造紙行業碳排放研究現狀及發展趨勢可視化分析

何旭丹 李永智 賈學樺 張 亮 王煥松 程言君

（1.北京市科學技術研究院資源環境研究所，北京，100089；2.中國輕工業聯合會，北京，100037）

20 世紀80 年代開始，人們不斷通過煤炭、石油、天然氣等化石能源燃燒活動和工業生產過程及土地利用變化與林業等人為活動產生大量溫室氣體的排放，造成嚴重的大氣保溫效應導致全球變暖（氣候變化），即“溫室效應”，溫室氣體的排放簡稱“碳排放”。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次評估報告主要結論指出，從1880—2012 年的130 多年以來，顯示人類活動導致20 世紀50 年代以來50%以上的全球氣候變暖，碳排放引起全球氣候變暖、氣溫升高、海平面上升等環境惡化現象，對全球可持續發展及生態文明建設帶來嚴重威脅[1]，目前世界各國都積極參與碳排放的管控和減排目標。造紙行業作為全球的高耗能工業，為首先列入碳排放交易市場的產業之一，2016 年調查顯示造紙工業是世界第四大耗能工業[2]，約占世界總能源消耗的6%，直接產生的CO2約占工業的2%[3]，因此，造紙行業的碳減排活動對人類和自然的可持續發展及全球碳排放控制都有著至關重要的作用。

近年來，伴隨著市場紙張需求的增長將進一步加劇對能源的消耗及碳排放的增加，從而導致更加嚴重的環境問題，低碳經濟時代已成為21 世紀發展的新經濟模式，為應對全球氣候變化和能源安全問題，并在建立國際新秩序的過程中占據有利地位[4]，如何實現造紙行業的綠色低碳產業轉型及碳達峰碳中和目標正成為重要的研究主題，因此有必要對造紙行業的碳排放問題展開深入的研究。然而，目前缺乏在近幾十年時間內全球造紙行業碳排放研究的系統數據，因此對相關研究前沿、研究熱點及未來發展趨勢進行全面梳理。

文獻計量分析（學）方法是以文獻體系及計量特征為研究對象，采用數學和統計學的分類方法，繪制科學知識圖譜[5-7]，多視角跟蹤研究科學知識發展進程、分布結構和變化規律[8]，從而分析、評價及預測科技技術的研究發展方向的特征及規律，因此，本課題采用文獻計量學方法對1995—2022 年國內外造紙行業碳排放的研究進行系統總結，借助可視化分析軟件CiteSpace 揭示了該研究領域的研究現狀、熱點及發展趨勢，與傳統的文獻綜述相比，本課題用可視化的一種新瞬態模式分析方法從全球視角來對造紙行業碳排放在時間尺度上的發展進行回顧[9-10]，以便研究人員及時了解世界范圍內對該領域的研究現狀及發展趨勢，為科學研究人員和政策制定者開展科學合理的碳排放研究框架體系及系統等進一步提供參考、理論依據及指導。

1 研究設計

1.1 研究方法

為全面探析國內外造紙行業碳排放的發展前景及研究熱點，本課題使用CiteSpace 軟件對造紙行業碳排放相關文獻進行科學計量學分析。CiteSpace 軟件又稱“引文空間”，原理是利用科學計量學方法和數據信息可視化分析文獻中的關鍵信息及熱點，目前廣泛應用在科學計量學、信息科學、醫學等60 多個領域，是一種通過構建文獻合作信息和共現網絡對研究數據進行視覺化展示和描述趨勢的一款可視化分析工具[11]。利用CiteSpace繪制的各個科學知識圖譜，實現研究領域內的可視化，探析該研究領域在不同時期造紙行業碳排放研究的特征及熱點，多層面上推斷研究演變的途徑及未來趨勢。

