水產養殖生物脫氮領域研究的知識圖譜可視化分析

司圓圓 張卓婷 陳興漢 余祥勇

摘要 生物脫氮是一種經典的水處理技術，目前已在水產養殖廢水處理中廣泛應用。以Web of Science和CNKI為數據源，聚焦研究熱點和前沿，利用CiteSpace軟件對近30年水產養殖生物脫氮領域的研究現狀進行知識圖譜分析，解析了國內外研究的特點和規律，預測了發展趨勢。多視角對比分析結果表明，水產養殖生物脫氮研究領域發展的多樣性和深廣度在不斷增加，好氧反硝化技術脫氮效果好、適用范圍廣，已成為新的發展方向，具有潛在的應用前景。

關鍵詞 生物脫氮;CiteSpace;可視化分析;知識圖譜

中圖分類號 X-703.1? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）13-0236-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.060

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Visual Analysis of Knowledge Map of Research on Biological Nitrogen Removal in Aquaculture

SI Yuan yuan， ZHANG Zhuo ting， CHEN Xing han et al

（Yangjiang Polytechnic， Yangjiang， Guangdong 529500）

Abstract As a classical water treatment technology， biological identification had been widely used in aquaculture wastewater treatment. With Web of Science and CNKI as data sources and focusing on research hotspots and frontiers， CiteSpace software was used to conduct knowledge map analysis of the current research status in the field of biological nitrogen removal in aquaculture in the past 30 years. The characteristics and laws of domestic and foreign researches were analyzed， and the development trend was predicted.The results of the comparative analysis from multiple perspectives showed that the diversity and breadth of the development in the field of biological identification in aquaculture were increasing. Aerobic identification technology had good effect and wide application range， which had become a new development direction and had potential application prospects.

Key words Biological removal of nitrogen;CiteSpace;Visual analysis;Knowledge mapping

水產養殖中，氮素含量過高會引發水質問題，造成水產動物病害加劇乃至死亡。目前循環水養殖凈水系統多為硝化裝置，僅能將氨氮和亞硝酸鹽氮轉化為硝酸鹽氮，氮素仍然存在水體中。雖然硝酸鹽氮也會對水生動物造成不利的影響，但因傳統反硝化多為厭氧（缺氧）環境，因此限制了反硝化反應器在水產養殖中的應用，好氧反硝化的出現可以解決此類問題。部分好氧反硝化菌株可以將氮素轉化為氣態氮，從水環境中徹底脫除，但產物中氧化亞氮比重過大也易引發溫室效應，限制其應用。當前影響生物脫氮效果的主要有2個方面，一是菌株，二是反應器。因此，篩選高效脫氮的好氧反硝化菌株，并構建適宜生物反應器對養殖系統進行脫氮具有現實意義。

目前，生物脫氮是最經濟有效的處理手段，其研究的熱點主要集中在厭氧氨氧化[1-2]、短程硝化反硝化[3]及一步式硝化[4-5]。養殖廢水處理不當會引發環境污染，而且會浪費水資源。因此掌握水產養殖領域生物脫氮現狀及加強對養殖水體污染控制具有重大的意義。

CiteSpace（Citation Space）是基于Java開發的一款信息可視化工具，其算法是基于共引分析理論（co-ciation）和尋徑網絡算法（pathFinder）原理對既定領域文獻進行計量[6]，以探究該研究領域文獻演化的關鍵路徑與知識拐點，將其通過可視化圖譜進行呈現，目前在圖書、情報領域及其他相關專業技術領域應用廣泛[7-9]。

基于以上背景和工具，筆者依據關鍵詞，對養殖水體生物脫氮領域的主要研究文獻進行分析，整理文獻分析報告，以掌握該領域國內外研究趨勢及發展狀況，為該領域污染控制提供參考。

