農作物秸稈肥料化利用研究文獻計量分析*

薛穎昊，馮浩杰，孫仁華，胡瀟方，李曉陽，徐志宇※

（1.農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125；2.山東農業大學資源與環境學院，泰安 271018）

0 引言

我國是世界上最大的農業國之一，擁有豐富的秸稈資源。全國第二次污染源普查結果顯示，我國秸稈資源產生量為8.05億t，可收集的秸稈資源量為6.74億t，秸稈利用量為5.85億t[1]。肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩步推進，原料化和基料化為輔的秸稈綜合利用格局基本形成[2,3]。目前，秸稈肥料化是最快捷、最大批量處理剩余秸稈的有效利用途徑，按照技術模式主要分為直接還田（翻壓還田、覆蓋還田等）和間接還田（過腹還田、堆漚還田等）兩大類[4-6]；其中直接還田基本實現了以機械化為主的還田方式。2019年全國秸稈機械化還田面積為0.546億hm2(8.19億畝)，比2016年同比提高13.75%。

在綠色農業發展的要求下，我國未來農業發展需要走低投入、低消耗、低排放和高效率的循環農業道路[7,8]，對秸稈肥料化利用來說是一個巨大的機遇和挑戰。此外，秸稈肥料化利用也是實現化肥施用零增長、保證糧食穩產增產、助力碳中和碳達峰的重要措施之一[9,10]。秸稈堆肥生產的有機肥在小麥、大豆、蔬菜等作物上均具有良好的增產效果，減少了養分淋溶損失、提高了肥料利用率[11-13]。尹華軍等定量評估了秸稈養分投入對化肥替代的貢獻率，理論上28.92%、98.86%的秸稈還田率能完全替代鉀肥與磷肥的有效施用量，而全量秸稈還田可替代87.22%的氮肥有效施用量[14]。以我國95項田間試驗數據（n=446）為基礎的分析結果表明，秸稈直接還田顯著提高了土壤有機碳含量，平均增幅為13.97%[15]。

雖然已有綜述報道了秸稈肥料化利用的研究進展，但采用文獻計量學方法系統研究秸稈肥料化發展現狀和研究熱點的文獻相對較少。在過去的十幾年間，國內外學者在秸稈肥料化利用領域做了大量的研究工作，發表了大量的論文及論著。文章以Web of Science核心集數據庫和中國科學引文數據庫為數據源，檢索1999—2019年國內外有關秸稈肥料化利用的論文文獻，對發文量、作者、機構等計量對象進行分析，系統總結秸稈肥料化利用領域的發展態勢；借助關鍵詞共現分析的可視化描述凝練研究前沿與熱點問題，以期為研究者了解國內外秸稈肥料化利用的發展過程和程度以及未來的研究方向提供參考和借鑒。

1 數據的獲取與處理

1.1 研究數據來源

該文數據來源于Web of Science核心合集數據庫（SCI-Expanded數據庫）和中國科學引文數據庫（CSCD數據庫），針對文獻的篇名、摘要和關鍵詞進行檢索，中文文獻圍繞“秸稈”“還田”“生物質炭”等主題詞的59個變形詞或同義詞制定檢索式，英文文獻圍繞“straw”“straw-returning”“biochar”等主題詞的76個變形詞或同義詞制定檢索式。檢索時間跨度為1999年至2019年，檢索文獻類型為秸稈肥料化利用的所有文獻類型，檢索時間為2019年10月。經過篩選，刪去與主題詞無關的文獻，最終得到SCI-E論文8 580篇，CSCD論文5 128篇。

1.2 數據可視化

利用網絡數據可視化和分析工具Gephi V0.9.2開展高頻關鍵詞聚類分析與可視化展示。在聚類網絡視圖中，節點代表關鍵詞，節點大小代表關鍵詞的出現頻率；節點之間連線的粗細代表不同關鍵詞共同出現的次數，連線越粗代表共同出現的次數越多；節點的顏色層次代表不同的研究前沿領域，聯系緊密的關鍵詞被歸為同一研究前沿熱點。

