马珮瑶，邓志华，向 萍，李碧青

（1西南林业大学材料与化学工程学院，昆明 650224；
2西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224）

在有限的氧气条件下生物质原料通过热化学分解产生的富碳物质被称为生物炭[1]，其具有比表面积大、稳定性好等特点[2]，可以有效地吸附重金属、有机小分子和离子等污染物[3]，可作为污染物吸附剂，土壤改良剂广泛应用于污染的吸附以及土壤的改良[4]、重金属的吸附[5]以及能源与化工[6]等领域。同时，一些研究[7]发现生物炭还能够应用于生命科学及工程等领域。由于生物炭具有良好的理化性质，在农业应用领域中，生物炭可以改善土壤肥力，从而能够减少营养物质的流失，进一步促进作物生长[8]。在环境领域中，向受污染的土壤中加入一定比例的生物炭，可以通过改善土壤性质，降低重金属的可交换态离子含量，削弱一部分植物对于重金属离子的吸收，从而提高农作物的产量。例如崔立强等[9]进行了一系列的田间试验，试验结果表明将生物炭添加进受重金属污染的土壤中，生物炭可以明显使得土壤中的重金属有效形态降低。周建斌等[10]研究了生物炭对重金属镉的固定，结果表明生物炭可以通过沉淀、吸附反应降低镉的有效形态。

在中国，每年有上千万吨的废弃物被丢弃，垃圾通常通过焚烧处理，导致大量二氧化碳排入大气，造成严重的污染[11]。作为环境友好型剂，利用废弃生物质材料制备成生物炭，用作土壤改良剂，可以用来修复污染土壤，提高土地的产量；
用作吸附废水的污染修复剂，可以修复污染水体[12]，同时实现生物质的资源化、碳封存[13]、污染缓解[14]。在促进社会的可持续发展的同时，也具有十分良好的经济和环境效益，变废为宝。近年来，学者们在修复领域对于利用废弃物材料制备成生物炭进行修复方面的研究也逐渐增多，已经成为了生物炭修复污染的热点方向之一。例如，ROBERTS等[15]选择了多种具有代表性的废弃生物质原料例如能源作物、农业废弃物、庭院废弃物等制备成生物炭，结果表明庭院废弃物和农业废弃物排放的温室气体都为负值，并且庭院垃圾具有较好的经济性。DARBAN等[16]用马铃薯皮作为原材料，将马铃薯皮制备成生物炭，对伊朗伊斯法罕的某矿井周边的土壤进行修复，研究表明，利用马铃薯皮制成的生物炭能够将游离态的Cu和Pb转化成为有机结合态，使其趋于稳定态。SEPEHR等[17]采用葡萄枝作为原材料制备成生物炭，在投加量为10%时，Cd、Zn、Cu和Pb的可移动性分别降低了47%、49%、70%和62%。该试验还进行了利用橡树制备生物炭，在添加了4%的生物炭长达3年内，发现该生物炭依然对土壤中的重金属保持着比较高的固化能力，并且该土壤中Zn和Cd的含量分别降低了77%和66%[18]，效果良好。侯艳伟等[19]对郴州和龙岩地区矿山周边土壤进行了研究，在该受重金属污染的土壤中添加了利用水稻秸秆制成的生物炭后，重金属铅含量大幅下降，效果很好。MONIKA等[20]研究了由3种不同污泥制备的生物炭在投加后对土壤的pH、重金属含量和生物活性的影响。研究结果表明，添加了生物炭后的土壤，pH有所提高，同时土壤中可游离态的重金属含量有所降低，从而能够有效地减少重金属对于土壤微生物的毒害[21]。QIAO等[22]以玉米秸秆(MS)、向日葵秸秆(SS)、小麦秸秆(WS)、橘皮(OS)、葵花籽壳(SSS)和栗子壳(CS)等农业植物废弃物为原料低温制备生物炭。结果表明，在300℃的条件下，以玉米秸秆(MS)制备的生物炭总孔隙率为92.8%，对Pb2+的吸附量为78.6 mg/g，去除率为98.3%。所制得的生物炭对不同浓度的亚甲基蓝和Pb2+水具有良好的吸附性能。简敏菲等[23]利用农业废弃物水稻秸秆作为原材料，采用了限氧裂解法制备生物炭。研究结果表明，提高热解温度之后，生物炭的产率和挥发分比例有所下降，而灰分含量和含碳量有所提高。SUWUNWONG等[24]将废弃物茶叶渣500℃制成生物炭，又将生物炭改性成MnFe2O4/生物炭，对Pb2+离子的吸附率提高98%。

