基于文獻(xiàn)計(jì)量分析生物炭的發(fā)展情況

孔繁藝， 盧升高

(浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 杭州 310058)

生物炭是一種限氧或絕氧條件下熱分解有機(jī)物的產(chǎn)物，熱解溫度一般在300～700 ℃，大多數(shù)生物炭具有高度多孔的結(jié)構(gòu)和較大的表面積，它的分子結(jié)構(gòu)顯示出高度的化學(xué)和微生物穩(wěn)定性[1-2]，將其作為土壤改良劑可以產(chǎn)生顯著的環(huán)境和農(nóng)業(yè)效益[3]。2006年Marris[4]在Nature發(fā)表文章，指出生物炭能夠以某種方式收集養(yǎng)分和水分，使土壤碳含量增加并可緩解氣候變暖。Biochar是bio charcoal的縮寫(xiě)，2007年澳大利亞第一屆國(guó)際生物炭會(huì)議上將生物炭統(tǒng)一命名為biochar[5]。對(duì)于生物炭的應(yīng)用歷史悠久[6]，但涉及的科學(xué)研究還缺乏多維度總結(jié)分析，本文篩選出Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)2000—2020年生物炭的相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)手段[7-9]，如利用HistCite軟件作引文分析[8]、VOSviewer軟件作網(wǎng)絡(luò)分析和可視化呈現(xiàn)[10]、CiteSpace軟件進(jìn)行聚類(lèi)分析[11]和突發(fā)性檢測(cè)[12]，追蹤了國(guó)際上生物炭的發(fā)展歷程，重點(diǎn)分析了文獻(xiàn)中標(biāo)題、關(guān)鍵詞、摘要的術(shù)語(yǔ)共現(xiàn)關(guān)系，揭示學(xué)界普遍研究的重點(diǎn)話題和熱點(diǎn)話題，為后續(xù)科研工作提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

研究數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science(WoS)的核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)(文獻(xiàn)類(lèi)型精煉為article和review)，本研究利用標(biāo)題詞為“biochar”，時(shí)間跨度為2000—2020年，檢索時(shí)間為2021年7月1日，得到文獻(xiàn)9 505篇，其中9 109篇article(95.8%)，396篇review(4.2%)，導(dǎo)入到HistCite軟件中，得到有效文獻(xiàn)9 494篇，涉及到917種期刊；將2020年的2 498篇文獻(xiàn)，導(dǎo)入到HistCite軟件中，得到有效文獻(xiàn)2 493篇。

HistCite引文分析工具[13]可以得出引文圖譜和文獻(xiàn)的重要參數(shù)，如本文用到的總當(dāng)?shù)乇灰龜?shù)(total local citation score，TLCS)表示某一文獻(xiàn)在搜集到的文獻(xiàn)群中被引用次數(shù)，總?cè)虮灰龜?shù)(total global citation score，TGCS)表示某一文獻(xiàn)在搜索的數(shù)據(jù)庫(kù)中被引用次數(shù)，一篇文章TLCS越高說(shuō)明該文章在該領(lǐng)域內(nèi)影響力越高，TGCS越高說(shuō)明該文章被越多不同領(lǐng)域?qū)W者引用。VOSviewer[14]可以構(gòu)建和查看各種基于文獻(xiàn)計(jì)量關(guān)系的圖譜，在圖譜中同一個(gè)顏色表示為一個(gè)聚類(lèi)，詞語(yǔ)之間距離越近聯(lián)系越緊密。CiteSpace[15]進(jìn)行聚類(lèi)分析找出較為相似的文獻(xiàn)集合，并可對(duì)關(guān)聯(lián)度大的術(shù)語(yǔ)作突現(xiàn)分析，能探測(cè)出某一時(shí)段出現(xiàn)量的較大變化，表明某個(gè)關(guān)鍵詞興起或衰落。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究國(guó)家和機(jī)構(gòu)

