生物炭對農(nóng)田土壤改良作用的研究進(jìn)展

摘要：為了客觀全面地了解國內(nèi)應(yīng)用生物炭時農(nóng)田土壤改良的現(xiàn)狀和動態(tài)以及未來的主要發(fā)展趨勢，基于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，對有關(guān)生物炭改良農(nóng)田土壤的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索與分析。結(jié)果表明：我國生物炭改良土壤方面的研究從發(fā)文量來看正處于快速發(fā)展階段;我國生物炭改良土壤領(lǐng)域的研究，發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是西北農(nóng)林科技大學(xué)，被引頻次最多的也是西北農(nóng)林科技大學(xué);發(fā)文量最多的是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜存?zhèn)}教授，被引頻次最多的則是西北農(nóng)林科技大學(xué)何緒生教授。該領(lǐng)域的研究主要以國家層面的基金資助為主，占到了72.33%;生物炭改良土壤研究的熱點(diǎn)研究主要集中于土壤改良、土壤養(yǎng)分、重金屬修復(fù)等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：生物炭;改良;農(nóng)田土壤;CNKI數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0072-04

1 引言

生物炭是在無氧或者厭氧環(huán)境下通過熱解生物質(zhì)而獲得的一種含有豐富孔隙、含碳量高，并且具有較高熱值而無污染的固體生物燃料川，屬于黑炭的一種，其主要特征是顆粒細(xì)致、質(zhì)地輕、呈蓬松狀態(tài)，主要元素包括碳、氫、氧、氮等，其中碳含量一般在70%以上，是碳在環(huán)境中存在的一種非常穩(wěn)定的形態(tài)，其自身的生物降解速率以及氧化速率極慢，可在環(huán)境中存在長達(dá)1000年以上[2]。它的原料來源十分廣泛，一些常見的農(nóng)業(yè)廢棄物，諸如秸稈、畜禽糞便、木屑等以及工業(yè)有機(jī)廢棄物和城市污泥等都可以作為生產(chǎn)生物炭的原料[3，4]，常見的生物炭有竹炭、木炭、桔稈炭、污泥炭、稻殼炭等。生物炭可溶性極低，具有較大的比表面積、孔隙度和離子吸附交換能力，由于這些性質(zhì)，使得生物炭具有較強(qiáng)的吸附性能、抗氧化能力以及抗生物分解的能力，這些性質(zhì)也決定了其他土壤中高效的改良作用[5]。在土壤中添加生物炭不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高土壤質(zhì)量，還可以有效保存水分和養(yǎng)分，促進(jìn)作物增產(chǎn);此外，生物炭還在污染土壤修復(fù)、廢棄生物質(zhì)資源再利用等方面具有巨大的潛力。

目前，全球?qū)τ谏锾康目茖W(xué)研究重視源于對亞馬遜盆地中部黑土的認(rèn)識[6]。然而在20世紀(jì)80年代以前，全球關(guān)于生物炭相關(guān)的科學(xué)研究論文極少[7]，隨后日本一些科學(xué)家將生物炭用于盆景植物土壤的改良劑以及生物菌肥的載體開展了一些相關(guān)研究，并發(fā)表了論文[8]。全球真正科學(xué)認(rèn)識生物炭主要始于20世紀(jì)90年代，一些科學(xué)家認(rèn)識到生物炭在俘獲二氧化碳和封存方面具有重要作用，從此關(guān)于生物炭改良土壤的相關(guān)研究和應(yīng)用日益增加。

然而有關(guān)于生物炭作為土壤改良材料的研究（制備方法、制備材料、使用方法等）眾多，以文獻(xiàn)閱讀、歸納總結(jié)、定性探討等為主要方法的傳統(tǒng)文獻(xiàn)綜述存在一定的局限性，無法客觀和全面地反映該領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)和熱點(diǎn)。因此，本文擬采用文獻(xiàn)計量的方法，利用目前中國收錄文獻(xiàn)最全、更新時間最快、涉及學(xué)科范圍最廣的中文數(shù)據(jù)庫CNKI數(shù)據(jù)庫，對國內(nèi)生物炭改良土壤的相關(guān)研究進(jìn)行歸納分析，明確研究的進(jìn)展，為生物炭材料的高效和合理利用提供理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

CNKI數(shù)據(jù)庫是國內(nèi)目前提供引文回溯數(shù)據(jù)最深的數(shù)據(jù)庫，所收錄的文獻(xiàn)基本覆蓋了全國最重要和最有影響力的研究成果，是國內(nèi)公認(rèn)的進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計和評價的主要檢索工具[9]。

