水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域研究的知識(shí)圖譜可視化分析

司圓圓 張卓婷 陳興漢 余祥勇

摘要 生物脫氮是一種經(jīng)典的水處理技術(shù)，目前已在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理中廣泛應(yīng)用。以Web of Science和CNKI為數(shù)據(jù)源，聚焦研究熱點(diǎn)和前沿，利用CiteSpace軟件對(duì)近30年水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，解析了國內(nèi)外研究的特點(diǎn)和規(guī)律，預(yù)測了發(fā)展趨勢(shì)。多視角對(duì)比分析結(jié)果表明，水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮研究領(lǐng)域發(fā)展的多樣性和深廣度在不斷增加，好氧反硝化技術(shù)脫氮效果好、適用范圍廣，已成為新的發(fā)展方向，具有潛在的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 生物脫氮;CiteSpace;可視化分析;知識(shí)圖譜

中圖分類號(hào) X-703.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0236-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.060

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Visual Analysis of Knowledge Map of Research on Biological Nitrogen Removal in Aquaculture

SI Yuan yuan， ZHANG Zhuo ting， CHEN Xing han et al

（Yangjiang Polytechnic， Yangjiang， Guangdong 529500）

Abstract As a classical water treatment technology， biological identification had been widely used in aquaculture wastewater treatment. With Web of Science and CNKI as data sources and focusing on research hotspots and frontiers， CiteSpace software was used to conduct knowledge map analysis of the current research status in the field of biological nitrogen removal in aquaculture in the past 30 years. The characteristics and laws of domestic and foreign researches were analyzed， and the development trend was predicted.The results of the comparative analysis from multiple perspectives showed that the diversity and breadth of the development in the field of biological identification in aquaculture were increasing. Aerobic identification technology had good effect and wide application range， which had become a new development direction and had potential application prospects.

Key words Biological removal of nitrogen;CiteSpace;Visual analysis;Knowledge mapping

水產(chǎn)養(yǎng)殖中，氮素含量過高會(huì)引發(fā)水質(zhì)問題，造成水產(chǎn)動(dòng)物病害加劇乃至死亡。目前循環(huán)水養(yǎng)殖凈水系統(tǒng)多為硝化裝置，僅能將氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，氮素仍然存在水體中。雖然硝酸鹽氮也會(huì)對(duì)水生動(dòng)物造成不利的影響，但因傳統(tǒng)反硝化多為厭氧（缺氧）環(huán)境，因此限制了反硝化反應(yīng)器在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用，好氧反硝化的出現(xiàn)可以解決此類問題。部分好氧反硝化菌株可以將氮素轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，從水環(huán)境中徹底脫除，但產(chǎn)物中氧化亞氮比重過大也易引發(fā)溫室效應(yīng)，限制其應(yīng)用。當(dāng)前影響生物脫氮效果的主要有2個(gè)方面，一是菌株，二是反應(yīng)器。因此，篩選高效脫氮的好氧反硝化菌株，并構(gòu)建適宜生物反應(yīng)器對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行脫氮具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，生物脫氮是最經(jīng)濟(jì)有效的處理手段，其研究的熱點(diǎn)主要集中在厭氧氨氧化[1-2]、短程硝化反硝化[3]及一步式硝化[4-5]。養(yǎng)殖廢水處理不當(dāng)會(huì)引發(fā)環(huán)境污染，而且會(huì)浪費(fèi)水資源。因此掌握水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域生物脫氮現(xiàn)狀及加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)殖水體污染控制具有重大的意義。

CiteSpace（Citation Space）是基于Java開發(fā)的一款信息可視化工具，其算法是基于共引分析理論（co-ciation）和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法（pathFinder）原理對(duì)既定領(lǐng)域文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量[6]，以探究該研究領(lǐng)域文獻(xiàn)演化的關(guān)鍵路徑與知識(shí)拐點(diǎn)，將其通過可視化圖譜進(jìn)行呈現(xiàn)，目前在圖書、情報(bào)領(lǐng)域及其他相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7-9]。