目前，随着科学计量学的快速发展，该方法被广泛的应用于文献分析，为大数据的可视化研究提供了相当可靠的途径，进而可以对某领域的科学发展现状及水平进行评价[25]。由陈超美教授于2004年推出的基于Java环境的引文网络分析工具Citespace，主要应用于文献数据的计量以及分析，该软件可以准确的识别及显示科学发展的新动态以及目前该领域的最新发展趋势，因此，本文选取了Citespace作为最主要的分析软件进行数据分析[26]。但是该软件只能勾勒出大概的研究领域情况，所以本文依据Citespace以及VOSviewer的分析结果，对结果结合对文献的批判性阅读进行梳理，分析废弃物生物炭应用领域的研究趋势以及研究热点，以期为未来废弃物生物炭应用研究领域提供一些借鉴以及启示。

1.1 数据来源

本研究以WoS和CNKI中核心合集2000至2021年的文献进行高级检索。其中外文检索式为[(TS=(waste biochar)AND TS=(adsorption))AND DT=(Article)]主题设置为waste biochar和adsorption，文献类型为Article，共得检索结果2711条。中文文献检索条件为（主题=废弃物生物炭）OR（篇关摘=废弃物生物炭吸附），检索范围设置为期刊，共得检索结果266条。此次检索的检索时间为2021年12月1日，导入CiteSpace软件进行分析的文献共2977篇。

1.2 研究方法

CiteSpace是一个基于Java环境的科学文献分析工具[27]。利用协同分析理论和探路者网络标度，通过绘制一系列可视化图谱，可以分析特定领域的文献，探索相关学科的发展趋势[28]。它可以用来观察某一研究领域的发展趋势，并通过将其可视化的方式加以呈现，以此来探寻某一学科领域演化过程的关键路径[29]，从而可以直观地了解各个研究领域的热点，还能够显示出在特定的时间跨度中，突然激增的新的研究话题情况[30]。文献计量学(Bibliometrics)可以用于定量地审查学术文献，并描述给定主题、领域、机构或国家的分布模式[31]。运用CiteSpace软件分析时重要参数有主题聚类分析、高频关键词分析、关键词共现分析、聚类分析和时区图谱分析[32]。

本研究利用WOS和CNKI原有的分析工具、CiteSpace 5.8.R1以及VOSviewer可视化分析等软件[33]，对废弃物生物炭应用领域的发文趋势及总量、主要发文国家、机构、发文期刊、作者以及他们之间的合作关系、研究热点及研究重点的变化趋势等进行计量分析。

2.1 发文量及年度变化趋势

发文数量可以直接地反映出科研人员对于某一领域的关注程度，在某种程度上，发文量可以表示废弃物生物炭应用领域的发展速度和发展程度[34]。通过对废弃物生物炭应用领域2000—2021年间WOS和CNKI核心合集论文进行计量分析发现（图1），外文和中文文献在废弃物生物炭应用领域起步都相对较晚，外文文献从2009年出现第一篇相关文章，但外文文献发文量增加态势明显，特别是2015年以来，发文量有了成倍的增长，表明废弃物生物炭的应用越来越得到国际学术界的关注。而中文文献发表的第一篇相关文章在2003年，但发文量增加较为缓慢，直至十年后发文量才有了明显增加，在此之后逐步提高。

图1 2000—2021年度废弃物生物炭应用领域发文量变化趋势

2.2 主要研究力量

2.2.1 外文文献发文国家分析 一个国家被SCI所收录的论文数量可以反映出该国家对某一领域研究的科研贡献程度，而论文的被引频次可以基本映射出该国家的影响力。通过研究机构和国家的发文量可直观判断某机构或国家对废弃物生物炭应用领域的关注程度[35]。中国、美国、印度等90个国家发表了有关废弃物生物炭应用的研究论文。如表1所示，排在前十的发文国家发文总和为2662篇，占总量的98.19%。

