基于專利的全球秸稈利用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析*

王紅彥，王亞靜，畢于運，高春雨※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

0 引言

生物質(zhì)資源是當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。秸稈類生物質(zhì)資源化利用技術(shù)是科學家們重點關(guān)注和研究的課題[1,2]。中國是農(nóng)業(yè)大國，也是世界第一秸稈大國[3]。2020年全國秸稈資源可收集利用量7.22億t，秸稈利用量6.33億t，秸稈綜合利用率87.60%[4]，基本形成肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進，基料化、原料化為輔的綜合利用格局。秸稈田間焚燒量約1.12億t，占全國秸稈理論資源總量的11.6%[5]。我國最早以秸稈禁燒（嚴禁焚燒秸稈）和綜合利用為專題內(nèi)容的國家行政規(guī)范性文件于1997年發(fā)布[6,7]，近年來黨中央、國務(wù)院對秸稈資源管理達到了前所未有的重視程度，明確了要堅持秸稈還田利用與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)相結(jié)合[8-10]，推動形成布局合理、多元利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展格局，不斷提高秸稈綜合利用水平[11,12]，因此秸稈利用技術(shù)研發(fā)勢在必行。

目前秸稈類生物質(zhì)利用技術(shù)的專利分析研究主要集中在能源化、肥料化利用方向。如Faba等[13]基于專利文獻分析了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料的催化技術(shù)領(lǐng)域最新進展，利用專利聚類方法分析了生物質(zhì)制氫技術(shù)的發(fā)展歷程，明確了生物質(zhì)制氫核心技術(shù)集群。國內(nèi)學者也開展了纖維素乙醇[14]、生物質(zhì)發(fā)電[15]、成型燃料[16]等生物質(zhì)資源化利用技術(shù)的專利分析，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供戰(zhàn)略情報信息。劉勤等[17,18]分別就中國秸稈資源化利用技術(shù)領(lǐng)域的授權(quán)發(fā)明專利和外觀設(shè)計專利數(shù)據(jù)進行挖掘分析；也有學者對秸稈制備緩沖包裝材料[19]與秸稈還田技術(shù)[20]進行了專利分析。但上述研究的范圍與時效對當前中國秸稈產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的情報支撐遠遠不夠，且全面分析秸稈資源化利用技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展態(tài)勢的研究屈指可數(shù)。文章基于專利文獻，從全球視角對秸稈利用技術(shù)專利研發(fā)趨勢、重要國家、重要申請人等內(nèi)容進行深入分析，揭示全球秸稈利用技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢，全面深層地挖掘秸稈利用技術(shù)專利信息以促進產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級[21]，能夠在一定程度上喚醒“沉睡專利”，為研究和制定秸稈產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，促進秸稈利用技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化提供決策支撐。

1 方法與數(shù)據(jù)來源

該研究采用專利分析方法，基于全球秸稈利用專利數(shù)據(jù)開展申請趨勢、專利布局、重要申請人、技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析等研究。分析工具包括德溫特創(chuàng)新索引（Derwent Innovation Index，DII）、德溫特數(shù)據(jù)分析軟件（Derwent Data Analyzer，DDA）、incoPat分析平臺以及MS Excel等。專利數(shù)據(jù)來源于德溫特創(chuàng)新索引（DII），是專利信息收錄最全面的數(shù)據(jù)庫之一。該文檢索策略中涉及農(nóng)作物秸稈種類主要包括小麥、玉米、水稻、豆類、薯類、油料等。檢索字段包括標題與摘要，限定發(fā)明專利數(shù)據(jù)，專利檢索采用IPC國際分類號與關(guān)鍵詞檢索相結(jié)合的方式進行，檢索截止日期為申請年2020年，共檢索到發(fā)明專利7.28萬件，剔除不相關(guān)專利后剩余6.98萬件專利。鑒于專利申請到專利公開有18個月的滯后期，使得大量專利還處于未公開狀態(tài)，所以2018年及以后的數(shù)據(jù)僅供參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球秸稈利用專利申請趨勢

