基于文献计量学的中国农业废弃物能源化研究情况

2021-03-31颜佳旺熊康宁刘肇军郭应军孙若晨

贵州农业科学 2021年1期

颜佳旺，熊康宁，刘肇军，郭应军，孙若晨

(贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001)

0 引言

【研究意义】传统生物质能是农户赖以生存和发展的物质基础[1]。随着特色生态种植业产业化和养殖业规模化的发展[2]，农业废弃物的生产量日益增长，由于其低品位与分散性高的特点、农村燃烧炉具效能低下、农户环境保护和合理用能意识薄弱[3]，大量农作物秸秆被直接无利用燃烧、禽畜粪便随意排放等普遍现象引起了严重的农村面源污染[4]。中国作为传统的农业生产大国，衍生的农业废弃物资源数量大、可再生性强，开发利用潜力巨大[5]，因此，积极发展以农业废弃物为主要原料的能源化技术已成为社会各界的共识和众多学者关注与探讨的热点问题。【前人研究进展】喀斯特脆弱的生态环境下，不合理的社会经济活动造成的人地关系不和谐，诱发了严重的石漠化问题[6-7]。农户的低碳高效用能意识薄弱、以薪柴为主的能源消费结构和粗放式的农业废弃物利用方式不仅造成了室内空气污染，还严重威胁到当地农户的身体健康，造成森林资源退化、水土流失、加剧石漠化的恶化，导致人地矛盾不断恶化[8]，该地区土地破碎化严重，废弃物的随处排放堆积，大面积占用耕地，降低了土地的可利用程度。【研究切入点】随着多年石漠化防治措施的开展及电力等商品能源的普及，农户薪柴的获取方式从之前的“砍柴”转变为当前的“捡柴”，对薪柴的需求量也大大减少，大多未被利用的农业废弃物仍被大量丢弃或就地燃烧，加上当地政府对农业生物质能的低碳高效利用重视程度不够，相关政策支持力度较弱，基础设施不够完善等，喀斯特石漠化地区农业废弃物能源化利用的情况依然严峻。当前喀斯特石漠化地区处于农村能源发展的初期阶段，主要集中在生物质能的利用现状、生物质能承载力和生物质能潜力的估算方面[9-13]，对该地区的农业废弃物能源化的研究总体较少。【拟解决关键问题】梳理国内农业废弃物能源化阶段性研究成果，以期为我国喀斯特地区农业生物质能源的合理开发利用提供理论依据，为农村能源产业的发展和相关政策的制定提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

选择中国学术期刊网(CNKI)全文数据库作为数据源，对国内农业废弃物能源化的研究动态和发展前沿进行分析。为保证文献的查准率和查全率，采用农业废弃物、农村沼气利用、农村秸秆能源化及农村废弃物能源化等多种组合进行主题词检索，检索截止时间为2019年12月31日。采取人工核实的方式对所选文献进行逐一校对和筛选，经过去重整理并剔除不相关文献，共收集样本文献1 065篇。

1.2 研究方法

科学知识图谱以研究领域知识为对象，直观形象地显示该研究领域的发展进程和内部结构之间的关系，从而呈现某个研究领域的知识结构、规律和分布情况，是一种有效的、综合性的知识可视化分析方法和工具[14-15]，用于探求一个学科或知识领域在一定时期的发展趋势和动向，在一定程度上避免了研究者的主观性，进而增强结果的客观性与可靠性[15]。运用CiteSpace文献计量分析软件，以中国农业废弃物能源化领域的文献为研究对象，厘清其整体研究状况，如文献年度分布，研究机构和作者共现情况及研究热点等，客观地揭示其发展态势。

2 结果与分析

2.1 文献发文量变化

从图1看出，文献发文量大致分为3个阶段：第一阶段是1979-2003年，文献量较少，属于缓慢发展的萌芽期；第二阶段是2003-2008年，国家惠农政策的提出，能源政策的颁布，农业生物质能得到重视，针对农业废弃物的能源化处理逐渐得到关注，研究成果快速增多，处于快速发展阶段；第三阶段是2008-2019年，近年的研究成果虽有减少，但各年文献量均保持在60篇以上，整体处于平稳发展阶段。喀斯特石漠化地区在2004年才开始出现相关研究成果，起步较晚，2004-2019年共发文10篇，成果产出较少。

