基于文獻(xiàn)計(jì)量的養(yǎng)殖廢棄物肥料化研究進(jìn)展

王云 王婧怡 李佳佳

摘要：養(yǎng)殖廢棄物肥料化是當(dāng)前畜禽糞便無(wú)害化處理和資源化利用的主要方向，肥料化工藝主要包括傳統(tǒng)堆肥、條垛式發(fā)酵、槽式發(fā)酵和反應(yīng)器式發(fā)酵。無(wú)害化處理是畜禽廢棄物肥料化成功與否的關(guān)鍵，而除臭保氮是肥料化生產(chǎn)過(guò)程中控制氨揮發(fā)及其他臭氣排放、減少氮損失與保護(hù)資源環(huán)境的重要內(nèi)容。采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法總結(jié)了近20年國(guó)內(nèi)外養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域的研究過(guò)程及發(fā)展現(xiàn)狀，分析表明了肥料生產(chǎn)設(shè)備化和智能化、氮素代謝機(jī)理及降解過(guò)程、抗生素和抗性基因去除技術(shù)等相關(guān)研究將成為未來(lái)熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：糞便;堆肥;肥料化;文獻(xiàn)計(jì)量;研究趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：X713 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）10-0036-07

我國(guó)是畜牧業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年畜禽糞污產(chǎn)生量達(dá)38億t，大量養(yǎng)殖廢棄物沒有得到有效處理和利用，成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境治理的一大難題[1-2]。加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，對(duì)改善土壤地力、治理農(nóng)業(yè)面源污染尤為重要[3-4]。其中，農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化作為畜禽糞便最主要的資源化措施[5]，有效地促進(jìn)了種養(yǎng)結(jié)合與農(nóng)牧循環(huán)可持續(xù)發(fā)展新格局的構(gòu)建。

近年來(lái)，隨著科技迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖廢棄物肥料化發(fā)酵工藝呈現(xiàn)從傳統(tǒng)堆肥向槽式發(fā)酵[6]、條垛式發(fā)酵[7]和反應(yīng)器式發(fā)酵[8]轉(zhuǎn)變。國(guó)內(nèi)外科研成果產(chǎn)出持續(xù)加大，設(shè)備和產(chǎn)品市場(chǎng)化程度加深，整體向著工藝標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)設(shè)備化、設(shè)備智能化、產(chǎn)品安全化，以及“高效、安全、綠色”的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)發(fā)展。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是集數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和文獻(xiàn)學(xué)為一體，通過(guò)對(duì)特定領(lǐng)域科研論文的定量檢索、信息提取和深度分析，歸納其歷史發(fā)展特征、科學(xué)研究現(xiàn)狀和近期研究熱點(diǎn)，為相關(guān)人員制定發(fā)展規(guī)劃、明確研究路徑、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新提供客觀依據(jù)[9-10]。為較客觀地反映國(guó)內(nèi)外養(yǎng)殖廢棄物肥料化的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，本研究采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法系統(tǒng)總結(jié)了養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域相關(guān)論文的年度變化趨勢(shì)、主要發(fā)表國(guó)家、機(jī)構(gòu)以及研究熱點(diǎn)等信息，以期為相關(guān)研究人員提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

