农业资源昆虫黑水虻研究方向及趋势的可视化分析

郎慧林,刘 爽*,郝建伟,李松龄

(1.山西大学黄土高原研究所,山西太原 030006;2.晋中学院生物科学与技术系,山西晋中 030600;3.青海省农林科学院,青海西宁 810000)

黑水虻(HermetiaillucensL.)属双翅目水虻科,原产于温带、亚热带以及美洲热带等地区,现在广泛分布在温暖和热带地区[1]。在我国,黑水虻主要分布地区在华南、华北和东南沿海岸,其他地区分布较少[2]。黑水虻目前已经成为虻科中研究最多的资源性昆虫,受到多领域的研究与关注[3]。黑水虻有4个生命阶段:卵期、幼虫期、蛹期和成虫期[4],以有机废料为食。根据相关文献,对黑水虻的研究主要包括以下几个方面:①黑水虻幼虫可以消耗各种腐烂的有机废物(畜禽粪便、厨余垃圾、植物材料等)并将这些废物转化为有机肥,且有机肥中含有能够抑制病原体的抗菌肽活性[5-7],重金属和抗生素的含量也较低,因此黑水虻可能是一种可持续的用于动物粪便管理手段[8-9]。②黑水虻幼虫蛋白质含量高,可作为优质良好的动物饲料营养来源,更好地替代传统饲料[10]。③黑水虻幼虫能为生物柴油生产脂质,其积累的脂质作为燃料来源比油料作物更有效[11]。

在过去的20多年里,有很多关于黑水虻的研究。然而,在一定程度上,研究者并不容易快速掌握未来研究趋势和方向上的热点和前沿。数据分析成为解决这一难点的一个有效手段,其中文献计量学最近在科学研究中发挥了越来越重要的作用。在众多的可视化软件中,CiteSpace可视化软件因其便于操作和多功能等特点而成为目前最为流行的知识图谱工具,已被广泛应用于包括管理学、信息学、信息科学和医学等60多个领域[12-15]。该软件是由陈超美教授研发的一个可视化图谱工具,主要是对纳入文献的作者、机构和关键词等信息进行分析,并可视化地绘制图谱,得到相关信息及信息主体间的相互联系,最后根据结果分析特定学科或知识板块在特定时期内的研究热点,预测未来发展趋势[16]。由于其可以在指定的时间段内可视化和分析一个领域或领域的研究热点、前沿方向并预测该领域的未来发展趋势,因此被认为是可视化分析领域中最具影响力的应用软件,不同领域的学者都尝试使用CiteSpace进行相关研究,包括黑水虻方面的研究。研究表明,CiteSpace是发现领域发展中的趋势和新兴主题的有用工具[17]。

现有的综述文献基本上都是通过主观处理或元分析来完成的,仅依赖文本或数字的评论不如图表直观。在信息表示方法方面,图形优于表,表优于文本。信息可视化和分析软件已经彻底改变了传统的审查方法。鉴于此,笔者基于CiteSpace获得的分析结果,采用知识映射方法,对国内黑水虻研究领域进行计量学分析和可视化分析,揭示了黑水虻研究的热点课题以及其发展趋势,并对未来黑水虻的研究提出一些建议和借鉴依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源以中国知网(CNKI)为数据源,采用高级检索,检索主题设置为黑水虻,时间范围设置为2007-01-01至2021-12-31。检索结果共518篇文献,包括学术期刊373篇、学位论文78篇和会议文献14篇。

1.2 研究方法使用可视化工具绘制各种知识图谱和频谱,通过节点大小、网络连接和关键词共现等元素展示黑水虻的研究热点和发展趋势[18]。使用CiteSpace 5.8软件,利用它对搜索出的文献内容进行了计量学数据分析和可视化分析并绘制可视化知识图谱,从而探讨当前学术研究热点与趋势[19]。

在运行CiteSpace时,将C、CC、CCV的阈值分别设置为(2,2,20)、(4,3,30)、(4,3,30),并选择最小生成树和剪枝切片网络作为剪枝方法。其中,C表示最低被引用或出现频率,CC表示特定时间切片上的共线性或共引次数,CCV表示共线性率或共引率。1个分析对象用1个节点来表示,节点越大,它在所选时间内被引用的次数就越多。树木年轮的颜色光谱代表了一个分析对象的被引用历史。树木年轮的厚度反映了分析对象在给定时间内被引用的次数。连接2个节点的线表示2个节点之间的共引关系,它的长度和粗细表示2个节点之间链接的强度。1个被紫色环包围的节点具有相对较高的中心性(≥0.1)[20],表明与其他节点有广泛的联系。这种类型的节点往往是知识领域关注的焦点,对节点网络分析具有重要意义[21]。核心作者的计算采用普莱斯定律公式,通过计算标准论文篇数来确定核心作者[20]。

1.3 数据分析统计分析采用Excel 2007;可视化分析运用CiteSpace 5.8 R3;黑水虻研究发表的相关文献在2007年前还非常少,所以该研究中的可视化分析的主要分析范围是2007—2021年,时间切片是1年,剪枝方式是最小生成树,剩下的参数设置为默认值,并取前10%的分析数据成图。