图1 中国农业废弃物能源化研究发文量变化Fig.1 Number of published papers on agricultural waste energy utilization in China

2.2 研究机构和作者共现情况

对样本文献中的相关研究机构和作者进行共现分析，能客观反映该领域研究团队间合作强度。从表1看出，华中农业大学经济管理学院出现次数最多，为22次；其次是农业部规划设计研究院和农业部沼气科学研究所，分别为14次和11次。各机构的中心度都为0，说明在这一领域虽有成绩显著的机构，但机构间的联系较少，并未形成有影响力的中心研究团队。

表1 1979-2019年农业废弃物能源化领域研究机构发表论文概况Table 1 Rank of papers published by research institutions in the field of agricultural waste energy utilization during 1979—2019

作者共现分析结果 (图2)显示，共有140个网络节点，150条连线，网络密度为0.015 4，网络密度值较小，说明仅部分作者之间有为数不多的共现关系，但共现程度低，呈现部分集中，整体分散的状态。因此，相关研究的团队与团队、学者与学者间还需加强交流合作。

图2 1979-2019年农业废弃物能源化研究发文作者图谱Fig.2 Author map of the study on agricultural waste energy utlization during 1979—2019

2.3 研究热点

通过对关键词的分析绘制“农业废弃物能源化”研究热点知识图谱，从而客观地反映该研究的热点问题。从图3看出，共有183个网络节点，490条连线，网络密度为0.014 9，关键词间形成了一个结构复杂、主次明显的共现图谱。因低频关键词较多，将出现频次≥20次的关键词列出(表2)，其中秸秆、沼气、生物质能、农业废弃物、农村、资源化利用、综合利用这七大关键词的出现次数均超过70次，出现频次分别为171次、133次、132次、121次、92次、84次和74次，在该领域具有重要地位。为更客观、准确、有效地分析和把握研究内容，将高频关键词聚类成若干主题，借助图谱节点的查询功能梳理相关文献，进一步筛选和组合，根据其研究内容，分为以下3个主要研究热点主题。

图3 农业废弃物能源化研究关键词共现图谱Fig.3 Co-occurence of key words in the study of agricultural waste energy utilization

表2 农业废弃物能源化研究热点频次(≥20)Table 2 Research hotspots frequency(≥20) in agricultural waste energy utilization

2.3.1 农业废弃物能源化潜力评估农业废弃物能源化潜力评估相关文献较多，如蔡亚庆等[16-17]通过文献分析和实地调查，利用草谷比法，构建农业废弃物能源化利用潜力估算模型，分析了中国农作物秸秆、畜禽粪便等废弃物的资源量和可能源化利用的潜力。相关研究对一些区域农业废弃物利用进行了利用潜力分析[12，18-19]，如盈斌等[12]以贵州为例，对典型喀斯特石漠化地区的秸秆、畜禽粪便等资源的生物质潜力和发展变化趋势进行评估表明，贵州省畜禽粪便产量最多，能源化潜力巨大。诸多学者通过对中国各区域多个时期的农业废弃物资源量进行测算，以生态效益和社会经济效益为评价标准对农业废弃物能源化潜力进行定量和定性评价，揭示了中国在节能减排约束下的农业废弃物能源化可利用价值高，发展潜力巨大，对农村能源建设和生态环境保护具有重要意义。

2.3.2 农业废弃物能源化技术研究通过对沼气技术中的原料供应、厌氧发酵、产气、出料等关键环节的技术研究，解决了非养殖农户和已建沼气池的原料供应及沼废的科学处理问题，在农村地区被广泛采用[20-22]，但随着农村产业结构调整和社会经济转型，呈由户用微型沼气向大中型沼气转变的新趋势，但秸秆预处理及沼气低温发酵技术一直是农村地区农业废弃物能源化利用有待突破的技术难点[23]。我国生物质成型燃料技术已基本完成自主研发和创新，作为供热燃料将继续保持较快的发展势头，但当前的固化成型燃料技术主要适用于规模化和大型农业基地，在土地破碎程度高的小农地区，还存在经济性较差，农户无法利用等问题[24-25]。在生物质直燃技术方面，除直燃发电技术外，还通过将老虎灶、地火塘等传统灶具改进为新型节能灶具和炉具[26]，提高了能源利用效率，环境效益显著。