基于以上背景和工具，筆者依據(jù)關(guān)鍵詞，對(duì)養(yǎng)殖水體生物脫氮領(lǐng)域的主要研究文獻(xiàn)進(jìn)行分析，整理文獻(xiàn)分析報(bào)告，以掌握該領(lǐng)域國內(nèi)外研究趨勢(shì)及發(fā)展?fàn)顩r，為該領(lǐng)域污染控制提供參考。

1 材料與方法

基于“SCI-EXPANDED”“SSCI”“CPCI”和“CPCI-SSH”為數(shù)據(jù)源，以主題詞“SU=（‘生物脫氮+‘好氧反硝化+‘脫氮副球菌+‘生物強(qiáng)化+‘群落結(jié)構(gòu)分析+‘移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）*（‘養(yǎng)殖+‘水）”為檢索式，在WOS數(shù)據(jù)庫中，以“（TS=（Biological denitrification OR Aerobic denitrification OR Paracoccus denitrificans OR Biofortification OR Mobile bed biofilm reactor OR Community structure analysis）AND TS=（Aquaculture））AND 語種：（English）AND 文獻(xiàn)類型：（Article）”為檢索式，時(shí)間跨度為1990年1月1日—2020年2月20 日，共檢索到WOS數(shù)據(jù)庫有效文獻(xiàn)412篇，CNKI數(shù)據(jù)庫有效文獻(xiàn)205篇，將文獻(xiàn)進(jìn)行預(yù)處理將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，選取高頻關(guān)鍵詞閾值，構(gòu)建共詞矩陣。將矩陣導(dǎo)入到Ucinet中，生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在CiteSpace中構(gòu)建關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜，進(jìn)行聚類分析，刻畫水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域的研究主題。通過不同視角的深入?yún)⒄諏?duì)比把握了中外水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮研究的特點(diǎn)和規(guī)律，為該領(lǐng)域后續(xù)研究提供借鑒。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)年度發(fā)文量演變情況

通過繪制發(fā)文量年度分布折線圖（圖1），貫穿1990—2020年水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域的發(fā)展史，國外發(fā)文量整體呈現(xiàn)平穩(wěn)上升狀態(tài)，主要經(jīng)歷了2個(gè)階段。第1階段為1990—2004年，發(fā)文曲線平緩，每年發(fā)文量都不足10篇，表示領(lǐng)域研究剛剛起步，還未有過多關(guān)注;第2階段為2005—2020年，發(fā)文量總體飛速上升，于2019年內(nèi)達(dá)到峰值59篇，2020年發(fā)文量雖有下降，但這可能是由文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間的滯后性導(dǎo)致，該階段為國外該領(lǐng)域的成長階段。國內(nèi)該領(lǐng)域研究基數(shù)較低，發(fā)文量略有起伏，但近年也呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。整體來說，國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域發(fā)文量不高、結(jié)構(gòu)還不穩(wěn)定、發(fā)文能力不持續(xù)，具有涌現(xiàn)新一輪熱點(diǎn)的潛質(zhì)。

2.2 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是在題名或者在文章中能夠表達(dá)研究中心思想且有實(shí)質(zhì)意義的詞匯。經(jīng)過整理，共得到45個(gè)高頻關(guān)鍵詞，頻次總和為333，占所有關(guān)鍵詞頻次總和的33.74%;同理，國外研究共篩選出42個(gè)高頻關(guān)鍵詞，頻次總和為441，占所有關(guān)鍵詞頻次總和的22.32%。國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮研究的高頻關(guān)鍵詞所占比例較高，反映出選取的高頻關(guān)鍵詞具有代表性。

進(jìn)一步構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣，以此共現(xiàn)矩陣為鄰接矩陣，導(dǎo)入U(xiǎn)cinet 6.0中構(gòu)造國內(nèi)外高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖2、3），網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的大小與點(diǎn)度中心性成正比，連接與共現(xiàn)頻次成正比。國內(nèi)共詞網(wǎng)絡(luò)包括45個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)，162對(duì)關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)密度為0.18[10-11]，國外共詞網(wǎng)絡(luò)由42個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)間的148對(duì)關(guān)系構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)密度為0.17。國內(nèi)外共詞網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為松散，但是國內(nèi)以廢水處理為橋接，呈現(xiàn)清晰的兩級(jí)社團(tuán)結(jié)構(gòu)。

