基于文献计量的养殖废弃物肥料化研究进展

王云 王婧怡 李佳佳

摘要：养殖废弃物肥料化是当前畜禽粪便无害化处理和资源化利用的主要方向，肥料化工艺主要包括传统堆肥、条垛式发酵、槽式发酵和反应器式发酵。无害化处理是畜禽废弃物肥料化成功与否的关键，而除臭保氮是肥料化生产过程中控制氨挥发及其他臭气排放、减少氮损失与保护资源环境的重要内容。采用文献计量学方法总结了近20年国内外养殖废弃物肥料化领域的研究过程及发展现状，分析表明了肥料生产设备化和智能化、氮素代谢机理及降解过程、抗生素和抗性基因去除技术等相关研究将成为未来热点。

关键词：粪便;堆肥;肥料化;文献计量;研究趋势

中图分类号：X713   文献标志码：
A  文章编号：1002-1302（2021）10-0036-07

我国是畜牧业大国，据统计每年畜禽粪污产生量达38亿t，大量养殖废弃物没有得到有效处理和利用，成为农业农村环境治理的一大难题[1-2]。加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，对改善土壤地力、治理农业面源污染尤为重要[3-4]。其中，农业废弃物肥料化作为畜禽粪便最主要的资源化措施[5]，有效地促进了种养结合与农牧循环可持续发展新格局的构建。

近年来，随着科技迅猛发展，养殖废弃物肥料化发酵工艺呈现从传统堆肥向槽式发酵[6]、条垛式发酵[7]和反应器式发酵[8]转变。国内外科研成果产出持续加大，设备和产品市场化程度加深，整体向着工艺标准化、技术设备化、设备智能化、产品安全化，以及“高效、安全、绿色”的可持续发展态势发展。

文献计量学是集数学、统计学和文献学为一体，通过对特定领域科研论文的定量检索、信息提取和深度分析，归纳其历史发展特征、科学研究现状和近期研究热点，为相关人员制定发展规划、明确研究路径、加强技术创新提供客观依据[9-10]。为较客观地反映国内外养殖废弃物肥料化的研究进展和发展趋势，本研究采用文献计量学方法系统总结了养殖废弃物肥料化领域相关论文的年度变化趋势、主要发表国家、机构以及研究热点等信息，以期为相关研究人员提供参考。

1 数据来源与分析方法

本研究分别以美国科睿唯安（Clarivate Analytics）公司出版的科研信息检索平台Web of Knowledge平台下的Web of Science核心合集数据库（WOS）和中国知网CNKI中文期刊库作为数据来源，检索获取养殖废弃物肥料化领域的相关研究论文。其中，WOS 数据库的检索策略主要为：TS=（animal$ OR livestock OR cow$ OR cattle OR dairy OR swine OR pig$ OR chicken OR broiler$ OR laying hen$ OR poultry OR goat$ OR sheep） AND TS=（excrement$ OR manure OR slurry OR slurries OR faeces OR feces OR dung OR waste$），TS=（trough OR windrow OR aerobic fermentation OR aerobic digestion OR compost OR composting），TS=（nitrogen retention OR nitrogen conserving OR nitrogen conservation OR nitrogen protecting OR deodorization OR ammonia OR NH3 OR H2S OR hydrogen sulfide OR odour OR odor），TS=（heavy metal OR Cu OR Zn OR As OR Cd OR Cr OR Pb OR antibiotic$ OR tetracycline$ OR sulphonamide$ OR quinolone$ OR aminoglycoside$ OR macrolide$ OR macrocyclic lactone$ OR β-lactam$ OR resistance gene$ OR gene resistance$ OR pathogenic bacteria OR pathogen$ OR hormone$），時间跨度=2000—2020，数据库包括SCI-EXPANDED/SSCI/A & HCI/CPCI-S/CPCI-SSH/ESCI，文献类型限定为Article。检索时间截至2020 年7月13日，检索结果共命中10 327条记录。

CNKI数据库的检索策略：主题=“粪便+畜禽废弃物+畜禽粪便+猪粪+牛粪+鸡粪+羊粪”，主题=“堆肥+沤肥+槽式+条垛”，主题=“保氮+保N+除臭+NH3+H2S+臭气”，主题=“重金属+Cu+Zn+As+Cd+Cr+Pb+抗生素+磺胺+四环素+喹诺酮+大环内酯+氨基糖苷+β-内酰胺+抗性基因+耐药基因+病原菌+大肠杆菌+蛔虫卵+激素”，时间跨度=2000—2020，数据库为学术期刊，语言限定为中文。检索时间截至2020 年7月13日，检索结果共命中2 741条记录。文献计量学分析采用数据清洗工具Open-Refine 结合 MS-Excel 对检索结果进行清洗与分析等工作。