由表1可得，发文量排在第一名的是中国，共1353篇，所占比例为49.908%，远超其他国家，这不仅突出了中国在废弃物生物炭应用领域的重要地位，同时也表明了中国在废弃物生物炭领域方面十分重视，并做了大量工作。总体来看，中国在废弃物生物炭应用领域研究较为活跃并且具有优势地位。美国、印度和韩国作为人口和农业大国，在废弃物生物炭领域的研究也相对较多。由于农业的快速发展，产生了大量的农林废弃物，如何将这些废弃物进行资源化利用使得这些国家对废弃物生物炭应用领域关注度上升。

表1 废弃物生物炭应用领域外文文献发文量排名前十的国家

中国的科研人员不仅仅只重视论文的数量，同时更加注重与各个国家交流、合作。图2是废弃物生物炭应用领域的重要发文国家之间的合作关系图，该图中某个国家发文数量的多少由圆圈直径的大小所表示，发文量越高，则圆圈直径越大，而连线的粗细程度则表示着国家与国家之间的合作密切程度，线段越粗，表示这两个国家之间的合作越密切。

图2 废弃物生物炭应用领域重要发文国家间合作关系图

2.2.2 重要研究机构分析 期刊论文被重要数据库如SCI收录的数量以及论文的被引频次可以反映该研究机构的影响力和整体科研能力[36]。引用率较高意味着其内容与该研究领域的关系更为密切[37]。

（1）外文文献发文机构分析。在废弃物生物炭应用研究领域外文文献发文量排名前十的机构分别为中国科学院(CHINESE ACADEMY OF SCIENCES)（140篇）、湖南大学(HUNAN UNIVERSITY)（67篇）、高丽大学(KOREA UNIVERSITY)（56篇）、埃及知识银行电子知识库(EGYPTIAN KNOWLEDGE BANK EKB)（54篇）、香港理工大学(HONG KONG POLYTECHNIC UNIVERSITY)（54篇）、佛罗里达州立大学(STATE UNIVERSITY SYSTEM OF FLORIDA)（52篇）、印 度 理 工 学 院 (INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SYSTEM IIT SYSTEM)（50篇）、沙特国王大学(KING SAUD UNIVERSITY)（50篇）、佛罗里达大学(UNIVERSITY OF FLORIDA)（49篇）、中南大学(CENTRAL SOUTH UNIVERSITY)（47篇）。其中中国科学院以绝对优势位居第一，可见中国科学院在废弃物生物炭应用领域做出的突出贡献。中国的科研机构占其中4个，表明中国对该研究领域极其重视，同时也可以看出，由于经济快速发展产生越来越多的废弃物，在基于可持续发展的条件下将废弃物加以利用制备生物炭成为一大热点。

（2）中文文献发文机构。在废弃物生物炭应用研究领域中文文献发文量排名前十的机构分别为北京林业大学（3篇）、中国农业大学（2篇）、广东省农业科学院农业资源与环境研究所（2篇）、福建师范大学（2篇）、云南农业大学（2篇）、兰州大学（2篇）、国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心（2篇）、西华师范大学（2篇）、云南五佳生物科技有限公司（2篇）、江汉大学（2篇）。

2.2.3 重要期刊来源 某一期刊在某一领域的发文数量以及该期刊的被引频次代表着该期刊在某一领域的影响力，研究人员可以通过该领域的发文量及影响因子把握该研究领域的核心期刊，通常在该领域发文量较多的期刊水平普遍较高[38]，该期刊的影响因子越高，影响力也越大[39]。

该领域共有396种来源出版物，根据期刊的发文数量从高到低进行排序，发文量TOP5期刊如表2所示。发文量前3的期刊依次为BIORESOURCE TECHNOLOGY、SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT、ENVIRONMENTAL SCIENCE AND POLLUTION RESEARCH，分别占所检索文献总数的6.227%、5.601%、4.827%，可以表明这些期刊是研究人员的潜在投稿期刊，同时也可以说明这些期刊在废弃物生物炭应用领域的影响力相对较大。在发文量排名前5的期刊中，截止2020年影响因子最高的是BIORESOURCE TECHNOLOGY，影响因子为9.642，SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT位居第二，影响因子为7.963，一定程度上表明这些期刊在废弃物生物炭应用研究领域的关注程度相对重视。

