世界奶牛饲料与饲养研究的知识图谱分析

王雅晶 李胜利 王雅春*

(1.中国农业大学图书馆，北京 100193;2.中国农业大学动物科技学院，北京 100193)

奶业是世界公认的节粮、经济、高效型畜牧业，是现代农业产业结构中效益最高的产业。奶牛饲料与饲养研究，不仅直接关系到奶牛养殖场的成本和效益，同时还涉及奶牛的生长、泌乳、繁殖力等各个方面，是奶业可持续发展的物质基础和前提条件。我国奶业发展较晚，但近年来一直受到重视，奶牛存栏量和牛奶总产量呈高速增长趋势，但是奶牛的平均单产水平较低。究其原因，除了品种以外，主要是饲料和饲养管理因素，这极大地影响着我国奶业的发展。如何科学合理地利用饲料和饲养手段提高奶业的经济效益，是奶牛营养研究领域的一个主要课题。伴随着计算机技术和分子生物学的发展，国际上研究奶牛饲料与饲养的手段、方法和内容都从宏观和微观的角度发生着变化，因此有必要对该领域的科技文献进行深入分析和挖掘，让科技工作者能够了解到全世界奶牛饲料与饲养研究的整体状况和热点动向，以便及时筛选和发现可利用的研究信息。

近年来，知识图谱分析(knowledge mapping analysis)技术，又称信息可视化(visualization)技术，在科学计量学和知识计量学中逐渐兴起并成为一种重要的研究方法和手段。在常用的信息可视化工具中，CitespaceⅡ是近几年来在全球信息可视化分析领域中非常具有特色和影响力的应用程序，为美国德雷克塞尔大学信息科学技术学院的陈超美博士开发的一种信息可视化软件［1］。通过CitespaceⅡ分析和可视化共引网络，能够帮助分析知识领域中的现状和新趋势。运用该软件研究的学科领域分布比较广泛，在自然科学领域有较多的应用，包括医学科学、生物科学、自动化技术、航空航天等。本文旨在利用CitespaceⅡ软件对国际上有关奶牛饲料与饲养研究的科技文献进行可视化分析，绘制科学知识图谱，以期展示不同时期该研究领域的知识发展与演变情况。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

为分析国际上饲料与饲养的整体研究情况，本研究选择了国际权威的数据库——美国科学情报所(ISI)出版的科学引文索引(SCI-EXPANDED)数据库［2］作为国际上发表论文的统计数据来源。在SCI数据库中以“主题 =dairy cattle”AND“主题=feed*”为检索式，时间段限制在数据库默认的1900—2013年，共检索到5 541条文献数据，被引频次总计72 714次。分析的基本数据单元包括 author names、title、abstract、date、addresses、citedreferences(作者姓名、标题、摘要、日期、地址、引文)。数据的最后更新时间为2013-07-10。

1.2 研究方法

本研究运用文献计量、聚类分析(co-citation cluster analysis)、共现分析的方法，同时利用CitespaceⅡ软件绘制网络共现知识图谱，展示奶牛饲料与饲养研究领域的发文量、作者和机构分布，以及分析该领域的高被引文献和高频词汇。使用的文献信息可视化工具为信息可视化软件CitespaceⅡ。近年来运用该软件研究的学科领域比较广泛，在自然科学领域有较多的应用，包括生物科学、材料科学、自动化技术、航空航天等。本研究使用CitespaceⅡ，将奶牛饲料与饲养研究领域的5 541条SCI文献题录信息绘制成作者、机构、共被引文献、关键词的可视化网络共现图谱。

2 检索结果与分析

2.1 年度发文量分布情况

如图1和表1所示，国际上奶牛饲料与饲养研究领域的年度发文量总体呈现逐年上升趋势。这方面的研究开展得较早，根据SCI数据库显示，第1篇收录的相关文献出现在1928年。在1900—1990年，国际上有关奶牛饲料与饲养研究的文献相对较少，这90年间的每年发文量均≤20篇。自1991年(110篇)以后，年度相关文献量明显增多，呈现持续增长的趋势，并具有一定的动态性。1991—2013年共发文5 288篇，占全部相关文献量的95.4%。其中2013年数据采集的最后更新时间为2013-07-10，因此该年度的实际发文量是不完全统计值，使其与前1年相比呈现下滑的现象(图1)。

图1 奶牛饲料与饲养研究的国际年度发文量Fig.1 Annually published international articles in dairy cattle feeds and feeding research

