固废综合利用研究的热点与前沿—基于科学文献的大数据可视化研究①

周友连

中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。目前固体废物通常可分为城市生活垃圾、一般工业固废、有害固体废物及其他废物。固废的回收、资源化与综合利用是一个变废为宝的过程，即对固废采用技术手段进行再次处理，除掉有害组分或者降低有害组分对环境造成的影响，回收其中有用组分。据统计，目前国民经济生产建设基础资源消耗量已经超过发达国家的三倍，而二次资源利用程度只有发达国家的三分之一，因此，应当继续加强开发固体废弃物的综合利用技术，提高节能降耗水平[1-5]。

对于科研工作者来说，通过研究已经发表的科学文献，分析当前研究现状和存在的疑难技术问题，可达到厘清该领域的发展脉络，宏观把握研究主题和趋势，洞悉未来的研究热点和前沿的目的。而传统的文献综述中参考文献少、只能定性归纳和分析研究的结论和建议，并且由于研究者自身学术水平参差不齐，综述文献的客观性相对较弱。近年来科学计量学与信息计量学技术迅速发展，为文献计量的大数据可视化提供了有效途径，采用知识图谱可对海量文献进行总结、分析[6]。相对于传统的阅读、总结、定性讨论的综述文献研究方法和途径，知识图谱软件具有文献处理量大、直观可视化、分析角度多样、数据分析结果可信度高等优点。通过知识图谱软件可对某领域的大量文献搜集、处理并进行可视化分析，梳理该领域的期刊、研究人员、研究机构单位、发文量等关键情报，通过总结已有的热点研究方向来预测未来的研究趋势等。国内最早开展知识图谱应用研究的是信息情报领域，以及高校图书馆等机构[7-8]。近年来逐渐有其他领域的学者将该方法应用到生态环境领域，采用文献计量学方法，结合VOSviewer和Citespace可视化软件对土壤学、环境科学、土壤重金属污染等研究热点和发展方向进行了分析和预测[9-10]。

本文以 CNKI数据库为数据来源，采用VOSviewer和Citespace可视化软件为研究工具，同时结合文献计量法，对2000～2020年固废综合利用方面的文献进行统计和可视化分析。以期通过定量化、可视化手段梳理21年间该领域的研究热点以及阶段性前沿方向的演变脉络，旨在为未来固废综合利用领域的研究提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

CNKI数据库是中国学术期刊电子杂志社编辑出版的以《中国学术期刊(光盘版)》全文数据库为核心的数据库，收录资源包括期刊、博硕论文、会议论文、报纸等学术与专业资料，覆盖理工、社会科学、电子信息技术、农业、医学等广泛学科范围，数据每日更新。本研究中检索日期为2021年7月2日，基于高级检索方式以主题为检索项，检索式为“（固废+固体废弃物）*回收OR（固废+固体废弃物）*综合利用 OR（固废+固体废弃物）*资源化”，匹配方式为“精确”，检索时间范围为2000～2020年，限定中文文献，共获得检索文章总数为6825篇，选择其中学术期刊类文献进行研究，并剔除其中通知类和相关度差的文献，最终剩余3977篇文章作为本研究的基础数据。

1.2 研究方法

本研究主要采用文献计量学方法，该方法是一种基于文献进行的多层次、多角度分析的科学计量方法。在对研究文献量化管理，将统计学和数学方法有机结合的基础上分析研究科学与技术的分布结构、特征与模式等等。文献计量法在科学研究中对已有研究进行客观、准确的量化分析，已经成为衡量科学进步的重要工具。

本研究采用的分析软件主要为VOSviewer和Citespace。VOSviewer是由Nees Janvan Eck及其团队研发的一款主要用于科学文献计量网络分析的可视化软件，在“共现”网络聚类以及密度分析方面功能强大。CiteSpace是由美国Drexel大学陈超美博士开发的科学文献计量分析软件，通过该软件可对科学文献的新趋势和新动态进行识别和可视化分析。因此，可以通过分析图谱中的信息，了解某领域的发展动态以及研究热点等。

本文综合运用VOSviewer和CitSpace软件对从CNKI获取的3977篇文献数据进行可视化分析以及知识图谱绘制，直观展现国内二十一年来固废综合利用总体研究方向、热点以及各历史阶段的前沿方向。同时结合文献计量法进行文献数据挖掘，借助CNKI自带统计功能、统计软件Excel以及绘图软件 Origin2019对文献的类型、数量、机构发文情况、发文作者、高频关键词等进行分析与表述。