2 结果与分析

2.1 文献统计特征

2.1.1文献检出情况。从CNKI检索出的518篇文献记录,删除不相关的报纸、科技成果等,将过滤后的文献以Refworks格式导出,然后利用CiteSpace中的数据分析工具进行格式转换和去重,最终共得到文献415篇。

2.1.2文献年发文量。检索了415篇与黑水虻相关的文献。由图1可知,2007—2015年期间对于黑水虻相关研究较少,发文量总体不高,年发文量最高为10篇(2014年),其他年份均低于10篇。2016年开始研究进入了迅速发展的时期,2016—2021年,共计发表文献362篇,占文献发表总量的87%,表明越来越多的学者开始关注并研究这一领域。关于这个主题的相关研究文章的数量正在逐渐增加,总体呈上升趋势,说明国内关于黑水虻的研究正处于发展时期。

图1 黑水虻研究文献的发文量分布Fig.1 Distribution of published papers on black soldier flies

2.2 作者群分析将节点类型设置为作者,其余设置为默认。使用CiteSpace进行分析,得到作者合作网络图谱,如图2所示,图中共有282个节点、626个连线、网络密度为0.015 8。节点代表作者的发文量,节点越大,数量越多,黄燕华和胡文锋、夏嫱、王国霞等人发文量较多。节点黄燕华、胡文锋较大且有紫色环包围,节点中心性较大,说明黄燕华团队和胡文锋团队的影响力较强。其间的连线代表合作关系,以黄燕华、王国霞团队,胡文锋团队和夏嫱、喻国辉团队为核心作者群。此外还有张志剑、陶兴华团队,许道军、彭才望团队和安新城、徐齐云团队等一些小规模的作者群。图中呈小聚落散在分布,偶有组间合作。不同团队之间联系较弱,缺乏广泛的交流联系。

前20位作者排名统计结果如表1所示,统计年份中发文量最高的是黄燕华,为19篇。核心作者被认为是该研究领域的重要领导者和推动者[22],通过统计得出发文3篇以上的作者为该领域的核心作者。在统计年份中,共计282名作者,发文3篇以上的作者共87人,为总体作者的30%。

图2 黑水虻研究作者的共现网络Fig.2 Co-occurrence network of black soldier fly study authors

表1 黑水虻研究的作者排名(前20)

2.3 机构分析根据各大机构研究黑水虻的发文量可以看出其在该领域的影响力。从搜索结果中获取发表文献数量排名前20的机构。由表2可知,上海海洋大学水产与生命学院最多,发文量为15篇,其次是浙江大学环境与资源学院,发文量为12篇,表明这2所机构在这一领域处于领先地位,影响力较强。其他机构都在10篇以下,如遵义医学院珠海校区、天津农学院与资源环境学院,这说明大多数机构在该领域发文量较少,影响力较弱。总体来看,在该领域以各大高校为主要研究单位。

表2 黑水虻研究的机构排名(前20)Table 2 Institutional ranking of black soldier fly research (top 20)

2.4 研究方向和发展趋势分析

2.4.1主要研究方向分析。在某一时间段内大量相互关联文献所探讨的知识或专题被认为是学术研究热点领域[23]。关键词不仅反映了文献中讨论的核心问题,也反映了特定时期内的热点和公众关注的话题[24]。关键词共现分析图谱是一种基于高频关键词识别热门研究领域的方法[25]。该研究时间切片设置为1年,节点类型设置为关键词,得到关键词共现分析图谱,即图3。图中形成节点285个,连线618条,网络密度为0.015 3。节点数量代表关键词的数量,其间的连接则代表它们的交叉联系;节点圈大小代表关键词的频率,圈越大,频率就越高,该关键词所代表的研究主题也就越受欢迎;靠近中央位置节点的连接枢纽性较强,即中介中心性越高,也意味着该节点所代表的内容是该领域的核心或主流方向。关键词的频率反映了研究热点,中心性则体现了其重要程度。红色内圈表示其突发性,红色内圈越大代表突发性越强[26]。因此,可以由此分析2007—2021这段时间内黑水虻研究热点的变化情况,也可用来预测近年来关于黑水虻的新趋势。将频率较高和中心性大于0.01的前20个关键词进行排名,得到表3和4。

由表3和4可知,关键词黑水虻排名第1,其共现频率和中心性都比较高,共现频率为247,中心性为1.39。通常认为,占主导地位的关键词的中心性大于0.35。图3中关键词黑水虻圆圈最大,其次是生长性能、抗菌肽、餐厨垃圾、畜禽粪便、有机肥等。黑水虻是其主要研究内容,以黑水虻为研究对象并利用它应用于各个方面。研究黑水虻的生物学特性并利用其生物学特性处理畜禽粪便、厨余垃圾和蔬菜水果垃圾等[27-30],这样可以减少我国日益严重的污染问题,同时还可以将处理后的副产品转化成其他物质,如分离黑水虻幼虫活体作为动物饲料和提取油脂,从而生产生物柴油[31-32]。从黑水虻中提取的功能性物质也被用于各种研究中,还有提取抗菌肽提高免疫系统等[33]。

