基于Web of Science的2000—2021年堆肥氨 挥发研究的文献计量分析

陈 豹 李 丹 曹 云,3,4* 孙 倩,3,4 张 晶,3 徐跃定,3 黄红英,3

(1.南京农业大学 资源与环境科学学院,南京 210095; 2.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所,南京 210014; 3.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心,南京 210095; 4.农业农村部种养结合重点实验室,南京 210014)

堆肥是农业废弃物资源化、无害化、减量化的有效手段。采用堆肥方法可以减少农业废弃物的最终产物臭气、有毒物质和病原菌,堆肥产物施入土壤可实现有机物循环再利用。传统堆肥有机氮的快速分解,不仅造成氮素损失,产生大量的氨等臭气,而且降低了堆肥产物农用价值,同时也造成严重的空气污染[1]。在好氧堆肥过程中,约75%的氮会通过气体排放的方式流失(包括NH3、N2O),而氮损失的98%主要以NH3形式排放[1]。

氨是PM2.5的主要贡献者之一,还会导致水体的酸化和富营养化,从而影响到生态系统和人类健康[2]。中国目前每年大约排放1 500万t的NH3(以纯N计),农业源氨排放量占总排放的90%左右,其中种植和畜禽养殖业排放大约各半,畜禽养殖业排放量略高[3]。堆畜禽废弃物堆肥过程中的氨挥发对堆肥质量、大气环境以及水体污染有重要影响。

文献计量法是一种定量分析方法,以科技文献的各种外部特征作为研究对象,采用数学与统计学方法来描述、评价和预测科学技术现状与发展趋势[4]。Web of Science是由美国汤姆森科技信息集团开发的期刊引文索引数据库[5]。基于Web of Science核心合集数据库相关领域的文献计量分析可以聚焦该领域的整体发展情况,把握该领域的主要研究方向和研究热点,可为该领域的科研工作提供方向指引。Jin等[6]基于Web of Science核心数据库进行可视化分析,阐明了生物水处理的演进路径。VOSviewer是基于数据库的文献数据对作者、期刊和机构等进行共现和聚类的可视化分析软件,还可以用于构建关键词共现图谱和热度分析,以了解领域内研究热点[7]。而Citespace不仅可以用于分析数据的共现和聚类,还可以分析关键词的突现情况,用于研究不同年限的研究热点的演变过程[8]。

目前,国内外对于堆肥氨挥发的产生与影响因素、调控机理、控制技术等方面领域已开展了大量的研究[9-12]。已有针对氨挥发的综述研究仅限于土壤、稻田、畜禽粪便等农业源方面有相关文献的总结。堆肥作为农业废弃物无害化、资源化处理的重要处理方式,堆肥过程中氨挥发调控的研究也受到了较多的关注。但是,该领域所发表的论文数量、国家、机构和主要研究方向等方面却少有报道,而且缺乏从宏观尺度上对该领域进行一个全面的分析。、因此,本研究拟以“composting or compost”、“ammonia or NH3”和 “emission or volatilization” 为主题词,检索Web of Science核心合集数据库,整理并归纳堆肥氨挥发领域的相关文献,应用VOSviewer、Citespace等软件进行文献计量分析,从发文量、总被引频次、篇均被引频次等指标分析堆肥氨挥发领域国家、研究机构间的合作关系,筛选出的高被引论文、关键词共现网络图谱和关键词突现图,了解堆肥氨挥发领域相关研究的发展过程,明确该领域未来的发展方向,以期为该领域研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

在Web of Science核心数据库网页的高级检索的检索框内输入TS(主题)=((composting or compost) AND (NH3or ammonia) AND (emission or volatilization))。选择文献类型为(Article OR Review OR Proceedings Paper),对语种不做限制,检索导出的文献数据信息为全记录(包含作者、题目、来源、年份、摘要、关键词、DOI号、被引频次等信息和文章引用的参考文献),时间2000年1月1日—2021年12月31日,检索时间是2022年11月1日。共得到文献942篇。

