中國河流生態修復專利技術發展與可視化分析

牟曉明 鄭福超 張天歌 朱正杰 張靖華 張軒波 杜 康 冷 欣* 安樹青

(1 南京大學生命科學學院 江蘇 南京 210023；2 南京大學常熟生態研究院 江蘇 蘇州 215500；3 武漢楓葉國際學校 湖北 武漢 430070)

河流是生態系統之間聯系的樞紐，健康的、可持續的河流生態系統為人類社會提供了賴以生存的生態和社會服務功能(于魯冀等, 2013)。由于人類活動與開發強度的加深，自然河流的水質與生態迅速惡化(錢正英等, 2006; 劉歡等, 2019)。自20世紀60年代，西方國家開始探索治理與修復污染河流(趙曉丹, 2020)。而國內的水污染現象發生、發展的過程在時間上相對延后，自20世紀80年代，河流生態修復進入探索階段(吳迎霞等, 2020)。近年來，西方國家反思過去的治水思路、提出生態治水的新理念，河流生態修復逐漸引起國內的普遍關注(關春曼等, 2014)。劉樹坤(1999)提出“大水利”的理論框架，強調河流開發應注重流域的綜合整治與管理，為我國開展河流生態修復研究奠定了理論基礎。21世紀初，我國河流污染控制與治理進入了河流生態修復階段(錢嫦萍, 2014)，流域綜合治理與生態修復已成為統籌經濟發展與生態環境的重要戰略。

河流生態修復是指使用綜合方法，使河流恢復因人類活動的干擾而喪失或退化的自然功能，是生態工程學的一個分支(楊海軍等, 2005)。近年來，國內河流生態修復技術研究在摸索過程中不斷深化，經歷了從河流形態到功能的修復、從單一的水質修復到河流生態系統修復的過程并取得了顯著進展(劉歡等，2019)。我國積累了大量的河流生態修復技術成果，在水質凈化、河流生態系統構建、景觀設計方法和新材料應用等科研領域取得了大量技術突破，并已將曝氣技術、微生物技術、濕地生態和浮島等技術成功應用于工程實踐(王文軍等, 2012)，為河流生態修復提供了強有力的技術支撐。

專利是衡量技術發展水平與創新能力的重要標準(劉鳳朝等, 2006)。對海量專利數據運用統計學的方法進行分析，能夠發現某項技術及其相關技術目前的研究進展及其未來的發展方向(孫紅衛等, 2005)。專利分析長期以來被用作技術機會分析的工具，特別是支持創新想法，可以幫助從業者了解研發優先級，繪制專利地圖、發現技術真空、分析技術趨勢和機會等(Changwoo et al, 2008)。例如Zhou等(2020)從發文量、專利數量和恢復技術的方向等方面比較了國內外濕地恢復技術等發展概況。目前國內對河流生態修復相關專利的分析較少，尤其缺乏對專利技術熱點及演變等進行深入分析。

基于Web of Science德溫特專利數據庫，以“河流生態修復”為主題詞，運用Bibliometrix程序包中的Biblioshiny對2002—2020年的專利信息進行聚類和共現分析，探究我國河流生態修復相關專利的主題歷史演變過程，識別河流生態修復相關專利的熱點、關鍵和前沿技術方向等，以期幫助創新主體或從業者了解研發優先級、為技術研發及工程實踐者提供信息參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究數據來源于Web of Science(以下簡稱WOS)的德溫特專利數據庫(Derwent Innovations Index，以下簡稱DII)。DII是由Thomson Derwent與Thomson ISI公司共同推出的專利信息數據庫，將Derwent World Patent Index(1963年至今)中超過50個專利發布機構索引的高附加值專利信息與Derwent Patents Citation Index(1973年至今)中索引的專利引用信息進行組配，每周更新，提供全球范圍內的專利信息。相比較于其他國內的專利數據庫，DII數據庫獨有的分類系統經過格式轉換后可以導入其他軟件進行深入的共現分析，因此，本研究選擇DII作為數據來源。