2.3 基于關(guān)鍵詞的前沿?zé)狳c(diǎn)探測

為探究水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，進(jìn)一步通過關(guān)鍵詞分析來探究水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域的研究主題和動(dòng)態(tài)變化。在CiteSpace中導(dǎo)入正確處理后的CNKI文獻(xiàn)集合，時(shí)間分區(qū)“Year Per Slice”為1年;節(jié)點(diǎn)類型選擇“Keyword”;詞源選擇“Author Keyword（DE）”;閾值設(shè)定g指數(shù)法，k為10;網(wǎng)絡(luò)剪枝算法選擇“Pathfinder”，修剪分片及整體網(wǎng)絡(luò)。國外研究的WOS文獻(xiàn)集合閾值數(shù)值設(shè)為15，其他選項(xiàng)設(shè)定和上述一致。

利用CiteSpace的“Cluster View”（聚類視圖）對(duì)國內(nèi)關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜進(jìn)行聚類分析，再次運(yùn)行后，得到了基于關(guān)鍵詞所呈現(xiàn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮研究聚類知識(shí)圖譜（圖4、5），其中國內(nèi)關(guān)鍵詞圖譜225個(gè)節(jié)點(diǎn)，207條連接，國外關(guān)鍵詞圖譜159個(gè)節(jié)點(diǎn)，161條連接。

氮素污染源的持續(xù)增加加劇了養(yǎng)殖環(huán)境惡化，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)出效益，甚至威脅人類健康，探尋高效環(huán)保的創(chuàng)新技術(shù)來加強(qiáng)廢水治理迫在眉睫。因此，“環(huán)境污染控制”“生物脫氮”“固定化技術(shù)”“分段進(jìn)水”這類關(guān)鍵詞頻繁位于網(wǎng)絡(luò)中心位置。另一方面，污水組成成分、污染物含量迥然不同，因地制宜地應(yīng)用脫氮技術(shù)是發(fā)展方向，而生物脫氮因成本低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，因此在國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)聚類圖譜中居于中心位置。

2.4 基于關(guān)鍵詞的突現(xiàn)詞分析

為進(jìn)一步厘清國內(nèi)外研究熱點(diǎn)的差異，進(jìn)行了圖6和7所示的突現(xiàn)詞分析。CiteSpace提供突發(fā)性檢測技術(shù)，能夠?qū)⒉煌甏l次激增的詞（突現(xiàn)詞，burst terms）從文獻(xiàn)集中抽取出來，用以側(cè)寫領(lǐng)域前沿主題?；贑iteSpace的“Burstness”功能，得到國內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域的突現(xiàn)詞（圖6、7）。

以關(guān)鍵詞出現(xiàn)年份先后排序，強(qiáng)度（Strength）越高，表明其突現(xiàn)程度越大。紅色色塊的位置和長度代表關(guān)鍵詞的突現(xiàn)區(qū)間?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域研究基礎(chǔ)比較薄弱，因此只有4個(gè)突現(xiàn)詞，突現(xiàn)期都是在2005年后，國外研究中11個(gè)突現(xiàn)詞區(qū)間有10個(gè)都分布在2005年以后，表明1990—2020年間水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域熱點(diǎn)主題爆發(fā)明顯，各種新穎前沿?zé)狳c(diǎn)并存共進(jìn)，與發(fā)文量分析結(jié)果吻合。國內(nèi)突現(xiàn)強(qiáng)度最大的關(guān)鍵詞是分段進(jìn)水（4.043 7），持續(xù)時(shí)間是2006—2009年，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器為最新突現(xiàn)詞，持續(xù)時(shí)間是2010—2013年;國外突現(xiàn)強(qiáng)度最大的關(guān)鍵詞是microbial community（6.560 4），持續(xù)時(shí)間是2018—2020年，反映出生物群落屬于國外傾向型研究。對(duì)比國內(nèi)熱點(diǎn)，國外熱點(diǎn)主題的更迭較快，出現(xiàn)了gene、recirculating aquaculture system等新興概念，研究層面向生物信息轉(zhuǎn)化，研究主題向細(xì)菌群落過渡。