1 材料與方法

基于“SCI-EXPANDED”“SSCI”“CPCI”和“CPCI-SSH”為數據源，以主題詞“SU=（‘生物脫氮+‘好氧反硝化+‘脫氮副球菌+‘生物強化+‘群落結構分析+‘移動床生物膜反應器）*（‘養殖+‘水）”為檢索式，在WOS數據庫中，以“（TS=（Biological denitrification OR Aerobic denitrification OR Paracoccus denitrificans OR Biofortification OR Mobile bed biofilm reactor OR Community structure analysis）AND TS=（Aquaculture））AND 語種：（English）AND 文獻類型：（Article）”為檢索式，時間跨度為1990年1月1日—2020年2月20 日，共檢索到WOS數據庫有效文獻412篇，CNKI數據庫有效文獻205篇，將文獻進行預處理將數據標準化，選取高頻關鍵詞閾值，構建共詞矩陣。將矩陣導入到Ucinet中，生成關鍵詞共現網絡，在CiteSpace中構建關鍵詞知識圖譜，進行聚類分析，刻畫水產養殖生物脫氮領域的研究主題。通過不同視角的深入參照對比把握了中外水產養殖生物脫氮研究的特點和規律，為該領域后續研究提供借鑒。

2 結果與分析

2.1 文獻年度發文量演變情況

通過繪制發文量年度分布折線圖（圖1），貫穿1990—2020年水產養殖生物脫氮領域的發展史，國外發文量整體呈現平穩上升狀態，主要經歷了2個階段。第1階段為1990—2004年，發文曲線平緩，每年發文量都不足10篇，表示領域研究剛剛起步，還未有過多關注;第2階段為2005—2020年，發文量總體飛速上升，于2019年內達到峰值59篇，2020年發文量雖有下降，但這可能是由文獻發表時間的滯后性導致，該階段為國外該領域的成長階段。國內該領域研究基數較低，發文量略有起伏，但近年也呈現整體上升趨勢。整體來說，國內外水產養殖生物脫氮領域發文量不高、結構還不穩定、發文能力不持續，具有涌現新一輪熱點的潛質。

2.2 關鍵詞分析

關鍵詞是在題名或者在文章中能夠表達研究中心思想且有實質意義的詞匯。經過整理，共得到45個高頻關鍵詞，頻次總和為333，占所有關鍵詞頻次總和的33.74%;同理，國外研究共篩選出42個高頻關鍵詞，頻次總和為441，占所有關鍵詞頻次總和的22.32%。國內外水產養殖生物脫氮研究的高頻關鍵詞所占比例較高，反映出選取的高頻關鍵詞具有代表性。

進一步構建高頻關鍵詞共現矩陣，以此共現矩陣為鄰接矩陣，導入Ucinet 6.0中構造國內外高頻關鍵詞共現網絡（圖2、3），網絡中節點的大小與點度中心性成正比，連接與共現頻次成正比。國內共詞網絡包括45個關鍵詞節點，162對關系，網絡密度為0.18[10-11]，國外共詞網絡由42個關鍵詞節點間的148對關系構成，網絡密度為0.17。國內外共詞網絡的拓撲結構較為松散，但是國內以廢水處理為橋接，呈現清晰的兩級社團結構。

2.3 基于關鍵詞的前沿熱點探測

為探究水產養殖生物脫氮領域研究熱點，進一步通過關鍵詞分析來探究水產養殖生物脫氮領域的研究主題和動態變化。在CiteSpace中導入正確處理后的CNKI文獻集合，時間分區“Year Per Slice”為1年;節點類型選擇“Keyword”;詞源選擇“Author Keyword（DE）”;閾值設定g指數法，k為10;網絡剪枝算法選擇“Pathfinder”，修剪分片及整體網絡。國外研究的WOS文獻集合閾值數值設為15，其他選項設定和上述一致。

利用CiteSpace的“Cluster View”（聚類視圖）對國內關鍵詞知識圖譜進行聚類分析，再次運行后，得到了基于關鍵詞所呈現的水產養殖生物脫氮研究聚類知識圖譜（圖4、5），其中國內關鍵詞圖譜225個節點，207條連接，國外關鍵詞圖譜159個節點，161條連接。

氮素污染源的持續增加加劇了養殖環境惡化，影響水產養殖的產出效益，甚至威脅人類健康，探尋高效環保的創新技術來加強廢水治理迫在眉睫。因此，“環境污染控制”“生物脫氮”“固定化技術”“分段進水”這類關鍵詞頻繁位于網絡中心位置。另一方面，污水組成成分、污染物含量迥然不同，因地制宜地應用脫氮技術是發展方向，而生物脫氮因成本低、不產生二次污染等優點被廣泛應用，因此在國內外水產養殖行業聚類圖譜中居于中心位置。