2.3.3 农业废弃物能源化利用行为和意愿研究农户在农业废弃物能源化利用和选择上扮演着重要角色，其利用行为和意愿影响生态文明乡村建设及农村能源可持续发展。王火根等[27-29]运用逻辑回归分析法对湖北、河北、云南等不同地区农户沼气的利用行为和影响因素的分析发现，在不同地区间，农户废弃物利用行为和意愿虽有所差异，但随着基础设施的改善、农户认知水平的提高、经济水平的提升，有利于提高农户对农业废弃物能源化利用意愿；也有学者针对不同地区的畜禽废弃物资源化处理利用的行为和意愿及影响因素进行研究发现，计划行为理论能较好地解释农户畜禽养殖废弃物资源化利用意愿和行为，农户的废弃物能源化处理意愿和行为呈相互促进关系[30-33]。通过对农户行为和意愿的影响因素研究，揭示了家庭禀赋、社会经济，能源可获性、政策实行等影响因素与农村居民能源利用间的相互关系，构建以政府控制为主导、以能源法规为保障、以经济调节为补充、以公众为监督的农户利用意愿长效激励机制，从而提高农户参与性。

3 讨论

农业废弃物能源化利用具有经济性强，低碳化特征[5]，是改变喀斯特石漠化地区以薪柴为主能源消费结构的可行选择。喀斯特地区可持续发展面临最严峻的生态问题是石漠化，特别是在农村地区，石漠化的恶性发展不仅对生态环境安全构成巨大威胁，也严重制约了社会经济发展[34]。农业废弃物能源化是农业生物质能高效利用的有效方式和重要体现，不仅对增强喀斯特山区农林生态服务功能和生态系统修复有重要作用，还提高了生物质能承载力，可有效降低喀斯特石漠化地区农户对当地生物质资源赋存的过度依赖，也是石漠化治理和生态系统修复的有效途径。

在对农业废弃物能源化利用示范研究中，研究区域主要集中在中国北方地区，而喀斯特石漠化地区主要集中于中国南方，由于地区间区域差异性较大，使得很多示范只适合在北方进行或在小面积内推广，若要利用示范区域的某一种方法时，应借鉴而不是照搬，需因地制宜，科学利用。喀斯特石漠化地区传统生物质能低值粗放的利用方式对薪柴的依赖非常严重，应积极运用地理区划的方法，结合不同等级喀斯特石漠化地区的地形地貌特征、社会经济基础、农业废弃物资源禀赋、农户利用意愿等特征，不断创新和研发适用于当地的农业废弃物能源化技术，优化农村能源结构，因地制宜推广薪材替代的新模式，如推广以石山沼气池、节柴灶、节能炉，将农业废弃物作为重点纳入大山地生态循环农业的建设中。由于喀斯特石漠化地区特殊的地上与地下二元结构，畜禽粪便的随意排放也会造成地表与地下的立体污染，所以也应加强并完善农业废弃物收储运管理体系，从而保证农业废弃物能源化高效利用，保障能源安全。

在喀斯特石漠化地区，农户作为农业废弃物能源化利用的主体，由于受当地自然环境和社会经济环境的限制，其文化水平普遍不高，能源化设备使用和管理的技术不成熟，导致设备使用寿命缩短。政府应发挥好自身的主导作用，加强与企业和高校间的合作，做好相关地方性政策制度的制定和实施，研发适用于喀斯特石漠化地区的废弃物能源化新技术，通过线上培训+线下专家指导相结合，合理科学地利用和管理农业废弃物资源，培养标杆农户，设立农业废弃物经理人，并对其他农户进行培训和积极引导，既能从根本上提高能源化设施的使用寿命，改善农户的农业废弃物能源化利用意识，提高农户利用意愿与参与性。

中国农业废弃物能源化利用潜力巨大且发展基本成熟，但研究团队较为分散，联系与合作较少，应加强相互间的交流合作。研究内容主要集中于潜力评估、利用技术、农户行为与意愿研究3个方面，呈现不断研究、不断深化，系统性、针对性更强的趋势。解决农村能源问题是喀斯特石漠化治理过程中的必要环节，但当前喀斯特石漠化地区专门针对该领域的研究较少，须加强关注程度。在借鉴发展成熟地区农业废弃物能源化的利用技术和模式的基础上，选择和研发适合于当地的新技术和新模式，力求喀斯特石漠化地区农村能源结构朝着生态化、高效化、经济化发展，促进农村地区人地关系的和谐稳定，从而达到防治石漠化的目的。