1.2 分析方法

将上述942篇文献利用Web of Science自带的分析检索结果以及引文报告的功能进行分析,主要涉及堆肥氨挥发国内外发文量的变化趋势、主要的研究机构、重要期刊来源以及高被引文章等方面。使用VOSviewer(v.1.6.16)软件对主要发文国家、机构和学者合作关系进行共现分析,图谱中的圆圈节点面积的大小代表发文量的多少,圆圈越大表示发文量越多;节点间连线的粗细代表节点间关联强度的强弱,线条越粗表示关联性越强[13]。图谱中节点和线条的颜色是起到分类的作用,同一颜色的节点和线条,表明这些节点间有某些相似的特征;不同颜色的节点通过线条连接,表明二者具有合作关系或交叉关系。在使用VOSviewer软件对关键词进行共现分析之前,需要对软件筛选出的关键词进行二次筛选,去除与堆肥氨挥发领域不相关的词汇,以确保关键词共现的准确性。此外,在Citespace (v.6.1.R3)软件中,分析20年间关键词突现指标所展现的各阶段的研究热点和未来发展方向。

2 结果与分析

2.1 发文量与发文国家合作关系统计

通过Web of Science的引文报告功能对7个主要发文国发文量进行统计(图1)。可知:从发文时间来看,发文量在2012年之前数量较为平稳,2012年之后发文数量激增;从国家来看,中国总发文量362篇,占世界总发文量的38.4%,位居世界第一,远超位居第二位的美国(发文量137篇)。中国自2012年开始在堆肥氨挥发领域发文量快速增长,这主要与中国的畜禽养殖规模的增加有关。早在1991年,中国肉类产量就已位列世界第一,并连年保持。畜禽粪便是农业氨气排放的主要来源。2005—2008年,中国每年NH3排放量约为1 020万t,美国和欧盟仅分别为340和376万t[14]。2013 年中国农业NH3排放总量为1 193.92万 t,较2004年提高了18.59%,而农业废弃物作为堆肥肥料,其在堆肥过程中的氨挥发自然受到广泛的关注。可见,中国科研人员对于堆肥氨挥发领域的相关研究越来越重视,中国对世界堆肥氨挥发领域的发展有着十分重要的贡献。图2是主要发文国家间的合作关系图,可以看出,中国是该领域影响力最大的国家。线条的粗细反映合作的深度,中国与美国、日本、韩国、澳大利亚和印度等国合作较为密切。

图1 国家堆肥氨挥发领域发文量对比

节点的大小代表国家发文量的多少,节点间连线的粗细代表合作关系的紧密程度。 The size of node represents the amount of the country’s publication, and the thickness of the connection between nodes represents the closeness of the cooperative relationship.

2.2 主要研究机构及其合作关系

堆肥氨挥发研究领域发文量前十的研究机构如表1所示。可见在10个主要发文机构中,来自中国的机构有6所,分别为中国农业大学、中国科学院、西北农林科技大学、农业农村部、中国科学院大学和中国农业科学院。因此,中国在堆肥氨挥发研究领域占有重要地位,是主要研究力量之一。中国农业大学在该研究领域发表论文73篇,论文总被引频次为3 172次,篇均被引频次43.45次,发文量和总被引频次均位列世界第一。西北农林科技大学的篇均被引次数为51.76次,位于世界第一;其次是巴塞罗那大学,虽然发文量较少,但篇均被引频次为仅次于西北农林科技大学(表1)。

表1 主要发文机构在堆肥氨挥发领域的发文量、被引频次与中介中心性

重要机构间的合作关系如图3所示。可见:中国农业大学、中国科学院和西北农林科技大学3所机构在合作网络图谱中占据主要位置,与美国的俄亥俄州立大学,丹麦的哥本哈根大学,西班牙的巴塞罗那自治大学等均有合作,但根据连线线条的粗细来看,上述3所机构与国内研究机构合作关系更为密切。机构的中介中心性可以反映该机构与其他机构间的合作密切程度。在堆肥氨挥发领域发文量排名前10的机构中,中介中心性最高的机构是中国科学院,紧跟其后的是中国农业大学;表明这些机构研究成果在国际上有较高的影响力(图3)。中介中心性最低的是农业农村部、日本国家农业食品研究组织、法国国家农业食品与环境研究院,与其他机构合作最少。西北农林科技大学发文量排名第三,但中介中心性较低(仅0.03),需要加深与其他机构的合作,融合多方思想,在堆肥氨挥发领域产生更优秀的成果(表1)。

