基于Web of Science的2000—2021年堆肥氨 揮發(fā)研究的文獻(xiàn)計(jì)量分析

陳 豹 李 丹 曹 云,3,4* 孫 倩,3,4 張 晶,3 徐躍定,3 黃紅英,3

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,南京 210095; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014; 3.江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210095; 4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210014)

堆肥是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化、無(wú)害化、減量化的有效手段。采用堆肥方法可以減少農(nóng)業(yè)廢棄物的最終產(chǎn)物臭氣、有毒物質(zhì)和病原菌,堆肥產(chǎn)物施入土壤可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物循環(huán)再利用。傳統(tǒng)堆肥有機(jī)氮的快速分解,不僅造成氮素?fù)p失,產(chǎn)生大量的氨等臭氣,而且降低了堆肥產(chǎn)物農(nóng)用價(jià)值,同時(shí)也造成嚴(yán)重的空氣污染[1]。在好氧堆肥過(guò)程中,約75%的氮會(huì)通過(guò)氣體排放的方式流失(包括NH3、N2O),而氮損失的98%主要以NH3形式排放[1]。

氨是PM2.5的主要貢獻(xiàn)者之一,還會(huì)導(dǎo)致水體的酸化和富營(yíng)養(yǎng)化,從而影響到生態(tài)系統(tǒng)和人類健康[2]。中國(guó)目前每年大約排放1 500萬(wàn)t的NH3(以純N計(jì)),農(nóng)業(yè)源氨排放量占總排放的90%左右,其中種植和畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放大約各半,畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放量略高[3]。堆畜禽廢棄物堆肥過(guò)程中的氨揮發(fā)對(duì)堆肥質(zhì)量、大氣環(huán)境以及水體污染有重要影響。

文獻(xiàn)計(jì)量法是一種定量分析方法,以科技文獻(xiàn)的各種外部特征作為研究對(duì)象,采用數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)描述、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)科學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[4]。Web of Science是由美國(guó)湯姆森科技信息集團(tuán)開發(fā)的期刊引文索引數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。基于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)計(jì)量分析可以聚焦該領(lǐng)域的整體發(fā)展情況,把握該領(lǐng)域的主要研究方向和研究熱點(diǎn),可為該領(lǐng)域的科研工作提供方向指引。Jin等[6]基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行可視化分析,闡明了生物水處理的演進(jìn)路徑。VOSviewer是基于數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)作者、期刊和機(jī)構(gòu)等進(jìn)行共現(xiàn)和聚類的可視化分析軟件,還可以用于構(gòu)建關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和熱度分析,以了解領(lǐng)域內(nèi)研究熱點(diǎn)[7]。而Citespace不僅可以用于分析數(shù)據(jù)的共現(xiàn)和聚類,還可以分析關(guān)鍵詞的突現(xiàn)情況,用于研究不同年限的研究熱點(diǎn)的演變過(guò)程[8]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于堆肥氨揮發(fā)的產(chǎn)生與影響因素、調(diào)控機(jī)理、控制技術(shù)等方面領(lǐng)域已開展了大量的研究[9-12]。已有針對(duì)氨揮發(fā)的綜述研究?jī)H限于土壤、稻田、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)源方面有相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)。堆肥作為農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化、資源化處理的重要處理方式,堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)調(diào)控的研究也受到了較多的關(guān)注。但是,該領(lǐng)域所發(fā)表的論文數(shù)量、國(guó)家、機(jī)構(gòu)和主要研究方向等方面卻少有報(bào)道,而且缺乏從宏觀尺度上對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行一個(gè)全面的分析。、因此,本研究擬以“composting or compost”、“ammonia or NH3”和 “emission or volatilization” 為主題詞,檢索Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù),整理并歸納堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn),應(yīng)用VOSviewer、Citespace等軟件進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析,從發(fā)文量、總被引頻次、篇均被引頻次等指標(biāo)分析堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系,篩選出的高被引論文、關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜和關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖,了解堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域相關(guān)研究的發(fā)展過(guò)程,明確該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向,以期為該領(lǐng)域研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)頁(yè)的高級(jí)檢索的檢索框內(nèi)輸入TS(主題)=((composting or compost) AND (NH3or ammonia) AND (emission or volatilization))。選擇文獻(xiàn)類型為(Article OR Review OR Proceedings Paper),對(duì)語(yǔ)種不做限制,檢索導(dǎo)出的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息為全記錄(包含作者、題目、來(lái)源、年份、摘要、關(guān)鍵詞、DOI號(hào)、被引頻次等信息和文章引用的參考文獻(xiàn)),時(shí)間2000年1月1日—2021年12月31日,檢索時(shí)間是2022年11月1日。共得到文獻(xiàn)942篇。