2 养殖废弃物肥料化领域发文特征

2.1 发文量分析

2000—2020年，畜禽废弃物肥料化领域论文发表总量及WOS发文排名前十位国家的论文发表情况如图1所示，畜禽废弃物肥料化领域WOS论文年发表数量从最初的200篇持续快速增长到900篇以上。在WOS论文数量排名前十的国家中，中国WOS发文量更以2 159篇位居第一，同比超出美国290篇，比排在第三位的印度多出了1 000篇以上。中国、印度和巴西作为发展中国家，其WOS发文量占排名前十国家发文总量的41.0%，可见畜禽粪便肥料化研究已成为世界各国科研工作者共同关注的研究领域。与其他国家相比，中国科研工作者在畜禽废弃物肥料化领域的研究取得了蓬勃发展，这与我国近年来对畜禽废弃物资源化利用的日益重视以及对畜禽废弃物肥料化领域投入持续增加密切相关。

我国粪污治理与资源化利用相关法案法规的制订，包括2014年实施的《畜禽规模养殖污染防治条例》、2017年颁布的《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》等，有效促进了养殖废弃物治理与资源化利用相关领域研究的快速发展，尤其畜禽粪便肥料化研究领域发展迅速。由图1-a可知，国内养殖废弃物肥料化领域CNKI论文数量从2000年的12篇持续快速增长到200篇以上，其中近5年发文量大幅上升，占CNKI该领域总发文量的31.9%。

2.2 热频词分析

关键词是反映论文研究主题概念的词或词组，

其中热频词常被认为是某个领域的研究热点。通过筛选、剔除和合并等数据清洗方式，建立WOS高频词表（表1）和CNKI高频词表（表2）。在物质循环代谢研究方面，国际学者对氨（ammonia）和氨气（NH3）的研究占据主导优势，氮素保留技术既提高了畜禽废弃物肥料利用效率，又有效减少了氨气排放对环境的影响。在重金属无害化研究方面，科研工作者对重金属砷的关注度远高于其他种类重金属。近年来，粪便中的高含量铜、锌引发了较大的环境风险，随后成为国际研究热点。在抗生素无害化研究方面，四环素在养殖环节应用最广，成为最主要的抗生素研究对象;随之，抗性基因的研究也渐渐成为新的研究重点。CNKI热频词分析结果与WOS较为相似，尤其在重金属和抗生素无害化方面，砷和四环素同为最重要的研究对象。

2.3 主要發文机构与作者

图2-a显示了自2000—2020年畜禽废弃物肥料化领域WOS发文量最多的10家机构具体发文情况，前3位分别是美国农业部、中国科学院和西班牙国家研究委员会。其中，美国农业部以533篇发文量位居第一，前十家机构中有3家机构来自中国，分别占据第2位、第4位及第6位，发文总量达1 000篇以上，超过前十位发文量总和的1/3，仅中国科学院的发文量就达到了421篇，可见中国对于畜禽废弃物肥料化研究的重视和支持。

图2-b显示了自2000—2020年畜禽废弃物肥料化领域CNKI发文量最多的20家机构的具体发文情况。其中4家机构在养殖废弃物肥料化领域发文超过了100篇，远超其他机构在该领域的相关发文量。西北农林科技大学发文总量接近150篇，在养殖废弃物肥料化领域占据优势地位。其中，湖南农业大学荣祥民教授、江苏省农业科学院常志州研究员和南京农业大学的沈其荣教授在CNKI系统发表文献数量最多，取得了具有较强应用价值的研究成果。

3 养殖废弃物肥料化热点领域文献计量分析

3.1 发酵工艺研究分析

图3显示了2000—2020年畜禽废弃物肥料化处理过程中不同发酵工艺的论文发表情况，包括发酵工艺的发文百分比和主要国家WOS发文量。从图3-a可以看出，近20年来传统堆肥工艺是最主要的畜禽废弃物发酵工艺，其WOS发文量占总发文量的77.4%。槽式发酵和条垛发酵工艺虽然在百分比上呈现逐年减小的趋势，但其文献发表数量保持稳定，槽式发酵甚至呈现略微上升趋势。新兴的反应器发酵工艺则在WOS论文发表数量和百分比层面都呈现明显的上升趋势，从2000年发表的10篇增加至2019年的170篇，总发表量占比提高了3倍。从图3-b可以看出，发文量排在前十位的国家中，传统发酵工艺和反应器发酵工艺WOS论文发表数量高于槽式发酵工艺和条垛发酵工艺的情况普遍存在，并且这一现象在中国更加明显，表明中国科研人员更加侧重于反应器式发酵工艺的研究，这与我国有机肥生产向设备化发展及养殖业向集约化发展的现状相一致。

3.2 生产过程研究分析

2000—2020年，畜禽废弃物肥料化生产过程中氮素保存和除臭技术的论文发表情况如图4所示，包括不同年份发文量和发文前十位国家的WOS发文情况。不稳定氮化合物的降解是肥料腐熟的关键，但也造成了氮素的大量损失，氮素保存技术的研究有助于减少氨排放，有效提高粪肥肥力。从图

