science系統(tǒng)自帶統(tǒng)計(jì)分析功能，對收集到的發(fā)文量、高發(fā)文國家和機(jī)構(gòu)、高發(fā)文期刊和作者、高被引論文、發(fā)文方向等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。將篩選后的文獻(xiàn)從Web of Science核心數(shù)據(jù)庫下載的txt格式文本，按照研究內(nèi)容的需要分別將其導(dǎo)入至VOSviewer 1.6.15和CiteSpace可視化文獻(xiàn)分析軟件，進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析和突現(xiàn)分析，揭示生物質(zhì)炭研究的熱點(diǎn)以及趨勢。

1.3 主要指標(biāo)

本文從文獻(xiàn)的數(shù)量和質(zhì)量2個(gè)維度出發(fā)，采用發(fā)文量、總被引頻次、總他引頻次、指數(shù)等作為分析指標(biāo)。發(fā)文量即論文的產(chǎn)出篇數(shù)，是衡量科研生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)；被引頻次是指該統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的論文或某篇論文被其他論文作為參考文獻(xiàn)的次數(shù)，反映出論文在該領(lǐng)域的價(jià)值和被關(guān)注的程度；指數(shù)是指將相關(guān)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目所發(fā)表的文章按照被引頻次進(jìn)行從高到低的排序，至少有篇文獻(xiàn)被引用了至少次[16]。指數(shù)越高，則代表被引文獻(xiàn)的篇數(shù)和次數(shù)越多，說明該統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的論文影響力越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 總發(fā)文量及增長趨勢

不同年份的發(fā)文量在一定程度上反映了研究人員對本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的關(guān)注程度，也反映了相關(guān)領(lǐng)域和學(xué)科的發(fā)展速度。圖1顯示了全球和中國每年發(fā)表的生物質(zhì)炭方面的論文數(shù)量及增長趨勢。Purevsuren等[17]在2003年發(fā)表了第一篇生物質(zhì)炭的論文，之后的幾年內(nèi)，相關(guān)研究沒有明顯的增加，2007年和2008年均僅有4篇相關(guān)文獻(xiàn)；而在2010年以后，生物質(zhì)炭研究進(jìn)入爆發(fā)期，論文數(shù)量大幅度增加，僅2019年的文獻(xiàn)數(shù)量就達(dá)到1 741篇，占2003—2020年間生物質(zhì)炭領(lǐng)域總發(fā)文量的22.65%，生物質(zhì)炭研究已經(jīng)成為當(dāng)下全球?qū)W者關(guān)注的焦點(diǎn)。自從上海交通大學(xué)Cao等[18]于2009年發(fā)表國內(nèi)首篇生物質(zhì)炭研究論文后，國內(nèi)學(xué)者的發(fā)文量逐年增加，2019年達(dá)到了897篇文獻(xiàn)，占世界發(fā)文總數(shù)的一半以上，表明國內(nèi)學(xué)者對生物質(zhì)炭方面研究成果的貢獻(xiàn)不斷增加。用多項(xiàng)式趨勢線模擬了2009年以后發(fā)表年份與文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量之間的關(guān)系，其趨勢線模型擬合結(jié)果良好（圖 1）。從該趨勢線可以預(yù)測，2020年世界和中國發(fā)文量將分別會突破2 000篇和1 100篇。實(shí)際上，截止至2020年9月5日，世界和中國的實(shí)際發(fā)文量已分別達(dá)到1 476和917篇。

2.2 文獻(xiàn)被引頻次

被引頻次是客觀反應(yīng)論文在該領(lǐng)域的引用價(jià)值和受重視程度的重要評價(jià)指標(biāo)，被引頻次越高表明論文在相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)交流中的作用和地位越高。從圖2可見，2009年之前發(fā)表的文獻(xiàn)由于數(shù)量極少，其總引用頻次不高。進(jìn)入2010年之后，世界總被引頻次爆發(fā)式增長，連續(xù)8 a的總引用數(shù)均在15 000次以上，其中2014年的總被引頻次最高，為的22 345次。中國發(fā)文的總被引頻次高峰出現(xiàn)在2014年之后，其中2016年和2017年的總被引頻次均超過10 000次。從篇均被引頻次上看，2009年之前盡管發(fā)文量不多，但由于關(guān)注點(diǎn)集中，篇均被引頻次較高，如2007和2008年文獻(xiàn)只有3篇和4篇，但篇均引用分別達(dá)到354.5和229次。2009年中國首次發(fā)表3篇文獻(xiàn)，篇均被引高達(dá)332.33次。隨后由于世界和中國發(fā)文量的增加，篇均被引頻次隨年份緩慢下降。