1.2 數據來源

本課題以學術和文獻計量研究使用最廣泛覆蓋全球重要影響力的文獻數據庫之一的Web of Science 系統進行文獻檢索，包括SCI-EXPANDED 和SCCI。系統語言選擇“English”，為提高檢索與主題相關的準確性，檢索項設定為“paper pulp carbon emission”“paper making carbon emission”“pulp and paper carbon emission”或“pulp mills carbon emissions”，文獻類型選擇“核心合集”的所有文獻類型，檢索時間跨度設定為不限，經過數據符合性處理及CiteSpace 軟件對信息缺失、重復文獻進行精煉后共得到143篇文獻，文獻分布在1995—2022 年，設置TOP N 閾值為50，不進行其他裁剪計算。

2 結果分析

2.1 造紙行業碳排放研究特征概況

2.1.1 造紙行業碳排放研究發文分布

對1995—2022 年間發文數量進行分析統計，數據表明造紙行業碳排放的相關研究發文數量總體呈增長趨勢。圖1 為造紙行業碳排放研究發文記錄分布。根據如圖1 所示，20 世紀90 年代初已經有研究者開始關注造紙行業的碳排放問題，同時出現關于碳排放相應的研究成果，隨著全球氣候變化，近10 年來，該領域研究逐漸受到全球廣泛關注。1998 年，美國研究學者Ronald J Sutherland 對美國等發達國家氣候變化的碳排放（包括造紙行業的影響）最先提出研究論點，他表明在過去的20 年里，造紙行業作為能源密集型行業和大型能源用戶，經歷了實質性的技術進步，提高了整體的生產率，從長遠的角度看，技術具有突破的潛力，并可減少碳的排放，其次提高能源效率和促進環境清潔技術從而提高行業整體生產力，并尋求可替代能源[12]。21世紀初至今，關于該領域的研究日益受到各界學者的重視，隨年份的變化全球相關研究文獻數量也逐漸增加。

圖1 造紙行業碳排放研究發文記錄分布Fig.1 Distribution of carbon emissions research papers in paper making industry

2.1.2 造紙行業碳排放研究主要發文期刊分析

期刊作為傳播知識的載體，在促進學術交流與科學發展中起著重要作用，表1 列出了刊載該領域文章數量前10 名的期刊，包含管理科學、環境科學、材料科學、生態學、環境工程、工程技術、能源與燃料等類別，均為綜合性強的學科。刊載的期刊大多為頂級期刊，有一半在JCR 的Q1 分區，其中發文量最高的是《Energy Policy》，該期刊影響因子在6 以上。其他排行前10 名的期刊如《Resources Conservation and Recycling》 和《Journal of Cleaner Production》等的影響因子也均較高并達到9 以上，其中《Renewable & Sustainable Energy Reviews》較為突出，其影響因子已經高達14.982。這些期刊是具有影響力和權威性的國際專業期刊，表明隨著全球氣候嚴峻變化，越來越多的國家及地區的研究學者參與到該領域的研究中來，造紙行業碳排放研究受到了各界研究學者的關注。

表1 造紙行業碳排放研究發文量前10名的期刊Table 1 Top 10 journals on carbon emissions research in paper making industry

2.2 造紙行業碳排放研究方向與合作分析

2.2.1 主要發文國家及地區分析

本課題通過運用CiteSpace 軟件對WOS 中所篩取的文獻進行計量分析，探究造紙行業碳排放研究的發文國家合作特點。發文國家及地區分布網絡圖譜如圖2所示，共有20個國家和地區發表過相關文獻，除中國外主要為歐美發達國家和地區，這與目前全球的經濟文化發展格局相一致。圖譜中節點的大小代表發文量的多少，節點越大表示發文量越多，節點間連線的粗細體現合作相關程度的高低。