1.3 数据处理

将检索所得的文献数据，选择CNKI的文献导出格式选项中的 Refworks格式导出到CiteSpace中，通过CiteSpace的格式转换功能，转换成软件能识别、分析的格式；通过CNKI自带的相关统计功能，进行年度发文量、合作发文量以及高频关键词统计；再将所获基础数据导出成RIS格式，采用VOSviewer软件对其进行识别和分析处理。分析处理过程中通过VOSviewer和CiteSpace软件自带的主题词剔除及合并功能，将意义接近的主题词/关键词进行合并处理，同时剔除对聚类分析产生干扰的检索词。

2 文献计量学分析

2.1 文献类型

论文是否有基金的支持在一定程度上反应了省市、国家层面对该研究方向的重视程度。对检索获得的3977篇期刊文献进行分类统计，得到省级和国家级基金支持的论文共493篇，占比仅为12.40%，87.6%的论文没有受到省部级以上的基金支持或来自生产单位。整体上来看固废回收、综合利用研究受到省市、国家层面的基金资助仍然较低，领域内较高比重的成果来自生产单位。

2.2 发文机构概况

以检索获得的 3977篇期刊文献为基础，对2000～2020年中国国内发文数量排名前20的研究机构进行分析（图1）。

图1 发文机构概况Fig.1 General situation of publication institutions

从数量来看，同济大学的发文量最多，为53篇，其次是昆明理工大学、清华大学、四川大学、中国矿业大学、中国再生资源回收利用协会、中南大学等，但数量均不是很高，说明国内固废综合利用研究仍处在发展阶段，需要高校、科研机构加大研究投入。

2.3 发文学者概况

以检索获得的 3977篇期刊文献为基础，对2000～2020年中文文献的发文作者情况及作者间合作情况进行研究（图2）。

图2 发文作者概况Fig.2 General situation of publication authors

从图2可以看出，在2000～2020年，昆明理工大学的孙可伟发文量最多，超过了10篇。其次是同济大学的赵由才以及昆明理工大学的王华、山西大学的程芳琴以及中国再生资源回收利用协会的周汉城，均为8～9篇/人。综合图2以及图3的信息可以看出，在2000～2020年昆明理工大学孙可伟、王华、吴满昌，同济大学赵由才、李光明、施惠生以及中国再生资源回收利用协会的周汉城等人是固废综合利用领域的专家，具有丰富的固废综合利用研究经验。

2.4 文献数量与年度分布

根据文献计量学理论，文献数量的年代分布统计在一定程度上反应了该领域研究水平和发展程度[11-12]，近20年固废综合利用文献数量年度分布情况如图3所示。

图3 2000～2020年固废综合利用文献数量年度分布Fig.3 Distribution graph of literatures on comprehensive utilization of solid waste from 2000 to 2020

整体上看固废综合利用文献数量随着年份呈增长趋势，说明20多年来，固废综合利用越来越受到关注，国内学者在该领域投入的研究工作逐渐增多，科研成果数量也逐年递增。在20多年里，固废综合利用研究大致可以分为以下几个阶段：

（1）2000～2005年，年度发文量低于 100篇，增长速率缓慢，表明该阶段国内固废综合利用研究尚处于起步期，政府部门和高校、研究单位对固废综合利用的重视度还不够，对该方向的关注和研究投入都比较少。在此阶段，部分省市针对各自固废堆积情况出台了一些关于城市生活垃圾、建筑垃圾处理管理暂行办法。国家发改委在2005年第65号文件公布了《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》260项技术，旨进一步推进资源节约综合利用和环境保护技术，加快新技术的推广应用，引导投资方向。此项具有指导性的国家文件出台后，极大地鼓励并推动了国内对固废综合利用的研究，可以看到 2005年开始，此主题下的发文量开始快速增长。

（2）2006～2017年，在国家政策的持续鼓励下，年度发文量快速增长。2012年开始年度发文量已达200多篇，说明该阶段为固废综合利用的稳定发展期，此变化进展和国家政策、法规密切相关。此阶段国务院出台的环境保护“十一五”规划提出了控制固体废物污染，推进其资源化和无害化工作规划。“十二五”的节能减排主题思想，“十三五”中加快农业农村环境综合治理的指导思想，均对固废综合利用提出明确的目标和要求。