1.2 分析方法

將上述942篇文獻(xiàn)利用Web of Science自帶的分析檢索結(jié)果以及引文報(bào)告的功能進(jìn)行分析,主要涉及堆肥氨揮發(fā)國(guó)內(nèi)外發(fā)文量的變化趨勢(shì)、主要的研究機(jī)構(gòu)、重要期刊來(lái)源以及高被引文章等方面。使用VOSviewer(v.1.6.16)軟件對(duì)主要發(fā)文國(guó)家、機(jī)構(gòu)和學(xué)者合作關(guān)系進(jìn)行共現(xiàn)分析,圖譜中的圓圈節(jié)點(diǎn)面積的大小代表發(fā)文量的多少,圓圈越大表示發(fā)文量越多;節(jié)點(diǎn)間連線的粗細(xì)代表節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的強(qiáng)弱,線條越粗表示關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)[13]。圖譜中節(jié)點(diǎn)和線條的顏色是起到分類的作用,同一顏色的節(jié)點(diǎn)和線條,表明這些節(jié)點(diǎn)間有某些相似的特征;不同顏色的節(jié)點(diǎn)通過(guò)線條連接,表明二者具有合作關(guān)系或交叉關(guān)系。在使用VOSviewer軟件對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析之前,需要對(duì)軟件篩選出的關(guān)鍵詞進(jìn)行二次篩選,去除與堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域不相關(guān)的詞匯,以確保關(guān)鍵詞共現(xiàn)的準(zhǔn)確性。此外,在Citespace (v.6.1.R3)軟件中,分析20年間關(guān)鍵詞突現(xiàn)指標(biāo)所展現(xiàn)的各階段的研究熱點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量與發(fā)文國(guó)家合作關(guān)系統(tǒng)計(jì)

通過(guò)Web of Science的引文報(bào)告功能對(duì)7個(gè)主要發(fā)文國(guó)發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1)。可知:從發(fā)文時(shí)間來(lái)看,發(fā)文量在2012年之前數(shù)量較為平穩(wěn),2012年之后發(fā)文數(shù)量激增;從國(guó)家來(lái)看,中國(guó)總發(fā)文量362篇,占世界總發(fā)文量的38.4%,位居世界第一,遠(yuǎn)超位居第二位的美國(guó)(發(fā)文量137篇)。中國(guó)自2012年開始在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)文量快速增長(zhǎng),這主要與中國(guó)的畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的增加有關(guān)。早在1991年,中國(guó)肉類產(chǎn)量就已位列世界第一,并連年保持。畜禽糞便是農(nóng)業(yè)氨氣排放的主要來(lái)源。2005—2008年,中國(guó)每年NH3排放量約為1 020萬(wàn)t,美國(guó)和歐盟僅分別為340和376萬(wàn)t[14]。2013 年中國(guó)農(nóng)業(yè)NH3排放總量為1 193.92萬(wàn) t,較2004年提高了18.59%,而農(nóng)業(yè)廢棄物作為堆肥肥料,其在堆肥過(guò)程中的氨揮發(fā)自然受到廣泛的關(guān)注。可見(jiàn),中國(guó)科研人員對(duì)于堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的相關(guān)研究越來(lái)越重視,中國(guó)對(duì)世界堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展有著十分重要的貢獻(xiàn)。圖2是主要發(fā)文國(guó)家間的合作關(guān)系圖,可以看出,中國(guó)是該領(lǐng)域影響力最大的國(guó)家。線條的粗細(xì)反映合作的深度,中國(guó)與美國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞和印度等國(guó)合作較為密切。