本研究分別以美國(guó)科睿唯安（Clarivate Analytics）公司出版的科研信息檢索平臺(tái)Web of Knowledge平臺(tái)下的Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)（WOS）和中國(guó)知網(wǎng)CNKI中文期刊庫(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，檢索獲取養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域的相關(guān)研究論文。其中，WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索策略主要為：TS=（animal$ OR livestock OR cow$ OR cattle OR dairy OR swine OR pig$ OR chicken OR broiler$ OR laying hen$ OR poultry OR goat$ OR sheep） AND TS=（excrement$ OR manure OR slurry OR slurries OR faeces OR feces OR dung OR waste$），TS=（trough OR windrow OR aerobic fermentation OR aerobic digestion OR compost OR composting），TS=（nitrogen retention OR nitrogen conserving OR nitrogen conservation OR nitrogen protecting OR deodorization OR ammonia OR NH3 OR H2S OR hydrogen sulfide OR odour OR odor），TS=（heavy metal OR Cu OR Zn OR As OR Cd OR Cr OR Pb OR antibiotic$ OR tetracycline$ OR sulphonamide$ OR quinolone$ OR aminoglycoside$ OR macrolide$ OR macrocyclic lactone$ OR β-lactam$ OR resistance gene$ OR gene resistance$ OR pathogenic bacteria OR pathogen$ OR hormone$），時(shí)間跨度=2000—2020，數(shù)據(jù)庫(kù)包括SCI-EXPANDED/SSCI/A & HCI/CPCI-S/CPCI-SSH/ESCI，文獻(xiàn)類型限定為Article。檢索時(shí)間截至2020 年7月13日，檢索結(jié)果共命中10 327條記錄。

CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索策略：主題=“糞便+畜禽廢棄物+畜禽糞便+豬糞+牛糞+雞糞+羊糞”，主題=“堆肥+漚肥+槽式+條垛”，主題=“保氮+保N+除臭+NH3+H2S+臭氣”，主題=“重金屬+Cu+Zn+As+Cd+Cr+Pb+抗生素+磺胺+四環(huán)素+喹諾酮+大環(huán)內(nèi)酯+氨基糖苷+β-內(nèi)酰胺+抗性基因+耐藥基因+病原菌+大腸桿菌+蛔蟲卵+激素”，時(shí)間跨度=2000—2020，數(shù)據(jù)庫(kù)為學(xué)術(shù)期刊，語(yǔ)言限定為中文。檢索時(shí)間截至2020 年7月13日，檢索結(jié)果共命中2 741條記錄。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析采用數(shù)據(jù)清洗工具Open-Refine 結(jié)合 MS-Excel 對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行清洗與分析等工作。

2 養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域發(fā)文特征

2.1 發(fā)文量分析

2000—2020年，畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域論文發(fā)表總量及WOS發(fā)文排名前十位國(guó)家的論文發(fā)表情況如圖1所示，畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域WOS論文年發(fā)表數(shù)量從最初的200篇持續(xù)快速增長(zhǎng)到900篇以上。在WOS論文數(shù)量排名前十的國(guó)家中，中國(guó)WOS發(fā)文量更以2 159篇位居第一，同比超出美國(guó)290篇，比排在第三位的印度多出了1 000篇以上。中國(guó)、印度和巴西作為發(fā)展中國(guó)家，其WOS發(fā)文量占排名前十國(guó)家發(fā)文總量的41.0%，可見畜禽糞便肥料化研究已成為世界各國(guó)科研工作者共同關(guān)注的研究領(lǐng)域。與其他國(guó)家相比，中國(guó)科研工作者在畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域的研究取得了蓬勃發(fā)展，這與我國(guó)近年來(lái)對(duì)畜禽廢棄物資源化利用的日益重視以及對(duì)畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域投入持續(xù)增加密切相關(guān)。

我國(guó)糞污治理與資源化利用相關(guān)法案法規(guī)的制訂，包括2014年實(shí)施的《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》、2017年頒布的《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》等，有效促進(jìn)了養(yǎng)殖廢棄物治理與資源化利用相關(guān)領(lǐng)域研究的快速發(fā)展，尤其畜禽糞便肥料化研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。由圖1-a可知，國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域CNKI論文數(shù)量從2000年的12篇持續(xù)快速增長(zhǎng)到200篇以上，其中近5年發(fā)文量大幅上升，占CNKI該領(lǐng)域總發(fā)文量的31.9%。

