基于文献计量学的棉花秸秆研究现状与热点分析

马文鹏，赵宇曦，刘 斌，3，何洪优, 任海伟

(1.新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 831100；2.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209；3.北京优联格瑞食品有限责任公司, 北京 101012; 4.兰州理工大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730050)

中国是世界上最大的棉花生产国,每年的产量约占全球棉花产量的25%。棉花收获后会剩余大量的废弃物,如秸秆、棉花叶和棉花壳,仅棉花秸秆的量每年就有4000万吨[1]。新疆作为全国最重要的棉花种植基地，棉花秸秆资源十分丰富。棉花秸秆是棉花生产的主要副产物，其含有丰富的木质素、纤维素和半纤维素以及粗蛋白等物质，可广泛用于农畜业、工业、能源、环保等领域，具有极高的开发利用潜力[2]。1997年，张佑华[3]所在的农一师三团机务科在原先纯人工砍运秸秆的背景下，研发新型压杆器，使得 95%以上的棉秆都能翻压入土，不露地表。2003年，新疆农业大学魏敏[4]通过对照试验得出粉碎棉花秸秆作为粗饲料,可被绵羊采食和利用的结论。2007年，石河子大学邓辉[5]以棉花秸秆为原料，研究了原料预处理的方法，筛选了乙醇发酵菌株，并系统研究了秸秆水解液发酵转化乙醇的工艺。2015年，新疆农业大学晋强[6]等根据新疆棉花秸秆利用的现状及问题,论述了棉花秸秆制作粗骨料的探索性思路。目前关于棉花秸秆领域研究现状与发展趋势的研究相对较少。我国对棉花秸秆的研究较国外起步晚，研究的系统性和针对性上还有待提升，为把握棉花秸秆在应用与开发领域的研究现状与发展趋势，以公开的各种科技文献为研究对象，采用文献计量法，运用数学、统计学与文献学方法来描述、评价和预测棉花秸秆研究现状与发展趋势。笔者收集中文载文375篇(1986年7月～2021年12月)、外文载文481篇(1933年1月～2021年12月)，系统性分析棉花秸秆领域研究现状并预测发展趋势，能够为合理有效地处理利用棉花秸秆提供理论支撑,促进社会经济可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

国外数据，本文以 Web of Science 数据库为来源。2021 年 12月作者基于 WOS 检索，检索式为: TI=((cotton or gossypium spp)AND(straw* or stalk* or husk*))，对检索结果进行人工筛查，去除报告、新闻、会议通知等不相关条目。

国内数据，本文以中国学术期刊网络出版总库(China Academic Journal Network Publishing Database)为来源。检索标题包含“棉花秸秆”的论文。对检索结果进行人工筛查，剔除无关文献。

1.2 试验方法

知识图谱分析是引文分析理论和信息技术可视化发展而来的综合分析手段，本研究运用知识图谱可视化分析软件 VOSviewer与文献计量分析相结合的方式，分析发文量时序分布、研究热点、研究主题等方面的特征，揭示国内外棉花秸秆研究的前沿热点问题等内容。

(1)发文量时序分析。按时间统计棉花秸秆发文量，对比中外发文量变化趋势，分析棉花秸秆研究的中外发展变化及其影响因素。

(2)研究热点分析。提取中外棉花秸秆研究文献的关键词，进行共现聚类分析，探究各研究热点的知识群组，反映关键词之间的亲疏关系。

(3)学科分布分析。统计中外棉花秸秆研究发文量排名前10的期刊学科分布，分析棉花秸秆研究领域文献的研究层次和研究主题在学科中受关注程度。

2 结果与分析

以主题聚类、关键词共现等为主要分析内容，运用VOSviewer可视化分析软件对国内外棉花秸秆研究进展进行梳理分析，形成棉花秸秆研究领域在研究热点、发展方向等方面主要结论，为下一步研究提供指导。

2.1 发文量时序分布

学术论文发文量的时序变化是衡量棉花秸秆研究领域发展的重要指标。统计CNKI和WOS中以棉花秸秆为研究主题的发文量，建立发文量时序分布图，分析文献时间分布和变化趋势，对比棉花秸秆研究的中外差异，如图1所示。

