基于文献计量分析生物炭的发展情况

孔繁艺， 卢升高

(浙江大学 环境与资源学院， 杭州 310058)

生物炭是一种限氧或绝氧条件下热分解有机物的产物，热解温度一般在300～700 ℃，大多数生物炭具有高度多孔的结构和较大的表面积，它的分子结构显示出高度的化学和微生物稳定性[1-2]，将其作为土壤改良剂可以产生显著的环境和农业效益[3]。2006年Marris[4]在Nature发表文章，指出生物炭能够以某种方式收集养分和水分，使土壤碳含量增加并可缓解气候变暖。Biochar是bio charcoal的缩写，2007年澳大利亚第一届国际生物炭会议上将生物炭统一命名为biochar[5]。对于生物炭的应用历史悠久[6]，但涉及的科学研究还缺乏多维度总结分析，本文筛选出Web of Science数据库2000—2020年生物炭的相关文献，通过文献计量学手段[7-9]，如利用HistCite软件作引文分析[8]、VOSviewer软件作网络分析和可视化呈现[10]、CiteSpace软件进行聚类分析[11]和突发性检测[12]，追踪了国际上生物炭的发展历程，重点分析了文献中标题、关键词、摘要的术语共现关系，揭示学界普遍研究的重点话题和热点话题，为后续科研工作提供一定参考。

1 数据来源与研究方法

研究数据来源于Web of Science(WoS)的核心合集数据库(文献类型精炼为article和review)，本研究利用标题词为“biochar”，时间跨度为2000—2020年，检索时间为2021年7月1日，得到文献9 505篇，其中9 109篇article(95.8%)，396篇review(4.2%)，导入到HistCite软件中，得到有效文献9 494篇，涉及到917种期刊；将2020年的2 498篇文献，导入到HistCite软件中，得到有效文献2 493篇。

HistCite引文分析工具[13]可以得出引文图谱和文献的重要参数，如本文用到的总当地被引数(total local citation score，TLCS)表示某一文献在搜集到的文献群中被引用次数，总全球被引数(total global citation score，TGCS)表示某一文献在搜索的数据库中被引用次数，一篇文章TLCS越高说明该文章在该领域内影响力越高，TGCS越高说明该文章被越多不同领域学者引用。VOSviewer[14]可以构建和查看各种基于文献计量关系的图谱，在图谱中同一个颜色表示为一个聚类，词语之间距离越近联系越紧密。CiteSpace[15]进行聚类分析找出较为相似的文献集合，并可对关联度大的术语作突现分析，能探测出某一时段出现量的较大变化，表明某个关键词兴起或衰落。

2 结果与分析

2.1 研究国家和机构

从2000年到2007年，以biochar为标题词发文数量仅为7篇(图1)，2008年后相关文献数量迅速增长。美国在2004年时就用biochar为标题词发表论文，而中国在2008年后开始以biochar为标题词发表论文。2014年后中国每年的发文量超过美国并成为该领域每年发文量最高的国家。2016年后中国在该领域发文累计量达到893篇，超过美国的发文量827篇，成为累计发文量最多的国家。2018年后WoS中biochar超过一半发文量来源于中国，表明中国在该领域学术潜力巨大且在该领域中已经投入了相当多的科研力量。发文累计量最高的10个国家发文总数占总发文量的97.9%(表1)，中国发文累积量虽然最多，但被引数和印度接近，不及美国、澳大利亚等发达国家，说明相较于部分发达国家，中国发表文章的质量仍然有待提高。

图1 2000—2020年生物炭领域年度发文量

表1 发文累计量最高的10个国家

发文量超过100篇的机构共24家，这些机构共发表4 533篇论文，约占总发文量的一半。发文量最多的10家机构见表2，其中美国机构3家，中国机构有7家。中国科学院以绝对优势成为发文量第一的机构，发文量为781篇，在发文数量上远超排第二名的美国农业部(发文量为292篇)，但被引数比佛罗里达大学、浙江大学等4家机构低，其发文质量仍有待提高。佛罗里达大学发文量排第八，TLCS和篇被引数排第一，表明在生物炭领域佛罗里达大学的学术影响力较大。中国机构应注重实验设计的创新性，以产生高质量的科研成果。

表2 发文累计量最高的10个机构

2.2 高产作者和高被引文章

经统计，共25 954名作者，选出发文量前10名的学者(表3)，其中包括4名中国学者(湖南大学曾光明教授，上海交通大学曹心德教授，浙江农林大学王海龙教授，香港理工大学Tsang, Daniel C. W.)。以搜索文献的TLCS为依据进行排序，选出前10篇，其中包括6篇综述(表4)。

表3 发文累计量最高的10位学者

绘制出生物炭前20被引的引文编年图(图2)，这些文献发表年份集中在2007—2014年，高被引文章综合叙述生物炭在环境修复[16]、气候变化[17]、增加作物产量[18]方面的作用。

美国佛罗里达大学农业和生物工程系的高斌教授是生物炭研究领域的重要人物，其发表文章TLCS次数最高，他与全球18位学者有合作关系，近年来不断产出高质量文章。韩国高丽大学环境科学与生态工程系Ok,Yong Sik教授，目前在韩国生物炭研究中心工作，发文数量最多，达238篇，在污染土壤修复方面是引领人物，与全球34位学者有合作关系，该学者团队发表了两篇前10高被引论文。编号279文献被引次数最高，该文献作者是美国康奈尔大学的Lehmann, Johannes发表，该作者在高产作者中排第9位，他的论文[19]回顾了过去生物炭作为土壤改良剂的研究，指出生物炭对土壤微生物区系的部分影响，并指出之后研究可以深入认识生物炭与土壤微生物、动物和植物根系作用的具体机制。