4-a可以看出，肥料化领域中生产过程方面的研究逐年增多，自2011年起每年发文量均超过100篇。从图4-b可以看出，除印度外，其他国家更加注重控制畜禽废弃物肥料生产过程中的臭气排放，尤其是中国和美国在该领域的研究及发文量均明显领先，其研究能力始终位于世界前沿。近20年来，除臭技术和氮素保存技术分别占生产过程研究的65.1%和34.9%，可见科研工作者对于除臭技术的研究相较于氮素保存技术更加重视，力争在畜禽废弃物肥料生产过程中以最小的污染换取最佳的环境效益。

图4-c给出了畜禽废弃物肥料化过程中氮素保存与除臭技术研究方向CNKI发文数的变化情况。畜禽废弃物肥料化除臭方向CNKI发文总数呈现明显的上升趋势，说明畜禽废弃物肥料化过程中臭气去除技术研究获得了研究者的广泛关注。其中，2008年我国在除臭技术领域发表的中文论文为19篇，但2000年只发表了1篇。与臭气去除技术相比，氮素保存技术发文总量相对较少，约为臭气去除技术的1/6。氮素是植物生长最重要的营养元素之一，且畜禽废弃物腐熟过程中氮的损失对大气环境和土壤生态影响较大，从技术突破和环保需求分析，预测氮素保存是未来科研工作者持续关注的重点之一。

3.3 无害化技术研究分析

图5显示了2000—2020年畜禽废弃物肥料化过程中的无害化技术论文发表情况，包括无害化技术的发文百分比和发文前十位国家的WOS发文量。畜禽粪便无害化技术WOS发文量占肥料化领域WOS总发文量的79.2%，其中重金属钝化与去除技术以及病原体去除技术是最主要的研究方向。从图5-a中可以看出，畜禽废弃物中关于重金属钝化或去除技术的研究一直是无害化技术的主流，虽然WOS发文占比总体呈现微降趋势，但2000—2019年其发文数量由143篇增加至660篇，增长了3.6倍。畜禽废弃物无害化过程中，抗生素和抗性基因去除技术的发文量占比在2007年后呈现逐年上升的趋势;而对激素去除技术的研究则一直较少，发文量及占比均最低。从图5-b可以看出，中国在重金

属、抗生素及抗性基因去除技术上的研究及发文量均处于世界前列，而美国和加拿大则对病原体去除技术的研究更为重视，相关发文量占本国无害化研究的发文比例更高。

我国畜禽废弃物无害化处理技术方向CNKI的发文情况如图5-c所示。我国在畜禽废弃物无害化处理技术研究方面有持续增长的趋势，尤其近5年发文量迅速增多，占总发文量的38.7%。我国科研人员2016年在无害化技术方面发表中文论文339篇，较2001年增加了25倍。其中，粪便好氧发酵过程中重金属去除的研究是占比最多的技术方向，2019年发文量高达132篇。随着肥料化发酵工艺的优化升级，抗生素和抗性基因方面的研究持续增加，逐渐成为无害化技术的研究重点。

4 研究展望

以Web of Science核心数据库和CNKI期刊中文库为数据源，通过对养殖废弃物肥料化领域研究论文的文献计量分析，反映了养殖废弃物肥料化整体研究进程，以及在发酵工艺、生产过程与无害化处理技术方面的發展趋势。

（1）近20年来，养殖废弃物肥料化领域的相关研究取得了快速发展，从科技论文发文量来看，中美两国在养殖废弃物肥料化研究领域具有领先优势。

（2）在发酵工艺研究方面，由传统堆沤逐渐过渡到条垛式发酵、槽式发酵和反应器发酵工艺。国际上反应器发酵工艺研究占比14.56%，而我国反应器发酵工艺研究占比26.0%，预示我国在反应器结构、自动控制、腐熟效果等方面取得较多的研究成果，肥料生产设备化和智能化将是未来研究重点。

（3）在生产过程研究方面，主要注重养分保存和气体减排2个方面的技术研究，国际上氮素保存和臭气去除方面在养殖废弃物肥料化领域发文占比为20.84%，其中我国在该领域占据较强的研究优势。未来我国科研工作者在生产过程研究方面，将进一步加强对氮素代谢机制及降解过程的研究，并继续提高臭气去除技术在肥料化过程中的应用创新。

（4）在无害化技术研究方面，重金属钝化及去除技术是国际和国内公认的研究热点，WOS和CNKI重金属研究在无害化技术发文占比分别为79.42%和38.2%，差别在于我国对抗生素和抗性基因的关注度远高于其他国家。这与我国与其他国家在畜禽养殖方式、粪污处理措施和潜在污染风险管控等方面的差异有关，抗生素和抗性基因的研

究将成为我国未来的研究热点领域。

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