基于专利的全球秸秆利用技术发展态势分析*

王红彦，王亚静，毕于运，高春雨※

（1.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

0 引言

生物质资源是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。秸秆类生物质资源化利用技术是科学家们重点关注和研究的课题[1,2]。中国是农业大国，也是世界第一秸秆大国[3]。2020年全国秸秆资源可收集利用量7.22亿t，秸秆利用量6.33亿t，秸秆综合利用率87.60%[4]，基本形成肥料化利用为主，饲料化、燃料化稳步推进，基料化、原料化为辅的综合利用格局。秸秆田间焚烧量约1.12亿t，占全国秸秆理论资源总量的11.6%[5]。我国最早以秸秆禁烧（严禁焚烧秸秆）和综合利用为专题内容的国家行政规范性文件于1997年发布[6,7]，近年来党中央、国务院对秸秆资源管理达到了前所未有的重视程度，明确了要坚持秸秆还田利用与产业化开发相结合[8-10]，推动形成布局合理、多元利用的产业化发展格局，不断提高秸秆综合利用水平[11,12]，因此秸秆利用技术研发势在必行。

目前秸秆类生物质利用技术的专利分析研究主要集中在能源化、肥料化利用方向。如Faba等[13]基于专利文献分析了生物质转化为燃料的催化技术领域最新进展，利用专利聚类方法分析了生物质制氢技术的发展历程，明确了生物质制氢核心技术集群。国内学者也开展了纤维素乙醇[14]、生物质发电[15]、成型燃料[16]等生物质资源化利用技术的专利分析，为产业发展提供战略情报信息。刘勤等[17,18]分别就中国秸秆资源化利用技术领域的授权发明专利和外观设计专利数据进行挖掘分析；也有学者对秸秆制备缓冲包装材料[19]与秸秆还田技术[20]进行了专利分析。但上述研究的范围与时效对当前中国秸秆产业技术发展的情报支撑远远不够，且全面分析秸秆资源化利用技术创新和发展态势的研究屈指可数。文章基于专利文献，从全球视角对秸秆利用技术专利研发趋势、重要国家、重要申请人等内容进行深入分析，揭示全球秸秆利用技术的现状与发展态势，全面深层地挖掘秸秆利用技术专利信息以促进产业技术升级[21]，能够在一定程度上唤醒“沉睡专利”，为研究和制定秸秆产业发展战略，促进秸秆利用技术创新和成果转化提供决策支撑。

1 方法与数据来源

该研究采用专利分析方法，基于全球秸秆利用专利数据开展申请趋势、专利布局、重要申请人、技术发展态势分析等研究。分析工具包括德温特创新索引（Derwent Innovation Index，DII）、德温特数据分析软件（Derwent Data Analyzer，DDA）、incoPat分析平台以及MS Excel等。专利数据来源于德温特创新索引（DII），是专利信息收录最全面的数据库之一。该文检索策略中涉及农作物秸秆种类主要包括小麦、玉米、水稻、豆类、薯类、油料等。检索字段包括标题与摘要，限定发明专利数据，专利检索采用IPC国际分类号与关键词检索相结合的方式进行，检索截止日期为申请年2020年，共检索到发明专利7.28万件，剔除不相关专利后剩余6.98万件专利。鉴于专利申请到专利公开有18个月的滞后期，使得大量专利还处于未公开状态，所以2018年及以后的数据仅供参考。

2 结果与分析

2.1 全球秸秆利用专利申请趋势

2.1.1 全球秸秆利用专利经历3个发展阶段

图1显示了1950—2020年全球秸秆利用专利的申请与授权情况，大致可分为萌芽阶段、缓慢发展阶段和快速增长阶段。首先是1950—1980年的萌芽阶段，该时期内全球秸秆利用专利数量很少，专利申请总量不足千件，主要集中在日本、美国和英国等国家。第二阶段是1980—2000年的缓慢发展期。20世纪80年代全球秸秆利用专利申请量突破百件，各年专利申请量起伏不大，技术发展较为缓慢。2000年以后秸秆利用专利进入快速增长阶段，2000—2020年的20年里全球秸秆利用技术专利申请量达到6.62万件，占申请总量的94.86%，仅2018年全球秸秆利用专利申请量就达到8 485件，表明全球秸秆利用技术专利申请在近20年呈现爆发式增长的趋势。其主要原因是由于受到能源危机和环境污染的压力，秸秆类生物资源利用技术发展迅速，秸秆产业形成一定规模。专利授权趋势与专利申请趋势大致保持一致，随着秸秆利用专利申请基数的激增，全球秸秆利用专利授权率在2015年达到43.39%，达到近年来的峰值。总体来看，秸秆利用专利申请仍保持良好的增长势头，但增速放缓。