從2000年到2007年，以biochar為標(biāo)題詞發(fā)文數(shù)量?jī)H為7篇(圖1)，2008年后相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量迅速增長(zhǎng)。美國(guó)在2004年時(shí)就用biochar為標(biāo)題詞發(fā)表論文，而中國(guó)在2008年后開(kāi)始以biochar為標(biāo)題詞發(fā)表論文。2014年后中國(guó)每年的發(fā)文量超過(guò)美國(guó)并成為該領(lǐng)域每年發(fā)文量最高的國(guó)家。2016年后中國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)文累計(jì)量達(dá)到893篇，超過(guò)美國(guó)的發(fā)文量827篇，成為累計(jì)發(fā)文量最多的國(guó)家。2018年后WoS中biochar超過(guò)一半發(fā)文量來(lái)源于中國(guó)，表明中國(guó)在該領(lǐng)域?qū)W術(shù)潛力巨大且在該領(lǐng)域中已經(jīng)投入了相當(dāng)多的科研力量。發(fā)文累計(jì)量最高的10個(gè)國(guó)家發(fā)文總數(shù)占總發(fā)文量的97.9%(表1)，中國(guó)發(fā)文累積量雖然最多，但被引數(shù)和印度接近，不及美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家，說(shuō)明相較于部分發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)發(fā)表文章的質(zhì)量仍然有待提高。

圖1 2000—2020年生物炭領(lǐng)域年度發(fā)文量

表1 發(fā)文累計(jì)量最高的10個(gè)國(guó)家

發(fā)文量超過(guò)100篇的機(jī)構(gòu)共24家，這些機(jī)構(gòu)共發(fā)表4 533篇論文，約占總發(fā)文量的一半。發(fā)文量最多的10家機(jī)構(gòu)見(jiàn)表2，其中美國(guó)機(jī)構(gòu)3家，中國(guó)機(jī)構(gòu)有7家。中國(guó)科學(xué)院以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為發(fā)文量第一的機(jī)構(gòu)，發(fā)文量為781篇，在發(fā)文數(shù)量上遠(yuǎn)超排第二名的美國(guó)農(nóng)業(yè)部(發(fā)文量為292篇)，但被引數(shù)比佛羅里達(dá)大學(xué)、浙江大學(xué)等4家機(jī)構(gòu)低，其發(fā)文質(zhì)量仍有待提高。佛羅里達(dá)大學(xué)發(fā)文量排第八，TLCS和篇被引數(shù)排第一，表明在生物炭領(lǐng)域佛羅里達(dá)大學(xué)的學(xué)術(shù)影響力較大。中國(guó)機(jī)構(gòu)應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，以產(chǎn)生高質(zhì)量的科研成果。

表2 發(fā)文累計(jì)量最高的10個(gè)機(jī)構(gòu)

2.2 高產(chǎn)作者和高被引文章

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共25 954名作者，選出發(fā)文量前10名的學(xué)者(表3)，其中包括4名中國(guó)學(xué)者(湖南大學(xué)曾光明教授，上海交通大學(xué)曹心德教授，浙江農(nóng)林大學(xué)王海龍教授，香港理工大學(xué)Tsang, Daniel C. W.)。以搜索文獻(xiàn)的TLCS為依據(jù)進(jìn)行排序，選出前10篇，其中包括6篇綜述(表4)。

表3 發(fā)文累計(jì)量最高的10位學(xué)者

繪制出生物炭前20被引的引文編年圖(圖2)，這些文獻(xiàn)發(fā)表年份集中在2007—2014年，高被引文章綜合敘述生物炭在環(huán)境修復(fù)[16]、氣候變化[17]、增加作物產(chǎn)量[18]方面的作用。

美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)農(nóng)業(yè)和生物工程系的高斌教授是生物炭研究領(lǐng)域的重要人物，其發(fā)表文章TLCS次數(shù)最高，他與全球18位學(xué)者有合作關(guān)系，近年來(lái)不斷產(chǎn)出高質(zhì)量文章。韓國(guó)高麗大學(xué)環(huán)境科學(xué)與生態(tài)工程系Ok,Yong Sik教授，目前在韓國(guó)生物炭研究中心工作，發(fā)文數(shù)量最多，達(dá)238篇，在污染土壤修復(fù)方面是引領(lǐng)人物，與全球34位學(xué)者有合作關(guān)系，該學(xué)者團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇前10高被引論文。編號(hào)279文獻(xiàn)被引次數(shù)最高，該文獻(xiàn)作者是美國(guó)康奈爾大學(xué)的Lehmann, Johannes發(fā)表，該作者在高產(chǎn)作者中排第9位，他的論文[19]回顧了過(guò)去生物炭作為土壤改良劑的研究，指出生物炭對(duì)土壤微生物區(qū)系的部分影響，并指出之后研究可以深入認(rèn)識(shí)生物炭與土壤微生物、動(dòng)物和植物根系作用的具體機(jī)制。