圖1 國(guó)家堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)文量對(duì)比

節(jié)點(diǎn)的大小代表國(guó)家發(fā)文量的多少,節(jié)點(diǎn)間連線的粗細(xì)代表合作關(guān)系的緊密程度。 The size of node represents the amount of the country’s publication, and the thickness of the connection between nodes represents the closeness of the cooperative relationship.

2.2 主要研究機(jī)構(gòu)及其合作關(guān)系

堆肥氨揮發(fā)研究領(lǐng)域發(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)如表1所示。可見(jiàn)在10個(gè)主要發(fā)文機(jī)構(gòu)中,來(lái)自中國(guó)的機(jī)構(gòu)有6所,分別為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、西北農(nóng)林科技大學(xué)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院。因此,中國(guó)在堆肥氨揮發(fā)研究領(lǐng)域占有重要地位,是主要研究力量之一。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在該研究領(lǐng)域發(fā)表論文73篇,論文總被引頻次為3 172次,篇均被引頻次43.45次,發(fā)文量和總被引頻次均位列世界第一。西北農(nóng)林科技大學(xué)的篇均被引次數(shù)為51.76次,位于世界第一;其次是巴塞羅那大學(xué),雖然發(fā)文量較少,但篇均被引頻次為僅次于西北農(nóng)林科技大學(xué)(表1)。

表1 主要發(fā)文機(jī)構(gòu)在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的發(fā)文量、被引頻次與中介中心性

重要機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系如圖3所示。可見(jiàn):中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院和西北農(nóng)林科技大學(xué)3所機(jī)構(gòu)在合作網(wǎng)絡(luò)圖譜中占據(jù)主要位置,與美國(guó)的俄亥俄州立大學(xué),丹麥的哥本哈根大學(xué),西班牙的巴塞羅那自治大學(xué)等均有合作,但根據(jù)連線線條的粗細(xì)來(lái)看,上述3所機(jī)構(gòu)與國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)合作關(guān)系更為密切。機(jī)構(gòu)的中介中心性可以反映該機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)間的合作密切程度。在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的機(jī)構(gòu)中,中介中心性最高的機(jī)構(gòu)是中國(guó)科學(xué)院,緊跟其后的是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué);表明這些機(jī)構(gòu)研究成果在國(guó)際上有較高的影響力(圖3)。中介中心性最低的是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、日本國(guó)家農(nóng)業(yè)食品研究組織、法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究院,與其他機(jī)構(gòu)合作最少。西北農(nóng)林科技大學(xué)發(fā)文量排名第三,但中介中心性較低(僅0.03),需要加深與其他機(jī)構(gòu)的合作,融合多方思想,在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域產(chǎn)生更優(yōu)秀的成果(表1)。

2.3 堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域核心團(tuán)隊(duì)

圖4為研究人員間的合作關(guān)系圖譜,節(jié)點(diǎn)大小表示以該作者為第一作者的發(fā)文量的多少。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的李國(guó)學(xué)團(tuán)隊(duì)、西北農(nóng)林科技大學(xué)的張?jiān)鰪?qiáng)團(tuán)隊(duì)是堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域研究的領(lǐng)跑者,在該領(lǐng)域發(fā)文量均在30篇以上;李國(guó)學(xué)團(tuán)隊(duì)在2019年發(fā)表的文章中,通過(guò)在原料中混合10%(原料濕重)成熟堆肥,以減少氨等氣體的排放,氨氣排放量減少了58%[15];張?jiān)鰪?qiáng)團(tuán)隊(duì)2018年發(fā)表的文章通過(guò)添加黏土添加劑減少雞糞堆肥氨揮發(fā),并通過(guò)冗余分析得出C/N與有機(jī)質(zhì)對(duì)氨揮發(fā)有著顯著的關(guān)系[11];香港浸會(huì)大學(xué)的Wong Jonathan W.C.團(tuán)隊(duì)主要研究應(yīng)用不同調(diào)理劑如沸石、石灰等降低廚余垃圾堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)損失[16-17],該團(tuán)隊(duì)與中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所馬林團(tuán)隊(duì)合作較為緊密。