图1 1950—2020年全球秸秆利用专利申请与授权趋势

2.1.2 秸秆利用专利全球布局情况

中国目前是世界第一秸秆大国[22]，但中国最早的秸秆利用技术专利出现在20世纪80年代，起步较晚。美国、日本、德国和英国等国家早在19世纪60—70年代就开始秸秆利用技术的研究工作并申请专利。20世纪90年代，随着中国环境治理和秸秆禁烧政策的实施，科研机构和企业加大了对秸秆利用技术的研发力度。截止2020年，中国秸秆利用专利申请公开量为5.36万件，占全球的76.80%，位居第一；美国秸秆利用技术专利公开数量2 689件占全球3.85%，位居第二；韩国和日本秸秆申请量分别为2 325件和1 841件，分列第三和第四位；中美日韩4国秸秆利用技术专利申请数量占全球秸秆利用专利的90%以上（图2）。

图2 秸秆利用技术专利公开主要国家和地区分布

图3显示了2000年以来主要国家秸秆利用专利公开趋势。可以看出，近年来美国、韩国和日本在秸秆利用技术领域的专利公开数量相对稳定，而中国秸秆利用专利公开量从2010年的1 087件增长至2017年的8 764件，增加了7倍多，成为全球秸秆利用专利公开数量的主要贡献力量。

图3 2000—2020年主要国家秸秆利用技术专利公开趋势

2.2 重要申请人与重要专利分析

2.2.1 重要申请人分析

表1重点分析了全球秸秆利用专利数量前10位的机构及其技术研发重点。从专利申请公开数量看，美国希乐克公司以专利申请量662件居第一位，中国科学院以658件居第二位，中国农业科学院、美国杜邦公司分别为第三位和第四位。专利公开量排名前10位的机构中，中国5家（专利公开量1 851件），美国4家（专利公开量1 533件），丹麦1家。希乐克公司、杜邦公司、诺维信公司在秸秆利用领域的专利主要集中在秸秆纤维素原料预处理与纤维素乙醇生产，中国科学院与中国农业科学院在秸秆利用技术领域的专利覆盖面较广，涵盖秸秆肥料化、饲料化和基料化利用，以及秸秆炭、秸秆纤维素乙醇生产。凯斯纽荷兰与迪尔公司在秸秆领域的专利主要涉及作物收获环节联合收获机械和打捆设备；华南理工大学和南京林业大学在秸秆领域的专利涉及秸秆化工产品制备、秸秆木塑复合材料等。

表1 秸秆利用技术领域排名前10位申请人

表2对全球秸秆利用专利申请量排名前50位申请人类型进行了分析，结果表明，该领域的专利申请人类型以企业为主，20家企业专利申请量达到3 494件，占排名前50位申请人专利总量的44.73%；23个高校专利申请量为2 488件，占比31.85%；7家研究机构专利公开量为1 869件，占比23.93%（表2）。

表2 全球秸秆利用专利排名前50位申请人类型构成

排名前50位申请人中包含37家中国机构和13家国外机构。国外的13家机构从申请人类型看，包括11家企业和2家研究机构，其中企业专利申请量占主导地位，是技术研发的主力。排名前50位申请人中的37家中国机构共申请专利5 194件，专利申请人以高校居多（23家），专利申请量2 448件；研究机构5家，专利申请量1 512件；企业9家，专利申请量1 234件。由此可以看出，国内秸秆利用技术创新主体以高校和研究机构为主，与国外企业为主的研发主体形成鲜明对比。此外，国外秸秆利用技术集中在少数几个大企业，中国在该领域的专利申请呈现小而散的特点，不利于技术创新发展。

2.2.2 重要专利分析

DI分析平台中的战略重要性指标用于评估该专利对其他申请人的相对重要性。表3可以看出，战略重要性排名前10位的专利主要涉及秸秆类生物质预处理、燃料乙醇生产等技术方向。

秸秆的复杂结构极大地限制了秸秆资源的开发利用。预处理技术是秸秆资源化利用尤其是能源化、工业原料化利用工艺的核心技术，也是秸秆资源利用的共性关键技术。现阶段如何降低秸秆预处理工艺成本和提高预处理效率仍是一个难点。表3结果显示，国外企业更加重视秸秆预处理技术和秸秆燃料乙醇技术、秸秆饲料利用技术以及秸秆预处理设备等，对上述技术的专利布局较多，中国在秸秆燃料乙醇相关技术领域处于跟跑地位。

表3 全球秸秆利用专利战略重要性排名前10位

2.3 全球秸秆利用专利技术态势分析

2.3.1 基于IPC分类号的技术分析

专利IPC编号规则是粗粒度的专利技术分类方法之一，能够在一定程度上呈现专利技术领域分布情况。从技术发展趋势看，2010年以来C05G（肥料的混合物）发展最为迅速，主要为秸秆肥料化利用；其次是A01G（园艺、栽培），主要涉及秸秆还田农艺与田间管理；发展较快的第三类技术是秸秆饲料化技术，即A23K（专门适用于动物的喂养饲料；其生产方法）；C05F（有机肥料，如用废物或垃圾制成的肥料）也是发展较快的技术方向，主要涉及秸秆堆肥技术、秸秆基质肥料技术等。此外，C12N（微生物或酶；繁殖、保藏或维持微生物；变异或遗传工程；培养基）也取得了一定进展，主要涉及秸秆燃料乙醇生产技术、秸秆厌氧发酵技术等秸秆新型能源化利用技术领域（图4）。