表1 奶牛饲料与饲养研究的国际年度发文量统计(1990—2013年)Table 1 Statistics of annually published international articles in dairy cattle feeds and feeding research from 1990 to 2013

2.2 国际上研究奶牛饲料与饲养的作者和主要机构

2.2.1 国际上研究奶牛饲料与饲养的作者

利用CitespaceⅡ绘制了饲料与饲养研究领域的作者网络共现图谱。图2展示了图谱的一部分，图中每个圆圈代表1位作者，圆圈大小代表作者的发文量多少，圆圈之间的连线表示作者之间存在的合作关系(即一篇文献的共同作者的关系)。表2按照SCI数据库收录的文献量列出了前10位高产作者，文献记录数从34篇至77篇。

图2 奶牛饲料与饲养研究的作者网络共现图的一部分Fig.2 Part of the network map of authors engaging in dairy cattle feeds and feeding research

表2 奶牛饲料与饲养研究领域的按SCI数据库文献量记录排序的前10位作者Table 2 Top 10 of authors engaging in dairy cattle feeds and feeding research ranked by SCI records

2.2.2 主要机构分布

如图3所示，在CitespaceⅡ生成的主要机构知识图谱中，共选择出2 303个节点机构以及机构之间的1 875条连线，说明国际上研究饲料与饲养的机构较多，且机构之间存在较强的合作关系。从表3中可以看出，目前奶牛饲料与饲养发文量最高的前10个研究机构分别位于加拿大、法国、美国、瑞典、爱尔兰，即主要位于北美洲和欧洲。根据SCI数据库的统计结果，在饲料与饲养研究领域内，这10个机构的论文产出量之和占全部文献(5 542篇)的23.15%。在10个研究机构中有6所大学，可以看出大学是饲料与饲养研究的重要组成力量。

2.3 国际上奶牛饲料与饲养研究的高被引文献分析

一篇文献所引用的参考文献(即引文部分)构成了该文献研究的背景和依据。由一个研究领域内各篇文献的引文部分所组成的知识网络反映了这个领域的知识基础，它投射的是各阶段研究前沿中的知识和概念在科学文献中的吸收利用情况。可以对这些引文的被引用情况进行聚类分析，形成一组被研究前沿文献所引用的科学出版物的演进网络，以反映知识基础文章随着时间演变的情况，借以横向和纵向分析学科的发展过程与特点。

图3 研究奶牛饲料与饲养的主要机构网络共现图Fig.3 Network map of major institutions engaging in dairy cattle feeds and feeding research

表3 研究奶牛饲料与饲养的主要机构中按频次排序的前10位Table 3 Top 10 of institutions engaging in dairy cattle feeds and feeding research ranked by frequency

2.3.1 高被引文献的确定和共引网络图谱的绘制

为研究奶牛饲料与饲养领域内共同被引用频次较高的文献情况，本研究利用CitespaceⅡ信息可视化软件绘制了国际上饲料与饲养研究的共被引文献网络图谱，共得出20 639条共被引节点文献及文献之间的105 119条连线，图4展示了图谱的一部分。其中每个节点代表1篇引文文献，节点向外延伸的圆圈厚度显示了该文献被引用频次的高低，节点之间连线说明文献之间存在共同被其他文献引用的关系。从共引网络图谱可以看出，节点圆圈的颜色逐渐加深，说明人们对这一主题的兴趣在随时间逐渐增强，显示这一研究领域在国际上逐渐受到较高的关注。图4中的重要文献(即各节点)构成了国际上进行奶牛饲料与饲养研究最重要的知识基础，表4按照被共被引频次列出了5篇核心的论文。这5篇论文在图中圆圈相对较大，说明在饲料与饲养研究领域中具有较高的贡献和影响力。

图4 奶牛饲料与饲养研究共被引文献网络图谱Fig.4 Co-citation network map on documents in dairy cattle feeds and feeding research

表4 共被引文献网络中按照被引频次排序的前5篇文献Table 4 Top 5 of documents ranked by frequency in co-citation network

