基于图谱可视化的尾菜利用研究态势分析
韩高玲 陈晶亮 俞兆鹏 王建国 肖朝卿 王健 吉生成 吕文军 孙小妹
摘 要：基于科学计量学与信息可视化分析方法，借助Cite Space软件从CNKI和WOS库筛选出2000—2020年的1006篇文献，分析发文刊物、研究者及科研单位、关键词共现网络图谱、突现关键词、研究历程时空聚类，揭示近20 a（年）有关尾菜利用和研究的热点及趋势，为今后的相关研究提供科学借鉴。中国在尾菜利用研究方面的发文量在国际上处于领先地位，国内关于尾菜利用研究的研究体系主要在西部的甘肃省。分析关键词聚类结果显示，有关尾菜的研究有资源化利用和污染防治与治理2个方面，其中资源化利用是重点，主要体现在能源化、肥料化、饲料化、原料化和基质化5个层面。有效利用尾菜资源有利于解决尾菜引起的环境污染问题，促进蔬菜产业可持续发展。
关键词：尾菜;研究热点;研究趋势;Cite Space
中图分类号：
X713 文献标识码：B 文章编号：1673-2871（2021）09-111-09
Research trends analysis of vegetable wastes based on mapping visualization
HAN Gaoling1， CHEN Jingliang1， YU Zhaopeng2， WANG Jianguo2， XIAO Chaoqing3， WANG Jian3， JI Shengcheng2， L? Wenjun3， SUN Xiaomei1
（1. School of Resource and Environmental Sciences， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， Gansu ， China; 2. Liangzhou District Agricultural Product Quality and Safety Supervision and Management Station， Wuwei 733000， Gansu， China; 3. Agricultural Ecology and Resource Protection Technology Extension Station， Lanzhou 730000， Gansu， China）
Abstract：Based on scientific metrology and information visualization software of Cite Space， 1006 references from year 2000 to 2020 in CNKI and WOS databases were selected in this research， the journals， researchers and research institutions， research hotspots and development history were analyzed， the hotspots and trends of vegetable wastes in recent 20 year was revealed and a basis was provided for the future research. The maximum number of published references came from China， the main research institutes in this field was in Gansu Province. Keywords clustering showed that the researches on vegetable wastes could be divided into two parts， which were pollution prevention and recycling of vegetable wastes. Resourceful utilization of