（3）2018～2020年，从图3还可以看出，此主题下发文量在2018年有一个比较大的下跌，说明在 2017～2018年间国内研究学者在固废综合利用领域投入的时间相对有所减少。而在2018年后发文量又开始迅速增长，且增长速率在原来基础上进一步提高，说明该阶段国内固废综合利用进入了一个高速发展阶段。这和2018年内《生活垃圾分类制度实施方案》、环保税法、危废指南等政策法规持续发力、各地政策法规频频出台密切相关，极大地促进了国内各研究单位对固废综合利用技术的研究。

2.5 关键词统计

关键词是论文研究内容的点睛之词，是研究主题的高度概括和凝练[13]。一个关键词出现的频次等于附有该关键词的学术论文的总数，关键词出现的频次越高，说明相关的研究成果数越多，研究内容的集中性就越强[14]，从该角度即可反映该领域的研究热点。本研究对检索获得的 3977篇中文期刊文献的关键词进行统计分析，将频次排名前20的关键词列于表1。

表1 2000～2020年固废综合利用领域前20位高频关键词Table 1 Top 20 high-frequency keywords in the field of comprehensive utilization of solid waste from 2000 to 2020

合并意思一致或相近的关键词，可以发现“城市生活垃圾”、“资源化”、“综合利用”、“循环经济”是频次排在最前列的关键词，说明城市生活垃圾资源化和综合利用以及实现循环经济是固废综合利用研究主题下的热点研究方向。频次稍靠后的关键词是“粉煤灰”、“对策、”“工业固废”、“垃圾分类”、“处理”，说明很多研究者对垃圾分类开展了研究，尤其是对工业固废如何综合利用开展了大量研究，重点对燃煤电厂的主要固废—粉煤灰以及采煤和洗煤过程中产生的固废—煤矸石的综合利用开展了深入的研究，发表了许多相关论文。频次略低的关键词是“可持续发展”、“垃圾处理”、“循环利用”、“清洁生产”、“减量化”、“无害化”、“环境保护”，说明如何将垃圾进行合理处理，实现减量化、无害化的清洁生产，并合理将资源循环利用实现可持续发展也是 21年来该领域的研究热点。

关键词共现分析是对所搜集的文献集合中的关键词共同出现的情况进行分析，用以确定该文献集合中研究领域的各研究主题以及主题之间的关联情况。本研究对检索获得的3977篇期刊文献进行处理，导入到VOSviewer中，运用其关键词“共现”功能，以彩色网络标签视图的形式展现（图4）。

图4中节点圆圈越大，表示其关键词词频越大，即为热点研究内容；节点圆圈位置越接近中心，表示其所代表的关键词重要性越强，即为该领域的重要概念；节点圆圈之间越接近，说明二者共同出现在同一篇文献中的次数越多，连接两个节点的灰线越粗，说明二者同时出现的次数越多；同一种颜色的节点表示同一个聚类，即同一研究主题[15-16]。从图4可以明显看出，节点“固体废（弃）物”、“固废处理”、“资源化利用”、“资源化”无论是大小还是位置都具有突出的优势，说明以上关键词是本领域的重要概念。“城市生活垃圾”、“工业固废”、“垃圾分类”、“粉煤灰”、“节能减排”、“固体废物处理”是本研究领域热点或重要研究方向。将图4中出现的关键词进行主题规划，可得表2。

表2 研究主题及关键词聚类Table 2 Research topics and keywords clustering

图4 2000～2020年固废综合利用研究热点标签视图Fig.4 Hotspot label view of comprehensive utilization of solid waste from 2000～2020

从表2可以看出，近20年来，固废综合利用领域主要研究主题为“城市生活垃圾分类收集处理”、“工业固废资源化”、“垃圾分类回收”、“粉煤灰综合利用”、“节能减排”、“固体废物处理”。并且结合图4可以看出，表2中前三个主题“城市生活垃圾分类收集处理”、“工业固废资源化”和“垃圾分类回收”在图4中所对应的圆点总面积百分比均较大，此三个主题是固废综合利用21年来主要研究主题。

3 研究热点及阶段性前沿分析

3.1 研究热点

Vosviewer除了具有标签视图分析功能外，还具有强大的密度视图功能。密度视图中，从冷色调（蓝色）到暖色调（黄色）表示关键词共现的频次越来越高，即研究主题的热度越来越高（图5）。