2.2 熱頻詞分析

關(guān)鍵詞是反映論文研究主題概念的詞或詞組，

其中熱頻詞常被認(rèn)為是某個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)篩選、剔除和合并等數(shù)據(jù)清洗方式，建立WOS高頻詞表（表1）和CNKI高頻詞表（表2）。在物質(zhì)循環(huán)代謝研究方面，國(guó)際學(xué)者對(duì)氨（ammonia）和氨氣（NH3）的研究占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，氮素保留技術(shù)既提高了畜禽廢棄物肥料利用效率，又有效減少了氨氣排放對(duì)環(huán)境的影響。在重金屬無(wú)害化研究方面，科研工作者對(duì)重金屬砷的關(guān)注度遠(yuǎn)高于其他種類重金屬。近年來(lái)，糞便中的高含量銅、鋅引發(fā)了較大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，隨后成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。在抗生素?zé)o害化研究方面，四環(huán)素在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)應(yīng)用最廣，成為最主要的抗生素研究對(duì)象;隨之，抗性基因的研究也漸漸成為新的研究重點(diǎn)。CNKI熱頻詞分析結(jié)果與WOS較為相似，尤其在重金屬和抗生素?zé)o害化方面，砷和四環(huán)素同為最重要的研究對(duì)象。

2.3 主要發(fā)文機(jī)構(gòu)與作者

圖2-a顯示了自2000—2020年畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域WOS發(fā)文量最多的10家機(jī)構(gòu)具體發(fā)文情況，前3位分別是美國(guó)農(nóng)業(yè)部、中國(guó)科學(xué)院和西班牙國(guó)家研究委員會(huì)。其中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部以533篇發(fā)文量位居第一，前十家機(jī)構(gòu)中有3家機(jī)構(gòu)來(lái)自中國(guó)，分別占據(jù)第2位、第4位及第6位，發(fā)文總量達(dá)1 000篇以上，超過(guò)前十位發(fā)文量總和的1/3，僅中國(guó)科學(xué)院的發(fā)文量就達(dá)到了421篇，可見中國(guó)對(duì)于畜禽廢棄物肥料化研究的重視和支持。

圖2-b顯示了自2000—2020年畜禽廢棄物肥料化領(lǐng)域CNKI發(fā)文量最多的20家機(jī)構(gòu)的具體發(fā)文情況。其中4家機(jī)構(gòu)在養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域發(fā)文超過(guò)了100篇，遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的相關(guān)發(fā)文量。西北農(nóng)林科技大學(xué)發(fā)文總量接近150篇，在養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。其中，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)榮祥民教授、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院常志州研究員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的沈其榮教授在CNKI系統(tǒng)發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多，取得了具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的研究成果。

3 養(yǎng)殖廢棄物肥料化熱點(diǎn)領(lǐng)域文獻(xiàn)計(jì)量分析

3.1 發(fā)酵工藝研究分析

圖3顯示了2000—2020年畜禽廢棄物肥料化處理過(guò)程中不同發(fā)酵工藝的論文發(fā)表情況，包括發(fā)酵工藝的發(fā)文百分比和主要國(guó)家WOS發(fā)文量。從圖3-a可以看出，近20年來(lái)傳統(tǒng)堆肥工藝是最主要的畜禽廢棄物發(fā)酵工藝，其WOS發(fā)文量占總發(fā)文量的77.4%。槽式發(fā)酵和條垛發(fā)酵工藝雖然在百分比上呈現(xiàn)逐年減小的趨勢(shì)，但其文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量保持穩(wěn)定，槽式發(fā)酵甚至呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)。新興的反應(yīng)器發(fā)酵工藝則在WOS論文發(fā)表數(shù)量和百分比層面都呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，從2000年發(fā)表的10篇增加至2019年的170篇，總發(fā)表量占比提高了3倍。從圖3-b可以看出，發(fā)文量排在前十位的國(guó)家中，傳統(tǒng)發(fā)酵工藝和反應(yīng)器發(fā)酵工藝WOS論文發(fā)表數(shù)量高于槽式發(fā)酵工藝和條垛發(fā)酵工藝的情況普遍存在，并且這一現(xiàn)象在中國(guó)更加明顯，表明中國(guó)科研人員更加側(cè)重于反應(yīng)器式發(fā)酵工藝的研究，這與我國(guó)有機(jī)肥生產(chǎn)向設(shè)備化發(fā)展及養(yǎng)殖業(yè)向集約化發(fā)展的現(xiàn)狀相一致。