節(jié)點(diǎn)的大小代表作者發(fā)文量的多少,同色節(jié)點(diǎn)表明這些作者間的合作更緊密,可能來(lái)自同一團(tuán)隊(duì)。 The size of the node represents the number of published papers by the authors, and the same color nodes indicate that these authors cooperate more closely, possibly from the same team.

國(guó)外巴塞羅那自治大學(xué)的Font Xavier發(fā)文量較高,該團(tuán)隊(duì)注重通過(guò)改進(jìn)堆肥裝置以提高氨揮發(fā)的控制效果以及采用生命周期法分析農(nóng)林廢棄物堆肥處理過(guò)程污染物排放。該團(tuán)隊(duì)發(fā)表的2篇文章將堆肥與生物濾池相結(jié)合協(xié)同控制氨與揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的排放[18-19]。2009年該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次明確了有機(jī)固廢堆肥過(guò)程氨、CO2和VOC排放系數(shù), 并將排放系數(shù)與堆肥過(guò)程中能量與水分平衡相耦合[20]。雖然該團(tuán)隊(duì)合作發(fā)文量有13篇, 但在合作圖譜中并未發(fā)現(xiàn)該團(tuán)隊(duì),可能是因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)的合作較少。

圖4同一顏色的節(jié)點(diǎn)表明這些作者間的合作交流更緊密,有可能來(lái)自同一團(tuán)隊(duì):中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李國(guó)學(xué)團(tuán)隊(duì)與德國(guó)約翰·杜能研究所Schuchardt Frank團(tuán)隊(duì)、香港浸會(huì)大學(xué)Wong Jonathan W.C. 團(tuán)隊(duì)以及中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李季團(tuán)隊(duì)均有合作;英國(guó)班戈大學(xué)Chandwick David團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李國(guó)學(xué)團(tuán)隊(duì)、中科院遺傳發(fā)育所馬林團(tuán)隊(duì)等多個(gè)團(tuán)隊(duì)均有合作,合作研究?jī)?nèi)容注重畜禽糞污處理與還田利用過(guò)程的氮素?fù)]發(fā)損失[21-22]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李季團(tuán)隊(duì)雖然發(fā)文量不多,但與西北農(nóng)林科技大學(xué)張?jiān)鰪?qiáng)團(tuán)隊(duì)、中科院馬林團(tuán)隊(duì)等均有合作。總之,各團(tuán)隊(duì)之間較為分散,合作交流也以國(guó)內(nèi)為主,今后的研究工作中需要加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)間尤其是國(guó)際間交流與合作。

2.4 主要論文發(fā)表期刊

表2列舉了20年來(lái),堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的期刊。可見(jiàn)發(fā)文量最高的期刊是BioresourceTechnology,發(fā)文量為149篇,占世界總發(fā)文量的15.8%。同時(shí),其影響因子以及被引總頻次均位于第一,篇均被引頻次位居第二。BioresourceTechnology在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域具有較高的影響力,對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的作用;Chemosphere期刊雖然發(fā)文量較少,但其篇均被引頻次有76.88,排名第一,說(shuō)明在該期刊發(fā)表的堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的文章質(zhì)量高,影響力大;JournalofEnvironmentalQuality期刊雖然發(fā)文量不高,但其篇均被引頻次高,影響力位于前列。因此,在閱讀文獻(xiàn)時(shí),不光要關(guān)注高影響因子的期刊,還要注重綜合實(shí)力強(qiáng)的期刊,以便能全面認(rèn)識(shí)到堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)(表2)。