本研究以“TS=((river OR stream) AND (restor* OR remediation OR rebuild OR rehabilitation OR reestablish* OR reconstruct* OR remediate OR renewal OR repair OR revitaliz* OR recover* OR reconstitut*) AND (eco* NOT econom*)”為檢索表達式，時間跨度為所有年份，在DII共檢索到專利2 396項。然后以排除德溫特分類代碼：A11 OR A35 OR A96 OR B04 OR D13 OR D16 OR H01 OR H06 OR H07 OR H09 OR J01 OR J03 OR J04 OR J07 OR L02 OR L03 OR M13 OR Q49 OR Q75 OR S05和排除德溫特手工代碼A12-F01 OR B05-A01B OR C04*（此處“*”指代所有C04分支的手工代碼，下同） OR H04* OR J08-C OR J09-B OR K04-C01 OR M25* OR M28-F OR N01* OR N02* OR N03* OR N05-E OR N06* OR N07-B OR N07-B01 OR N07-B02 OR N07-C01 OR N07-C03 OR N07-D03 OR N* OR P11-A02 OR P11-B01 OR V04*為精煉依據，對數據進行篩選。排除醫療、生物科技、化工、物理、廢氣處理、土培等與河流生態修復完全不相關的專利，共得到1 689項相關專利。最后挑選發表時間截止2020年12月31日且專利權屬在中國的專利，總共1 420項。

1.2 研究方法

利用WOS的記錄導出功能，記錄內容選擇“全記錄”、格式設置為純文本，使導出內容涵蓋專利號、標題、專利權人、摘要、申請日期、德溫特手工代碼等信息，將1 420項專利信息全部導出。通過Citespace文獻可視化分析軟件對數據進行格式轉換和去重，用于后續的計量分析(Chen et al, 2017)。DII專利記錄主要字段格式轉換前后對照見表1。

表1 主要字段格式轉換前后對照Table 1 Contrast before and after main field format conversion

根據表1可知，轉換后的數據中德溫特分類代碼等同于關鍵詞。將轉換后的數據導入R語言，用R語言Bibliometrix（Version3.1.4）程序包中的Biblioshiny對專利數據進行共現分析和趨勢演化分析（Massimo Aria et al，2017）。BiblioShiny可以在交互式Web界面上執行相關的Bibliometric和Visual分析，大大降低信息輸入強度和使用難度(Xie, 2020)。本研究主要通過BiblioShiny實現關鍵詞共現（Keywords co-occurrence network）、關鍵詞變化趨勢（Word dynamics）、熱點趨勢（Trend topics）、主題地圖（Thematic map）和主題發展（Thematic evolution）分析。

由于部分專利德溫特手工代碼的缺失，選擇德溫特分類代碼作為分析對象。德溫特分類代碼是德溫特專利數據庫將專利按學科劃分為20個大類，這些類別被分為3組：化學(A-M)、工程(P-Q)、電子與電氣(S-X)。這20個部分被進一步細分成類別，每個類別包括大類的首字母隨后跟隨兩位數字。

本研究中時間分布、學科類別、專利權人等主要通過Excel、Graphpad Prism 9進行統計。

2 結果與分析

2.1 專利技術數量及分布

2.1.1 時間分布在DII中檢索到的所有河流生態修復相關專利的發表時間分布情況見圖1。相關專利在2002年開始出現，從2006年開始，除個別年份偶有回落外，專利數量基本保持穩定增長，至2017年相關專利數量(161項)是2016年專利數量(88項)的近2倍，此后至2019年，河流生態修復相關專利數量呈指數式增長，2020年較2019年略有減少。

圖1 河流生態修復相關專利的時間分布Fig.1 Time distribution of patents related to river ecological restoration

與河流生態修復相關的專利自2002年出現，截至目前，專利數量整體呈增長趨勢。21世紀以來，我國水資源匱乏與水體污染同時存在的問題逐漸突出，越來越多的研究和專利集中于河流生態修復。董哲仁等(2014)最早提出了“生態水工學”的概念，主張運用生態學理論恢復河流水生態系統健康；邢雅囡(2006)探究了不同深度的底泥 疏 浚 時 的N、P釋放規律。為改善和保護水資源，國家設立了“國家水體污染控制與治理科技重大專項”(2006—2020年)，分為“控源減排”“減負修復”和針對流域水環境的“綜合調控”，在全國多個流域污染控制與治理中實施與示范(中國環境科學協會, 2012)。在此發展背景下，尚處于摸索階段的河流生態修復隨之發展起來。因此，自2012年后生態修復的專利數量呈指數增長。根據《2008—2017年全球環境技術專利熱度分析報告專利布局概述篇》，中國核心專利數量與龐大的專利數量相比還有提升空間，技術輸出也尚處于起步階段(中國環保產業協會, 2019)。