結(jié)合聚類分析和突現(xiàn)詞列表，發(fā)現(xiàn)在國內(nèi)外，水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮的研究內(nèi)容繁多，研究熱點(diǎn)之間的聯(lián)系不甚緊密，呈多維度發(fā)展態(tài)勢(shì)，表明在該領(lǐng)域研究的出發(fā)點(diǎn)多樣化，還未形成固化的模式。國內(nèi)外部分主題熱點(diǎn)具有一定的交集，包括生物脫氮、A/O、好氧反硝化、生物群落微環(huán)境等，這反映出國內(nèi)研究具有一定相似性，也表明了上述主題關(guān)注度高。

3 小結(jié)

綜上分析，1990—2020年間水產(chǎn)養(yǎng)殖生物脫氮領(lǐng)域呈現(xiàn)多樣性發(fā)展的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在研究數(shù)量和規(guī)模的逐步擴(kuò)大，研究向更深廣度和更高維度發(fā)展。在生物脫氮技術(shù)的大命題下，好氧反硝化打破了反硝化只在厭氧條件下才能進(jìn)行的傳統(tǒng)觀念，表明好氧反硝化細(xì)菌為水產(chǎn)養(yǎng)殖脫氮工藝提供了新的道路。

參考文獻(xiàn)

[1] LI J，F(xiàn)ENG L，BISWAL B K，et al.Bioaugmentation of marine anammox bacteria（MAB） based anaerobic ammonia oxidation by adding Fe（III）in saline wastewater treatment under low temperature[J/OL].Bioresource technology，2020，295[2020 05 25].https：//doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122292.

[2] ZHANG M P，DAI P L，LIN X L，et al.Nitrogen loss by anaerobic ammonium oxidation in a mangrove wetland of the Zhangjiang Estuary，China[J].The science of the total environment，2020，698：1-11.

[3] PENG B，LIANG H，WANG S S，et al.Effects of DO on N2O emission during biological nitrogen removal using aerobic granular sludge via shortcut sim ultaneous nitrification and denitrification[J].Environmental technology，2020，41（2）：251-259.

[4] DAIMS H，LEBEDEVA E V，PJEVAC P，et al.Complete nitrification by Nitrospira bacteria[J].Nature，2015，528（7583）：504-509.

[5] VAN KESSEL M A，SPETH D R，ALBERTSEN M，et al.Complete nitrification by a single microorganism[J].Nature，2015，528（7583）：555-559.

[6] 符榮鑫，李旋菁，黃柳欣，等.基于CiteSpace的濕地生物多樣性領(lǐng)域研究的可視化分析[J].農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊，2018，30（12）：52-60.

[7] 冀憲武，樊曉璐，李武佳，等.2007—2019年中國黨參研究文獻(xiàn)計(jì)量分析[J].圖書情報(bào)導(dǎo)刊，2020，5（6）：60-65.

[8] 鄭澤宇，陳德敏.CSSCI（2009—2019）環(huán)境法學(xué)研究的知識(shí)圖譜：基于Citespace的文獻(xiàn)計(jì)量分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2020，34（6）：62-72.

[9] 肖暢，彭婷，劉繼紅.基于WOS和CiteSpace分析我國近10年柑橘研究熱點(diǎn)與前沿[J].果樹學(xué)報(bào)，2020，37（10）：1573-1583.

[10] 豐洪微，范哲超.金屬增材制造技術(shù)研究熱點(diǎn)分析[J].世界有色金屬，2019（23）：172-173.

[11] 豐洪微，范哲超.激光選區(qū)熔化技術(shù)研究熱點(diǎn)可視化分析[J].中國金屬通報(bào)，2019（11）：202-203，205.