2.3 堆肥氨挥发领域核心团队

图4为研究人员间的合作关系图谱,节点大小表示以该作者为第一作者的发文量的多少。中国农业大学的李国学团队、西北农林科技大学的张增强团队是堆肥氨挥发领域研究的领跑者,在该领域发文量均在30篇以上;李国学团队在2019年发表的文章中,通过在原料中混合10%(原料湿重)成熟堆肥,以减少氨等气体的排放,氨气排放量减少了58%[15];张增强团队2018年发表的文章通过添加黏土添加剂减少鸡粪堆肥氨挥发,并通过冗余分析得出C/N与有机质对氨挥发有着显著的关系[11];香港浸会大学的Wong Jonathan W.C.团队主要研究应用不同调理剂如沸石、石灰等降低厨余垃圾堆肥过程中氨挥发损失[16-17],该团队与中科院遗传与发育生物学研究所马林团队合作较为紧密。

节点的大小代表作者发文量的多少,同色节点表明这些作者间的合作更紧密,可能来自同一团队。 The size of the node represents the number of published papers by the authors, and the same color nodes indicate that these authors cooperate more closely, possibly from the same team.

国外巴塞罗那自治大学的Font Xavier发文量较高,该团队注重通过改进堆肥装置以提高氨挥发的控制效果以及采用生命周期法分析农林废弃物堆肥处理过程污染物排放。该团队发表的2篇文章将堆肥与生物滤池相结合协同控制氨与挥发性有机物(VOC)的排放[18-19]。2009年该团队在国际上首次明确了有机固废堆肥过程氨、CO2和VOC排放系数, 并将排放系数与堆肥过程中能量与水分平衡相耦合[20]。虽然该团队合作发文量有13篇, 但在合作图谱中并未发现该团队,可能是因为该团队与其他团队的合作较少。

图4同一颜色的节点表明这些作者间的合作交流更紧密,有可能来自同一团队:中国农业大学李国学团队与德国约翰·杜能研究所Schuchardt Frank团队、香港浸会大学Wong Jonathan W.C. 团队以及中国农业大学李季团队均有合作;英国班戈大学Chandwick David团队与中国农业大学李国学团队、中科院遗传发育所马林团队等多个团队均有合作,合作研究内容注重畜禽粪污处理与还田利用过程的氮素挥发损失[21-22]。中国农业大学李季团队虽然发文量不多,但与西北农林科技大学张增强团队、中科院马林团队等均有合作。总之,各团队之间较为分散,合作交流也以国内为主,今后的研究工作中需要加强团队间尤其是国际间交流与合作。

2.4 主要论文发表期刊

表2列举了20年来,堆肥氨挥发领域发文量排名前10的期刊。可见发文量最高的期刊是BioresourceTechnology,发文量为149篇,占世界总发文量的15.8%。同时,其影响因子以及被引总频次均位于第一,篇均被引频次位居第二。BioresourceTechnology在堆肥氨挥发领域具有较高的影响力,对该领域的发展有着重要的作用;Chemosphere期刊虽然发文量较少,但其篇均被引频次有76.88,排名第一,说明在该期刊发表的堆肥氨挥发领域的文章质量高,影响力大;JournalofEnvironmentalQuality期刊虽然发文量不高,但其篇均被引频次高,影响力位于前列。因此,在阅读文献时,不光要关注高影响因子的期刊,还要注重综合实力强的期刊,以便能全面认识到堆肥氨挥发领域的研究动态(表2)。