表4 生物炭领域内被引最多的10篇文献

图2 2000—2020年生物炭前20高被引论文关系图谱

2.3 高产期刊和领域

文献来源期刊共有917种，选出发文量前10名的期刊(表5)，其中5份出版国是荷兰，3份是英国，2份是德国。而生物炭领域的第一本专业刊物Biochar由沈阳农业大学主办，2019年3月出版创刊号，该期刊是全英文季刊，创刊以来发表生物炭的专业研究论文，截至2020年12月31日，发文量61篇，总被引数为596。在高产期刊中，BioresourceTechnology的TLCS和TGCS均最高，可以得出该期刊在生物炭领域的学术影响力最大，其次是Chemosphere。从研究领域分析，大部分文章表现出明显的交叉学科特征，29%的发文量属于环境科学和生态学(environmental sciences ecology)，其次是农业(agriculture，18%)和工程(engineering，15%)。

表5 生物炭领域内发文量最多的10种期刊

2.4 研究重点和热点

对关键词进行分析时，筛选出20 a来出现频次150次以上的词语，得到101个结果，作聚类视图分析，圆圈大小代表出现次数，连线代表共现关系，共4个聚类(图3)。蓝色聚类中出现主要关键词为soil amendment(213次)、N2O emissions(158次)、microbial community(266次)、mineralization(259次)等，表明学界关注生物炭作为土壤改良剂的应用效果，并在改良的过程中将生物炭的应用与矿化过程、气候变化、微生物群落等研究相关联。红色聚类中出现主要关键词为adsorption(2 983次)、waste-water(575次)、contaminants(225次)、reduction(201次)、activated carbons(1 072次)、zero-valent iron(168次)、nanoparticles(221次)等，表明学界使用生物炭作为污水处理的材料时关注溶液中有毒物质的吸附，同时较多关注改性材料(如纳米颗粒、磁性生物炭)的使用及相关吸附或还原机制研究。绿色聚类中出现主要关键词为pyrolysis temperature(835次)、rice straw(161次)、sewage-sludge(446次)、wood(163次)、fast pyrolysis(191次)、slow pyrolysis(261次)等，表明科学家在研究制备生物炭时，考虑热解温度、热解速率、原材料等因素的影响。黄色聚类中出现主要关键词为heavy metals(1 193次)、cadmium(564次)、remediation(445次)、lead(339次)、immobilization(387次)、mobility(187次)等，表明学界近20 a来针对重金属污染，不断发掘生物炭的功能，试图解释生物炭作用时不同重金属的迁移固定规律。

对2020年的关键词单独进行分析，筛选出频次50次以上的词语，主要有soil(276次)、contaminated soil(52次)、water(285次)、waste water(203次)等，形成的聚类视图分类与词频排序规律与图3接近，表明目前对生物炭的研究仍处于发展期[20]。分析2020年文献的摘要部分，筛选出现100次的最相关术语进行密度视图分析，得到共现关系(图4)。通过对比20 a的关键词词频，判断生物炭应用在水处理方面热度下降，而应用到土壤改良方面的热度上升。

通过CiteSpace来探测某一关键词兴起和衰落的情况如表6，根据表中强度数值，可以评估某一关键词出现的相对次数。分析得出，近年来的热点是研究生物炭(biochar)各种功能的机理(如adsorption mechanism强度为2.86、functional group强度为5.67)、选择性的制备[21](如manure-derived biochar强度为5.05)和改性生物炭(如magnetic biochar强度为4.3)以便能在环境中有更好地应用。根据表6中关键词出现情况可知，近年来对生物炭吸附能力和机制、环境风险、氮循环的研究热度增加。

每个圆圈代表一个关键词，共101个关键词，4个聚类；仅显示300条连线图3 2000—2020年生物炭关键词共现关系

图4 2020年文献摘要部分术语密度

3 小结与讨论

近20 a来生物炭领域文献数量快速增加并具有持续增长的热度和潜力。中国在生物炭方面的研究逐渐深入，2016年后中国的累计发文量一直保持世界第一，且与世界上50个国家有合作发文。中国在研究内容和方法上与国际主流接近，但发文的篇被引次数仍有待提高，需深入本领域探求创新性。

中国科学院是发文量最大的机构，佛罗里达大学是发文质量最高的机构。高产作者之间互相合作，共同产出多篇高被引文章，因此，学者需要加强相互间交流以便发表更多高质量论文。BioresourceTechnology和Chemosphere期刊发文数量和质量都很高，是该领域发文的首选期刊。

目前生物炭领域重点依然是土壤改良、水中污染物吸附、重金属的固定或吸附、自身结构和功能的优化等，在环境修复、农业生产上应用较多。研究的热点主要是针对性的改变生物炭的理化性质以优化其在环境中的应用。

表6 2000—2020年生物炭关键词兴盛

综上，国内外学者对生物炭的应用进行了许多研究，国内起步晚，但后劲十足且偏向于实际应用，未来生物炭的研究应涉足多介质复合污染的吸附研究、与植物和微生物联合修复土壤，同时应加强对生物炭自身环境风险的研究，为环境应用提供足够的实践支持。