從圖2 中可以看到，中國的節點最大，在造紙行業碳排放研究中發文量超過20 篇。緊隨其后的是美國、瑞典和芬蘭，發文量也都超過10 篇。中國作為主要工業CO2排放國之一，近年來對于碳排放總量控制的要求愈發嚴格，并提出了碳中和與碳達峰的雙碳目標。隨著相關學者對造紙行業碳排放研究的日漸重視，該領域未來的發文量預計也將大量增加。同時，主要的發文國家及地區形成了以中國、美國、瑞典、芬蘭為核心，包括加拿大、奧地利、挪威、意大利、瑞士、葡萄牙和以色列等國家及地區的緊密合作網絡。相比之下，非洲、南亞和南美洲等地區的科研力量較為薄弱，工業發展水平也相對有限，所以對該領域的關注度不高。因此，除中國外，目前全球造紙行業碳排放研究的主要科研力量來源于以美國、瑞典為首的西方發達國家。

圖2 造紙行業碳排放發文國家及地區分布網絡圖譜Fig.2 Distribution network map of the publishing countries and regions in paper making industry

2.2.2 主要發文機構分析

針對全球造紙行業碳排放研究領域的科研機構進行梳理后，統計出截至目前全球發文量前10 名的研究機構，如表2所示。其中，發文量最高的科研機構是瑞典的查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology），發文量在10 篇以上。中國的科研機構發文量總和位居第一，并以高等院校為主。其中，華南理工大學（South China University of Technology）的發文量在全球位列第二，其在造紙行業碳排放領域的研究從2017年開始，研究成果相對較為前沿。中國、瑞典、美國和芬蘭等國家的統計數據說明，較大比例的科研力量都存于高等教育機構中。造紙行業在碳中和與碳達峰的推進過程中，離不開政府的政策支持與產業的技術革命，為了實現產學研全鏈條的創新，希望將來能有更多其他類型的機構廣泛參與到造紙行業碳排放的研究中。

表2 造紙行業碳排放研究排名前10名的科研機構Table 2 Top 10 Institutions of carbon emission research in paper making industry

圖3 為造紙行業碳排放最高引用突現值前10 名的機構分析。從圖3 可以看出，造紙行業碳排放研究的重心與關注度，從1995 年起至今，逐漸由歐美地區的研究機構向中國轉移，這也與近年我國對于全國各行業碳排放的控制強度和研究熱度的情況趨于一致。我國對碳排放的重視程度已經走在世界前列，隨著碳排放的研究在我國各行業逐步細分，預計全球造紙行業的碳排放研究在未來將更加向中國集中。

圖3 造紙行業碳排放最高引用突現值排名前10 名的科研機構Fig.3 Top 10 institutions with the strongest citation bursts in paper making industry

通過對造紙行業碳排放的科研機構進行可視化分析，可以看到節點數量為120，連線數量為93，密度為0.013，表明對造紙行業碳排放領域的研究機構數量較多，但相互之間的合作較為分散。圖4顯示出這些研究機構之間的合作關系，以及發文的時間和數量。從圖4 中可以看出，查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）的發文數量最多，時間周期跨度也相對較大，但其研究相對獨立；我國的華南理工大學（South China University of Technology）緊隨其后，發文數量較多，成果較新，與其他研究機構的合作也較為廣泛。

圖4 造紙行業碳排放科研機構可視化網絡圖譜Fig.4 Visualization of carbon emission research institutions in paper making industry

2.2.3 主要發文作者分析

通過對造紙行業碳排放研究的發文作者進行梳理歸納，表3列出了該領域發文量排名前五的作者及其發文篇數、國籍、所屬機構與研究范圍的關鍵詞。高產作者中以我國華南理工大學輕工科學與工程學院的李繼庚為首。從2013 年開始，李繼庚共發表5 篇文獻，代表了中國造紙行業碳排放領域科研發展的標志。發文量緊隨其后的是洪蒙納，同樣隸屬于華南理工大學輕工科學與工程學院，其在造紙行業碳排放領域發表的文章始于2019 年，研究成果走在了該領域的前沿。

表3 造紙行業碳排放研究排行前5 名的主要高產作者Table 3 Top 5 authors of carbon emission research in paper making industry