2 結果與分析

2.1 近20年秸稈肥料化利用領域論文發表趨勢

如圖1所示，近20年來秸稈肥料化利用領域的發文總量和中英文發文量的變化趨勢基本一致，整體呈不斷增長趨勢（2019年數據在獲取時并非全年完整數據，因此暫不列入參考）。外文文獻主要分為兩個階段，第一階段1999—2005年，英文文獻發表數量呈緩慢上升階段，發文數量從207篇增加至227篇；第二階段2006—2018年，英文文獻發表數量進入持續快速增長階段，年發文量由304篇增加至1197篇，年均增長率為21.0%。中文文獻主要分為兩個階段，第一階段1999—2015年，中文文獻發表數量呈快速增長趨勢（除2007和2013年外），年發文量從19篇增加至470篇，截止2015年中文文獻發文量占中英文發文總量的44.6%，比1999年提高了36.2%；第二階段2016—2018年，中文文獻發表進入穩定階段，年發文量在440篇左右波動。

圖1 近20年秸稈肥料化利用領域論文發表趨勢

2.2 中英文發文主要機構

秸稈肥料化利用相關中文文獻發表數量排名前10的機構及其發文情況如圖2所示，其中包括7所農林類高校，2個研究所以及1個國家重點實驗室。排名前10位的高產機構共發表中文文獻2 241篇，占統計范圍內中文總發文量的43.7%。西北農林科技大學（469篇）發文量最多，占中文發文總量的9.1%。此外，還有4個機構的發文量在200篇以上，分別是南京農業大學、甘肅農業大學、中國農業大學和中國科學院南京土壤研究所，發文優勢明顯。

圖2 秸稈肥料化利用中文發文量前10的機構

圖3顯示了秸稈肥料化利用相關英文文獻發表數量最高的10個研究機構及其發文情況。英文文獻發表數量排名前10的高產機構中有4所大學和6個科研院所。其中中國研究機構有6個，表明國內秸稈肥料化利用相關研究在國際上的影響力逐步擴大。排名前10的高產研究機構中，中國科學院（637篇）、美國農業部農業研究中心（ARS）（521篇）發文量均超過了500篇，其余研究機構發文量130～260篇，與前兩位研究機構發文量差距較大，說明這兩家機構在秸稈肥料化研究領域處于領先地位。

圖3 秸稈肥料化利用英文發文量前10的機構

2.3 中英文發文主要研究者

統計范圍內，秸稈肥料利用領域近20年來中文發文量排名前10的高產作者及其發文情況見表1。排名前10的高產作者發文量為537篇，占統計范圍內發文總量的10.5%。這12位高產作者分別來自8個機構，其中甘肅農業大學有3位高產作者，南京農業大學有2位高產作者。發文量在40篇以上的作者共有7位，甘肅農業大學的張仁陟（73篇）和吉林農業大學的竇森（55篇）兩位的發文量超過了50篇，優勢明顯。

表1 秸稈肥料化利用中文發文量前10的作者

表2反映了秸稈肥料化利用近20年來英文發文量排名前10位的高產作者及其發文情況。排名前10位高產作者發文量為393篇，占統計范圍發文總量的4.6%。發文量在30篇以上的作者共有5位，其中來自俄亥俄州立大學（Ohio State University）的Lal發文量高達83篇，在秸稈肥料化利用領域發文量遙遙領先；余下4位分別是阿德萊德大學（The University of Adelaide）的Marschner、卡塞爾大學（University of Kassel）的Joergensen、法國農業科學研究院（INRA）的Recous和中國科學院的吳金水。

表2 秸稈肥料化利用英文發文量前10的作者

2.4 中英文高被引論文

表3是秸稈肥料化利用領域被引用頻次排名前10位的中文文獻。從研究機構來看，3篇來自中國農業大學，3篇來自中國農業科學院，2篇來自山東農業大學，說明了中國農業大學和中國農業科學院在秸稈肥料化利用領域的地位。從發表的文章類型來看，研究論文有7篇，綜述文章有3篇，說明在秸稈肥料化領域大多以針對性的科學研究為主。在10篇高被引文章中，被引次數最高的文章是韓魯佳的《中國農作物秸稈資源及其利用現狀》，總被引次數高達1 566次。其次是徐陽春的《長期免耕與施用有機肥對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響》，總被引次數為1 210次。

表3 秸稈肥料化利用被引頻次前10的中文文獻

表4是秸稈肥料化利用領域被引用頻次排名前10的英文文獻。從發表的文章類型來看，研究論文有5篇，綜述文章有5篇，引用次數排名前3位的均是綜述文章，說明秸稈肥料化領域中綜述性論文具有較好的引領性作用。引用排名前10的論文中，被引頻次最高的是Lal的《Soil carbon sequestration to mitigate cli-mate change》，被引頻次為1 673次；其次是Kalbitz的《Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: A review》，被引頻次是1 495次。