表2 堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)文量前10的期刊

2.5 堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域文獻(xiàn)共被引分析與高被引文章分析

對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行共被引分析可以快速找到領(lǐng)域內(nèi)具有影響力的文章,了解其在學(xué)術(shù)界的認(rèn)可度(圖5)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一篇文章,節(jié)點(diǎn)越大表明文章共被引頻次越多,節(jié)點(diǎn)顏色越淺,表明文章發(fā)文時(shí)間越近,節(jié)點(diǎn)外沿的紫色輪廓表示該文章具有較高的中介中心性。文章的中介中心性反映該文章在學(xué)術(shù)研究中所起到的重要作用,而文章共被引頻次則表示對(duì)該文章研究成果的認(rèn)可度。如圖5所示,列舉出了一部分最高共被引頻次的文章,Chan等[17]于2016年發(fā)表的文章具有最高的共被引頻次(共被引頻次71次,中介中心性0.21),創(chuàng)新性的利用沸石減少鳥糞石結(jié)晶除氨作用過(guò)程中電導(dǎo)率升高的問(wèn)題,提高了堆肥質(zhì)量。而Colon等[23]于2012年發(fā)表的文章具有最高的中介中心性(共被引頻次11次,中介中心性0.66)。Colon等[23]使用呼吸指數(shù)效率(RIE)作為新的功能單位,對(duì)處理城市固體廢物源頭分離設(shè)施的環(huán)境負(fù)擔(dān)進(jìn)行生命周期評(píng)估,對(duì)固廢處理研究、污染控制以及工程建造等,都具有較大的指導(dǎo)作用。

節(jié)點(diǎn)越大表明文章共被引頻次越多,節(jié)點(diǎn)顏色越淺,表明文章發(fā)文時(shí)間越近,節(jié)點(diǎn)外沿的紫色輪廓表示該文章具有較高的中介中心性。 The larger the node is, the more frequently the article is co-cited. The lighter the node color is, the closer the publication time of the article is. The purple outline along the outer edge of the node indicates that the article has a higher intermediate centrality.