图1 国内外棉花秸秆研究文献发表年份趋势图

由图 1 可见，国外棉花秸秆领域研究远早于国内，早在 1933 年开始从棉花秸秆和棉花尖中纤维素的单位细胞对棉花秸秆进行探索[7]。从1961 年开始，对棉花秸秆有了持续性研究，每年均有研究成果，直至 2006年。从2007年开始，研究进入增长期，虽然个别年份文献量有所下降，但总体增长态势显著。2021 年有 53 篇研究成果产出，达到高峰。

国内方面，1990 年杭书群[8]以“用生产牡蛎菇的棉花秸秆作饲料”为题开启了国内相关研究，此后国内相关研究成果数呈增长趋势，2014年发表了45篇论文，达到高峰。随后发表文献量略有下降，2017 年以来，年均发表22.4篇论文。

2.2 研究热点分析

2.2.1 国内研究热点分析

关键词是作者对论文研究主题核心概括，图2为国内棉花秸秆研究高频关键词共现网络图。图中字体大小表示关键词词频，字体越大，词频越高。节点颜色代表所属聚类，图中不同颜色代表不同聚类。节点间连线表示关键词之间联系，连线粗细度、颜色深浅度代表联系紧密度，连线越粗、颜色越深，表示联系越紧密。

图2 国内棉花秸秆研究高频关键词共现网络图

由图 2可见，整个视图主要包括利用、吸附、棉花秸秆产量、秸秆还田、力学性能、预处理、机械化7个聚类。将各关键词整理成表 1。结合图 2、表 1 分析，总体来看，国内学者对棉花秸秆的研究主要集中于棉花秸秆的产量、力学性能、秸秆还田等方面。

表1 国内棉花秸秆研究热点主题词列表

2.2.1.1 棉花秸秆利用

水泥土、混凝土等在岩土工程界应用广泛,为我国建筑行业发展做出了应有贡献。水泥土自身的抗折强度低，硫酸盐侵蚀会造成混凝土耐久性损伤，盐渍土更是具有盐胀、溶陷、腐蚀和吸湿软化等问题。为了改善以上缺点,使其能够更好地满足作为支护体系的强度要求以及实际工程建设的要求，会进行固化或加固处理，其中秸秆纤维作为优良的加筋材料应用于加筋工程中，能够提高整体的性能。

国内学者对于棉花秸秆提高水泥土、混凝土、盐渍土的强度等性能进行了深入研究。如安徽理工大学土木建筑学院的李永彬[9]等研究掺入棉花秸秆纤维的水泥土经过数次干湿循环后的抗压强度变化。干湿循环30次后纤维依然存在一定的加筋效果,可应用于一定期间内的工程支护体系。安徽理工大学的苏强[10]对素混凝土和棉花秸秆纤维混凝土在硫酸盐侵蚀环境中自然侵蚀机制和干湿循环机制的性能进行了探讨。苏州科技大学的倪天翼[11]采用棉花秸秆纤维作为加筋材料,对水泥盐渍土和盐渍土素土两种类型的土进行加筋固化,分析并对比了棉花秸秆纤维加筋这两种类型土的加筋效果。同时对两种加筋土施加一定次数的干湿循环和冻融循环,分别研究了两种加筋土抗压强度、抗折强度,压缩系数以及渗透系数的变化规律和机理,为推进秸秆纤维在加筋工程中的应用提供理论基础。相关研究为棉花秸秆的资源利用提供了合理途径,并丰富了棉花秸秆纤维加筋土的研究,为秸秆纤维的实际应用提供理论参考。

2.2.1.2 棉花秸秆吸附

随着工业现代化的快速发展，工业废水中夹杂的各种有毒物质和难以降解的污染物对环境影响日益严重，对工业废水处理的要求也日益严格。采矿、冶炼、化工等行业所产生的重金属离子随其工业废弃物进入水体，它们会对环境和人体产生严重的危害[12]。吸附法作为一种高效且经济的从水中去除重金属离子的方法，受到研究人员的重视。生物炭是将农林废弃生物质材料在高温限氧条件下制备成富碳多孔物质[13]。将纤维素废弃物改性后处理废水中重金属离子的方法，与传统的废水处理方法相比具有成本低、吸附效果好、对环境友好等优点。