圖1 生物質(zhì)炭研究的發(fā)文量及增長趨勢

圖2 世界和中國生物質(zhì)炭研究論文的被引情況

2.3 發(fā)文國家及國際合作

論文的總發(fā)文量一定程度上可反映出一個(gè)國家在該領(lǐng)域的科學(xué)研究水平和學(xué)術(shù)地位；而被引頻次則體現(xiàn)了所發(fā)表論文在該領(lǐng)域的國際影響力和受重視程度。全球共有97個(gè)國家發(fā)表了生物質(zhì)炭相關(guān)的論文，其中發(fā)文量排名前10的國家如表1所示。中國發(fā)文量為3 608篇，占總發(fā)文量的46.94%，遙遙領(lǐng)先于其他國家，也體現(xiàn)了中國在該研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平和地位的提升。排名第2和第3名的分別為美國和澳大利亞，分別發(fā)表了1 503和543篇文獻(xiàn)。中、美、澳三國的總被引頻次同樣位居前三位。然而，雖然中國在總發(fā)文量、總被引頻次和指數(shù)上處于世界領(lǐng)先地位，但篇均被引頻次明顯偏低，表明盡管近年來中國在生物質(zhì)炭領(lǐng)域的研究比較活躍，論文產(chǎn)出成果較多，但在全球范圍內(nèi)受關(guān)注的程度及國際影響力仍然不高，在研究成果的質(zhì)量與影響力上與美、澳、韓、德等國家相比仍有差距，研究創(chuàng)新點(diǎn)或突破性還有待進(jìn)一步提高。

表1 發(fā)文量前10的國家

為了進(jìn)一步掌握不同國家之間在生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的合作關(guān)系，使用VOSviewer工具對發(fā)文國家進(jìn)行了共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。分析發(fā)文量排名前30的國家（節(jié)點(diǎn)）間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系可知中國和美國是2個(gè)最大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，位于共現(xiàn)關(guān)系圖譜的中心連接點(diǎn)，即和其他主要發(fā)文國家的聯(lián)系最為緊密。在整個(gè)合作共現(xiàn)關(guān)系圖譜中，中美之間的線條最粗，表明兩國是生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域最大的合作關(guān)系體。生物質(zhì)炭研究中合作密切程度排名前10的關(guān)系體依次為中國-美國、中國-澳大利亞、中國-韓國、中國-巴基斯坦、中國-加拿大、中國-德國、中國-新西蘭、美國-韓國、中國-英國和巴基斯坦-沙特阿拉伯；而與中國合作最密切的國家依次為美國、澳大利亞、韓國、巴基斯坦、加拿大、德國、新西蘭、英國、印度和埃及?？梢姡袊c主要生物質(zhì)炭發(fā)文國家之間均開展了較多的合作研究，這與近年來中國支持“走出去，請進(jìn)來”的研究戰(zhàn)略有一定關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者有更多的機(jī)會與國外高水平機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)行交流與合作，這也有助于國內(nèi)生物質(zhì)炭研究緊跟國際研究前沿，瞄準(zhǔn)研究熱點(diǎn)。

2.4 高發(fā)文機(jī)構(gòu)及作者

全世界共有1 610家機(jī)構(gòu)開展了生物質(zhì)炭相關(guān)的研究。發(fā)文量在100篇以上的機(jī)構(gòu)有17家，分別來自于中國（10家）、美國（4家）、韓國（2家）和巴基斯坦（1家）（表2）。其中中國科學(xué)院發(fā)文量為639篇，占世界總發(fā)文量的8.31%，排名第二和第三的分別為美國農(nóng)業(yè)部（243篇）和中國科學(xué)院大學(xué)（215篇）。此外，中國的浙江大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)科院、西北農(nóng)林科技大學(xué)、湖南大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和香港理工大學(xué)的發(fā)文量也都在100篇以上，表明中國的研究機(jī)構(gòu)雖然在生物質(zhì)炭相關(guān)研究上起步略晚，但追趕速度較快，在生物質(zhì)炭研究中已經(jīng)占有整體的優(yōu)勢。中國科學(xué)院、佛羅里達(dá)州立大學(xué)系統(tǒng)和佛羅里達(dá)大學(xué)發(fā)文的總被引頻次和他引頻次均占據(jù)世界前三名。而中國篇均被引頻次排名前三的分別為為上海交通大學(xué)、湖南大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。