通過(guò)分析高被引文章,可以掌握堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),為未來(lái)的研究提供指引。根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外在堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究可以分為2個(gè)階段:1)起步階段(2000—2011年),該階段發(fā)文量少,但被引頻次高,為后續(xù)堆肥氨揮發(fā)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。表3列舉的2000—2011年間高被引文章,主要涉及堆肥原料(生活垃圾、污泥[24]和糞便[25]等)、理化性質(zhì)(溫度[24-25]、C/N[26]、含水率[27]、pH[25])、曝氣量[9,26]和堆肥規(guī)模[28]、堆肥裝置(增加堆肥氣體和冷凝液回流捕集裝置)[29]和外部環(huán)境[30]對(duì)堆肥氨揮發(fā)的影響。Amon、Steiner、Pagans和Jiang發(fā)表的文章在2012年后被引頻次快速上升。其中被引頻次最高的是Amon等[9]于2006年發(fā)表的關(guān)于減少奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)糞污氨揮發(fā)及溫室氣體排放的幾種處理方案,認(rèn)為保證堆肥有充足的氧氣可以減少氨揮發(fā)量。Steiner等[31]發(fā)現(xiàn)在家禽糞便中添加生物炭減少堆肥氨揮發(fā)。Pagans等[24]提出高溫是保證好氧堆肥質(zhì)量的關(guān)鍵,高溫期溫度與氨排放呈指數(shù)相關(guān),為減少氨揮發(fā)的堆溫調(diào)控提出了方案。Jiang等[27]探討了堆肥碳氮比,通氣速率,水分含量對(duì)堆肥氨揮發(fā)和溫室氣體排放的影響,提出高通氣速度和低碳氮比會(huì)增加氨排放。2)快速增長(zhǎng)階段(2012—2021年),表3列舉的2012—2021年間高被引文章,主要涉及堆肥添加劑對(duì)堆肥氨揮發(fā)的影響,添加劑包括:鳥糞石[17]、生物炭[31-33]、麥飯石[34]、磷石膏和過(guò)磷酸鈣[27]、膨松劑[35](秸稈、鋸末等)。其中,總被引頻次最高的是Chan等[17]于2016年發(fā)表的關(guān)于添加沸石和鳥糞石,降低電導(dǎo)率值,減少堆肥氨揮發(fā)的文章。早在2001年,韓國(guó)國(guó)立金烏工科大學(xué)的Jeong等[36-37]發(fā)現(xiàn)向堆肥中添加鎂和磷鹽,會(huì)與堆肥過(guò)程產(chǎn)生的氨形成鳥糞石晶體,起到氨減排(減少了40%的氨損失)和固氮的作用。但鹽的添加使肥料鹽度過(guò)高(EC>6 mS/cm),不利于非耐鹽作物生長(zhǎng)[38]。而Chan等[17]利用沸石可降低堆肥中鹽分的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合鳥糞石固氮和調(diào)節(jié)pH的能力,有效地降低了鹽度(EC=2.82 mS/cm),提升了堆肥質(zhì)量[19],為鳥糞石在堆肥氮保存和氨減排的實(shí)際應(yīng)用上做出了較大的貢獻(xiàn),為后續(xù)探究鳥糞石的應(yīng)用提供了新思路(例如Wang等[16,38]發(fā)現(xiàn)添加石灰與鎂和磷鹽形成的鳥糞石,同樣可以起到降低鹽度,調(diào)節(jié)pH的作用),這可能是其總被引頻次高的原因。總被引頻次第二的文章是Wang等[34]于2016年發(fā)表的,在豬糞堆肥中添加10%麥飯石,減少了48.76%的堆肥氨損失,提高了堆肥質(zhì)量。這種新型堆肥添加劑被用于減少堆肥氨揮發(fā)取得了良好的效果。這些2012—2021年間總被引頻次排名靠前的10篇文章中,有7篇是關(guān)于堆肥添加劑對(duì)堆肥氨揮發(fā)的影響。可見(jiàn)這些年堆肥添加劑對(duì)堆肥氨揮發(fā)的研究已成為了研究熱點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注。

2.6 堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

2.6.1堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞的引用突現(xiàn)可以反映研究熱點(diǎn)的演變過(guò)程,捕捉到學(xué)科間交叉的跡象[40]。通過(guò)VOSviewer軟件設(shè)置關(guān)鍵詞最少出現(xiàn)次數(shù)為50次,最終得到34個(gè)關(guān)鍵詞形成的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜,結(jié)果見(jiàn)圖6。通過(guò)Citespace軟件繪制的關(guān)鍵詞引用突現(xiàn)如表4所示。由關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜可見(jiàn): “composting”出現(xiàn)次數(shù)最多,出現(xiàn)了276次;其次是“ammonia”,出現(xiàn)次數(shù)262次。“gaseous emissions”,“pig manure”,“ammonia emissions”和“sewage sludge”出現(xiàn)頻次都排在前列,而且這些關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng),表明畜禽糞便、污泥中氣體排放是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。利用VOSviewer將堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵詞劃分為3個(gè)聚類。主要涉及堆肥原料、堆肥氨揮發(fā)控制技術(shù)(包括添加劑如生物炭以及工藝調(diào)控如通風(fēng))、堆肥氨揮發(fā)的影響因素與減控機(jī)理。第一個(gè)聚類(紅色)除去部分檢索關(guān)鍵詞后,主要涉及堆肥原料和堆肥添加劑等物質(zhì),包括的關(guān)鍵詞有豬糞(pig manure)、餐廚垃圾(food waste)、家禽糞便(poultry manure)、污泥(sewage sludge)、生物炭(biochar)、城市固體廢棄物(municipal solid waste)等;第二個(gè)聚類(藍(lán)色)除去部分檢索關(guān)鍵詞后,主要涉及堆肥過(guò)程中氨揮發(fā)與溫室氣體、與其他污染物的協(xié)同減排研究,包括的關(guān)鍵詞有甲烷(methane)、氨氣(NH3)、氧化亞氮(N2O)、溫室氣體(greenhouse gase)、重金屬(heavy mentals)等;第三個(gè)聚類(綠色)除去部分檢索關(guān)鍵詞后,主要是氨揮發(fā)控制機(jī)理與影響因素的研究,主要包括一些氮元素循環(huán)相關(guān)的關(guān)鍵詞,硝化作用(nitrification)、氨揮發(fā)(ammonia emissions)、溫度(temperature)等。上述關(guān)鍵詞均是2000—2021年間堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)越大表明關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次頻次越多,同色節(jié)點(diǎn)間為一個(gè)聚類。 The larger the node is, the more frequent the keyword appears. The same color nodes are regarded as one cluster.