除中國學者外，芬蘭拉彭蘭塔工業大學的Esa Vakkilainen 與Katja Kuparinen，以及瑞典查爾姆斯理工大學的Johanna Jonsson，3 者分別發文4 篇，同樣位居該領域發文量排名前5。北歐國家對造紙行業碳排放研究的廣泛開展，體現了其對全球碳排放影響的重視與關注，其中瑞典在《巴黎協定》中承諾到2045年將溫室氣體（GHG）排放降至零。

另外，造紙行業碳排放研究領域的高產作者之間的合作較為突出，形成了一些作者協作團體。為更直觀地展現研究學者之間的合作關系，本課題采用CiteSpace 軟件生成了作者合作網絡圖譜，具體見圖5。其中，作者之間連接的線條越多代表合作的范圍越廣。

圖5 造紙行業碳排放研究作者合作網絡圖譜Fig.5 Map of cooperation network of carbon emission research authors in paper making industry

在圖譜中，合作范圍最為廣泛的是以我國華南理工大學輕工科學與工程學院為中心展開的團體，包含李繼庚（華南理工大學，中國）、洪蒙納（華南理工大學，中國）、滿奕（華南理工大學，中國），Lingbo Kong（加州大學伯克利分校，美國）等作者。他們主要是從中國造紙行業能源效率的提高潛力以及碳減排的可行措施入手進行深入研究。

2.2.4 共被引分析

通過對造紙行業碳排放領域的文獻進行共被引分析，本課題將造紙行業碳排放研究的知識基礎及演化脈絡進行了系統梳理，統計出了其高被引文獻，對該領域研究的關鍵性成果做了總結。在通過CiteSpace軟件生成的造紙行業碳排放研究文獻共被引網絡圖譜中，每一篇高被引文獻采用一個節點來表示，文獻的被引頻次用節點的大小來體現，節點越大代表文獻的被引頻次越高，具體見圖6。

圖6 造紙行業碳排放共被引文獻圖譜Fig.6 Co-citation literature map of carbon emission in paper making industry

此外，造紙行業碳排放的研究領域中，排在前10 名的高被引文獻的基本信息如表4 所示。結合共被引文獻圖譜與文獻信息，可以看到造紙行業碳排放研究領域的兩個重要成果。首先，造紙行業碳排放的定量與定性分析逐步得到了完善，通過對造紙行業技術與流程的研究，測算出造紙需求、能源消耗以及減排潛力，從而在固定資產投資結構、造紙行業生產結構和工業能源結構方面，為造紙行業碳減排提供了解決方案。其次，除了擴大節能技術的應用范圍外，在能源和物料利用效率的提升及材料的重復循環利用方面，為造紙行業有效提升減排效益提供了新的思路，促進了造紙行業碳減排目標的實現。

表4 造紙行業碳排放研究排行前10名高被引文獻Table 4 Highly cited references of top 10 keywords in carbon emission research of papermaking industry

2.2.5 造紙行業碳排放研究熱點主題分析

為了進一步研究造紙行業碳排放的知識結構，探尋該領域的研究熱點，本課題采用CiteSpace 軟件生成了造紙行業碳排放研究關鍵詞圖譜及其聚類圖譜，如圖7所示。關鍵詞共現關系可以通過關鍵詞聚類進行深化，從而計算出關系更加緊密的一組關鍵詞，展現出包含多組詞匯的主題聚類。從聚類圖譜的輸出結果可以觀測到聚類模塊值（Modularity）為0.6543，大于0.3，由此可知該聚類結果顯著。同時，聚類平均輪廓值（Mean Silhouette） 為0.8693，大于0.7，說明該聚類可信度較高。

圖7 造紙行業碳排放研究關鍵詞及聚類圖譜Fig.7 Keywords and clustering map of carbon emission in paper making industry