国内学者对于棉花秸秆吸附废水中磷、亚甲基蓝、硫酸根离子、PPCPs污染物等物质的机理和作用进行了深入研究。如山东师范大学的封玉[14]研究由农业废弃物棉花秸秆为原材料制备的棉花秸秆生物炭和改性生物炭对水体中PPCPs污染物氧氟沙星和布洛芬的吸附机理,进一步优化吸附过程,为农业废弃物棉花秸秆的资源化利用提供新的途径。塔里木大学水利与建筑工程学院的王泽庆[15]等通过批量平衡实验探讨棉花秸秆生物炭对亚甲基蓝(MB)的吸附特性。滨州学院的余葆青[16]等采用NaOH处理过的棉花秸秆去除废水中的Pb2+和Cu2+,探究不同因素对Pb2+、Cu2+的吸附效果的影响,确定最佳吸附工艺条件。棉花秸秆吸附废水中重金属离子的研究以及生物质活性炭的高效制备将是棉花秸秆吸附研究中需长期关注的主题，也将为解决环境污染问题以及农业废弃物棉花秸秆的资源化利用问题提供可行思路。

2.2.1.3 棉花产量

国内学者就棉花秸秆对于棉花产量的影响进行了深入研究。石河子大学水利建筑工程学院的张金珠[17]等探索秸秆覆盖对北疆滴灌棉花生长特征和产量的影响，结果表明秸秆覆盖对棉花生长及产量具有一定的促进效果。南京农业大学的梁耘[18]通过研究不同施氮量下秸秆与生物炭还田对棉花生物量累积分配与产量形成及其相关因素的影响规律,为盐碱地棉花秸秆还田方式和氮肥用量的合理选择提供理论支撑,进而为实现棉花高产、稳产、高效提供理论基础。山东农业大学的刘艳慧[19]研究连续全量棉花秸秆还田对土壤理化性质及产量品质的影响。研究表明秸秆还田提高了棉花群体总铃数、单铃重,进而提高了籽棉产量和皮棉产量,但对衣分及纤维品质无显著影响。相关研究为提高棉花产量提供了建议的耕作和栽培方法，并为棉花秸秆资源的合理利用提供理论依据。

2.2.1.4 秸秆还田

作物秸秆富含碳、氮、磷和钾等养分,是一种天然的有机肥。秸秆还田是一种高效管理秸秆的方式,且通常能够增加作物产量和提升土壤肥力[20]。

国内学者就棉花秸秆还田进行了深入研究。石河子大学新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室的常汉达[21]等以新疆玛纳斯河流域长期连作棉田为研究对象, 分析连作结合秸秆还田对土壤有机碳结构和稳定性的影响。研究表明棉田长期连作结合秸秆还田后土壤有机质结构趋于脂肪化,土壤矿物结合对有机质保护性升高,有机质稳定性升高。山东农业大学农学院作物生物学国家重点实验室的刘艳慧[22]等研究棉花秸秆还田对土壤微生物数量及酶活性的影响，研究结果表明持续棉花秸秆还田有利于保持和改善土壤的生物学特性。山东农业大学的李金埔[23]通过棉花秸秆还田试验，探讨棉花秸秆还田对棉田土壤理化性质、酶活性、微生物和棉花产量品质的影响，以期为棉花秸秆还田的大面积推广应用提供理论依据。秸秆还田技术、通过桔秆还田保持和改善土壤的生物学特性等问题将是今后重要的研究话题。