图5 关键词共现密度视图Fig.5 Density view of co-occurrence keywords

从图5可看到暖色调中包含有“固体废弃物”、“固体废物”、“资源化”和“资源化利用”其是本领域重要概念，在论文中被频繁用作关键词使用。而“城市生活垃圾”、“分类收集”、“处理处置”是本领域重要研究主题，也是研究热点。另一个关键词共现热点“废弃物的处置管理政策”表明 21年间废弃物处置管理政策的颁布、实施对固废综合利用研究起着重要导向作用，决定了本领域的主要研究内容，是研究的风向标，被大量作者作为关键词引入文章中。同时可以看到，在暖-冷色调过渡段，“工业固废”、“粉煤灰”、“山西省”、“煤矸石”和“再资源化”组成了一个热度圈，表明“工业固废资源化”是次于“城市生活垃圾分类收集处理”的一个研究热点。在过渡段中还可以看到“垃圾分类”、“再生利用”、“垃圾处理”、“层次分析法”也组成了一个热度圈，指示出“垃圾分类回收再生利用”也是该领域一个研究热点。以上与图5、表2分析结果具有一致性。

综上所述，“城市生活垃圾分类收集处理”、“工业固废资源化”和“垃圾分类回收再生利用”是固废综合利用研究领域的主要研究热点。

3.2 阶段性前沿分析

以上研究通过关键词共现分析的方法定性地展现固废综合利用研究热点，但没有体现研究方向随时间变化规律。为研究主题随时间变化情况，分别通过Vosviewer含时间轴的标签视图功能以及 CiteSpace的关键词突现分析功能来研究不同研究热点的热度随时间变迁规律，直观地展示出研究前沿之间的交互关系和演进路径[17]。此外，CiteSpace软件还有突变词探测功能。突变词是指短时间内使用频率突增的关键词，可以表征研究前沿的发展趋势，突变词的突变率则表现了该词短时间内使用频率突增的强度[18]。因此，本文采用VOSviewer标签视图功能，加入时间轴后得到标签视图（图6），同时利用 CiteSpace的时区视图及突变词探测功能，对基础数据进行处理，将时间区域定位2000～2020年，设置每一年为一个时间切片，对每个切片中突现关键词进行探测，最终获得时间线图谱（图7）和突显关键词（表3）。

表3 突现关键词Table 3 List of burst keywords

图6 2000～2020年固废综合利用研究标签视图Fig.6 Label view of comprehensive utilization of solid waste from 2000～2020

图7 时间线视图Fig.7 Frontier time zone view

从图7可以看到固废综合利用领域起初以垃圾填埋、焚烧、堆肥为主要研究内容开始了少量的研究。随着我国经济飞速发展，城市生活垃圾问题日益突显，国家及地方政府逐步颁布各项关于城市生活垃圾处理管理暂行办法，鼓励科研工作者开展相关技术研发。随着时间推移（图7中颜色由深绿向黄色过渡），工业经济飞速发展阶段遗留下来的固废量愈发明显，工业固废综合利用逐渐成为研究热点，其中粉煤灰、煤矸石的资源化利用为主要研究主题。近年来（图7中黄色圆点），国家推行的垃圾分类收回政策使得垃圾分类处理成为新的研究热点。在工业固废综合利用中京津冀和山西地区固废资源化利用、磷石膏、大宗固废综合利用是目前及未来该领域的研究热点。

通过对时间线视图的分析可以发现固废综合利用领域主要研究主题的前沿情况如下：

（1）城市生活垃圾：在统计的10个固废综合利用主要研究主题中，城市生活垃圾是研究最多的主题。从2000年开始引入垃圾焚烧、堆肥、无害化、填埋等概念和技术，到2010年后开始对垃圾进行分类处理并加大实施法律对策。可以看到近两年在城市垃圾处理领域，园林绿化废弃物开始逐步形成一个研究方向。

（2）综合利用：在该主题下，从早期的钢渣资源化利用、矸石制砖等工业固废的综合利用，逐渐过渡到研究创新制备新材料，如制备预拌混凝土、发泡陶瓷等。

（3）生活垃圾：生活垃圾最早主要以分类回收、管理及处置为主。研究工作者在学习美国、德国生活垃圾处理技术基础上，在实验室开展了大量的研究工作，形成了生活垃圾处理的全流程设计。PPP模式处理方法、分类治理是目前及未来对生活垃圾处置的主流方向。