表4 生物炭領(lǐng)域內(nèi)被引最多的10篇文獻(xiàn)

圖2 2000—2020年生物炭前20高被引論文關(guān)系圖譜

2.3 高產(chǎn)期刊和領(lǐng)域

文獻(xiàn)來(lái)源期刊共有917種，選出發(fā)文量前10名的期刊(表5)，其中5份出版國(guó)是荷蘭，3份是英國(guó)，2份是德國(guó)。而生物炭領(lǐng)域的第一本專(zhuān)業(yè)刊物Biochar由沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦，2019年3月出版創(chuàng)刊號(hào)，該期刊是全英文季刊，創(chuàng)刊以來(lái)發(fā)表生物炭的專(zhuān)業(yè)研究論文，截至2020年12月31日，發(fā)文量61篇，總被引數(shù)為596。在高產(chǎn)期刊中，BioresourceTechnology的TLCS和TGCS均最高，可以得出該期刊在生物炭領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力最大，其次是Chemosphere。從研究領(lǐng)域分析，大部分文章表現(xiàn)出明顯的交叉學(xué)科特征，29%的發(fā)文量屬于環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)(environmental sciences ecology)，其次是農(nóng)業(yè)(agriculture，18%)和工程(engineering，15%)。

表5 生物炭領(lǐng)域內(nèi)發(fā)文量最多的10種期刊

2.4 研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)

對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析時(shí)，篩選出20 a來(lái)出現(xiàn)頻次150次以上的詞語(yǔ)，得到101個(gè)結(jié)果，作聚類(lèi)視圖分析，圓圈大小代表出現(xiàn)次數(shù)，連線代表共現(xiàn)關(guān)系，共4個(gè)聚類(lèi)(圖3)。藍(lán)色聚類(lèi)中出現(xiàn)主要關(guān)鍵詞為soil amendment(213次)、N2O emissions(158次)、microbial community(266次)、mineralization(259次)等，表明學(xué)界關(guān)注生物炭作為土壤改良劑的應(yīng)用效果，并在改良的過(guò)程中將生物炭的應(yīng)用與礦化過(guò)程、氣候變化、微生物群落等研究相關(guān)聯(lián)。紅色聚類(lèi)中出現(xiàn)主要關(guān)鍵詞為adsorption(2 983次)、waste-water(575次)、contaminants(225次)、reduction(201次)、activated carbons(1 072次)、zero-valent iron(168次)、nanoparticles(221次)等，表明學(xué)界使用生物炭作為污水處理的材料時(shí)關(guān)注溶液中有毒物質(zhì)的吸附，同時(shí)較多關(guān)注改性材料(如納米顆粒、磁性生物炭)的使用及相關(guān)吸附或還原機(jī)制研究。綠色聚類(lèi)中出現(xiàn)主要關(guān)鍵詞為pyrolysis temperature(835次)、rice straw(161次)、sewage-sludge(446次)、wood(163次)、fast pyrolysis(191次)、slow pyrolysis(261次)等，表明科學(xué)家在研究制備生物炭時(shí)，考慮熱解溫度、熱解速率、原材料等因素的影響。黃色聚類(lèi)中出現(xiàn)主要關(guān)鍵詞為heavy metals(1 193次)、cadmium(564次)、remediation(445次)、lead(339次)、immobilization(387次)、mobility(187次)等，表明學(xué)界近20 a來(lái)針對(duì)重金屬污染，不斷發(fā)掘生物炭的功能，試圖解釋生物炭作用時(shí)不同重金屬的遷移固定規(guī)律。