图4 2001—2018年全球秸秆利用专利技术变化趋势

2.3.2 主要国家秸秆利用专利地图分析

结合专利IPC及专利地图分析，对比中国、美国和韩国的秸秆利用专利布局，可以看出各国在秸秆利用技术领域研发的侧重点。

中国秸秆利用专利涵盖了“五料化”利用各领域，但在各领域的专利申请分布并不均衡。其中，秸秆肥料化利用专利申请量最高，这与中国秸秆利用现状是一致的；秸秆燃料化利用技术主要涉及厌氧发酵技术、生物质燃料；秸秆基料化利用主要聚焦于食用菌基质栽培技术和育苗培养基质配置；秸秆原料化利用主要涉及秸秆制浆造纸技术、建筑材料、秸秆木塑等，但高值化利用技术专利相对较少。

美国秸秆资源利用技术领域的专利申请主要分布在秸秆燃料化利用和秸秆工业原料化利用，其中以秸秆纤维素降解酶的研发专利最多；其次是秸秆还田机械方面，包括秸秆收获和打捆机械设备。

韩国秸秆利用技术主要集中在基料化、饲料化、燃料化和原料化利用方向。韩国秸秆基料化利用侧重于食用菌栽培基质的研究；饲料化利用主要偏重于豆科秸秆发酵生产饲料技术；此外，韩国秸秆燃料化利用重点技术同样选择了生物燃料乙醇技术。在秸秆原料化利用方面侧重于秸秆建筑材料生产技术。

2.3.3 中美秸秆利用专利转移许可对比

在中国公开的5.36万件秸秆利用专利中，发生专利转让与许可的专利数量为3 224件，占比为6.02%，也就是说大量的秸秆利用专利在“沉睡”。而美国发生许可和转让的专利数量为1 981件（总量2 689件），占比为73.67%。相比之下，中国秸秆技术领域的专利基数虽大，但是转化应用比例较低。此外，对比中美两国的专利有效性分析，在秸秆利用技术领域，中国专利有效和审中的专利数量为2.09万件，占比39.07%；美国在该技术领域有效和审中的专利比例达到47.00%（图5）。中国秸秆利用专利授权率为20.49%，平均单篇专利被引证次数为1.85；美国在该领域的授权率和被引证次数分别为48.23%和10.47，由此可见，中国在该领域的专利质量亟待提升。

图5 中美秸秆利用专利有效性分析

3 结论与建议

3.1 结论

中国在秸秆利用专利技术领域的专利申请虽然起步晚，但通过在秸秆综合利用与禁烧管理等方面不断强化政策支持，专利申请迅速增加，目前成为秸秆专利第一大国。但是中国在专利质量、核心专利技术以及专利转化方面仍存在一些问题。从专利质量看中国秸秆还田、秸秆肥料化利用等直接利用的专利技术较多，高值化秸秆利用技术专利数量较少；从专利战略重要性看，中国在秸秆预处理、秸秆燃料乙醇生产等战略重要技术领域处于跟跑地位；从专利转化看，中国的专利授权率和专利转让许可比例远不及发达国家，科技成果转化率低；从技术研发主体类型看，中国秸秆利用技术创新主体以高校和研究机构为主，企业研发实力相对较弱。国外秸秆利用专利集中在少数几个大型跨国企业，中国在该领域的专利申请人呈现“小而散”的特点，不利于技术创新发展。

3.2 建议

（1）中国要加强企业在秸秆产业技术领域的作用。中国秸秆利用技术的专利申请活动大部分由高校和研究机构承担，反映出作为创新主体的企业创新能力不足，企业在提高研发水平的同时，应加强与高校及研究机构的合作。

（2）加强核心技术研发，提升专利质量。中国在秸秆类生物质预处理、燃料乙醇生产等核心关键技术方向专利数量和质量都不高，处于跟跑地位。因此，中国在秸秆利用技术研发中应密切关注主要国家和机构的重要专利，对相关的前沿热点技术及核心关键技术进行动态监测和跟踪，加强与国际先进研发主体的合作，引进吸收改进后，增加自身核心或高影响力专利的数量，提高专利质量。

（3）加快专利成果转化与技术推广。要充分发挥中国在秸秆炭基肥等新兴肥料生产、秸秆土壤重金属修复、秸秆建筑材料以及秸秆化工产品等领域的优势，进一步加快专利向产业化转化，促进“沉睡的专利”转化为现实生产力，进而开展技术应用与推广。