表4 秸稈肥料化利用被引頻次前10的英文文獻

2.5 主要期刊來源分析

CSCD數據庫中秸稈肥料化利用相關文獻發表數量排名前10的中文期刊見表5。這10種期刊總發文量為2 013篇，占統計范圍內發文總量的39.26%。其中發文量最多的期刊是《農業工程學報》，共發表秸稈肥料化利用相關文獻241篇，占總發文量的4.70%，總被引次數3 562次，位居所有期刊第一位。此外，《中國農業科學》期刊發文量為174篇，排名第9位，但單篇平均被引次數（18.9次）和總被引次數（3 290次）分別位居第1位、第2位。從統計數據看，秸稈肥料化利用相關文獻發表數量排名前10的中文期刊主要集中在土壤學、生態學和環境等領域。

表5 秸稈肥料化利用發文量前10的中文期刊

表6為Web of Science核心合集數據庫秸稈肥料化利用相關文獻發表數量排名。排名前10的期刊總發文量為2 288篇，占統計范圍內發文總量的26.67%，平均影響因子5.359。其中發文量最多的期刊是Soil and Tillage Research，共發表秸稈肥料化利用相關文獻488篇，期刊近5年影響因子為6.368，總被引次數位居第一。Soil Biology and Biochemistry期刊近5年影響因子為8.312，近5年影響因子、單篇平均被引次數和H指數以絕對優勢排名第一，說明該期刊在秸稈肥料化利用領域具有較高的學術價值和影響力。此外，期刊Agriculture Ecosystems and Environment發文量雖然位居第6，但單篇平均被引次數排在第2位（42.0次）。

表6 秸稈肥料化利用發文量前10的英文期刊

2.6 中英文文獻研究熱點

對1999—2019年發表的中英文論文關鍵詞進行提取、清洗、整理與統計，其中中文文獻選取詞頻在25次及以上的100個高頻關鍵詞，英文文獻選取詞頻在27次及以上的177個高頻關鍵詞，通過聚類分析研究高頻關鍵詞的共現關系，分析秸稈肥料化利用領域的研究熱點。

2.6.1 中文文獻研究熱點

圖4顯示了近20年中文文獻高頻關鍵之間的共現網絡關系。結果顯示7個秸稈肥料化利用研究熱點領域的中心關鍵詞分別是產量、土壤有機碳、秸稈覆蓋、土壤養分、堆肥、氮磷、微生物多樣性。其中最大的研究熱點聚類是耕作方式對作物產量、品質及經濟效益等影響的相關研究（紫色區域），中心關鍵詞是產量，包含耕作方式、冬小麥、水分利用效率、水稻、夏玉米等25個高頻關鍵詞；其次是秸稈還田、長期施肥等對土壤有機碳等特性的影響作用研究（綠色區域），中心關鍵詞是土壤有機碳，包含長期施肥、微生物量碳、溫室氣體、土壤團聚體等13個高頻關鍵詞。在我國秸稈綜合利用政策的支持和推動下，秸稈肥料化利用面積逐年增大，但如何通過配套的栽培、耕作等農藝措施減弱秸稈還田可能產生的負面影響，實現培肥土壤、作物穩產增產的目標，一直是學者們關注的重點研究內容。此外，在“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的國家戰略背景驅動下，秸稈肥料化利用的固碳效應、溫室氣體減排效應等方面的研究也將持續成為學者們的研究重點。

圖4 秸稈肥料化利用中文文獻高頻關鍵詞共現知識圖譜

2.6.2 英文文獻研究熱點

通過聚類分析方法分析了近20年高頻關鍵詞在英文文獻中的共現關系（圖5）。結果表明：關于nitrogen、biochar、yield、residue management、 no-tillage、 bacteria/fungi等問題是英文文獻秸稈肥料化利用領域長期研究的6個熱點。與中文文獻不同，英文文獻主要研究熱點關鍵詞出現的頻率差異較小，關鍵詞之間的聯系更加緊密。其中最大的研究熱點聚類是秸稈還田相關的土壤有機質、土壤微生物等問題的相關研究（紫色區域），包含nitrogen、soil organic matter、 decomposition、 soil、 dynamics、carbon等17個高頻關鍵詞；其次是秸稈生物炭對甲烷、一氧化二氮等氣體排放影響的相關問題研究（綠色區域），中心包含 biochar、 nitrous oxide、 rice、 methane、paddy soil、greenhouse gas等16個高頻關鍵詞。與中文文獻相比，英文文獻研究熱點更偏重于秸稈肥料化利用的生態環境效應領域。