（4）粉煤灰：针对粉煤灰综合利用，最早采用其和碱渣、海湾泥混合后形成新土源用于植物栽培。随着研发工作的推进，粉煤灰逐渐也用于制备陶瓷、建筑材料和复合板。

（5）循环经济：循环经济作为该领域的主题概念，从早期的再生资源概念、钢铁工业发展循环经济逐渐过渡到ahp-bp循环经济网络模型。目前以及未来研究前沿为零排放，共建共享以及静脉产业园和无废城市。

（6）固废处理：研究前沿为“无废城市”以及“生活垃圾分类”。

（7）资源化：研究前沿是全生命周期以及绿色矿山。

（8）包装废弃物：研究前沿是包装废弃物回收利用体系的建设。

（9）城市固体废弃物：研究前沿是生态文明建设及固废处理模式的探索。

（10）京津冀：研究前沿是协同处理。

通过对突现关键词的分析可以发现如下特点：

（1）2000～2004年突现关键词：城市生活垃圾、可持续发展、综合治理、堆肥。在这一时期，城市生活垃圾、无害化处理、堆肥、焚烧、卫生填埋、综合治理等城市生活垃圾综合治理领域的重要概念开始大量出现，明确了本领域研究的基本范围和主题，说明本时期是固废综合利用研究的起步阶段。

（2）2005～2009年突现关键词：循环经济、分类收集、治理、清洁生产、节能减排、处理技术。本时期是固废综合利用内涵进一步丰富和发展的阶段。这一阶段，国家及地方政府对环境问题的关注不断加强并陆续出台相关政策，国务院出台的环境保护“十一五”规划提出了控制固体废物污染，推进其资源化和无害化工作规划。

（3）2010～2014年突现关键词：生命周期评价、朔州市，环境影响评价。本阶段固废综合利用研究随着国家、部委相关政策法规的颁布，其内涵不断丰富和深化。

（4）2015～2020年突现关键词：危险废物、绿色发展、再生资源回收、垃圾分类、生态城市、固废资源化、无废城市、磷石膏。

综上所述，2000～2020年，在固废资源综合利用领域，研究热点为垃圾分类回收处理（尤其是城市生活垃圾分类回收利用）和工业固废综合利用（尤其是京津冀和山西地区固废资源化利用、磷石膏、大宗固废综合利用）；园林绿化废弃物回收利用、固废制备新材料、生活垃圾通过PPP模式回收处理，分类治理、实现全生命周期智慧管理和零排放，共建共享、打造静脉产业园和无废城市、建设包装废弃物回收利用体系、京津冀地区固废协同处理等是固废资源综合利用领域研究前沿。

4 结语

本研究基于文献计量学的研究方法，对CNKI中关于固废综合利用的文献进行了分析，并采用Vosviewer和CiteSpace的知识图谱可视化功能，深入分析、探索了固废综合利用领域的研究主题、热点及前沿，得出如下结论：

（1）固废回收、综合利用研究受到省市、国家层面的基金资助仍然较低，领域内较高比重的成果来自生产单位。

（2）2000～2020年，昆明理工大学孙可伟、王华、吴满昌，同济大学赵由才、李光明、施惠生以及中国再生资源回收利用协会的周汉城等人是固废综合利用领域的专家，具有丰富的固废综合利用研究经验。

（3）2000～2020年，固废综合利用越来越受到关注，国内学者在该领域投入的研究工作逐渐增多，发表的相关科技文章数量也逐年递增。

（4）2000～2020年，“城市生活垃圾分类收集处理”、“工业固废资源化”和“垃圾分类回收”是固废综合利用领域主要研究主题。

（5）2000～2020年，固废资源综合利用领域的研究热点为垃圾分类回收处理（尤其是城市生活垃圾分类回收利用）和工业固废综合利用（尤其是京津冀和山西地区固废资源化利用、磷石膏、大宗固废综合利用）。

（6）2000～2020年，固废资源综合利用领域的研究前沿为园林绿化废弃物回收利用、固废制备新材料、生活垃圾通过PPP模式回收处理，分类治理、实现全生命周期智慧管理和零排放，共建共享、打造静脉产业园和无废城市、建设包装废弃物回收利用体系、京津冀地区固废协同处理。

基于以上分析总结，可以看到未来针对固废综合利用的研究工作将更为普遍且深入，尤其是城市生活垃圾处理、工业大宗固废资源化以及各类垃圾的分类回收等研究主题将持续成为该领域的研究热点。而固体废弃物再利用、制备新材料、生活垃圾实现全生命周期智慧管理、打造无废城市等将成为该领域的研究前沿，需要进行更多的创新和投入。