图3 黑水虻研究关键词的共现网络Fig.3 Co-occurrence network of black soldier fly research keywords

表3 黑水虻关键词的频率排名(前20)

2.4.2研究发展趋势分析。关键词突现词图有助于辨析该领域研究的新兴领域及研究趋势。蓝线表示时间间隔,而红线表示关键词出现突发的周期。图4为前20的关键词突现

表4 黑水虻研究关键词的中心性排名(前20)Table 4 Centrality ranking of black soldier fly research keywords (top 20)

排名。从图4可以看出,2007—2015年期间关键词饲料利用、鱼粉替代、生活垃圾、脂肪酸、昆虫转化、理化性质、水虻科突发性较高,说明这期间研究热点为黑水虻的生物学特性和在垃圾处理方面的应用以及从黑水虻中提取的附加物质的利用[34]。2012—2018年期间关键词抑菌活性、诱导、生物处理、胁迫、发育等突发性较高,说明这期间研究热点是研究黑水虻饲养的适应特性和在一些废物处理当中的应用[35-36]。2019—2021年期间关键词生长、营养价值、应用、重金属突发性较高,说明这期间研究热点在于评估黑水虻的各项营养价值和利用黑水虻转化重金属污染等[37-39]。

图4 黑水虻研究关键词的突现分析(前20)Fig.4 Emergence analysis of black soldier fly research keywords (top 20)

关键词热点时区迁移图可以直观地展示不同时期研究主题的变化。图5的每个圆圈代表1个聚类关键词,该关键词是在分析的数据集中首次出现的年份,关键词一旦出现,将固定在首次出现的年份,尽管之后的研究里仍会出现该关键词,但图中将不再显示,只会在刚出现的年份显示。当某一时间区内的某一聚类分析法关键词出现频率越高,其时间最初圆圈也越大,则表示该聚类分析法研究内容多;当持续时间越长,其时间轴也相应更长,则代表该聚类分析法研究内容更趋于完善。

热点时区迁移图反映了该领域的研究概况和发展趋势。图5显示了时间跨度2007—2021年期间的研究热点变化。2007年左右主要研究黑水虻的生物学特性和它本身所带来的附加价值以及在畜禽粪便处理中的应用[40]。2016年左右研究黑水虻的生产性能和在处理厨余垃圾方面的应用[36]。2020年左右开始研究黑水虻在堆肥和各类基质中转化率的问题[41-42]。预测在未来可能更多关注黑水虻在重金属污染、厨余垃圾等的转化问题[43-44]。

3 结论

以中国知网中2007—2021年期间收录有关黑水虻相关的文献为研究对象,通过CiteSpace对文献作者、机构和关键词等进行知识图谱可视化,揭示国内黑水虻的研究热点和预测其发展趋势,最终得出了以下结论:

(1)通过对黑水虻相关研究发文量进行统计,2016年之前发文量较少,之后逐渐上升,总体呈上升趋势,我国黑水虻相关研究正处于发展阶段,有很大的发展潜力。

(2)黑水虻作者群体呈小聚落散在分布,偶有组间合作。研究者多以小组合作为主,不同团队之间联系较弱,缺乏广泛的交流联系。黄燕华、王国霞团队,胡文锋团队影响力较强,且和夏嫱、喻国辉团队为核心作者群。

(3)黑水虻研究机构以各大高校为主要研究单位。上海海洋大学水产与生命学院和浙江大学环境与资源学院为发表相关文献最多的机构,在这一领域处于领先地位,影响力较强。

(4)2015年前主要研究黑水虻的生物学特性、在畜禽粪便、厨余垃圾等的应用和从黑水虻中提取的物质加以利用。2016年左右主要研究黑水虻生长性能和在垃圾处理方面的应用。利用黑水虻堆肥和转化重金属是这几年研究的主要发展趋势。

图5 黑水虻研究关键词的热点时区迁移Fig.5 Hotspot time zone migration of black soldier fly research keywords

4 结语

黑水虻具有资源丰富、分布广泛、吸收转化率高、活体活性成分含量高、容易饲养等特点,成为一种开发利用量大、可利用性广的生物资源。该研究进行CNKI的黑水虻相关文献分析,揭示了黑水虻各阶段的研究热点以及发展趋势。文献计量分析结果与实际研究情况可能存在一些差异,需要增加研究的时间跨度和文献数量来使结果更准确。建议各学者、各机构之间加强合作交流,不同科研团队之间相互学习、共同进步。关于黑水虻的应用开发还有很大的空间,如功能性物质的提取、黑水虻的养殖体系的优化以及对环境中重金属污染的转化等产业化的应用。而且黑水虻在处理畜禽排泄物、厨余垃圾等方面的研究还需进一步研究,需要更多的学者参与到该领域进行探讨。