表2 废弃物生物炭应用领域外文发文量排名前5的期刊

从载文期刊可以看出，中文文献主要侧重于农业工程以及环境科学方面的研究，《农业工程学报》为该领域分析出的研究论文载文量最多的刊物，共载文15篇，同样也是同期发文量所占比例最高的刊物，为5.5%，其次为《环境科学》，载文11篇，在同期发文量中所占的比重为4%。表明了废弃物生物炭领域与农业环境领域的交叉融合。而另一方面，目前中国尚缺乏针对废弃物生物炭领域的专刊，这也是中国在生物炭等相关领域中研究机构当前以及今后的重要任务（表3）。

表3 废弃物生物炭应用领域中文发文量排名前5的期刊

2.2.4 重要作者分析 作者在某一领域中发表论文的数量以及论文的被引次数在某种程度上能够反映出该作者在某一领域的影响力[40]。一篇文章的高被引频次能够客观地反映出该这篇文章的在学术上的影响力以及在这个领域学术交流中的作用与地位[41]。当前一篇文章的被引用率成为了国际上普遍采用的评价作者科研水平的标准[42]。

利用Citespace分析废弃物生物炭应用的作者群体，由图3可得，在外文文献中YONG SIK OK、DANIEL C W TSANG、GUANGMING ZENG等是发文较多的作者。结果表明，英文文献中大多作者群体的分布较为紧密，网络连线较多，表明了科研团队与科研团队之间的学术交流相对较多。而在中文文献中作者群体在总体上呈现出大分散小集中的态势，团队内部的交流合作较为紧密，而团队与团队之间的合作却相对匮乏。

图3 废弃物生物炭应用领域文章的主要作者

废弃物生物炭应用领域共涉及561位作者，结合发文量和被引次数两项指标，基本可以确定废弃物生物炭应用领域的重要作者。作者YONG SIK OK发文量最高，达到68篇，被引频次最高的一篇名为“Effects of pyrolysis temperature on soybean stover-and peanut shell-derived biochar properties and TCE adsorption in water”[43]，总被引频次达到643次，是该领域的引领人物。作者赵立欣、孟海波所在的中国农业部规划设计院较为权威，与其他科研团队合作交流也较多。来自福建师范大学的作者王维奇在此领域发文量最高，其发表的《生态化学计量学特征及其应用研究进展》被引频次达到333次。

2.3 关键词共现图谱

高频关键词可以高度概括论文的中心，呈现某研究领域的热点[44]。关键词共现分析是对一组词两两统计它们在同一文献中出现的频次。对关键词的分析可以反映该领域的研究热点和目前该领域的研究方向[45]。文献分析图中节点的大小代表了以往文献中话题出现的频率，当节点越大时，意味着该话题出现的频率越高，而这些节点与节点之间的连线则表示关键词与关键词出现在了同一篇文章中[46]。

2.3.1 外文文献关键词共现图谱 对WOS结果进行关键词共现分析，得出2000—2021年废弃物生物炭领域外文文献的研究热点，结果如图4所示。

图4 废弃物生物炭领域外文主要关键词共现图谱

由Citespace以及VOSviewer分析得知，在进行关键词共现网络分析中，吸附和生物炭作为本研究的主题关键词，占有十分重要的地位，出现频次分别达到了1768和1573次，排在所有出现的关键词中前两位。除了adsorption（吸附）、biocha（r活性炭）外，排名前10位的关键词依次是remova（l去除）、waste wate（r废水）、activated carbon（活性炭）、sorption（吸附）、aqueous solution（水溶液）、pyrolysi（s热解）、wast（e废物）、water（水）、kinetic（s动力学）、heavy meta（l重金属）。说明利用废弃物生物炭处理水、以及废弃物生物炭吸附重金属也是废弃物生物炭应用的重要因素之一，也是该领域重点关注的研究对象。