研究者們緊緊圍繞造紙行業和CO2排放展開研究，共形成了10 個關鍵詞聚類研究熱點。通過對這10 個聚類進行整理歸納分析，可以發現造紙行業碳排放研究領域共形成了三大熱點主題，分別從氣候影響與可持續發展導向、能源利用效率導向和碳排放處理導向進行了廣泛研究，下面將針對這三大主題進行逐一分析。

主題一：氣候影響與可持續發展導向的造紙行業碳排放研究

這個熱點主題包括聚類#1 CO2emissions、聚類#3 climate change 和聚類#9 sustainability 等，其中的主要關鍵詞有CO2emissions （CO2排放）、climate change（氣候變化）、environmental regulation（環境法規） 與life cycle assessment （全生命周期評價）等。碳排放對全球氣候變化的影響，在歐洲的許多發達國家早已得到廣泛關注，這些國家所采取的減少溫室氣體排放的措施也日益增多，其中所涉及的產業不僅有重工業，也涵蓋了造紙行業在內的各類輕工行業。發展中國家在碳排放方面的研究雖然起步相對較晚，但很快走在了這個領域的前沿，其中重視程度最高的是中國。中國是紙張生產與消費的大國，在造紙行業領域也應加快推廣低碳技術，開發清潔能源的使用，從而在總量上控制碳排放對氣候變化的影響。

主題二：能源利用效率導向的造紙行業碳排放研究

這個熱點主題包括聚類#5 green supplier selection、聚類#6 energy efficiency 與聚類#7 conserved energy 等，其中的主要關鍵詞有green supplier selection（綠色供應商選擇）、energy efficiency（能源效率）、energy saving（能源節約）與carbon reduction（碳減排）等。為了減輕碳排放對全球氣候變化的影響，造紙行業不僅需要找到更高效清潔的能源供給方案，以減少產業原材料端的碳排放量，同時也要兼顧生產的高效率運行和低處理成本。在過去的20 年間，西方發達國家研究出了多種可應用在造紙行業的，包括混合燃油在內的能源側技術革新，以降低每噸紙張產品的生產所需要消耗的化石燃料，從而減少碳排放的總量，并深入探討了新技術設備投資的激勵政策與造紙行業產品生產所帶來的碳排放量之間的關系。

主題三：碳排放處理導向的造紙行業碳排放研究

這個熱點主題包括聚類#2 CO2capture 與聚類#8 carbon capture 等，其中的主要關鍵詞有CO2capture（CO2捕獲）、negative CO2emissions（CO2負排放）、emission trade（排放交易）等。除了通過從生產源頭減少化石能源的消耗來降低碳排放量，在對產品生產末端產生的碳排放進行處理方面，造紙行業也已經有了較多的研究和積累。其中既有CO2捕獲和生物能儲存（BECCS）等技術革新，也有為實現化石能源利用相關的氣候目標，而探索的碳排放交易系統的政策措施。我國也一直在積極推進節能減排的多種發展路徑，并依據《巴黎協定》做出了2030 年碳達峰的承諾，切實履行作為世界上最大的碳排放國的義務和責任。在節能技術提升、碳排放有效利用、綠電交易制度等政策背景下，造紙行業碳減排有著良好的前景。

2.2.6 造紙行業碳排放研究知識演進分析

通過分析造紙行業碳排放研究熱點的演變趨勢，可以了解該領域未來的研究前沿。結合當今造紙行業碳排放研究的發展現狀，與運用CiteSpace 生成的Timezone時區圖譜，對造紙行業碳排放未來的研究趨勢進行了預測。

Timezone時區圖譜可以清晰地說明研究熱點的最新狀態以及彼此之間的關聯，從而展現出研究熱點隨時間變動而產生演變的情況，造紙行業碳排放關鍵詞Timezone 時區譜圖見圖8。如圖8 所示，造紙行業碳排放研究歷程分為3個階段。

圖8 造紙行業碳排放研究關鍵詞Timezone時區視圖Fig.8 Timezone view of carbon emission research in paper making industry