2.4 基于關鍵詞的突現詞分析

為進一步厘清國內外研究熱點的差異，進行了圖6和7所示的突現詞分析。CiteSpace提供突發性檢測技術，能夠將不同年代頻次激增的詞（突現詞，burst terms）從文獻集中抽取出來，用以側寫領域前沿主題。基于CiteSpace的“Burstness”功能，得到國內外水產養殖生物脫氮領域的突現詞（圖6、7）。

以關鍵詞出現年份先后排序，強度（Strength）越高，表明其突現程度越大。紅色色塊的位置和長度代表關鍵詞的突現區間。可以看出，國內水產養殖生物脫氮領域研究基礎比較薄弱，因此只有4個突現詞，突現期都是在2005年后，國外研究中11個突現詞區間有10個都分布在2005年以后，表明1990—2020年間水產養殖生物脫氮領域熱點主題爆發明顯，各種新穎前沿熱點并存共進，與發文量分析結果吻合。國內突現強度最大的關鍵詞是分段進水（4.043 7），持續時間是2006—2009年，移動床生物膜反應器為最新突現詞，持續時間是2010—2013年;國外突現強度最大的關鍵詞是microbial community（6.560 4），持續時間是2018—2020年，反映出生物群落屬于國外傾向型研究。對比國內熱點，國外熱點主題的更迭較快，出現了gene、recirculating aquaculture system等新興概念，研究層面向生物信息轉化，研究主題向細菌群落過渡。

結合聚類分析和突現詞列表，發現在國內外，水產養殖生物脫氮的研究內容繁多，研究熱點之間的聯系不甚緊密，呈多維度發展態勢，表明在該領域研究的出發點多樣化，還未形成固化的模式。國內外部分主題熱點具有一定的交集，包括生物脫氮、A/O、好氧反硝化、生物群落微環境等，這反映出國內研究具有一定相似性，也表明了上述主題關注度高。

3 小結

綜上分析，1990—2020年間水產養殖生物脫氮領域呈現多樣性發展的趨勢，主要表現在研究數量和規模的逐步擴大，研究向更深廣度和更高維度發展。在生物脫氮技術的大命題下，好氧反硝化打破了反硝化只在厭氧條件下才能進行的傳統觀念，表明好氧反硝化細菌為水產養殖脫氮工藝提供了新的道路。

參考文獻

[1] LI J，FENG L，BISWAL B K，et al.Bioaugmentation of marine anammox bacteria（MAB） based anaerobic ammonia oxidation by adding Fe（III）in saline wastewater treatment under low temperature[J/OL].Bioresource technology，2020，295[2020 05 25].https：//doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122292.

[2] ZHANG M P，DAI P L，LIN X L，et al.Nitrogen loss by anaerobic ammonium oxidation in a mangrove wetland of the Zhangjiang Estuary，China[J].The science of the total environment，2020，698：1-11.

[3] PENG B，LIANG H，WANG S S，et al.Effects of DO on N2O emission during biological nitrogen removal using aerobic granular sludge via shortcut sim ultaneous nitrification and denitrification[J].Environmental technology，2020，41（2）：251-259.

[4] DAIMS H，LEBEDEVA E V，PJEVAC P，et al.Complete nitrification by Nitrospira bacteria[J].Nature，2015，528（7583）：504-509.

[5] VAN KESSEL M A，SPETH D R，ALBERTSEN M，et al.Complete nitrification by a single microorganism[J].Nature，2015，528（7583）：555-559.

[6] 符榮鑫，李旋菁，黃柳欣，等.基于CiteSpace的濕地生物多樣性領域研究的可視化分析[J].農業圖書情報學刊，2018，30（12）：52-60.

[7] 冀憲武，樊曉璐，李武佳，等.2007—2019年中國黨參研究文獻計量分析[J].圖書情報導刊，2020，5（6）：60-65.

[8] 鄭澤宇，陳德敏.CSSCI（2009—2019）環境法學研究的知識圖譜：基于Citespace的文獻計量分析[J].干旱區資源與環境，2020，34（6）：62-72.

[9] 肖暢，彭婷，劉繼紅.基于WOS和CiteSpace分析我國近10年柑橘研究熱點與前沿[J].果樹學報，2020，37（10）：1573-1583.

[10] 豐洪微，范哲超.金屬增材制造技術研究熱點分析[J].世界有色金屬，2019（23）：172-173.

[11] 豐洪微，范哲超.激光選區熔化技術研究熱點可視化分析[J].中國金屬通報，2019（11）：202-203，205.