2.3.2 中文文献关键词共现图谱 对CNKI结果进行关键词的共现分析，得出2000—2021年废弃物生物炭领域中文文献的研究热点，结果如图5所示。

图5 废弃物生物炭领域中文主要关键词共现图谱

由Citespace分析得知，在进行关键词共现网络分析中，生物炭作为本研究的主题关键词，占有十分重要的地位，出现频次达到了163次，排在所有出现的关键词中第一位。除了生物炭外，排名前10位的关键词依次是废弃物、农业废弃物、农林废弃物、吸附机理、重金属、有机废弃物、资源化利用、生物质。说明利用农林废弃物制备生物炭是目前一大热点，同时将废弃物资源化利用、以及用废弃物生物炭吸附重金属也是该领域的重心。

2.4 关键词突现分析

时区图谱分析可以将所分析的数据按照关键词首次出现的时段，把关键词作时区显现，进一步展现关键词的时区演变，得到该领域的研究前沿与发展趋势[47]。而关键词突变，Burst Terms（突现词）用于监测一定时期内频次变动率较大的词，则可以了解领域内的研究前沿，从而来确定研究前沿和趋势[48]。突现关键词出现和存续时间可以反映研究热点的演进历程[49]。由于只有外文文献存在关键词突现，因此只分析外文文献中废弃物生物炭领域关键词突现情况（图6）。

图6 废弃物生物炭应用领域关键词突现图谱

通过Citespace软件分析算出共有35个主题关键词，废弃物生物炭第一次出现的年份为2009年，因此此图选取自2009年开始出现的20个关键词主题进行分析。较为重要的主题关键词分别为black carbon（黑碳）、soil（土壤）、charcoal（木炭）和sorption mechanism（吸附机理），可以得出学者们对生物炭应用于土壤的研究较为提前，同样也能表明废弃物生物炭的吸附机理也是一个研究重点。同时，此图也侧面认证了从2009年开始对于该领域的研究就比较多样化、专业化。而在近几年，大量研究学者开始关注humic acid（腐殖酸）、magnetic separation（磁分离）、volatile organic compound（挥发性有机化合物）方面，说明磁改性废弃物生物炭、废弃物生物炭对于腐殖酸的影响以及利用废弃物生物炭处理挥发性有机化合物是目前废弃物生物炭领域的研究前沿。

3.1 结论

本文利用Citespace以及VOSviewer可视化软件，基于WOS和CNKI核心数据库，对自2000—2021年废弃物生物炭应用领域发表的2977篇相关文献进行分析，得到如下结论：

（1）自2003年开始，废弃物生物炭应用研究领域的中外文发文量逐渐增长，学术界对该领域逐渐重视。来自中国的研究机构和学者在废弃物生物炭应用研究领域做出了巨大贡献，美国和印度也为主要贡献国家。同时，国内外的废弃物生物炭应用研究主要围绕中国科学院展开。

（2）2000—2021年期间废弃物生物炭应用领域研究开展了利用农林废弃物制备生物炭、利用生物炭修复土壤、利用生物炭吸附重金属等研究，拥有宽广的研究视角，宽泛的研究内容，可以后续的深入研究提供一些指导性意见。

（3）研究热点主要围绕利用农林废弃物制备生物炭、利用生物炭修复土壤等关键词展开。围绕废弃物生物炭应用展开热解温度对生物炭的影响、生物炭的改性以及生物炭对挥发性有机化合物及其吸附机制的影响等多角度探究为该领域的研究前沿。

3.2 展望

生物炭被定义为一种富含碳的多孔物质[50]，由于其出色的自身性能，拥有着十分广阔的应用前景。以成本较低的废弃物作为原材料来制备成生物炭并加以利用的技术也日渐成熟起来，目前将废弃物制备成吸附剂[51]、土壤改良剂[52]和新型燃料[53]等一系列资源化的研究已经取得了一定的进展。但在实际应用过程中，将废弃物生物炭发展成为可代替常规性炭的材料还仍需继续努力。同时，对于生物炭成本的降低、生物炭的制备条件[54]以及生物炭材料的选择等方面仍然需要去继续探索以及研究。因此，在今后的研究过程中还应该进一步的探索更多性能更好的废弃物生物炭在实际应用过程中的潜在用途，尤其是要以“废物资源化利用”[55]为重要的指导思想，将废弃物制备成生物炭不仅能够找到一个新的途径来解决废弃物无法合理处置的难题，还可以为废弃物生物炭及其复合材料在环保[56]、农业等众多的领域中得到更加有效的运用提供重要的支撑。

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