表2 發(fā)文量在100以上的機(jī)構(gòu)

全球15 700多名學(xué)者為生物質(zhì)炭的研究做出了貢獻(xiàn)。在發(fā)文量排名前20的學(xué)者中，中國以8名占據(jù)絕對優(yōu)勢，美國和巴基斯坦各有3名，韓國2名，澳大利亞、挪威、斯里蘭卡和德國各有1名（表3）。來自韓國大學(xué)的Ok Yong Sik以187篇論文牢牢占據(jù)全球發(fā)文量的首位，其發(fā)文量甚至超過韓國總發(fā)文量的40%以上。佛羅里達(dá)大學(xué)的Gao Bin和香港理工大學(xué)的Tsang Daniel CW分別以105和96篇的發(fā)文量排在第2和第3位。Ok Yong Sik和Gao Bin發(fā)文的總被引頻次和他引頻次均遠(yuǎn)高于其他作者，兩位學(xué)者在該領(lǐng)域的研究備受世界關(guān)注。從國內(nèi)學(xué)者來看，上海交通大學(xué)曹心德、佛山大學(xué)王海龍和湖南大學(xué)曾光明的發(fā)文量分別排在中國大陸學(xué)者的前3位，而曹心德以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的李戀卿和潘根興的篇均被引頻次分別位居國內(nèi)前3位，這些學(xué)者是國內(nèi)從事生物質(zhì)炭研究的重要力量，在國內(nèi)外均具有較強(qiáng)的影響力。

表3 發(fā)文量前20的作者

2.5 高發(fā)文期刊

生物質(zhì)炭研究發(fā)文量前10的期刊均發(fā)文100篇以上，10個(gè)期刊發(fā)文量占總發(fā)量的30%左右（表4）。其中Science of the Total Environment以480篇的發(fā)文量成為發(fā)表生物質(zhì)炭研究成果最多的期刊；其次為Bioresource Technology和Chemosphere。從被引頻次上看，Bioresource Technology的總被引頻次和篇均被引頻次分別為20 113和50.28，而Chemosphere這兩項(xiàng)指標(biāo)分別為14 186和44.19，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他期刊，表明這2個(gè)期刊是發(fā)表生物質(zhì)炭研究最具影響力的國際期刊。從表4可知，發(fā)表生物質(zhì)炭研究的期刊均屬于具有較高的影響因子和學(xué)術(shù)影響力的環(huán)境類Q1和Q2期刊，也反映出國內(nèi)外生物質(zhì)炭研究仍是以環(huán)境科學(xué)與工程相關(guān)方向的應(yīng)用為主。

表4 發(fā)文量前10的期刊

注：Q1和Q2分別代表影響因子位于該學(xué)科2019年排名前25%和>25%~50%的期刊。

Note: Q1 and Q2 represent the influencing factors of journals rank the top 25% and >25%-50% in the given subject in 2019, respectively.