第一階段（1995—2000 年）：這一時期是造紙行業碳排放研究的起步階段，研究的主要對象是相關概念和理論，其中以CO2emission（CO2排放）為主導。由于這方面的研究主題在當時較新，各行業的專家和學者尚未達成統一共識，因此研究的集中度較低。其中，率先提出的是墨西哥國立自治大學的Sheinbaum教授，他針對墨西哥工業能源利用與碳排放影響的趨勢進行了研究，并重點分析了造紙、鋼鐵、制糖業等高耗能的產業中，碳排放與行業產出、結構變化和基礎燃料混合效果之間的關系。這段期間的研究表明，造紙行業與其他工業的碳排放走進了人們的視野，逐漸開始被關注和重視。

第二階段（2001—2010 年）：這段期間內造紙行業碳排放的研究熱點井噴式爆發，其中包括energy efficiency（能源效率）、climate change policy（氣候變化政策）、greenhouse gas emission（溫室氣體排放）和life cycle assessment（全生命周期評價）等。研究熱點的集中涌現，體現出造紙行業碳排放的研究步入了快速發展階段。隨著全球經濟的迅猛發展，造紙行業對能源的需求也大量增加，使得造紙行業的化石能源消耗成為了導致碳排放量上升的一個重要因素。以美國、丹麥、瑞典為首的西方各國學者，對造紙行業碳減排問題做了重點關注。這些國家已處于高度工業化的發展階段，對造紙行業碳排放展開研究刻不容緩。

第三階段（2011 年至今）：這一時期是造紙行業碳排放研究的階梯式上升階段，這段期間的研究熱點關鍵詞包括environmental management（環境管理）、system（系統）、economy（經濟）、CO2mitigation（碳中和）和carbon footprint（碳足跡）等。結合前一階段中的量化評估應用與產品全生命周期分析，以及新一階段中的碳足跡視角研究，學者們對造紙行業的節能潛力和環境效益進行了定量評估，為造紙行業碳減排的研究提供了理論支持。同時，造紙行業碳排放與環境管理和宏觀經濟之間的關系，也在這一階段中被深入研究和探討。

通過分析造紙行業碳排放研究的發展歷程可以看到，從研究主題的提出到因全球氣候變化而對這個領域關注度的提高，再到造紙行業碳排放研究定量評估的廣泛應用，隨著研究層次的逐漸深入，研究方法也經歷了從理論框架和因素分析，到背景研究和數據導向計量分析的轉變。

3 結 語

本課題以造紙行業碳排放研究現狀及發展趨勢可視化分析為主題，通過運用文獻計量分析CiteSpace軟件，對“Web of Science 核心合集”中（1995—2022年）的相關文獻進行可視化分析，在對研究文獻的主要來源期刊、主要發文國家及地區、主要發文機構、主要發文作者、共被引文獻、關鍵詞共現和時區視圖等圖譜和數據進行分析后，梳理并論述了造紙行業碳排放研究的背景特征概況、歷史研究主題以及未來研究導向。

3.1 在造紙行業碳排放研究的主要科研力量方面，中國與美國、瑞典和芬蘭等發達國家的學者及其研究機構形成了緊密的合作網絡，為該領域提供了大量的科研支持并貢獻了關鍵性的研究成果。其中，中國華南理工大學在發文量方面遙遙領先，成為了造紙行業碳排放研究的重要推動力，未來還可以進一步加強與企業等研究機構的合作，希望能有更多其他類型的機構廣泛參與到該領域的研究。

3.2 在造紙行業碳排放研究的熱點方面，可以總結為三大研究導向，分別為氣候影響與可持續發展導向、能源利用效率導向和碳排放處理導向的造紙行業碳排放研究。從1995年至今，造紙行業碳排放研究的熱點持續圍繞著碳排放、能源效率和氣候變化政策等問題，隨著研究層次的逐漸深入，研究方法由理論框架和因素分析，逐漸演變為背景研究和數據導向計量分析。