表2 堆肥氨挥发领域发文量前10的期刊

2.5 堆肥氨挥发领域文献共被引分析与高被引文章分析

对文献进行共被引分析可以快速找到领域内具有影响力的文章,了解其在学术界的认可度(图5)。一个节点表示一篇文章,节点越大表明文章共被引频次越多,节点颜色越浅,表明文章发文时间越近,节点外沿的紫色轮廓表示该文章具有较高的中介中心性。文章的中介中心性反映该文章在学术研究中所起到的重要作用,而文章共被引频次则表示对该文章研究成果的认可度。如图5所示,列举出了一部分最高共被引频次的文章,Chan等[17]于2016年发表的文章具有最高的共被引频次(共被引频次71次,中介中心性0.21),创新性的利用沸石减少鸟粪石结晶除氨作用过程中电导率升高的问题,提高了堆肥质量。而Colon等[23]于2012年发表的文章具有最高的中介中心性(共被引频次11次,中介中心性0.66)。Colon等[23]使用呼吸指数效率(RIE)作为新的功能单位,对处理城市固体废物源头分离设施的环境负担进行生命周期评估,对固废处理研究、污染控制以及工程建造等,都具有较大的指导作用。

节点越大表明文章共被引频次越多,节点颜色越浅,表明文章发文时间越近,节点外沿的紫色轮廓表示该文章具有较高的中介中心性。 The larger the node is, the more frequently the article is co-cited. The lighter the node color is, the closer the publication time of the article is. The purple outline along the outer edge of the node indicates that the article has a higher intermediate centrality.

通过分析高被引文章,可以掌握堆肥氨挥发领域的研究热点,为未来的研究提供指引。根据图1可以发现,国内外在堆肥氨挥发领域的研究可以分为2个阶段:1)起步阶段(2000—2011年),该阶段发文量少,但被引频次高,为后续堆肥氨挥发研究奠定了良好的基础。表3列举的2000—2011年间高被引文章,主要涉及堆肥原料(生活垃圾、污泥[24]和粪便[25]等)、理化性质(温度[24-25]、C/N[26]、含水率[27]、pH[25])、曝气量[9,26]和堆肥规模[28]、堆肥装置(增加堆肥气体和冷凝液回流捕集装置)[29]和外部环境[30]对堆肥氨挥发的影响。Amon、Steiner、Pagans和Jiang发表的文章在2012年后被引频次快速上升。其中被引频次最高的是Amon等[9]于2006年发表的关于减少奶牛养殖场粪污氨挥发及温室气体排放的几种处理方案,认为保证堆肥有充足的氧气可以减少氨挥发量。Steiner等[31]发现在家禽粪便中添加生物炭减少堆肥氨挥发。Pagans等[24]提出高温是保证好氧堆肥质量的关键,高温期温度与氨排放呈指数相关,为减少氨挥发的堆温调控提出了方案。Jiang等[27]探讨了堆肥碳氮比,通气速率,水分含量对堆肥氨挥发和温室气体排放的影响,提出高通气速度和低碳氮比会增加氨排放。2)快速增长阶段(2012—2021年),表3列举的2012—2021年间高被引文章,主要涉及堆肥添加剂对堆肥氨挥发的影响,添加剂包括:鸟粪石[17]、生物炭[31-33]、麦饭石[34]、磷石膏和过磷酸钙[27]、膨松剂[35](秸秆、锯末等)。其中,总被引频次最高的是Chan等[17]于2016年发表的关于添加沸石和鸟粪石,降低电导率值,减少堆肥氨挥发的文章。早在2001年,韩国国立金乌工科大学的Jeong等[36-37]发现向堆肥中添加镁和磷盐,会与堆肥过程产生的氨形成鸟粪石晶体,起到氨减排(减少了40%的氨损失)和固氮的作用。但盐的添加使肥料盐度过高(EC>6 mS/cm),不利于非耐盐作物生长[38]。而Chan等[17]利用沸石可降低堆肥中盐分的优点,结合鸟粪石固氮和调节pH的能力,有效地降低了盐度(EC=2.82 mS/cm),提升了堆肥质量[19],为鸟粪石在堆肥氮保存和氨减排的实际应用上做出了较大的贡献,为后续探究鸟粪石的应用提供了新思路(例如Wang等[16,38]发现添加石灰与镁和磷盐形成的鸟粪石,同样可以起到降低盐度,调节pH的作用),这可能是其总被引频次高的原因。总被引频次第二的文章是Wang等[34]于2016年发表的,在猪粪堆肥中添加10%麦饭石,减少了48.76%的堆肥氨损失,提高了堆肥质量。这种新型堆肥添加剂被用于减少堆肥氨挥发取得了良好的效果。这些2012—2021年间总被引频次排名靠前的10篇文章中,有7篇是关于堆肥添加剂对堆肥氨挥发的影响。可见这些年堆肥添加剂对堆肥氨挥发的研究已成为了研究热点,受到了广泛的关注。