2.1.2 專利權人及其地域分布根據WOS自有的數據統計結果，整理出河流生態修復相關專利數量排名前10的專利權人，分別是河海大學、中國水利水電研究院、中國環境科學院、南京環境科學研究所、南京地理與湖泊研究所、無錫恒成液壓工程建設有限公司、上海南洋模范中學、南京大學、安徽新余生態實業有限公司和中冶華天工程技術有限公司(表2)。由此可以看出，承載專利技術研發的主力軍仍為高校和科研機構，但我國企業在河流生態修復專利技術的創新率在逐步提升，自主創新能力也在加強。我國正從制度與管理上激勵企業自主創新并進一步促進科研院所與企業的深度融合，推動產業趕超與國家發展目標(安志, 2019)。

表2 河流生態修復相關專利權人TOP 10Table 2 Top 10 patentees related to river ecological restoration

2.2 專利技術熱點識別

通常，出現頻次高的關鍵詞(德溫特分類代碼)代表著研究熱點，即河流生態修復專利技術的熱門技術方向。頻次從高到低排名前10位的德溫特分類代碼，分別是D15(水、工業廢物和污水的化學或生物處理)、Q42(水利工程、土壤轉移和污水處理)、P13(植物培養、乳制品)、A88(機械工程和工具)、T01(數字計算機)、A93(道路、建筑、建筑地坪)、P14(動物管理和護理)、P11(土壤作業、種植)、Q24(船舶、水上船只、相關設備)和A97(其他地方未指定的材料)(表3)。通過提取P11 (土壤作業、種植)和Q24 (船舶、水上船只、相關設備)和A97(其他地方未指定的材料)的時間信息，三者都是近幾年出現然后被關注，有可能成為熱門技術方向或者河道生態修復專利技術的前沿方向。

表3 德溫特分類代碼按頻次排名TOP10Table 3 Derwent classification codes ranked TOP 10 by frequency

將關鍵詞進行共現分析后，顯示前50個節點(圖2)。點的大小一定程度上與點的出現頻次相對應，點與點之間的遠近表示兩點之間的關系遠近，連接線粗細對應點與點之間的聯系的強弱。圖3顯示水、工業廢物和污水的化學或生物處理(D15)與水利工程、土壤轉移和污水處理(Q42)關系緊密，是整個貢獻網絡的核心，即污水處理、水利工程和土壤遷移處于河流生態修復的核心地位。

圖2 河流生態修復專利德溫特分類代碼共現圖譜Fig.2 Co-occurrence map of Derwent classification codes for river ecological restoration patents

圖3 2017-2020年關鍵詞網絡聚類圖譜*Fig.3 The 2017—2020 keyword network clustering map

由于通過微生物、水生動植物以及其他河流生態修復裝置都屬于水體的生物修復，都屬于水、工業廢物和污水的化學或生物處理(D15)范疇，因此D15成為出現頻率最高的熱門方向。河流生態修復的基本途徑主要包括水文調控途徑、生境恢復途徑、生物修復途徑和系統構建途徑，這其中水流泥沙調控、河床改造、生態護岸等措施均與工程施工有關。河流生態修復工程在設計時，除了遵循安全、自然、經濟的原則外，還遵循與現有水利工程相結合的原則(董哲仁等, 2007)。因此，除了水質凈化本身，水利工程、土壤遷移方向是河流生態修復關系最為核心的方向。恢復河流生態系統的結構和功能、強化其自凈能力常見的生態方法包括構建生態浮島，利用水生生物進行生物操縱等多種形式(胡悅, 2017)。

2.3 專利技術發展趨勢

主題演化主要用來分析研究主題內容、強度和結構隨時間發生的變化規律、演化關系、演化路徑和演化趨勢，進而把握發展方向、預測發展趨勢(Cobo, 2010)。我們借助桑基圖分析河流生態修復不同主題的“流動”情況，厘清主題流、主題流方向、轉化關系等定量信息(Kamal, 2014)。

