基于文獻計量分析生物炭的發(fā)展情況

孔繁藝， 盧升高

(浙江大學 環(huán)境與資源學院， 杭州 310058)

生物炭是一種限氧或絕氧條件下熱分解有機物的產(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構和較大的表面積，它的分子結構顯示出高度的化學和微生物穩(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，2007年澳大利亞第一屆國際生物炭會議上將生物炭統(tǒng)一命名為biochar[5]。對于生物炭的應用歷史悠久[6]，但涉及的科學研究還缺乏多維度總結分析，本文篩選出Web of Science數(shù)據(jù)庫2000—2020年生物炭的相關文獻，通過文獻計量學手段[7-9]，如利用HistCite軟件作引文分析[8]、VOSviewer軟件作網(wǎng)絡分析和可視化呈現(xiàn)[10]、CiteSpace軟件進行聚類分析[11]和突發(fā)性檢測[12]，追蹤了國際上生物炭的發(fā)展歷程，重點分析了文獻中標題、關鍵詞、摘要的術語共現(xiàn)關系，揭示學界普遍研究的重點話題和熱點話題，為后續(xù)科研工作提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

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

HistCite引文分析工具[13]可以得出引文圖譜和文獻的重要參數(shù)，如本文用到的總當?shù)乇灰龜?shù)(total local citation score，TLCS)表示某一文獻在搜集到的文獻群中被引用次數(shù)，總全球被引數(shù)(total global citation score，TGCS)表示某一文獻在搜索的數(shù)據(jù)庫中被引用次數(shù)，一篇文章TLCS越高說明該文章在該領域內(nèi)影響力越高，TGCS越高說明該文章被越多不同領域學者引用。VOSviewer[14]可以構建和查看各種基于文獻計量關系的圖譜，在圖譜中同一個顏色表示為一個聚類，詞語之間距離越近聯(lián)系越緊密。CiteSpace[15]進行聚類分析找出較為相似的文獻集合，并可對關聯(lián)度大的術語作突現(xiàn)分析，能探測出某一時段出現(xiàn)量的較大變化，表明某個關鍵詞興起或衰落。

2 結果與分析

2.1 研究國家和機構

從2000年到2007年，以biochar為標題詞發(fā)文數(shù)量僅為7篇(圖1)，2008年后相關文獻數(shù)量迅速增長。美國在2004年時就用biochar為標題詞發(fā)表論文，而中國在2008年后開始以biochar為標題詞發(fā)表論文。2014年后中國每年的發(fā)文量超過美國并成為該領域每年發(fā)文量最高的國家。2016年后中國在該領域發(fā)文累計量達到893篇，超過美國的發(fā)文量827篇，成為累計發(fā)文量最多的國家。2018年后WoS中biochar超過一半發(fā)文量來源于中國，表明中國在該領域學術潛力巨大且在該領域中已經(jīng)投入了相當多的科研力量。發(fā)文累計量最高的10個國家發(fā)文總數(shù)占總發(fā)文量的97.9%(表1)，中國發(fā)文累積量雖然最多，但被引數(shù)和印度接近，不及美國、澳大利亞等發(fā)達國家，說明相較于部分發(fā)達國家，中國發(fā)表文章的質(zhì)量仍然有待提高。

圖1 2000—2020年生物炭領域年度發(fā)文量

表1 發(fā)文累計量最高的10個國家

發(fā)文量超過100篇的機構共24家，這些機構共發(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家機構見表2，其中美國機構3家，中國機構有7家。中國科學院以絕對優(yōu)勢成為發(fā)文量第一的機構，發(fā)文量為781篇，在發(fā)文數(shù)量上遠超排第二名的美國農(nóng)業(yè)部(發(fā)文量為292篇)，但被引數(shù)比佛羅里達大學、浙江大學等4家機構低，其發(fā)文質(zhì)量仍有待提高。佛羅里達大學發(fā)文量排第八，TLCS和篇被引數(shù)排第一，表明在生物炭領域佛羅里達大學的學術影響力較大。中國機構應注重實驗設計的創(chuàng)新性，以產(chǎn)生高質(zhì)量的科研成果。

表2 發(fā)文累計量最高的10個機構

2.2 高產(chǎn)作者和高被引文章

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

表3 發(fā)文累計量最高的10位學者

繪制出生物炭前20被引的引文編年圖(圖2)，這些文獻發(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[16]、氣候變化[17]、增加作物產(chǎn)量[18]方面的作用。

美國佛羅里達大學農(nóng)業(yè)和生物工程系的高斌教授是生物炭研究領域的重要人物，其發(fā)表文章TLCS次數(shù)最高，他與全球18位學者有合作關系，近年來不斷產(chǎn)出高質(zhì)量文章。韓國高麗大學環(huán)境科學與生態(tài)工程系Ok,Yong Sik教授，目前在韓國生物炭研究中心工作，發(fā)文數(shù)量最多，達238篇，在污染土壤修復方面是引領人物，與全球34位學者有合作關系，該學者團隊發(fā)表了兩篇前10高被引論文。編號279文獻被引次數(shù)最高，該文獻作者是美國康奈爾大學的Lehmann, Johannes發(fā)表，該作者在高產(chǎn)作者中排第9位，他的論文[19]回顧了過去生物炭作為土壤改良劑的研究，指出生物炭對土壤微生物區(qū)系的部分影響，并指出之后研究可以深入認識生物炭與土壤微生物、動物和植物根系作用的具體機制。