2.6 堆肥氨挥发领域研究热点及发展趋势

2.6.1堆肥氨挥发领域研究热点

关键词的引用突现可以反映研究热点的演变过程,捕捉到学科间交叉的迹象[40]。通过VOSviewer软件设置关键词最少出现次数为50次,最终得到34个关键词形成的关键词共现图谱,结果见图6。通过Citespace软件绘制的关键词引用突现如表4所示。由关键词共现图谱可见: “composting”出现次数最多,出现了276次;其次是“ammonia”,出现次数262次。“gaseous emissions”,“pig manure”,“ammonia emissions”和“sewage sludge”出现频次都排在前列,而且这些关键词之间的关联性较强,表明畜禽粪便、污泥中气体排放是该领域的热点话题。利用VOSviewer将堆肥氨挥发领域的关键词划分为3个聚类。主要涉及堆肥原料、堆肥氨挥发控制技术(包括添加剂如生物炭以及工艺调控如通风)、堆肥氨挥发的影响因素与减控机理。第一个聚类(红色)除去部分检索关键词后,主要涉及堆肥原料和堆肥添加剂等物质,包括的关键词有猪粪(pig manure)、餐厨垃圾(food waste)、家禽粪便(poultry manure)、污泥(sewage sludge)、生物炭(biochar)、城市固体废弃物(municipal solid waste)等;第二个聚类(蓝色)除去部分检索关键词后,主要涉及堆肥过程中氨挥发与温室气体、与其他污染物的协同减排研究,包括的关键词有甲烷(methane)、氨气(NH3)、氧化亚氮(N2O)、温室气体(greenhouse gase)、重金属(heavy mentals)等;第三个聚类(绿色)除去部分检索关键词后,主要是氨挥发控制机理与影响因素的研究,主要包括一些氮元素循环相关的关键词,硝化作用(nitrification)、氨挥发(ammonia emissions)、温度(temperature)等。上述关键词均是2000—2021年间堆肥氨挥发领域的研究热点。

节点越大表明关键词出现频次频次越多,同色节点间为一个聚类。 The larger the node is, the more frequent the keyword appears. The same color nodes are regarded as one cluster.

为了明确不同时间段的研究热点,将时间轴划分为2部分:第一部分,2000—2010年,氨挥发(ammonia volatilization)与生物过滤(biofiltration)具有较强的突现强度,且突现时段从2000年持续到2012年(表4)。生物过滤技术具有处理恶臭化合物和挥发性有机化合物的作用,可以用于减少堆肥氨排放,并已有了广泛的应用[40-41]。温度(temperature)、气体排放(gas emission)和土壤(soil)是该时间段排名第3、4、5名的关键词,温度是氨挥发的重要影响因素,其他气体的排放与氨挥发一起受到了关注,土壤氨挥发也是氨挥发领域的重点关注对象[5]。2005年,突现关键词中出现了16S核糖体核糖核酸(16sribosomalRNA),表明在该时间段分子生物学技术被引入该领域[42]。已有研究希望从基因层面分析氨挥发机理,控制氨挥发关键基因的表达;第二部分,2011—2021年,氨气(NH3)、氧化亚氮(N2O)、生物炭改良剂(biochar amendment)、生物炭(biochar)等突现强度最高,突现强度大于7,说明生物炭作为改良剂减少氨挥发与温室气体排放这一课题引起了研究学者们的兴趣。生物炭的突现时间最近,突现强度高,是近几年的主要研究热点。