圖5 秸稈肥料化利用英文文獻高頻關鍵詞共現知識圖譜

2.7 中英文文獻研究前沿

對2016—2019年發表的中英文論文關鍵詞進行提取、清洗、整理與統計，中文文獻選取詞頻在5次及以上的143個高頻關鍵詞，英文文獻選取詞頻在11次及以上的147個高頻關鍵詞，通過聚類分析研究高頻關鍵詞的共現關系，分析秸稈肥料化利用領域的研究前沿。

2.7.1 中文文獻研究前沿

利用2016—2019年高頻關鍵詞在中文文獻中的共現關系，分析秸稈肥料化利用領域的研究前沿（圖6）。秸稈肥料化利用領域中文文獻主要有7個研究前沿的聚類。聚類1（紫色區域）：以產量為主，涉及秸稈覆蓋、耕作方式等對作物產量、品質及經濟效益等影響的相關研究，包括秸稈覆蓋、耕作方式、土壤水分等34個節點；聚類2（綠色區域）：以土壤有機碳為主，涉及秸稈還田、長期施肥等對土壤有機碳等特性的影響作用研究，主要包括長期施肥、土壤團聚體、溫室氣體等21個節點；聚類3（天藍色區域）：以生物炭為主，涉及秸稈生物炭吸附以及熱解等問題的相關研究，包括土壤理化性質、重金屬、硝態氮等14個節點；聚類4（橙色區域）：以土壤養分為主，涉及秸稈還田相關的土壤微生物研究，包括土壤微生物、土壤酶活性、有機物料等11個節點；此外還包括3個小的聚類，中心關鍵詞分別是堆肥（紅色）、水稻（灰色）、稻草還田（深綠色）。

圖6 秸稈肥料化利用中文文獻研究前沿關鍵詞共現知識圖譜

2.7.2 英文文獻研究前沿

通過聚類分析2016—2019年高頻關鍵詞在英文文獻中的共現關系，描述英文研究前沿（圖7）。結果表明秸稈綜合利用領域英文文獻主要有7個研究前沿的聚類。聚類1（紫色區域）：以yield為主，涉及秸稈還田、保護性耕作等對作物產量、土壤特性等影響的相關研究，包括no-tillage、conservation tillage、soil property等19個節點；聚類2（草綠色區域）：以biochar為主，涉及秸稈生物炭對土壤微生物、肥力等的影響的相關研究，包括rice、manure、microbial community等15個節點；聚類3（天藍色區域）：以nitrous oxide為主，涉及秸稈還田對甲烷、一氧化二氮等氣體排放等影響的相關研究，包括greenhouse gas、paddy soil、methane等9個節點；聚類4（橙色區域）：以residue management為主，涉及秸稈還田、保護性耕作等對土壤有機碳等特性的影響作用研究，包括soil organic carbon、tillage、conservation agriculture等9個節點；聚類5（土灰色區域）：以nitrogen為主，涉及秸稈還田分解及對土壤營養物、土壤品質影響等問題的相關研究，包括soil organic matter、decomposition、soil quality等9個節點；聚類6（玫紅色區域）：以carbon sequestration為主，涉及長期施肥對土壤碳回收、微生物等影響的相關研究，主要包括microbial biomass、long-term fertilization等5個節點。此外，還有一個小的聚類（綠色），包含bacteria、fungi 2個高頻詞，涉及土壤菌類的相關研究。

圖7 秸稈肥料化利用英文文獻研究前沿關鍵詞共現知識圖譜

3 結論

該文通過利用Web of Science核心合集數據庫（SCI-Expanded）和中國科學引文數據庫（CSCD）對秸稈肥料化利用領域的相關文獻進行檢索，通過發文量、高被引論文、發文單位、發文期刊、發文作者等關鍵信息了解秸稈肥料化利用領域研究現狀，利用Gephi V0.9.2對高頻關鍵詞進行聚類分析了解該研究領域的中英文研究熱點和前沿情況，在一定程度上反映出秸稈肥料化利用的技術發展歷程，從中得出結論。

（1）世界范圍內對秸稈肥料化利用領域重視程度提高，1999—2019年該領域英文發文數量整體均呈不斷上升趨勢；1999—2015年中文發文量逐年遞增，但在2016年以后發文量趨向穩定，數量保持在250篇左右。