對(duì)2020年的關(guān)鍵詞單獨(dú)進(jìn)行分析，篩選出頻次50次以上的詞語(yǔ)，主要有soil(276次)、contaminated soil(52次)、water(285次)、waste water(203次)等，形成的聚類(lèi)視圖分類(lèi)與詞頻排序規(guī)律與圖3接近，表明目前對(duì)生物炭的研究仍處于發(fā)展期[20]。分析2020年文獻(xiàn)的摘要部分，篩選出現(xiàn)100次的最相關(guān)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行密度視圖分析，得到共現(xiàn)關(guān)系(圖4)。通過(guò)對(duì)比20 a的關(guān)鍵詞詞頻，判斷生物炭應(yīng)用在水處理方面熱度下降，而應(yīng)用到土壤改良方面的熱度上升。

通過(guò)CiteSpace來(lái)探測(cè)某一關(guān)鍵詞興起和衰落的情況如表6，根據(jù)表中強(qiáng)度數(shù)值，可以評(píng)估某一關(guān)鍵詞出現(xiàn)的相對(duì)次數(shù)。分析得出，近年來(lái)的熱點(diǎn)是研究生物炭(biochar)各種功能的機(jī)理(如adsorption mechanism強(qiáng)度為2.86、functional group強(qiáng)度為5.67)、選擇性的制備[21](如manure-derived biochar強(qiáng)度為5.05)和改性生物炭(如magnetic biochar強(qiáng)度為4.3)以便能在環(huán)境中有更好地應(yīng)用。根據(jù)表6中關(guān)鍵詞出現(xiàn)情況可知，近年來(lái)對(duì)生物炭吸附能力和機(jī)制、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、氮循環(huán)的研究熱度增加。

每個(gè)圓圈代表一個(gè)關(guān)鍵詞，共101個(gè)關(guān)鍵詞，4個(gè)聚類(lèi)；僅顯示300條連線圖3 2000—2020年生物炭關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系

圖4 2020年文獻(xiàn)摘要部分術(shù)語(yǔ)密度

3 小結(jié)與討論

近20 a來(lái)生物炭領(lǐng)域文獻(xiàn)數(shù)量快速增加并具有持續(xù)增長(zhǎng)的熱度和潛力。中國(guó)在生物炭方面的研究逐漸深入，2016年后中國(guó)的累計(jì)發(fā)文量一直保持世界第一，且與世界上50個(gè)國(guó)家有合作發(fā)文。中國(guó)在研究?jī)?nèi)容和方法上與國(guó)際主流接近，但發(fā)文的篇被引次數(shù)仍有待提高，需深入本領(lǐng)域探求創(chuàng)新性。

中國(guó)科學(xué)院是發(fā)文量最大的機(jī)構(gòu)，佛羅里達(dá)大學(xué)是發(fā)文質(zhì)量最高的機(jī)構(gòu)。高產(chǎn)作者之間互相合作，共同產(chǎn)出多篇高被引文章，因此，學(xué)者需要加強(qiáng)相互間交流以便發(fā)表更多高質(zhì)量論文。BioresourceTechnology和Chemosphere期刊發(fā)文數(shù)量和質(zhì)量都很高，是該領(lǐng)域發(fā)文的首選期刊。

目前生物炭領(lǐng)域重點(diǎn)依然是土壤改良、水中污染物吸附、重金屬的固定或吸附、自身結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化等，在環(huán)境修復(fù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用較多。研究的熱點(diǎn)主要是針對(duì)性的改變生物炭的理化性質(zhì)以優(yōu)化其在環(huán)境中的應(yīng)用。

表6 2000—2020年生物炭關(guān)鍵詞興盛

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物炭的應(yīng)用進(jìn)行了許多研究，國(guó)內(nèi)起步晚，但后勁十足且偏向于實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)生物炭的研究應(yīng)涉足多介質(zhì)復(fù)合污染的吸附研究、與植物和微生物聯(lián)合修復(fù)土壤，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生物炭自身環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究，為環(huán)境應(yīng)用提供足夠的實(shí)踐支持。