2.6 Top10高被引論文

分析本領(lǐng)域高被引論文，可以了解不同機(jī)構(gòu)和學(xué)者的學(xué)術(shù)水平，也可追蹤本學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為進(jìn)一步的相關(guān)研究提供參考。Top10高被引論文大多發(fā)表在2010—2011年間（表5）。對第一作者的所屬國別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有4篇論文的作者來自英國，2篇來自美國，韓、印、澳、中各1篇。英美等發(fā)達(dá)國家開展生物質(zhì)炭研究較早，掌握的方法比發(fā)展中國家更加全面系統(tǒng)，加上語言的通用性等原因使他們的研究在全球有較高的影響力。來自美國康奈爾大學(xué)的Lehmann 等于2011年發(fā)表的綜述“Biochar effects on soil biota-A review”被引頻次最高，達(dá)到了1 825次。該作者從生物質(zhì)炭對土壤環(huán)境的改良機(jī)制、土壤生物對生物質(zhì)炭的響應(yīng)以及土壤生物質(zhì)炭的管理與風(fēng)險(xiǎn)等幾個(gè)方面對生物質(zhì)炭與土壤生物的關(guān)系進(jìn)行了全面的闡述[19]。排在第二位的是韓國國立江原大學(xué)的Ahmad 等于2014年發(fā)表的“Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review”，被引頻次為1 485次，該論文綜述了生物質(zhì)炭作為吸附劑去除土壤和水體中有機(jī)物和金屬的研究進(jìn)展[20]。美國俄勒岡州立大學(xué)的Keiluweit 等發(fā)表的“Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (Biochar)”以1 258的總被引頻次排在第三位和研究論文的首位，作者提出了對生物質(zhì)炭中芳香碳的結(jié)構(gòu)和化學(xué)復(fù)雜性在分子水平上進(jìn)行評估的方法[21]。其他高被引論文的內(nèi)容主要集中在利用生物質(zhì)炭提高土壤肥力和作物生產(chǎn)力、緩解氣候變化、去除水中污染物等幾個(gè)方面。中國科學(xué)院南京土壤所的袁金華等2011年發(fā)表的“The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures”成為唯一進(jìn)入Top10的中國論文，以756的總被引頻次排名第10位。該論文以不同農(nóng)作物秸稈為原料，在不同溫度下熱解生成生物質(zhì)炭，分析了生物質(zhì)炭中堿的形態(tài)、成分和官能團(tuán)等[28]。此外，僅有4篇國內(nèi)學(xué)者為第一作者的論文進(jìn)入被引頻次的前30名?？梢?，作為發(fā)文量最多的國家，中國在發(fā)表生物質(zhì)炭領(lǐng)域高水平、高影響力論文方面與生物質(zhì)炭研究先進(jìn)國家相比仍有差距，具有國際影響力的核心研究成果不多。

表5 前10篇高被引文獻(xiàn)

2.7 發(fā)文的學(xué)科方向

按Web of Science類別對所有文獻(xiàn)進(jìn)行歸類，統(tǒng)計(jì)各學(xué)科方向發(fā)表論文數(shù)，發(fā)文量前10的學(xué)科方向如表6所示。環(huán)境科學(xué)、土壤科學(xué)、能源燃料、工程環(huán)境、化學(xué)工程、生物技術(shù)及應(yīng)用微生物學(xué)、化學(xué)交叉學(xué)科、農(nóng)藝學(xué)、農(nóng)業(yè)工程和水資源學(xué)是生物質(zhì)炭研究發(fā)文量前10的學(xué)科方向，這意味著生物質(zhì)炭屬于多學(xué)科的研究領(lǐng)域。其中，環(huán)境科學(xué)方向的論文達(dá)到3 233篇，占總發(fā)文量的42%。作為一種新型環(huán)境功能材料，生物質(zhì)炭以其優(yōu)良的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域尤其是污染控制方向的研究熱點(diǎn)[29-30]。此外，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的發(fā)文量雖僅有506篇，但篇均被引頻次卻達(dá)到47.02，排在首位。

2.8 研究熱點(diǎn)分析

2.8.1 高頻關(guān)鍵詞分析

高頻關(guān)鍵詞分析可以反映出一定時(shí)期內(nèi)生物質(zhì)炭相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。利用VOSviewer軟件對7 687篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，共得到17 022個(gè)關(guān)鍵詞，其中僅出現(xiàn)1次的關(guān)鍵詞為11 217個(gè)，出現(xiàn)100次以上的關(guān)鍵詞有122個(gè)。大量關(guān)鍵詞的出現(xiàn)意味著生物質(zhì)炭應(yīng)用的廣泛性和研究焦點(diǎn)的差異性。出現(xiàn)頻次排在Top10的關(guān)鍵詞依次是生物質(zhì)炭、吸附、碳、熱解、土壤、吸著、去除、黑炭、活性炭和水（表7）。不同主要發(fā)文國中Top10關(guān)鍵詞的排序略有差異，體現(xiàn)出各國在生物質(zhì)炭重點(diǎn)研究領(lǐng)域的區(qū)別。在中國發(fā)文中，吸附、去除、吸著出現(xiàn)的頻率僅次于生物質(zhì)炭，水和水溶液同時(shí)進(jìn)入前10，可見利用生物質(zhì)炭的吸附作用去除各類廢水及土壤中的污染物是中國生物質(zhì)炭研究的重要方向之一[31]。去除一詞在中國發(fā)文中出現(xiàn)頻率排在第3位，而在美國和全世界的發(fā)文中排位第9和第7位，另外該詞較少出現(xiàn)在其他國家的Top10關(guān)鍵詞中。相比于其他國家，中國更傾向于生物質(zhì)炭在去除環(huán)境污染物方面的研究。