2.2 研究方法

運(yùn)用文獻(xiàn)計量學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)計分析。本文基于CNKI中國期刊全文數(shù)據(jù)庫，采用高級檢索方式，以“生物炭”+“土壤改良”為篇名進(jìn)行檢索，檢索跨度為1990年1月1日至2019年10月1日，共檢索文獻(xiàn)1423篇，逐篇去除不相關(guān)文獻(xiàn)43篇，獲得生物炭改良土壤的文章1380篇。利用Excel進(jìn)行文獻(xiàn)統(tǒng)計分析，統(tǒng)計指標(biāo)主要有文獻(xiàn)類型和數(shù)量、研究機(jī)構(gòu)、期刊、作者、研究層次及熱點(diǎn)等，揭示我國生物炭改良土壤研究領(lǐng)域的動態(tài)和趨勢。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量

文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量是科學(xué)界對某一領(lǐng)域關(guān)注程度的總體表現(xiàn)，在一定程度上反映了該領(lǐng)域的發(fā)展速度、現(xiàn)狀和趨勢。2019年10月1日前，CNKI數(shù)據(jù)庫收錄的生物炭改良土壤的相關(guān)論文1380篇（剔除不相關(guān)文獻(xiàn)），總體上該領(lǐng)域發(fā)表的論文隨時間變化呈顯著的上升趨勢，由于2019年文獻(xiàn)不全，因此圖1中只截取了2018年12月31日以前的相關(guān)論文。通過統(tǒng)計擬合發(fā)現(xiàn)，我國應(yīng)用生物炭改良土壤的相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)量年度變化逐年遞增，其決定系數(shù)R²=0.9896，表明我國在該方向開展的研究越來越多，對生物炭改良土壤的相關(guān)研究越來越受到重視。根據(jù)統(tǒng)計分組方法可以發(fā)現(xiàn)，19992013年之間，該方向的研究處于初期起步階段，總計發(fā)表論文107篇，期間多年沒有相關(guān)論文的發(fā)表，年均發(fā)表論文7.64篇，發(fā)展極為緩慢;2014年以后為快速發(fā)展階段，截至目前，總共發(fā)表1141篇，年均發(fā)表論文190.17篇，發(fā)展速度極為迅猛。根據(jù)這種態(tài)勢可以推測，未來一段時間內(nèi)，研究生物炭改良土壤的相關(guān)研究仍將是相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)課題。

我國最早關(guān)于生物炭改良土壤的報道發(fā)表與1999年《世界環(huán)境》上的論文《新的炭生產(chǎn)技術(shù)使炭大規(guī)模應(yīng)用于環(huán)境工程成為可能》，該論文綜述了生物炭在改良土壤方面的作用和機(jī)制，認(rèn)為土壤施加生物炭之后，有助于土壤吸收太陽光和熱量，提高地表溫度，增強(qiáng)土壤的透氣性能，有助于防止土壤板結(jié)等[10]。

3.2 主要研究機(jī)構(gòu)

期刊論文被重要數(shù)據(jù)庫收錄的數(shù)量和被引頻次反映了該研究機(jī)構(gòu)的整體科研能力和影響力[11]。本文重點(diǎn)關(guān)注了關(guān)于生物炭改良土壤方面研究發(fā)文量居前十位的科研機(jī)構(gòu)（表1）。除浙江大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)以外，該方向的研究主要集中在各農(nóng)業(yè)大學(xué)。我國生物炭改良土壤的研究主要集中在高校，科研院所較少，二者之間發(fā)文量的比例達(dá)18：1。其中，發(fā)表相關(guān)研究論文數(shù)量最多的是西北農(nóng)林科技大學(xué)，共發(fā)表104篇。居前十的科研機(jī)構(gòu)依次為西北農(nóng)林科技大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)。

3.3 資金資助

基金資助情況可以反映某領(lǐng)域的受關(guān)注程度。因此，本文還重點(diǎn)關(guān)注了生物炭改良土壤相關(guān)研究所受資助的基金情況（圖2）。通過CNKI統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，1380篇有關(guān)于生物炭改良土壤的研究論文共涉及資助基金582個，其中國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐計劃、“863”計劃、“973”計劃、水利部“948”、農(nóng)業(yè)部“948”等國家級的基金資助文章為421篇，占總資助量的72.33%，可見該方面的研究受到了國家層面的重點(diǎn)關(guān)注和重視。此外，該方面研究還受到了中科院和各省自然科學(xué)基金的資助，其中江蘇、湖南和福建等南方省份極為重視該領(lǐng)域的科學(xué)研究。江蘇省自然科學(xué)基金對于生物炭改良土壤的研究資助較多，主要與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院南京土壤所的研究機(jī)構(gòu)有關(guān)。