2.3.2 高被引文献的内容分析

在这5篇共被引频次较高的文献(图4和表4)中，可以看出频次最高的是 Van Soest等［3］在1991年发表于《Journal of Dairy Science》的“Methods for dietary fiber，neutral detergent fiber，and non-starch polysaccharides in relation to animal nutrition”(“与动物营养相关的饲粮纤维、中性洗涤纤维和非淀粉性多糖的检测方法”)。由P.J.Van Soest提出的用洗涤剂提取和分析饲料纤维的分析系统(范氏法、Van Soest法)，是国际上普遍认为能够较成功地分离并估计细胞壁和细胞内容物各纤维组分的好方法。该方法的分析结果可以用来推测反刍动物对于饲草饲料中的纤维素和半纤维素的消化率和进食量。Van Soest［4］在1963年提出了范氏法以后，不断地改进这一检测方法以适应各方面的发展与需求。在1991年发表的这篇文章中，Van Soest等［3］重新规范了中性洗涤纤维等饲料纤维、非淀粉性多糖的检测方法，其依据是当时饲料检测领域中淀粉酶和检测试剂的使用和更新情况，以及当时对于人和单胃动物不能消化的木质素和各种多糖的重新定义，并且格外考虑了反刍动物瘤胃发酵这一因素。

被引频次排名第2的文献是2001年出版的《Nutrient Requirements of Dairy Cattle》［5］(《奶牛营养需要》)。从1944年以来，美国国家科学研究委员会(National Research Council，NRC)已经颁布了7版奶牛营养需要标准。由NRC下属的动物营养委员会奶牛营养分委员会修订的2001版《奶牛营养需要》是第7次的修订版。该版本的营养需要标准是一套关于奶牛各个生长阶段和不同生产水平下的营养需求和管理的详细饲养标准，反映了奶牛生产和奶牛科学中发生的新变化，还包括用计算机模型设计的奶牛饲料配方系统，且针对当时奶牛生产领域中存在的问题提供了解决方法和技术。

第3篇文献是 Sniffen等［6］在1992年发表于《Journal of Animal Science》上的“A net carbohydrate and protein system for evaluating cattle diets:Ⅱ.Carbohydrate and protein availability”(“评价牛饲料的净碳水化合物和蛋白质体系:2.碳水化合物和蛋白质的有效性”)。该文公布的康奈尔净碳水化合物和蛋白质体系(CNCPS)是由美国康奈尔大学的科研工作者经过多年研究后提出的一种牛饲料动态能量和蛋白质/氨基酸评价体系。自发布以来不断地更新，目前已经到了第6版。该体系能够较为真实地反映和评估奶牛瘤胃发酵程度、发酵产物、过瘤胃物质组成及含量等动态状况，把饲料的化学分析与植物的细胞成分和反刍动物的消化利用结合起来，使分析结果更有参考价值，已经在发达国家广泛应用于生产中，我国也已经开始于养牛生产实践中逐渐应用，并取得了一些成效。

被引频次排名第4的文献是Van Soest［7］1994年出版的专著《Nutritional Ecology of the Ruminant》(《反刍动物营养生态学》)，该版本为第2版。该书的内容反映了反刍动物以及其他草食动物与其环境中食物资源的相互关系及作用机理，基本内容涵盖了营养容纳量、瘤胃发酵、微生物生态学、纤维性碳水化合物的利用、营养适应对策等几十个方面的研究。国内动物营养生态学尚在起步阶段，在这方面的研究还比较少。它是一门跨学科科学，研究食物链的所有部分，并从人类健康、环境、社会和经济4个主要方面评估食物链各个部分的影响。奶牛营养学家们已经开始关注奶牛行为学与奶牛生长、生产性能之间的关系，奶牛饲料和饲养技术的选择对奶牛健康、奶牛福利、环境污染等方面的影响也已经是国际上较为热门的研究课题，这些研究都属于反刍动物营养生态学的范畴。

第5篇文献为 Ørskov等［8］于1979年发表于《Journal of Agricultural Science》的“The estimation of protein degradability in the rumen from incubation measurements weighted according to rate of passage”(“用培养方式检测并根据通过率加权估计瘤胃内蛋白质降解程度”)。该文在 Mehrez等［9］已有工作基础上，考虑了瘤胃食糜通过率和饲料颗粒大小的差异，给出了尼龙袋法估测蛋白质降解率的指数模型，拟定了估测蛋白质动态降解率的方程，以估算瘤胃内的蛋白质降解速率和降解程度。该研究使尼龙袋技术由静态研究向动态方向做了发展。由于该方法相对简便，并能有效地区分可利用粗蛋白质(UCP)和瘤胃微生物蛋白质(MCP)，几十年来一直是广泛使用的反刍动物饲料蛋白质降解率的测定方法。