表6 發(fā)文量前10的研究方向

表7 世界和主要生物質(zhì)炭發(fā)文國家的Top10高頻關(guān)鍵詞

2.8.2 關(guān)鍵詞聚類分析

利用VOSviewer軟件對出現(xiàn)100次以上的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，其網(wǎng)絡(luò)可視化圖譜見圖3。122個(gè)關(guān)鍵詞被分為4個(gè)聚類，聚類1（紅色）擁有最多的53個(gè)關(guān)鍵詞，包括土壤、碳、黑炭、木炭、氮、磷、改良劑、有機(jī)質(zhì)、植物生長、生產(chǎn)力、可利用性、碳匯、微生物群落、肥料、土壤肥力、品質(zhì)等等。這個(gè)聚類主要關(guān)注生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，大量研究聚焦在利用生物質(zhì)炭改變土壤理化性質(zhì)，改善微生物生長環(huán)境，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，同時(shí)通過碳捕獲和固定來增加土壤碳庫儲量，減緩全球氣候變化。聚類2（綠色）共30個(gè)關(guān)鍵詞，主要有活性炭、吸附、去除、降低、廢水、水溶液、降解、機(jī)制、動(dòng)力學(xué)、生物吸附、解吸附、污染物、零價(jià)鐵、六價(jià)鉻、亞甲基藍(lán)等。這部分集中了生物質(zhì)炭作為高效吸附劑處理水中污染物研究的關(guān)鍵詞，生物質(zhì)炭通過物理吸附、靜電作用、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)和化學(xué)沉淀等作用機(jī)制去除水中的重金屬、有機(jī)染料等各類污染物方面取得了較多進(jìn)展；生物質(zhì)炭還可作為催化劑或金屬催化劑的載體應(yīng)用于水中污染物的氧化降解。聚類3（藍(lán)色）共20個(gè)關(guān)鍵詞，包括重金屬、修復(fù)、污染土壤、鎘、鉛、銅、鋅、多環(huán)芳烴、污泥、積累、固定化、移動(dòng)性、生物有效性、毒性、稻米等，這部分的關(guān)鍵詞主要與土壤修復(fù)有關(guān)，可利用生物質(zhì)炭修復(fù)各種重金屬污染的土壤使其得以凈化，以及利用生物質(zhì)炭降低土壤中重金屬的生物有效性、移動(dòng)性及毒性，以減少在農(nóng)作物體內(nèi)的積累。聚類4（黃色）共19個(gè)關(guān)鍵詞，包括熱解、熱解溫度、快速熱解、慢速熱解、氣化、水熱碳化、生物質(zhì)、廢棄物、污泥、木材、稻殼、秸稈等，這部分集中了生物質(zhì)炭生產(chǎn)方面的關(guān)鍵詞，生物質(zhì)炭的制備方法包括熱解、氣化、水熱炭化等，生物質(zhì)炭的性質(zhì)受各類生物質(zhì)原料、制備工藝和技術(shù)參數(shù)等的影響。