表4 生物炭領域內(nèi)被引最多的10篇文獻

圖2 2000—2020年生物炭前20高被引論文關系圖譜

2.3 高產(chǎn)期刊和領域

文獻來源期刊共有917種，選出發(fā)文量前10名的期刊(表5)，其中5份出版國是荷蘭，3份是英國，2份是德國。而生物炭領域的第一本專業(yè)刊物Biochar由沈陽農(nóng)業(yè)大學主辦，2019年3月出版創(chuàng)刊號，該期刊是全英文季刊，創(chuàng)刊以來發(fā)表生物炭的專業(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域的學術影響力最大，其次是Chemosphere。從研究領域分析，大部分文章表現(xiàn)出明顯的交叉學科特征，29%的發(fā)文量屬于環(huán)境科學和生態(tài)學(environmental sciences ecology)，其次是農(nóng)業(yè)(agriculture，18%)和工程(engineering，15%)。

表5 生物炭領域內(nèi)發(fā)文量最多的10種期刊

2.4 研究重點和熱點

對關鍵詞進行分析時，篩選出20 a來出現(xiàn)頻次150次以上的詞語，得到101個結果，作聚類視圖分析，圓圈大小代表出現(xiàn)次數(shù)，連線代表共現(xiàn)關系，共4個聚類(圖3)。藍色聚類中出現(xiàn)主要關鍵詞為soil amendment(213次)、N2O emissions(158次)、microbial community(266次)、mineralization(259次)等，表明學界關注生物炭作為土壤改良劑的應用效果，并在改良的過程中將生物炭的應用與礦化過程、氣候變化、微生物群落等研究相關聯(lián)。紅色聚類中出現(xiàn)主要關鍵詞為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，表明學界使用生物炭作為污水處理的材料時關注溶液中有毒物質(zhì)的吸附，同時較多關注改性材料(如納米顆粒、磁性生物炭)的使用及相關吸附或還原機制研究。綠色聚類中出現(xiàn)主要關鍵詞為pyrolysis temperature(835次)、rice straw(161次)、sewage-sludge(446次)、wood(163次)、fast pyrolysis(191次)、slow pyrolysis(261次)等，表明科學家在研究制備生物炭時，考慮熱解溫度、熱解速率、原材料等因素的影響。黃色聚類中出現(xiàn)主要關鍵詞為heavy metals(1 193次)、cadmium(564次)、remediation(445次)、lead(339次)、immobilization(387次)、mobility(187次)等，表明學界近20 a來針對重金屬污染，不斷發(fā)掘生物炭的功能，試圖解釋生物炭作用時不同重金屬的遷移固定規(guī)律。

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

通過CiteSpace來探測某一關鍵詞興起和衰落的情況如表6，根據(jù)表中強度數(shù)值，可以評估某一關鍵詞出現(xiàn)的相對次數(shù)。分析得出，近年來的熱點是研究生物炭(biochar)各種功能的機理(如adsorption mechanism強度為2.86、functional group強度為5.67)、選擇性的制備[21](如manure-derived biochar強度為5.05)和改性生物炭(如magnetic biochar強度為4.3)以便能在環(huán)境中有更好地應用。根據(jù)表6中關鍵詞出現(xiàn)情況可知，近年來對生物炭吸附能力和機制、環(huán)境風險、氮循環(huán)的研究熱度增加。

每個圓圈代表一個關鍵詞，共101個關鍵詞，4個聚類；僅顯示300條連線圖3 2000—2020年生物炭關鍵詞共現(xiàn)關系

圖4 2020年文獻摘要部分術語密度

3 小結與討論

近20 a來生物炭領域文獻數(shù)量快速增加并具有持續(xù)增長的熱度和潛力。中國在生物炭方面的研究逐漸深入，2016年后中國的累計發(fā)文量一直保持世界第一，且與世界上50個國家有合作發(fā)文。中國在研究內(nèi)容和方法上與國際主流接近，但發(fā)文的篇被引次數(shù)仍有待提高，需深入本領域探求創(chuàng)新性。

中國科學院是發(fā)文量最大的機構，佛羅里達大學是發(fā)文質(zhì)量最高的機構。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，學者需要加強相互間交流以便發(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，是該領域發(fā)文的首選期刊。

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

表6 2000—2020年生物炭關鍵詞興盛

綜上，國內(nèi)外學者對生物炭的應用進行了許多研究，國內(nèi)起步晚，但后勁十足且偏向于實際應用，未來生物炭的研究應涉足多介質(zhì)復合污染的吸附研究、與植物和微生物聯(lián)合修復土壤，同時應加強對生物炭自身環(huán)境風險的研究，為環(huán)境應用提供足夠的實踐支持。