3.2 生產(chǎn)過(guò)程研究分析

2000—2020年，畜禽廢棄物肥料化生產(chǎn)過(guò)程中氮素保存和除臭技術(shù)的論文發(fā)表情況如圖4所示，包括不同年份發(fā)文量和發(fā)文前十位國(guó)家的WOS發(fā)文情況。不穩(wěn)定氮化合物的降解是肥料腐熟的關(guān)鍵，但也造成了氮素的大量損失，氮素保存技術(shù)的研究有助于減少氨排放，有效提高糞肥肥力。從圖

4-a可以看出，肥料化領(lǐng)域中生產(chǎn)過(guò)程方面的研究逐年增多，自2011年起每年發(fā)文量均超過(guò)100篇。從圖4-b可以看出，除印度外，其他國(guó)家更加注重控制畜禽廢棄物肥料生產(chǎn)過(guò)程中的臭氣排放，尤其是中國(guó)和美國(guó)在該領(lǐng)域的研究及發(fā)文量均明顯領(lǐng)先，其研究能力始終位于世界前沿。近20年來(lái)，除臭技術(shù)和氮素保存技術(shù)分別占生產(chǎn)過(guò)程研究的65.1%和34.9%，可見科研工作者對(duì)于除臭技術(shù)的研究相較于氮素保存技術(shù)更加重視，力爭(zhēng)在畜禽廢棄物肥料生產(chǎn)過(guò)程中以最小的污染換取最佳的環(huán)境效益。

圖4-c給出了畜禽廢棄物肥料化過(guò)程中氮素保存與除臭技術(shù)研究方向CNKI發(fā)文數(shù)的變化情況。畜禽廢棄物肥料化除臭方向CNKI發(fā)文總數(shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，說(shuō)明畜禽廢棄物肥料化過(guò)程中臭氣去除技術(shù)研究獲得了研究者的廣泛關(guān)注。其中，2008年我國(guó)在除臭技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表的中文論文為19篇，但2000年只發(fā)表了1篇。與臭氣去除技術(shù)相比，氮素保存技術(shù)發(fā)文總量相對(duì)較少，約為臭氣去除技術(shù)的1/6。氮素是植物生長(zhǎng)最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，且畜禽廢棄物腐熟過(guò)程中氮的損失對(duì)大氣環(huán)境和土壤生態(tài)影響較大，從技術(shù)突破和環(huán)保需求分析，預(yù)測(cè)氮素保存是未來(lái)科研工作者持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)之一。

3.3 無(wú)害化技術(shù)研究分析

圖5顯示了2000—2020年畜禽廢棄物肥料化過(guò)程中的無(wú)害化技術(shù)論文發(fā)表情況，包括無(wú)害化技術(shù)的發(fā)文百分比和發(fā)文前十位國(guó)家的WOS發(fā)文量。畜禽糞便無(wú)害化技術(shù)WOS發(fā)文量占肥料化領(lǐng)域WOS總發(fā)文量的79.2%，其中重金屬鈍化與去除技術(shù)以及病原體去除技術(shù)是最主要的研究方向。從圖5-a中可以看出，畜禽廢棄物中關(guān)于重金屬鈍化或去除技術(shù)的研究一直是無(wú)害化技術(shù)的主流，雖然WOS發(fā)文占比總體呈現(xiàn)微降趨勢(shì)，但2000—2019年其發(fā)文數(shù)量由143篇增加至660篇，增長(zhǎng)了3.6倍。畜禽廢棄物無(wú)害化過(guò)程中，抗生素和抗性基因去除技術(shù)的發(fā)文量占比在2007年后呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì);而對(duì)激素去除技術(shù)的研究則一直較少，發(fā)文量及占比均最低。從圖5-b可以看出，中國(guó)在重金