圖3 生物質(zhì)炭研究關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視化圖譜

2.8.3 研究熱點(diǎn)的變化趨勢分析

不同時(shí)期文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次和排序可以反映該研究熱點(diǎn)的變化趨勢。將生物質(zhì)炭文獻(xiàn)按照2003—2010年、2011—2015年和2016—2020年3個(gè)時(shí)段，利用VOSviewer軟件分析得到不同時(shí)期文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次，以此為依據(jù)分析不同時(shí)期生物質(zhì)炭研究熱點(diǎn)的變化（表8）?？梢钥吹?，2011年之后，廢水、去除、生物有效性、重金屬、吸附、熱解溫度等關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次明顯上升，生物質(zhì)炭的制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)一步擴(kuò)展，尤其在土壤修復(fù)、污水處理中的研究與應(yīng)用研究發(fā)展勢頭強(qiáng)勁[32]；同時(shí)很多研究集中在生物質(zhì)炭改良農(nóng)林業(yè)土壤方面，如減少可溶性養(yǎng)分流失、改善土壤通透性、提高陽離子交換量、增加有機(jī)質(zhì)含量、提高土壤持水量和養(yǎng)分吸持量、調(diào)節(jié)土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活力等，生物質(zhì)炭作為一種農(nóng)業(yè)碳匯減排和提高土壤生產(chǎn)力技術(shù)途徑已得到廣大學(xué)者的關(guān)注[33]。

表8 2003—2020年間生物質(zhì)炭研究中出現(xiàn)頻次增加的關(guān)鍵詞

為了發(fā)現(xiàn)尚未達(dá)到頻率閾值但可能有學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，更加全面地分析生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿，進(jìn)一步采用CiteSpace可視化分析手段對2009—2020年間的文獻(xiàn)中的突現(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，共篩選出跨越2 a以上的突現(xiàn)關(guān)鍵詞36個(gè)。如表9所示，2009年出現(xiàn)的突現(xiàn)強(qiáng)度大、時(shí)間跨度長的關(guān)鍵詞有黑炭、燒焦、化學(xué)性質(zhì)、肥料等。2010年之前為生物質(zhì)炭的初步認(rèn)識階段，對生物質(zhì)炭的概念也并不統(tǒng)一，有學(xué)者認(rèn)為生物質(zhì)炭屬于黑炭[34]，該階段對生物質(zhì)炭的基礎(chǔ)特性研究較多。隨后，大量的突現(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)，表明生物質(zhì)炭的研究范圍迅速擴(kuò)大，該階段突現(xiàn)強(qiáng)度較大的關(guān)鍵詞有礦化作用、排放、堆肥、硝酸鹽、分解、N2O排放等，而排放、動(dòng)力學(xué)、快速熱解、分解、N2O排放、氧化和礦化作用等關(guān)鍵詞的突現(xiàn)年份均跨越5 a以上，表明相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)成為研究的熱點(diǎn)。2016年后，多環(huán)芳烴、生產(chǎn)力、亞甲基藍(lán)、復(fù)合材料等開始成為新的突現(xiàn)關(guān)鍵詞，而磁性生物質(zhì)炭、磷、零價(jià)鐵、納米顆粒、微生物群落、有機(jī)碳、吸附劑、性能和平衡則成為2019年涌現(xiàn)出的突現(xiàn)關(guān)鍵詞，并可能成為未來一段時(shí)間的研究焦點(diǎn)，這也意味著生物質(zhì)炭研究已經(jīng)擴(kuò)展到了更廣闊的領(lǐng)域。隨著近幾年生物質(zhì)炭研究的進(jìn)一步深化，一些新的研究熱點(diǎn)不斷涌現(xiàn)，如生物質(zhì)炭制備材料、熱解工藝及反應(yīng)器的開發(fā)[35]，石墨烯生物質(zhì)炭、磁性生物質(zhì)炭、生物質(zhì)炭/納米金屬復(fù)合材料的制備及在水處理和土壤修復(fù)中的應(yīng)用[9, 36-37]，生物質(zhì)炭及其復(fù)合材料用于過硫酸鹽高級氧化過程的活化劑[37]，生物質(zhì)炭用于強(qiáng)化厭氧消化[38]、生物質(zhì)炭基催化劑促進(jìn)生物燃料和化學(xué)合成過程等[39]。此外，持續(xù)擴(kuò)大生物質(zhì)炭作為一種功能材料在森林土壤、低肥力土壤、干旱及鹽脅迫土壤、有機(jī)廢物堆肥等領(lǐng)域中的應(yīng)用也將是未來繼續(xù)關(guān)注的方向[40]。