vegetable wastes included five aspects， including energy， fertilizer， feed， raw material and matrix. Effective utilization of the vegetable wastes resources can solve the environment pollution caused by vegetable wastes， and promote the sustainable development of the vegetable industry.
Key words：
Vegetable wastes; Research hotspots; Research trends; Cite Space
隨着农业向智能化、高效化、规模化方向发展，蔬菜产业发展迅速。同时，随着蔬菜产业的快速发展和城镇居民生活水平的日益提高，大量残次蔬菜和蔬菜加工处理时产生的废弃叶、根、茎和果实等成为了尾菜[1]。这些尾菜由于随意倾倒和堆积于农村田间地头、沟渠内、道路旁，利用转化率低，无害化处理不到位，腐烂变质后造成了较为严重的环境污染，影响到居民生活质量、身体健康以及蔬菜产业的持续健康发展。做好尾菜处理利用工作、减少资源浪费、防止环境污染，已成为当前蔬菜产业可持续发展亟需解决的新问题[2-4]。
分析大量有关尾菜利用的文献可把握研究动态和热点，为今后的研究提供借鉴和启示。但是，传统的文献综述整理受限于研究者的知识背景，不能客观、全面的反映该领域的发展脉络和研究趋势[5]。因此高效、全面地反映有关尾菜利用的研究热点，对促进废弃蔬菜资源化利用和蔬菜产业的发展具有指导意义。科学计量学与信息计量学的出现，例如基于Java语言开发的Cite Space，通过构建某一研究领域的可视化分析图，弥补了传统文献分析的不足[6]。Cite Space软件可对收集的数据呈现空间尺度上的动态变化和多元而又分时的可视化分析，展现该领域研究内容的演变与核心，通过共引聚类反映出研究前沿，体现出研究机构间的合作关系和领域的研究者。与其他研究文献计量学相关的可视化软件相比较，Cite Space软件具有更清晰的可视化分析功能和解释率。因此，笔者基于图谱可视化的Cite Space软件，分析有关尾菜利用的研究态势，为今后的研究提供一些借鉴和启示。
1 材料与方法
1.1 数据来源
在中国学术期刊全文数据库CNKI和Web of science核心数据库中，以“尾菜”、“尾菜利用”和“vegetable wastes”作为关键词，检索时间段设定为2000—2020年。初步检索出相关文章1103篇，考虑到有些文章的核心词汇虽然出现尾菜（如牛尾菜），但主题并非是有关于尾菜利用的相关报道，因此通过人工阅读摘要和判别，去除不相关文章97篇，相关文章合计1006篇，其中CNKI库收录564篇，WOS中收录442篇，数据更新时间为2020年10月22日。
1.2 研究方法
笔者基于Cite Space V 对检索判别后的文献进行发文量分析，从宏观角度评价某个研究领域的现状和动态，是一条观察文献详情的直观途径。关键词反映了研究内容并对其进行整体总结和概括，因此利用关键词共现网络图谱和文献突现关键词进行研究热点分析。关键词共现图谱中圆圈的大小代表了文献的引用频次，圆圈越大被引频次越高;突现关键词是从某时间段内大量关键词中总结出来的高频主题词[7]。通过Cite Space的cluster功能，对关键词运用“K-均值算法”进行聚类分析，时空聚类分析的意义在于将出现的多个关键词分类，突显出时间节点和关键词间的关联性[8]，总结出研究领域内的分支方向，可解读研究内容的演变史。为了清晰明了地了解20年间CNKI收录的564篇文章和WOS收录的442篇文章的研究内容，以及研究内容间的关联性，将“时间区分”设置为2年，出现频率≥4，演算阈值（Top N % per slice）不加修改（默认为50）。剪切方式运用Pathfinder、Pruning sliced networks 和 Pruning the merged network等 3种方法，将表达一致的关键词合并，得出CNKI和WOS收录文章的关键词共现网络图谱。构建研究者和研究机构合作的网络图，可解读研究趋势和研究整体脉络导向，作者和研究机构的名称与节点越大，表明其发文数量和被引用率越高，在该研究领域中的影响力越大。作者间、机构间和国家间的节点连接线越宽，则体系间的联系越紧密。