2.6.2堆肥氨挥发领域发展趋势

生物炭是通过生物质热解产生的稳定富氮物质,有良好的NH3吸附潜力。近五年生物炭减少堆肥氨挥发的高被引文章中, He等[43]研究了不同生物炭类型和颗粒大小对堆肥氨排放的控制效果,发现稻草生物炭由于具有更多的C—O和C=O,比竹炭具有更好的氨减排效果,粉末状生物炭比颗粒状生物炭暴露更多反应性官能团,更利于控制氨挥发。Chen等[44]发现玉米秸秆生物炭相比于竹炭,木炭等其他生物炭具有更高的表面积、孔体积、总酸性官能团和CEC,具有更高的氨吸附性能,因此具有更高的氨减排效果。Wang等[45]研究了生物炭与沸石、木醋的协同堆肥效果,提出10%生物炭+10%沸石+2%木醋协同堆肥相比其他处理组更有利于缩短堆肥时间,减少氨排放(减少74.32%)。Chen等[46]发现鸡粪生物炭和鸡粪集成微生物联合体(CMMC)作为共同改良剂对氨挥发具有显著的控制效果(减少24.2%～56.9%)。目前,已有研究通过从生物炭类型、物理特性、化学特性以及与其他改良剂协同等方面研究对堆肥氨挥发的减排效果。通过整合最优物理化学性质和最佳协同改良剂,探索出理想生物炭材料用于氨吸附或许是今后需要探索的方向。

对生物炭等各种调理剂固定的氨氮的稳定性,以及堆肥产品用于农田过程中氮素的转化过程与微生物学调控机制有待于做进一步研究;此外,现有开发的调理剂大多为一次性使用,成本高,今后低成本、绿色、易回收利用的调理剂的研发可作为未来堆肥氨挥发领域的一个研究前沿。

现有的研究多数集中于含氮气体或重金属、抗生素与抗性基因等单因素污染物的治理,少数研究涉及到多种不同性质的污染物协同减排,如氨挥发与重金属钝化协同治理研究[34,47-48]。但堆肥过程中排放的CH4、N2O等温室气体、含硫臭气以及残留的抗生素与抗性基因等,均是堆肥过程需解决的共性关键问题。如何将这些污染物综合考虑,进行协同控制是一个待突破的研究难题,应该是未来的研究热点之一。

3 结 论

本研究对Web of Science核心合集数据库2000—2021年堆肥氨挥发领域的文献进行可视化分析,主要结论如下:

1)二十年来,堆肥氨挥发领域的发文量逐年增长,说明堆肥氨挥发问题越来越受到广泛重视。中国在该领域的发文量居于首位;中国农业大学,中国科学院,西北农林科技大学是主要研究机构。研究核心力量有中国农业大学的李国学团队和西北农林科技大学的张增强团队。然而,团队之间尤其与国际同行之间合作交流不够,今后的研究工作中需要加强。

2)原料、氨挥发控制技术、氨挥发影响因素与减控机理是堆肥氨挥发领域的研究热点。原料对象包括畜禽粪便、污泥;氨挥发控制技术侧重于堆肥添加剂如生物炭以及工艺调控如通风、以及生物滤池等;氨挥发的影响因素主要包括外界环境条件和物料自身理化性质。

3)堆肥氨挥发领域的研究前沿主要有以下3个方面:一是围绕低成本、绿色、易回收利用的调理剂的研发;二是生物炭等各种调理剂固定的氨氮的稳定性,以及在后续农田利用过程中氮素的转化过程与微生物学调控机制;三是堆肥过程中氨气与温室气体、含硫臭气、重金属、抗生素与抗性基因等不同性质污染物的协同控制。