屬、抗生素及抗性基因去除技術(shù)上的研究及發(fā)文量均處于世界前列，而美國(guó)和加拿大則對(duì)病原體去除技術(shù)的研究更為重視，相關(guān)發(fā)文量占本國(guó)無(wú)害化研究的發(fā)文比例更高。

我國(guó)畜禽廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)方向CNKI的發(fā)文情況如圖5-c所示。我國(guó)在畜禽廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)研究方面有持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，尤其近5年發(fā)文量迅速增多，占總發(fā)文量的38.7%。我國(guó)科研人員2016年在無(wú)害化技術(shù)方面發(fā)表中文論文339篇，較2001年增加了25倍。其中，糞便好氧發(fā)酵過(guò)程中重金屬去除的研究是占比最多的技術(shù)方向，2019年發(fā)文量高達(dá)132篇。隨著肥料化發(fā)酵工藝的優(yōu)化升級(jí)，抗生素和抗性基因方面的研究持續(xù)增加，逐漸成為無(wú)害化技術(shù)的研究重點(diǎn)。

4 研究展望

以Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)和CNKI期刊中文庫(kù)為數(shù)據(jù)源，通過(guò)對(duì)養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域研究論文的文獻(xiàn)計(jì)量分析，反映了養(yǎng)殖廢棄物肥料化整體研究進(jìn)程，以及在發(fā)酵工藝、生產(chǎn)過(guò)程與無(wú)害化處理技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)。

（1）近20年來(lái)，養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域的相關(guān)研究取得了快速發(fā)展，從科技論文發(fā)文量來(lái)看，中美兩國(guó)在養(yǎng)殖廢棄物肥料化研究領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

（2）在發(fā)酵工藝研究方面，由傳統(tǒng)堆漚逐漸過(guò)渡到條垛式發(fā)酵、槽式發(fā)酵和反應(yīng)器發(fā)酵工藝。國(guó)際上反應(yīng)器發(fā)酵工藝研究占比14.56%，而我國(guó)反應(yīng)器發(fā)酵工藝研究占比26.0%，預(yù)示我國(guó)在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、腐熟效果等方面取得較多的研究成果，肥料生產(chǎn)設(shè)備化和智能化將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

（3）在生產(chǎn)過(guò)程研究方面，主要注重養(yǎng)分保存和氣體減排2個(gè)方面的技術(shù)研究，國(guó)際上氮素保存和臭氣去除方面在養(yǎng)殖廢棄物肥料化領(lǐng)域發(fā)文占比為20.84%，其中我國(guó)在該領(lǐng)域占據(jù)較強(qiáng)的研究?jī)?yōu)勢(shì)。未來(lái)我國(guó)科研工作者在生產(chǎn)過(guò)程研究方面，將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氮素代謝機(jī)制及降解過(guò)程的研究，并繼續(xù)提高臭氣去除技術(shù)在肥料化過(guò)程中的應(yīng)用創(chuàng)新。

（4）在無(wú)害化技術(shù)研究方面，重金屬鈍化及去除技術(shù)是國(guó)際和國(guó)內(nèi)公認(rèn)的研究熱點(diǎn)，WOS和CNKI重金屬研究在無(wú)害化技術(shù)發(fā)文占比分別為79.42%和38.2%，差別在于我國(guó)對(duì)抗生素和抗性基因的關(guān)注度遠(yuǎn)高于其他國(guó)家。這與我國(guó)與其他國(guó)家在畜禽養(yǎng)殖方式、糞污處理措施和潛在污染風(fēng)險(xiǎn)管控等方面的差異有關(guān)，抗生素和抗性基因的研

究將成為我國(guó)未來(lái)的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

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