2 结果与分析
2.1 尾菜利用研究概况
各个国家间关于尾菜利用发文研究的大国依次为中国、印度、西班牙、意大利、巴基斯坦、韩国、巴西、加拿大、美国、波兰、墨西哥。其中中国与印度、西班牙、美国、韩国等国家间存在直接的学术合作关系（图1）。
2.2 尾菜利用研究态势分析
自2000年以来，20年间CNKI收录有关“尾菜利用”的文章有564篇。其中2000—2009年仅有2篇收录，在2019年出现一次发文收录高潮。来自WOS数据库的分析表明，2000—2009年间涉及该领域的研究为0，2010—2020年合计发文442篇。CNKI和WOS数据库收录的年均文章篇数为4～5篇，相较于其他研究领域，关于废弃物——尾菜的资源化利用研究偏少（图2）。
中文期刊收录有关尾菜利用文章最多的期刊为《中药材》，发文率占14.29%。《中国蔬菜》《食品工业科技》和《中国中药杂志》发文率依次为11.43%、11.43%和8.57%。《中国生态农业学报》《南方农业学报》《农业环境科学学报》《应用与环境生物学报》收录率均为5.71%（图3）。国内关于尾菜利用研究的体系主要分布在西部的甘肃省，其中尤以西北低碳城镇支撑技术协调创新中心、兰州理工大学生命科学与工程学院、甘肃省生物质能与太阳能互补功能系统重点实验室和兰州理工大学西部能源与环境研究中心间的关联度最高，且发文量最大（图4）。其次有甘肃农业大学、扬州大学、甘肃省榆中县农业技术推广中心和甘肃省农业科学院等几家单位。研究者之间独立的关系网有7个，主要有兰州理工大学团队李金平、李志忠、悲佳雯、任海伟等研究者间交流颇多，其次是邓丽莎团队、甘肃农业大学晋小军团队、张文齐团队、戚如鑫团队、杨海兴团队和张光全团队。
WOS数据库中有关尾菜利用引用頻数大于100次的杂志有Bioresource Technology、Waste Manage、Water Research、Biomass Bioenergy、Process Biochemistry、Journal of Environmental Management、Water Science and Technology、Renew Energy、Renewable and Sustainable Energy Review和Standard Methods。中心性大于等于0.1表明该杂志在杂志关联网络中具有枢纽性的作用。其中Bioresource Technology、Waste Manage 和Water Research的引用频次为339、232和149，中心性依次为0.15、0.12和0.12，即这3本杂志是报道尾菜利用研究领域的领航者（表1）。
2.3 研究热点分析
2.3.1 尾菜利用关键词共现分析 CNKI数据库收录的564篇文章中27个节点间有36条关联，网络密度为0.1026，表明已形成以“尾菜”为核心的研究网络体系。以尾菜为圆心，以资源化利用、沼气、高原夏菜为研究热点，分别体现在能源化、污染防治与治理、白菜尾菜和干玉米秸秆的青贮饲料、沼气发酵和利用等几个主要方面（图5上）。分析WOS数据库收录文章的关键词网络图谱发现（图5下），以尾菜为圆点形成了106个节点，构成了126条连接，网络密度为0.0226。形成了以尾菜利用-发酵为主线，沼气工程机理（微生物过程）及产品开发、废液和废渣治理的理论和措施构建、堆肥及其重金属问题为主题的研究网络。
2.3.2 尾菜利用突现关键词分析 比较CNKI和WOS数据库中有关尾菜利用研究关键词频数排在前50%的关键词，CNKI数据库中得出频数高的关键词有蔬菜、高原夏菜、现状、青贮，其结果与关键词共现网络图谱得出的结果一致（图6左）。WOS数据库中排在前14位的关键词有尾菜、市政固体废物、污水、活性污泥、堆肥机理、微生物群落、尾菜预处理、发酵温度、联合厌氧消化，其中厌氧消化、混合消化、污水、污泥关键词在关键词共现网络中具有枢纽性的作用（图6右）。