表9 2009—2020年間生物質(zhì)炭研究中的突現(xiàn)關(guān)鍵詞

3 討 論

雖然中國開展生物質(zhì)炭研究的起步較晚，但隨著中國在生物質(zhì)炭研發(fā)方面投入力度的不斷加大以及科技創(chuàng)新能力的提高，中國在總發(fā)文量、總被引頻次、研究機(jī)構(gòu)及學(xué)者的數(shù)量等指標(biāo)上已處于世界領(lǐng)先地位，生物質(zhì)炭研究成果的國際關(guān)注力也不斷提升。但同時(shí)也要看到，中國在篇均被引頻次、高被引作者及高被引論文等反映成果質(zhì)量和價(jià)值的重要指標(biāo)與生物質(zhì)炭研究先進(jìn)國家相比仍有差距，缺乏有國際影響力的頂級核心成果，其原因主要體現(xiàn)在：1）模擬已有生物質(zhì)炭研究成果的重復(fù)性研究較多，但原創(chuàng)性成果和重要發(fā)現(xiàn)相對不多，且很多研究缺乏深層次機(jī)理的探討；2）國內(nèi)科研項(xiàng)目研究周期較短，急于結(jié)項(xiàng)目、發(fā)論文的“急功近利”的浮躁心態(tài)導(dǎo)致生物質(zhì)炭相關(guān)研究領(lǐng)域的科學(xué)理論的系統(tǒng)性和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不完善，以致于難以收獲真正高質(zhì)量的學(xué)術(shù)成果；3）為了增加論文數(shù)量和論文獎(jiǎng)勵(lì)，將一項(xiàng)完整研究成果拆分成多個(gè)部分分別發(fā)表，論文數(shù)量增加的同時(shí)卻降低了論文的質(zhì)量和影響力；4）雖然國內(nèi)參與生物質(zhì)炭研究的機(jī)構(gòu)和學(xué)者較多，但機(jī)構(gòu)之間、作者之間的合作研究尚不廣泛，缺乏必要的通力合作與數(shù)據(jù)共享；5）國內(nèi)學(xué)術(shù)成果的評價(jià)導(dǎo)向?qū)е虏糠謬鴥?nèi)學(xué)者把“唯論文”作為至上目標(biāo)，而忽視了對解決科學(xué)問題本身的興趣和關(guān)注。因此，建議國內(nèi)學(xué)者應(yīng)摒棄“以論文數(shù)量取勝”、“唯論文”等浮躁心態(tài)，以解決未知的科學(xué)問題為目標(biāo)，鼓勵(lì)原創(chuàng)性研究，多在研究的創(chuàng)新點(diǎn)或突破性上下功夫，注重標(biāo)志性成果的創(chuàng)新水平、科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力，而并非停留在消化別人的研究成果上，以促進(jìn)研究成果從“量”到“質(zhì)”的轉(zhuǎn)變。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)交流與合作，提高中國在生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的國際地位和核心競爭力，為引領(lǐng)世界生物質(zhì)炭科技的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。此外，中國學(xué)者的論文絕大多數(shù)均發(fā)表在荷蘭、英國、德國、美國等歐美國家主辦的期刊上，暴露出中國生物質(zhì)炭領(lǐng)域高水平期刊的缺乏以及國內(nèi)期刊較低的認(rèn)可度。中國還應(yīng)努力打造具有國際品牌效應(yīng)的高水平期刊，同時(shí)建議國內(nèi)學(xué)者應(yīng)避免對國內(nèi)期刊的偏見，將最新科研成果發(fā)表在國內(nèi)主辦的優(yōu)秀中英文雜志上，以提升國內(nèi)期刊的國際影響力。