為了明確不同時(shí)間段的研究熱點(diǎn),將時(shí)間軸劃分為2部分:第一部分,2000—2010年,氨揮發(fā)(ammonia volatilization)與生物過(guò)濾(biofiltration)具有較強(qiáng)的突現(xiàn)強(qiáng)度,且突現(xiàn)時(shí)段從2000年持續(xù)到2012年(表4)。生物過(guò)濾技術(shù)具有處理惡臭化合物和揮發(fā)性有機(jī)化合物的作用,可以用于減少堆肥氨排放,并已有了廣泛的應(yīng)用[40-41]。溫度(temperature)、氣體排放(gas emission)和土壤(soil)是該時(shí)間段排名第3、4、5名的關(guān)鍵詞,溫度是氨揮發(fā)的重要影響因素,其他氣體的排放與氨揮發(fā)一起受到了關(guān)注,土壤氨揮發(fā)也是氨揮發(fā)領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[5]。2005年,突現(xiàn)關(guān)鍵詞中出現(xiàn)了16S核糖體核糖核酸(16sribosomalRNA),表明在該時(shí)間段分子生物學(xué)技術(shù)被引入該領(lǐng)域[42]。已有研究希望從基因?qū)用娣治霭睋]發(fā)機(jī)理,控制氨揮發(fā)關(guān)鍵基因的表達(dá);第二部分,2011—2021年,氨氣(NH3)、氧化亞氮(N2O)、生物炭改良劑(biochar amendment)、生物炭(biochar)等突現(xiàn)強(qiáng)度最高,突現(xiàn)強(qiáng)度大于7,說(shuō)明生物炭作為改良劑減少氨揮發(fā)與溫室氣體排放這一課題引起了研究學(xué)者們的興趣。生物炭的突現(xiàn)時(shí)間最近,突現(xiàn)強(qiáng)度高,是近幾年的主要研究熱點(diǎn)。