（2）Lal、Marschner和Joergensen等學者是基于英文文獻的秸稈肥料化領域核心作者，張仁陟、竇森和黃高寶等學者是基于中文文獻的秸稈肥料化領域主要作者。他們對促進秸稈肥料化領域的發展、拓寬該研究領域起到重要作用。

（3）中國科學院和西北農林科技大學等是國內近20年間基于中英文獻在秸稈肥料化利用領域的核心機構，在秸稈肥料化領域做出了較高的科研貢獻。

（4）分析發文期刊情況，《農業工程學報》是國內發表秸稈肥料化研究相關文章以及總被引次數最多的期刊；Soil and Tillage Research是秸稈肥料化領域發表英文文獻篇數以及總被引次數最多的期刊，同時Soil Biology and Biochemistry是該領域單篇引用次數最高的期刊；科研工作者想了解該領域的研究動態，可以及時跟蹤這些具有較高影響力期刊的研究內容。

（5）通過關鍵詞共現知識圖譜分析發現，秸稈肥料化領域基于中文文獻的研究熱點為“產量”“土壤有機碳”“秸稈還田”“土壤養分”等方向，基于英文文獻的研究熱點為“soil organic matter”“biochar”“yield”“crop residue”“no-tillage”等方向，以上有關秸稈肥料化的環境、經濟效益以及利用方式之間的交叉研究是目前的主要研究方向。此外，涉及秸稈炭化還田、土壤微生物群落特征、土壤碳固持等研究方向[16-18]關鍵詞的頻率和共現強度增大，受關注度較高，可能是未來該領域的主要研究方向。

4 不足與展望

該研究對秸稈肥料化領域的研究熱點和前沿分析具有一定的啟發意義，但也具有一定的局限性。首先，運用Gephi對大量文獻的關鍵詞進行可視化分析處理，利用中英文文獻探索研究熱點、研究前沿關鍵詞之間的隱藏規律，但受提取信息以及分析方法自身局限性，可能會造成分析結果存在一定偏差；其次，該研究確定了秸稈肥料化主要的研究熱點和前沿，限于篇幅，缺乏對研究熱點和前沿相關信息的深入挖掘，例如研究方法、理論背景以及每項工作的創新發現等。

耕地是糧食生產的命根子，秸稈是土壤有機質的重要來源，隨著秸稈“五料化”利用政策體系和支撐技術體系逐漸完善，秸稈肥料化作為秸稈資源化利用最廣泛、直接利用的途徑仍將受到持續關注。建議從以下三方面著手，發揮好農作物秸稈在改善土壤性狀、優化土壤功能、提高耕地質量等方面的重要作用，為落實“藏糧于地”戰略、保障國家糧食安全提供有力支撐。

（1）關注秸稈直接還田。秸稈還田是秸稈綜合利用最簡便、最直接、最經濟的途徑。農業農村部農作物秸稈資源臺賬數據顯示，秸稈直接還田已成為最主要的利用方式。需要進一步開展秸稈還田效應相關機理研究，研究秸稈還田過程中不同區域、不同作物土壤—作物系統驅動機理、環境因子的調控機制、最適還田量等關鍵性機理問題[19-22]。同時，加強秸稈還田配套技術的研發和集成，建立健全秸稈還田技術標準體系，做好秸稈還田生態效應的長期定位監測工作。

（2）關注秸稈炭化還田?！敖斩捥炕€田減排固碳技術”被列為2021年農業農村部十大引領性技術之一，是秸稈直接還田的重要補充方式，將單一的秸稈直接還田方式拓展為“收儲—炭化—產品化—還田”的技術鏈條。通過生物炭的輸入可直接實現農田土壤碳封存，減少溫室氣體排放，還可通過炭化副產物的能源化利用、在工業環節助力化石能源替代減排，可為應對全球氣候變化作出積極貢獻[23,24]。

（3）關注秸稈有機肥還田。秸稈是農業生產重要的有機肥原材料，有機肥還田是生態循環農業發展和綠色種養循環農業試點的重要組成。需合理選擇秸稈生物反應堆、秸稈堆漚還田等技術，通過秸稈有機肥替代化肥，促進畜禽糞污和秸稈資源化利用[25,26]，發展循環經濟，加快建立植物生產、動物轉化、微生物還原的種養循環體系，促進農業綠色發展。