2.2.1.5 力学性能

通过分析研究棉花秸秆的力学性能,能够为其在砌体结构、建筑材料、岩土工程等领域中的应用提供理论依据。

国内学者就棉花秸秆的力学性能、棉花秸秆草砖等相关应用进行了深入研究。新疆农业大学水利与土木工程学院的刘磊[24]等分析棉花秸秆的拉伸力学性能,为其在砌体结构中的应用提供理论依据。山东农业大学机械与电子工程学院的李玉道[25]等对棉花秸秆在不同时间、不同含水率的剪切强度和剪切功的变化进行了试验研究，结果表明棉花秸秆剪切强度与含水率密切相关。新疆农业大学水利与土木工程学院的晋强[26]等研究棉花秸秆草砖制作工艺，并对草砖的力学性能进行测试，研究草砖的承载能力与压缩率之间的关系。新疆农业大学的付彬彬[27]研究一种新型的填充墙体材料——棉花秸秆草砖,既能充分利用新疆丰富的农业废弃物—棉花秸秆资源,又能使广大农村住宅的保温性能得到改善。新疆农业大学的肖磊[28]从建筑节能和废弃物再利用方面入手,以水泥为胶凝材料,工业废渣—钢渣和矿渣为细骨料,与工业副产品—聚苯颗粒和农业废弃物—棉花秸秆进行复合,研制出满足牧民定居工程“暖圈”现浇围护墙体要求的新型建筑材料。棉花秸秆力学性能、研制新型建筑材料、研制植物纤维水泥基复合材料等问题将成为未来研究的重要话题。

2.2.1.6 预处理

棉花秸秆是一种来源广泛、廉价的可再生生物质资源,将秸秆中的纤维素水解为可溶性糖,再经发酵生成燃料乙醇,这是棉花秸秆资源化利用、保护环境的有效途径之一。然而棉花秸秆致密复杂的细胞壁结构阻碍了纤维素酶的作用,为了有效转化生物质,预处理是必要而重要的一步[29]。

国内学者就棉花秸秆的多种预处理方式进行了深入研究。西北农林科技大学食品科学与工程学院的苏霞[30]等采用乙二醇对于棉花秸秆进行预处理，优化酶解糖化条件。塔里木大学动物科技学院的吴书奇[31]等为缓解饲草短缺的问题,采用硫酸处理、微波处理、蒸汽爆破处理等9种方法预处理棉花秸秆,软化棉花秸秆中的木质素,增强饲喂时的适口性,提高棉花秸秆的利用率。西北农林科技大学的王华[32]通过SEM观察、傅立叶变换红外光谱分析技术及X-衍射分析技术对预处理前后秸秆的微观结构进行分析，对不同预处理棉花秸秆进行酶解糖化及乙醇发酵初步试验。棉花秸秆预处理方式在饲料、能源等领域的应用将成为未来研究的主题。

2.2.1.7 机械化

棉花秸秆收获机械化,可实现棉花秸秆的高效低成本收集,解决棉秆规模化工业利用的瓶颈问题[33]。

国内学者就棉花秸秆收获加工及利用机械化技术进行了深入研究。新疆石河子职业技术学院水利建筑工程分院的王静[34]等设置5种不同机械化秸秆还田处理,对不同机械化秸秆还田方式下棉花生长发育指标和产量品质特征进行分析。综合考虑推荐棉花整秆起拔不还田、卧式常规粉碎还田后起拔棉根不还田在生产中应用。山东农业大学机械与电子工程学院的宋占华[35]等的研究结果可为高效、低耗的棉花秸秆往复式切割器的设计提供参考。中国农业机械化科学研究院的王俊友[36]等分析国内外棉花秸秆收获技术与装备发展历程,总结了不同机型结构工作原理及其应用效果,提出了适合于我国棉秆机械化收获作业的理想机型与未来发展趋势。棉花秸秆集储运机械化的途径和措施将会是未来的重点研究方向。

2.2.2 国外研究热点分析

由图3可见，整个视图主要包含应用效能、热解、结构特征、活性炭4个聚类。将各关键词整理成表2。结合图3、表2分析，总体来看，国外对棉花秸秆研究更偏向结构特征及应用效能，目的在于拓展棉花秸秆的综合利用。