2.4 根据高频关键词分析奶牛饲料与饲养研究领域的研究前沿和热点

2.4.1 高频热点词汇的界定

CitespaceⅡ软件采用一种“突发词检测”的算法来确定研究前沿中的热点主题词汇。其基本原理就是统计相关领域论文的标题和摘要中的词汇频率(即机标关键词的频率)，根据这些词汇频率的增长率来确定哪些是研究前沿的热点词汇。本研究利用CitespaceⅡ对奶牛饲料与饲养研究文献中出现的关键词频次(以软件计算得到的频次突发强度显示)和时间段进行了统计，以透视该领域不同时期的科研热点及其发展历史的动、静态结构。在不同的时期出现热点词的数量和频次有所不同，检测到的突发词共有38个，在本研究中被界定为高频热点词汇(表5)。图5展示了关键词网络共现图谱的一部分。

图5 奶牛饲料与饲养研究的高频热点词汇知识图谱Fig.5 Knowledge map of high-frequency keywords in dairy cattle feeds and feeding research

表5 2010—2013年的奶牛饲料与饲养研究的高频热点词汇Table 5 High-frequency keywords in dairy cattle feeds and feeding research from 2010 to 2013

2.4.2 通过高频热点词汇分析奶牛饲料和饲养领域不同时期的研究状况

词频分析法是利用在某一研究领域中特定词汇出现的频次高低，来确定该领域研究热点和发展动向的文献计量方法，其所依据的基本理论为齐普夫定律(Zipf’s law)。词频分析方法被国内外的许多科学计量学研究者应用于学科前沿的研究。在本研究中，共出现高频热点词汇38个。其中1990年以前出现的热点词汇只有1个:protein degradability(蛋白质降解)，但其突发的年份持续了70年(1928—1998年)，说明其所代表的反刍动物蛋白质饲料研究课题长期受到研究者的关注。饲料蛋白质降解率的测定方法一直是这一领域内的研究重点，其中使用较为广泛的尼龙袋技术正是在20世纪30年代左右提出来的，并且在不断技术更新的情况下一直沿用至今。随着对蛋白质代谢的深入研究，国际上先后有十几个国家和地区的研究人员发表了关于反刍动物蛋白质营养和饲料营养价值评定体系的文章，可见这一领域的研究一直非常活跃。发表时间比较晚的体系为1997年德国营养委员会(GFE)发表的小肠可利用粗蛋白质体系，这一时间也印证了CitespaceⅡ软件计算所得的高频关键词及其突发时间段结果与学科领域不同时期研究热点之间确实有较强的相关性。其后，在1991—2012年，共有38个热点词汇，具体情况按年代分段分析如下。

2.4.2.1 1991—1999年

这一时间段内出现了13个热点词汇:feed intake(饲料采食量)、feed-efficiency(饲料效率)、rate of passage(流通率)、somatotropin/growth-hormone(生长激素)、soybean-meal(大豆粕)、feedstuffs(饲料)、voluntary intake(自由采食量)、luteinizing-hormone(促黄体生成激素)、evaluating cattle diets(牛饲粮评估)、lactating cows(泌乳奶牛)、net carbohydrate(净碳水化合物)、kinetics(动力学)、live weight(活重)，持续时间为3～11年，说明在这一时期国际上研究奶牛饲料与饲养的前沿主题在数量和种类上都得到了迅速的发展。由这些热点词汇可以看出，在20世纪90年代这一时期，奶牛饲料与饲养领域主要从事的是传统奶牛营养学的研究，研究人员所关心的主要是饲料营养价值及其评定(饲料效率、流通率、大豆粕、牛饲粮评估、净碳水化合物、动力学等)以及奶牛营养需要量(饲料采食量、自由采食量、泌乳奶牛、活重等)，也关注分子生理学与传统畜牧学相结合调节奶牛的生长和生产性能(生长激素、促黄体生成激素)。

2.4.2.2 2000—2009年

这10年的高频热点词汇有feeding behavior(摄食行为)、feces(粪便)、dry period(干奶期)、adipose-tissue(脂肪组织)、conjugated linoleic-acid(共轭亚油酸)、udder health(乳房健康)、animal welfare(动物福利)、lactation performance(泌乳性能)，持续时间为1～4年。可以看出这一时期奶牛在不同生命周期的健康和福利与其生产力得到了结合(干奶期、乳房健康、动物福利、泌乳性能等)，并且科研人员开始通过饲料与饲养技术研发特殊品种的牛奶(脂肪组织、共轭亚油酸等)。随着动物营养生态学的逐渐兴起，研究人员开始关注奶牛的觅食生态学，认识到奶牛作为自然界的一种动物，本身对养分含量不同的食物有选择性采食。因而了解奶牛的行为举止，对于掌握奶牛营养需求、完善营养标准、合理设计饲养设备等有重要意义(摄食行为)。