2.6.2堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

生物炭是通過(guò)生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的穩(wěn)定富氮物質(zhì),有良好的NH3吸附潛力。近五年生物炭減少堆肥氨揮發(fā)的高被引文章中, He等[43]研究了不同生物炭類型和顆粒大小對(duì)堆肥氨排放的控制效果,發(fā)現(xiàn)稻草生物炭由于具有更多的C—O和C=O,比竹炭具有更好的氨減排效果,粉末狀生物炭比顆粒狀生物炭暴露更多反應(yīng)性官能團(tuán),更利于控制氨揮發(fā)。Chen等[44]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭相比于竹炭,木炭等其他生物炭具有更高的表面積、孔體積、總酸性官能團(tuán)和CEC,具有更高的氨吸附性能,因此具有更高的氨減排效果。Wang等[45]研究了生物炭與沸石、木醋的協(xié)同堆肥效果,提出10%生物炭+10%沸石+2%木醋協(xié)同堆肥相比其他處理組更有利于縮短堆肥時(shí)間,減少氨排放(減少74.32%)。Chen等[46]發(fā)現(xiàn)雞糞生物炭和雞糞集成微生物聯(lián)合體(CMMC)作為共同改良劑對(duì)氨揮發(fā)具有顯著的控制效果(減少24.2%～56.9%)。目前,已有研究通過(guò)從生物炭類型、物理特性、化學(xué)特性以及與其他改良劑協(xié)同等方面研究對(duì)堆肥氨揮發(fā)的減排效果。通過(guò)整合最優(yōu)物理化學(xué)性質(zhì)和最佳協(xié)同改良劑,探索出理想生物炭材料用于氨吸附或許是今后需要探索的方向。

對(duì)生物炭等各種調(diào)理劑固定的氨氮的穩(wěn)定性,以及堆肥產(chǎn)品用于農(nóng)田過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程與微生物學(xué)調(diào)控機(jī)制有待于做進(jìn)一步研究;此外,現(xiàn)有開發(fā)的調(diào)理劑大多為一次性使用,成本高,今后低成本、綠色、易回收利用的調(diào)理劑的研發(fā)可作為未來(lái)堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)研究前沿。

現(xiàn)有的研究多數(shù)集中于含氮?dú)怏w或重金屬、抗生素與抗性基因等單因素污染物的治理,少數(shù)研究涉及到多種不同性質(zhì)的污染物協(xié)同減排,如氨揮發(fā)與重金屬鈍化協(xié)同治理研究[34,47-48]。但堆肥過(guò)程中排放的CH4、N2O等溫室氣體、含硫臭氣以及殘留的抗生素與抗性基因等,均是堆肥過(guò)程需解決的共性關(guān)鍵問(wèn)題。如何將這些污染物綜合考慮,進(jìn)行協(xié)同控制是一個(gè)待突破的研究難題,應(yīng)該是未來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

3 結(jié) 論

本研究對(duì)Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)2000—2021年堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析,主要結(jié)論如下:

1)二十年來(lái),堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的發(fā)文量逐年增長(zhǎng),說(shuō)明堆肥氨揮發(fā)問(wèn)題越來(lái)越受到廣泛重視。中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)文量居于首位;中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),中國(guó)科學(xué)院,西北農(nóng)林科技大學(xué)是主要研究機(jī)構(gòu)。研究核心力量有中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的李國(guó)學(xué)團(tuán)隊(duì)和西北農(nóng)林科技大學(xué)的張?jiān)鰪?qiáng)團(tuán)隊(duì)。然而,團(tuán)隊(duì)之間尤其與國(guó)際同行之間合作交流不夠,今后的研究工作中需要加強(qiáng)。

2)原料、氨揮發(fā)控制技術(shù)、氨揮發(fā)影響因素與減控機(jī)理是堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。原料對(duì)象包括畜禽糞便、污泥;氨揮發(fā)控制技術(shù)側(cè)重于堆肥添加劑如生物炭以及工藝調(diào)控如通風(fēng)、以及生物濾池等;氨揮發(fā)的影響因素主要包括外界環(huán)境條件和物料自身理化性質(zhì)。

3)堆肥氨揮發(fā)領(lǐng)域的研究前沿主要有以下3個(gè)方面:一是圍繞低成本、綠色、易回收利用的調(diào)理劑的研發(fā);二是生物炭等各種調(diào)理劑固定的氨氮的穩(wěn)定性,以及在后續(xù)農(nóng)田利用過(guò)程中氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程與微生物學(xué)調(diào)控機(jī)制;三是堆肥過(guò)程中氨氣與溫室氣體、含硫臭氣、重金屬、抗生素與抗性基因等不同性質(zhì)污染物的協(xié)同控制。