4 結(jié) 論

利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中2003—2020年間發(fā)表的生物質(zhì)炭研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，以揭示目前國際生物質(zhì)炭領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。全球與中國發(fā)表的生物質(zhì)炭的研究論文數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。全球發(fā)文量前17名中有10家中國機(jī)構(gòu)，其中中國科學(xué)院位居全球首位；而中國有8名學(xué)者發(fā)文量進(jìn)入世界前20名。中國和美國在生物質(zhì)炭研究方面的合作最為活躍。生物質(zhì)炭相關(guān)論文主要發(fā)表在歐美國家主辦的環(huán)境與資源類期刊上。環(huán)境科學(xué)、土壤科學(xué)及能源燃料是生物質(zhì)炭領(lǐng)域發(fā)文量較大的3個(gè)學(xué)科方向。為了分析全球生物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，利用VOSviewer軟件分析了全球和主要發(fā)文國家生物質(zhì)炭文獻(xiàn)中的高頻關(guān)鍵詞，并對關(guān)鍵詞進(jìn)行了聚類可視化分析，指出了近年來生物質(zhì)炭的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。進(jìn)一步采用CiteSpace可視化分析手段對近年來突現(xiàn)關(guān)鍵詞的分析結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)炭研究的不斷發(fā)展，一些新的研究熱點(diǎn)不斷涌現(xiàn)，開發(fā)綠色、節(jié)能的生物質(zhì)炭制備材料與熱解工藝，功能型生物質(zhì)炭納米復(fù)合材料的制備與利用、以及繼續(xù)拓寬生物質(zhì)炭在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)林生產(chǎn)等多學(xué)科領(lǐng)域的高效利用，進(jìn)而不斷提升生物質(zhì)炭的環(huán)境、生態(tài)和農(nóng)業(yè)效益將是今后研究的關(guān)注焦點(diǎn)。

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Research progress of biochar in the world based on bibliometrics analysis

Xiao Pengfei, An Lu, Wu Dedong

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In order to understand in depth the status and future development trend of biochar research in the world, and to reflect scientific capabilities and influences of relevant countries, institutions and individuals objectively, a bibliometric analysis was applied to assess the literature regarding biochar research from the Web of Science database during the period of 2003 to 2020. Since 2010, the number of papers on biochar research in the world is increasing rapidly, and in 2019 alone, the number of papers has reached 1 741. The results of polynomial trend line simulation show that in 2020, the number of papers in the world will exceed 2 000. China, USA and Australia rank in the top three in the number of papers on biochar research, among which 3 608 biochar papers was published by China, accounting for 46.94% of the total. However, the average citations per paper in China is only about half of that of the USA, Australia and UK. China has 10 institutions in the global top 17 institutions, among which the Chinese Academy of Sciences are on global top of the list in number of papers, total citations and-index. China and the USA were most active in publications collaboration. Among individuals, Ok Yong Sik of the Korea University is in the lead in number of papers, total citations and in-index in the world. China has 8 scholars in the top 20 in the number of papers, showing a strong overall strength. Cao Xinde, from Shanghai Jiaotong University, ranked first in terms of the number of papers and average citations per paper. Among the top 10 most cited papers, only one was by Chinese authors, ranking 10th. Although published papers from China increased dramatically in recent years, the research ability, the quality and innovation of biochar research in China need to be further improved. “Science of the Total Environment” was the journal which published most of the biochar papers, while “Bioresource Technology” is the journal with the highest citations and-index. The research topics were diversified, which were mainly divided into “Environmental Sciences”, “Soil Sciences” and “Energy Fuels”. Based on the results of high frequency keywords by VOSviewer visual analysis, the biochar researches was mostly classified into four clusters: the application of biochar in the soil improvement and agricultural production, wastewater treatment, remediation of polluted soil, and the preparation method and process of biochar, and the top 10 keywords in biochar researches was biochar, adsorption, carbon, pyrolysis, soil, sorption, removal, black carbon, activated carbon and water. The comparison of high-frequency keywords in different countries shows that China pays more attention to the biochar research in the treatment of environmental pollution. Additionally, CiteSpace software was further applied to analyze the focus and frontier in biochar research, and magnetic biochar, zero valent iron, nanoparticles, microbial community, organic carbon, performance and balance was the bursts keywords in the papers published from 2018 to 2020, reflecting that the preparation of new functional biochar composite materials and the application of biochar in new fields may become the research focus at present and in the future, which also means that biochar research has expanded to a broader field. These results can provide insight into the research progress regarding biochar.

biochar; cluster analysis; bibliometrics; Web of Science; number of papers; bursts keywords

肖鵬飛，安璐，吳德東. 基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析的全球生物質(zhì)炭研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：292-300.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.034 http://www.tcsae.org

Xiao Pengfei, An Lu, Wu Dedong. Research progress of biochar in the world based on bibliometrics analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 292-300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.034 http://www.tcsae.org

2020-06- 21

2020-09-12

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LH2019D002）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2572017CA08）

肖鵬飛，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境功能材料的開發(fā)與應(yīng)用。Email：xpfawd@nefu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.034

G353.1；X703.1

A

1002-6819(2020)-18-0292-09