图3 国外棉花秸秆研究关键词共现图

表2 国外棉花秸秆研究热点主题词列表

2.3 期刊分析

棉花秸秆研究中外发文量排名前 10 的期刊如表3、4所示。

表3 国内棉花秸秆研究发文量前10的期刊

《新型建筑材料》、《农业工程学报》、《新疆畜牧业》是国内发表棉花秸秆研究论文的主要发文期刊，所侧重领域主要是建筑科学与工程、农业、畜牧与动物医学。

棉花秸秆英文论文发文量最多的杂志是《Bioresourcetechnology》、《Bioresources》、《Industrialcorpsandproducts》，发 文 量 排 名 前 10 的 期 刊 中《Journalofhazardousmaterials》的影响因子最高，为 10.588。以上期刊所侧重领域包括农业、化学、材料科学、能源和燃料。

表4 国外棉花秸秆研究发文量前10的期刊

3 结论与展望

3.1 结论

以中国知识资源总库(CNKI)、Web of science数据库为文献源，采用文献计量学方法，对棉花秸秆文献按年度分布、研究领域、载文期刊等特征进行检索与计量分析，得出如下结论：

(1)从发文量来看，总体上CNKI发文量少于WOS，并且国内棉花秸秆研究起步于1990年，晚于国外相关研究，中外在棉花秸秆领域研究发展水平存在一定差距。

(2)从载文期刊来看，目前国内棉花秸秆领域研究主要分布在建筑科学与工程、农业、畜牧与动物医学等学科，学科相对集中，但是WOS数据库中棉花秸秆在农业、化学、材料科学、能源和燃料、环境科学等多个研究领域备受关注，呈现多学科交叉融合的复杂特征。

(3)通过研究热点分析可知，国内棉花秸秆研究主要集中于棉花秸秆的产量、力学性能、秸秆还田等方面。国外棉花秸秆研究聚焦于应用效能、热解、结构特征等，目的在于拓展棉花秸秆的综合利用。

本研究对中外文棉花秸秆领域研究文献进行统计分析，结果直观显示了国内外棉花秸秆研究的热点领域主题。由于检索方式和文献来源数据库的不同，数据分析结果可能存在差异，但分析过程中尽可能选择了代表性的文献，也尽量修正和弥补了软件不足。

棉花秸秆是农作物棉花收获后的剩余副产物,能够对棉花秸秆合理有效的处理利用是一个关于环保以及资源化的问题,满足可持续发展的指导思想,对社会经济的发展具有很重要的意义。本文通过文献计量学分析，在一定程度上客观反映了当前国内外棉花秸秆的研究热点差异，为棉花秸秆相关科学研究及综合利用实践提供了参考方向。

3.2 展望

基于研究结果分析，剖析了中外棉花秸秆研究的未来展望。

(1)多学科交叉融合视角下的棉花秸秆研究亟待推进。研究结果显示，目前国内棉花秸秆研究领域集中在农业、畜牧业等基础学科领域，随着棉花秸秆综合利用需求的扩大，关于棉花秸秆的研究将会呈现出多学科门类知识的交叉渗透，特别是建筑、能源、环境、化学等多学科知识融合研究，基于学科交互融合视角对棉花秸秆主题进行深入挖掘和立体分析具有显著的理论价值和社会实践意义，也有利于发挥学科聚力优势，实现理论创新和实践创新。

(2)棉花秸秆生物质能源应用有待深入研究。结合国家能源消耗总量和强度“双控”行动，为促进绿色低碳发展，推动碳达峰、碳中和步伐，着力系统性建设生物质替代燃料项目，通过棉花秸秆生物质能源应用的科技创新，积极破解秸秆处理难题，力争让更多农民和相关企业享受到技术进步带来的实惠，实现良好的生态效益、经济效益及社会效益。

(3)棉花秸秆研究的国际合作有待进一步拓展。国家统计局发布的《2020年农作物产量公告》显示，2020年全国棉花总产591.0万t，占比超过全球棉花总产的40%。由于国外棉花秸秆综合利用技术研究比较成熟，同时国内存在一定的市场规模，国内外相关科研机构及企业可以合作更多的大型跨国研究项目，推动棉花秸秆综合利用发展，从长远看，棉花秸秆中外合作将成为未来发展趋势。