3.4 高引論文和核心作者分析

通過分析生物炭改良土壤領(lǐng)域高頻次引用論文，可以有助于評估相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的科研能力與學(xué)術(shù)水平;對該領(lǐng)域主要作者的分析，有助于了解作者的研究概況，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流。研究發(fā)現(xiàn)（表2），通過對選定的論文按照被引頻次進(jìn)行排序，可以發(fā)現(xiàn)被引頻次校稿的論文主要發(fā)表在農(nóng)業(yè)工程學(xué)報、中國農(nóng)學(xué)通報和環(huán)境化學(xué)等EI期刊上;通過進(jìn)一步分析發(fā)表生物炭改良土壤領(lǐng)域的核心作者發(fā)現(xiàn)（圖3），發(fā)文量前10為的作者共計發(fā)表論文95篇，僅占總發(fā)文量的6.88%，表明從事該領(lǐng)域研究的作者數(shù)量較多。其中，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的姜存?zhèn)}教授發(fā)表相關(guān)論文是數(shù)量最多，共計13篇。其中，西北農(nóng)林科技大學(xué)何緒生教授的論文被引頻次最高，分別占據(jù)了被引頻次論文的前兩位，分別是發(fā)表在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》的《生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國內(nèi)外動態(tài)》以及發(fā)表在《中國農(nóng)學(xué)通報》的《生物炭對土壤肥料的作用及未來研究》，對于開展相關(guān)研究具有重要的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。

3.5 期刊來源

研究刊載生物炭改良土壤的相關(guān)期刊有助于科研人員確定該研究領(lǐng)域的重點(diǎn)期刊，進(jìn)而有選擇性和針對性的投稿和閱讀文獻(xiàn)。表3是我國在生物炭改良土壤研究方面發(fā)文前20位的期刊，發(fā)文總量為334篇，占總發(fā)文量的24.20%?！渡蜿栟r(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》是發(fā)表生物炭改良土壤相關(guān)文獻(xiàn)最多的期刊，總發(fā)文量為41篇，其次是《東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》和《西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報》，均為36篇?？傮w來看，農(nóng)業(yè)類大學(xué)的學(xué)報發(fā)表的相關(guān)研究較多，此外《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報》、《環(huán)境科學(xué)》等EI類期刊以及《水土保持學(xué)報》、《土壤通報》、《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報》等核心期刊發(fā)表的先關(guān)論文數(shù)量也比較多，表明該方面的研究較為深入。

3.6 主要研究熱點(diǎn)分析

隨著我國發(fā)展的不斷加快，對于耕地質(zhì)量的提高需求越來越大，如何生態(tài)環(huán)保的提高土壤質(zhì)量成為時下研究的熱點(diǎn)，由于生物炭自身的特性及其無污染的優(yōu)勢，對于生物炭改良土壤的研究逐漸成為研究熱門，尤其是在廢棄資源再利用以及高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等方面具有十分巨大的潛力。由圖4可知，搜索“生物炭”+“土壤改良”的熱點(diǎn)研究主要集中于土壤改良、土壤養(yǎng)分、重金屬修復(fù)等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

4 結(jié)論

（1）我國生物炭改良土壤方面的研究從發(fā)文量來看正處于快速發(fā)展階段。

（2）我國生物炭改良土壤領(lǐng)域的研究，發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是西北農(nóng)林科技大學(xué)，被引頻次最多的也是西北農(nóng)林科技大學(xué);發(fā)文量最多的是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜存?zhèn)}教授，被引頻次最多的則是西北農(nóng)林科技大學(xué)何緒生教授。該領(lǐng)域的研究主要以國家層面的基金資助為主，占到了72.33%。

（3）生物炭改良土壤研究的熱點(diǎn)研究主要集中于土壤改良、土壤養(yǎng)分、重金屬修復(fù)等方面，這也是生物炭用于土壤改良未來的主要研究方向。

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收稿日期：2019-10-11

作者簡介：單玉琳（1986-），女，工程師，主要從事土地工程研究相關(guān)工作。