2.3.3 尾菜利用研究的時空聚类分析 节选自CNKI库文章关键词聚类分析结果（图7）显示，Modularity（模块性）Q=0.4734，Mean Silhouette（平均轮廓值）S=0.5104（Q值通常在[0，1]内，Q>0.3表明聚类结果显著，S>0.5表明聚类分析合理）。尾菜利用在2014年提出了“资源化利用”。从2013年开始关于蔬菜作为“沼气生产”原料的研究已见报道，后续对发酵工艺逐渐改善，纯化沼气生产。随着高原夏菜栽培技术和适宜品种的选育，2015年CNKI刊登的有关“高原夏菜”的报道到达一个高峰，同时提出对尾菜的处理，相应延伸出“防治污染与治理”的分支。而叶菜类尾菜如“白菜尾菜”由于含水量太高，不适宜采取沼气发酵的处理方式，“青贮”“饲料化”等可作为含水量高叶菜尾菜的处理方式。
WOS收录文章的关键词节点有55个，相互之间建立的关联性有193条（图8）;而CNKI收录文章的关键词节点仅为27，相互间的关联性仅有36条（图7）。即WOS收录文章的研究体系要详细于CNKI收录文章的研究内容。根据关键词间的关联性，WOS收录文章的关键词可聚类为6大类：沼气（利用尾菜、厨余垃圾、市政废弃物等发展沼气工程，探究发酵过程中混合消化、氨转化的提高）、甲烷（发酵工艺改进纯化沼气）、纤维素（利用微生物群落厌氧混合消化提高对纤维素的分解）、动力学（生物降解性降解动力学的深入探究）、火焰原子吸收光谱仪（尾菜渗出液和沼气生产过程中废水金属离子含量的测试及吸附处理）、蚯蚓堆肥（蚯蚓消解尾菜废弃物，发展肥料体系）。其中WOS中引用文章频数分别为43、35、27、27、17的前5篇文章都是与沼气工程相关的研究（表2）。
3 讨 论
3.1 CNKI库与WOS库发文特点分析
分析2000—2020年收录在CNKI库和WOS库的文献图谱，对CNKI库研究历程时空聚类表明，研究对尾菜的资源化利用分别体现在能源化、污染防治与治理、白菜尾菜和干玉米秸秆的青贮饲料、沼气发酵和利用等几个主要方面。虽然实现了多元化，但存在研究缺乏深度的问题。WOS数据库的研究历程时空聚类涉及面窄，关键词为沼气工程，如沼气（利用尾菜、厨余垃圾、市政废弃物等发展沼气工程，探究发酵过程中混合消化、氨转化率的提高）、甲烷（发酵工艺改进纯化沼气）、纤维素（利用微生物群落厌氧混合消化提高对纤维素的分解率）等。WOS数据库中的文章侧重沼气工程工艺以及从微生物群落的角度深入探讨沼气发酵过程，同时对沼气工程的副产品沼液、沼渣等资源亦展开了扩展性研究，从资源高效利用与环境保护的角度充分展开对尾菜的资源化利用。
3.2 尾菜资源化利用模式
综合分析两大数据库中有关尾菜资源化的时空利用模式，重点在尾菜能源化，主要体现在沼气工程、制氢和乙醇生产3个方面。在厌氧环境下，蔬菜废弃物经水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用，通过水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷3个过程，实现甲烷的生产[9]。此外尾菜制氢是小分子有机物被异养型厌氧菌或固氮菌分解制氢。该技术具有原料要求低、发酵所需工艺简单、产氢速率高、不受光限制的优点[10]。在发酵过程中，碎屑中C∶N值为30∶1是理论上的临界点，当C∶N>30时微生物是N限制，当C∶N<30时微生物是碳限制[11]。尾菜能源化除产生甲烷、制氢外，还可产生其他生物质能，如液体燃料乙醇。通常采用糖+淀粉、纤维素发酵两种工艺[12-13]。目前利用尾菜发酵制乙醇的工艺还不够成熟，需根据发酵原料的特点，筛选最佳酵母和发酵条件，以提高酒精的产生率[14]。