2.4.2.3 2010—2013年

最近这4年的高频热点词汇有greenhouse-gas emissions(温室气体排放)、ruminal acidosis(瘤胃酸中毒)、methane production(甲烷产出)、lying behavior(躺卧行为)、ammonia emissions(氨氮排放量)、mitigation strategies(缓解策略)、heat stress(热应激)、corn-silage(玉米青贮)、methane(甲烷)、subacute ruminal acidosis(亚急性瘤胃酸中毒)、lipopolysaccharide［脂多糖(细菌内毒素)］、in-vitro(体外法)、dve/oeb-system(荷兰小肠真可消化蛋白质/降解蛋白质平衡模型)、body condition score(体况评分)。这些热点词汇表明了最近期的奶牛饲料与饲养研究的前沿话题与奶牛的健康调控有较多的相关［瘤胃酸中毒、躺卧行为、热应激、亚急性瘤胃酸中毒、脂多糖(细菌内毒素)、体况评分等］，这些奶牛健康的问题与现代奶牛大规模化养殖是有密切关系的。还可以看出，研究人员近期较为关注奶牛饲料和饲养与环境污染的关系(温室气体排放、产甲烷、氨氮排放量、缓解策略)，同时也仍然在不断完善饲料原料营养价值评价体系和数据库(玉米青贮、体外法、荷兰小肠真可消化蛋白质/降解蛋白质平衡模型)。因此，奶牛健康和奶业与环境的和谐发展方面的研究有可能成为奶牛饲料与饲养领域未来一段时间内的热点研究课题。

3 小结

本研究基于关键词共现分析、文献共引分析、聚类分析等科学计量学方法，借助信息可视化软件CitespaceⅡ绘制了国际上奶牛饲料与饲养研究领域的科技文献可视化知识图谱，分析了该领域高被引文献的内容及不同时期研究前沿的热点词汇，直观地展示和分析了不同时期国际奶牛饲料与饲养研究的整体状况和研究动向，具体结论如下:1)世界上奶牛饲料与饲养领域的研究热点时期是从19世纪90年初开始，一直延续至今。该领域的发文量自1991年至2012年持续逐年上升，截止至2013年7月10日，SCI数据库已经收录了176篇。2)世界上奶牛饲料与饲养领域的研究热点主题大致归类于奶牛饲料原料营养价值评价、奶牛各生理阶段的营养需要、奶牛的健康调控、奶业与污染环境的关系。该领域未来一段时间内的热门研究方向可能是关于2个方面，一方面是通过营养调控奶牛健康以提高奶业的经济效益;另一方面是通过调整奶牛饲料与饲养技术以减低奶业对环境造成的污染。3)世界上研究奶牛饲料与饲养的主要国家和机构分布在北美洲和欧洲，大学是这一领域的主要科研机构。

［1］CHEN C M.CitespaceⅡ:detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in scientific literature［J］.Journal of the American Society for Information Science and Technology，2006，57(3):359-377.

［2］Science Citation Index Expanded(SCI-EXPANDED)［EB/OL］.［2013-07-10］.http://apps.webofknowledge.com.

［3］VAN SOEST P J，ROBERTSON J B，LEWIS B A.Methods for dietary fiber，neutral detergent fiber，and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition［J］.Journal of Dairy Science，1991，74(10):3583-3592.

［4］VAN SOEST P J.Use of detergents in the analysis of fibrous feeds［J］.Agricultural Chemistry，1963，46:829-835.

［5］Subcommittee on Dairy Cattle Nutrition，Committee on Animal Nutrition，National Research Council.Nutrient requirements of dairy cattle［M］.7th ed.Washington，D.C.:National Academy of Sciences，2001.

［6］SNIFFEN C J，O’CONNOR JD，VAN SOEST PJ，et al.A net carbohydrate and protein system for evaluating cattle diets:Ⅱ.Carbohydrate and protein availability［J］.Journal of Animal Science，1992，70(11):3562-3577.

［7］VAN SOEST P J.Nutritional ecology of the ruminant［M］.2nd ed.New York:Comstock Publishing Associated，1994.

［8］ØRSKOV E R，MCDONALD I.Estimation of protein degradability in the rumen from incubation measurements weighted according to rate of passage［J］.Journal of Agricultural Science，1979，92(2):499-503.

［9］MEHREZ A Z，ØRSKOV E R.A study of artificial fibre bag technique for determining the digestibility of feeds in the rumen［J］.Journal of Agricultural Science，1977，88(3):645-650.