將2012年(開始穩定增長)和2017年(開始指數增長)作為兩個分界點，做桑基圖(圖4)。結合圖3，從進化路徑和每個時期的進化狀態來看，2017—2020年主要被關注的技術主題是水體的生物化學治理 (d15)、智能監測與管理(t01)、各類試劑、材料(a97)、植物種植(p11)。通過Biblioshiny對2017—2020年這4個主題進行分析得出，與智能監測與管理(t01)和植物種植主題有關的工程類方向(p11)仍然處于發展階段，與水體的生物化學治理(d15)有關的主題處于已得到良好發展、未來發展方向不清晰的位置。

圖4 桑基圖Fig.4 Sankey Diagram

2.4 前沿方向識別

Biblioshiny通過詞頻檢測，發掘在某時間段高頻出現的關鍵詞，形成熱點趨勢(圖5)，并圖示出關鍵詞高頻出現的時間以及通過點的大小表現關鍵詞的頻次。從圖5可以看出，2017—2020年比較高頻的熱門方向仍然是水、工業廢物和污水的化學或生物處理(D15)、水利工程、土壤轉移和污水處理(Q42)、植物培養、乳制品(P13)和相對頻率比較高的船舶、水上船只和相關設備(Q24)和其他地方未指定的材料(A97)、機械工程和工具(A88)、動物管理和護理(P14)、數字計算機(T01)等。也就是說，水利工程、土壤轉移和污水的生物化學處理仍是當下的熱門方向。同時，水上設備、水生動植物管護、智能監測與管理以及機械裝置也開始被關注。

圖5 熱點趨勢變化圖Fig.5 Hotspot trend change graph

就目前而言，我國河流生態環境已進入大范圍生態退化和復合性環境污染的新階段，針對遭受多年持續污染、單純依靠物理和化學方法難以修復的河流生態系統，需要通過生態修復組合技術改善基礎環境、恢復水生植物，多種修復技術優化組合，綜合考慮水量、水質、河流形態結構及水生生物等多個方面，構建良性循環的水生態系統，從根本上改善水質、提高水體凈化能力(陳乾坤, 2014)。因此，在關注污水處理、水利工程和土壤遷移相關的河流生態修復技術之外，創新主體可以將更多精力傾斜到智能監測與管理和植物種植主題有關的工程方向，著力于探索多種修復技術的組合設計。

3 結論與建議

3.1 結論

本研究基于Biblishiny和Excel、Graphpad Prism 9對DII數據庫中公開的河流生態修復相關專利(2002—2020年)進行統計和可視化分析，得出以下結論：

(1) 2002年出現與河流生態修復相關的專利，專利數量整體呈增長趨勢。由于近些年以河流為代表的水生態系統保護日益得到重視，生態修復的專利數量急劇增長。

(2)與河流生態修復相關的專利數量前10位的專利權人主要以高校和科研院所為主，企業的自主創新也展示出一定的優勢。

(3)河流生態修復相關的專利熱門技術方向是污水生化處理、水利工程和土壤遷移。

(4)通過識別專利的發展趨勢和前沿方向發現：與水體的生物化學治理有關的主題在過去的研究中已得到了大量的關注；在未來的專利研發中，植物種植和生態系統重建以及智能監測與管理等主題方向的優先級可以適當提高，著力于探索多種修復技術的組合設計。

3.2 建議

我國河流生態修復領域專利技術研發呈現欣欣向榮的態勢，具體表現為專利申請量不斷增多、增長迅速加快，但仍存在轉化少、核心專利少、國外布局少的問題(中國環保產業協會, 2019)。建議從政策層面重視技術研發和產學研合作，提高創新質量，多產出與河流生態修復有關的核心專利。推進商業模式的應用，加大對企業創新的支持力度，推動科研院所與企業的融合，進一步提高企業在河流生態修復專利技術研發的創新活力。

河流生態修復是一項復雜的生態工程，單一的技術很難實現整個河流從水量、水質、河流形態結構及水生生物等多方面的恢復，今后的技術研發除了污水生化處理、水利工程和土壤遷移等方向，可適當提高植物種植、生態系統恢復和智能監測與管理等技術主題的研發優先級。同時，根據“大水利”的理論框架，從橫向、縱向和時間等多維角度入手，加強對流域層面整體生態修復的研究，積極探索其它可能的技術方向，以支撐我國流域經濟與碧水戰略的雙重需求。