尾菜肥料化通常有以下几种模式：尾菜堆肥利用商业腐解剂或环境微生物，经高温有氧过程实现尾菜有机物的腐解[15]，若为水淹条件和厌氧处理过程则为尾菜沤肥[16]。尾菜微生物复合肥是集有机肥（尾菜腐解）+无机肥（配比N/P/K肥）+微生物（功能微生物）于一体，利用功能微生物的特性及其代谢产物，加快土壤结构改善，实现养分平衡，是1+1>2的复合肥[17-18]。除以上3种广为推广的尾菜肥料化的方法外，目前在山东寿光和甘肃武威地区还构建了一种新的模式——茄果类尾菜的原位还田。即将茄果类蔬菜秸秆打碎并喷施有机物料腐解剂后旋耕于地下20～30 cm处，有氧发酵15～25 d。尾菜原位还田后下茬西红柿的生长势显著高于未还田地块，株高、茎粗、叶面积、SPAD值分别增加了15%、18%、25%和27%，产量增加10%（笔者团队未发表数据）。
为提高动物对尾菜中蛋白质等物质的高效利用，需脱水后加工处理为不同类型的饲料[19]。尾菜饲料颗粒化，将尾菜清洗后打浆、脱水造粒过筛，加工为颗粒饲料。该法可降低尾菜含水量约45%，后采用玉米蛋白粉、稻壳粉等作为黏合剂，制成颗粒或块状的粗饲料[20]。青贮饲料利用乳酸菌等微生物使尾菜中的碳水化合物变成乳酸而抑制腐败菌的生长，以青贮饲料的形式延长保存期。例如将玉米粉、小麦麸与2%乙酸的混合体混合，青贮30～35 d可取得良好的保存效果[21]。除此之外还有尾菜发酵蛋白饲料，将尾菜及分解尾菜的微生物加到饲料中，由于微生物的存在增加了蛋白质（尾菜+麦麸+不灭菌固体发酵，生产单细胞蛋白饲料）和维生素的含量而提高饲料的喂养效率[22]。
利用提取工艺获得尾菜中的特殊成分，如叶蛋白、萝卜硫素、酚酸等物质的提取，蔬菜纸的加工，以及利用微生物的发酵过程生产聚羟基烷酸酯、聚乳酸等[23-28]。废弃蔬菜叶蛋白的提取方法有直接加热法、酸沉淀法、碱沉淀法、酸热沉淀法、碱热沉淀法、酸絮凝剂法。不同作物的提取工艺有差异性，例如酸絮凝剂法是提取花椰菜废物叶蛋白的最佳方式[29]。还有利用特定的细菌和酵母菌，在固态发酵下，将尾菜（如芥蓝）中的聚羟基烷酸酯富集到微生物体内，然后从微生物中提取回收聚羟基烷酸酯，将其用于环境友好塑料产品的生产，替代传统的塑料制品，在降低生产成本的同时，减缓对环境的污染[30]。
尾菜的资源化利用除以上提及的能源化、肥料化、飼料化和原料化外，还可基质化。将尾菜经相应工艺处理，发酵腐熟后暴晒，然后过10 mm筛，配比蛭石与珍珠岩，混合均匀后可作为菌类、盆栽蔬菜的栽培基质[31-32]。此外，利用尾菜养殖蚯蚓、黄粉虫等，通过食物链作用，提高尾菜的能源利用率，获得高动物蛋白[33-34]。
4 总结与展望
笔者基于Citespace软件，以“尾菜”“尾菜利用”和“vegetable wastes”作为关键词，分析从2000—2020年间国内外期刊上发表的相关主题文章，分析发文刊物、研究者及科研单位、关键词共现网络图谱、突现关键词、研究历程时空聚类，在一定程度上反映了有关蔬菜废弃物研究的热点。
（1）中国在尾菜利用研究方面的发文量在国际上处于领先地位，近20 a来国内对于尾菜利用研究方面的发文量在2019年达到峰值。中文期刊收录有关尾菜利用文章最多的期刊为《中药材》，外文期刊为《Bioresource Technology》。
（2）国内关于尾菜利用研究的体系主要在西部的甘肃省，其中尤以西北低碳城镇支撑技术协调创新中心、兰州理工大学、甘肃省生物质能与太阳能互补功能系统重点实验室和甘肃农业大学间的关联度最高，且发文量最大。
（3）分析该领域的发展历程及研究热点，有关尾菜的研究有资源化利用和污染防治与治理两个方面。其中资源化利用是重点，主要体现在能源化、肥料化、饲料化、原料化和基质化5个层面。CNKI库文章存在研究面宽的特点，而WOS数据库的文章从微生物的角度加深对能源化过程中发酵机理和效率的探讨。
笔者对筛选结果的数据分析方法及结果对蔬菜废弃物领域热点及研究动向分析具有启发意义。虽然关于尾菜利用的研究已有了进展，但是由于尾菜的产生存在生长季节的特点，在资源化利用的道路上存在非持续性和供给的不均一性，限制了相关资源化利用产业链的发展，增大了投入成本，从而降低了对废弃蔬菜的资源化利用效率。因此，今后的研究还需针对尾菜的特性，探索新的处理技术和方法，提高利用效率，从而解决尾菜引起的环境污染问题，促进蔬菜产业可持续发展。
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