2.1.1 全球秸稈利用專利經(jīng)歷3個發(fā)展階段

圖1顯示了1950—2020年全球秸稈利用專利的申請與授權(quán)情況，大致可分為萌芽階段、緩慢發(fā)展階段和快速增長階段。首先是1950—1980年的萌芽階段，該時期內(nèi)全球秸稈利用專利數(shù)量很少，專利申請總量不足千件，主要集中在日本、美國和英國等國家。第二階段是1980—2000年的緩慢發(fā)展期。20世紀80年代全球秸稈利用專利申請量突破百件，各年專利申請量起伏不大，技術(shù)發(fā)展較為緩慢。2000年以后秸稈利用專利進入快速增長階段，2000—2020年的20年里全球秸稈利用技術(shù)專利申請量達到6.62萬件，占申請總量的94.86%，僅2018年全球秸稈利用專利申請量就達到8 485件，表明全球秸稈利用技術(shù)專利申請在近20年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的趨勢。其主要原因是由于受到能源危機和環(huán)境污染的壓力，秸稈類生物資源利用技術(shù)發(fā)展迅速，秸稈產(chǎn)業(yè)形成一定規(guī)模。專利授權(quán)趨勢與專利申請趨勢大致保持一致，隨著秸稈利用專利申請基數(shù)的激增，全球秸稈利用專利授權(quán)率在2015年達到43.39%，達到近年來的峰值?？傮w來看，秸稈利用專利申請仍保持良好的增長勢頭，但增速放緩。

圖1 1950—2020年全球秸稈利用專利申請與授權(quán)趨勢

2.1.2 秸稈利用專利全球布局情況

中國目前是世界第一秸稈大國[22]，但中國最早的秸稈利用技術(shù)專利出現(xiàn)在20世紀80年代，起步較晚。美國、日本、德國和英國等國家早在19世紀60—70年代就開始秸稈利用技術(shù)的研究工作并申請專利。20世紀90年代，隨著中國環(huán)境治理和秸稈禁燒政策的實施，科研機構(gòu)和企業(yè)加大了對秸稈利用技術(shù)的研發(fā)力度。截止2020年，中國秸稈利用專利申請公開量為5.36萬件，占全球的76.80%，位居第一；美國秸稈利用技術(shù)專利公開數(shù)量2 689件占全球3.85%，位居第二；韓國和日本秸稈申請量分別為2 325件和1 841件，分列第三和第四位；中美日韓4國秸稈利用技術(shù)專利申請數(shù)量占全球秸稈利用專利的90%以上（圖2）。

圖2 秸稈利用技術(shù)專利公開主要國家和地區(qū)分布

圖3顯示了2000年以來主要國家秸稈利用專利公開趨勢?？梢钥闯觯陙砻绹㈨n國和日本在秸稈利用技術(shù)領(lǐng)域的專利公開數(shù)量相對穩(wěn)定，而中國秸稈利用專利公開量從2010年的1 087件增長至2017年的8 764件，增加了7倍多，成為全球秸稈利用專利公開數(shù)量的主要貢獻力量。

圖3 2000—2020年主要國家秸稈利用技術(shù)專利公開趨勢

2.2 重要申請人與重要專利分析

2.2.1 重要申請人分析

表1重點分析了全球秸稈利用專利數(shù)量前10位的機構(gòu)及其技術(shù)研發(fā)重點。從專利申請公開數(shù)量看，美國希樂克公司以專利申請量662件居第一位，中國科學院以658件居第二位，中國農(nóng)業(yè)科學院、美國杜邦公司分別為第三位和第四位。專利公開量排名前10位的機構(gòu)中，中國5家（專利公開量1 851件），美國4家（專利公開量1 533件），丹麥1家。希樂克公司、杜邦公司、諾維信公司在秸稈利用領(lǐng)域的專利主要集中在秸稈纖維素原料預處理與纖維素乙醇生產(chǎn)，中國科學院與中國農(nóng)業(yè)科學院在秸稈利用技術(shù)領(lǐng)域的專利覆蓋面較廣，涵蓋秸稈肥料化、飼料化和基料化利用，以及秸稈炭、秸稈纖維素乙醇生產(chǎn)。凱斯紐荷蘭與迪爾公司在秸稈領(lǐng)域的專利主要涉及作物收獲環(huán)節(jié)聯(lián)合收獲機械和打捆設(shè)備；華南理工大學和南京林業(yè)大學在秸稈領(lǐng)域的專利涉及秸稈化工產(chǎn)品制備、秸稈木塑復合材料等。

表1 秸稈利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10位申請人

表2對全球秸稈利用專利申請量排名前50位申請人類型進行了分析，結(jié)果表明，該領(lǐng)域的專利申請人類型以企業(yè)為主，20家企業(yè)專利申請量達到3 494件，占排名前50位申請人專利總量的44.73%；23個高校專利申請量為2 488件，占比31.85%；7家研究機構(gòu)專利公開量為1 869件，占比23.93%（表2）。

表2 全球秸稈利用專利排名前50位申請人類型構(gòu)成

排名前50位申請人中包含37家中國機構(gòu)和13家國外機構(gòu)。國外的13家機構(gòu)從申請人類型看，包括11家企業(yè)和2家研究機構(gòu)，其中企業(yè)專利申請量占主導地位，是技術(shù)研發(fā)的主力。排名前50位申請人中的37家中國機構(gòu)共申請專利5 194件，專利申請人以高校居多（23家），專利申請量2 448件；研究機構(gòu)5家，專利申請量1 512件；企業(yè)9家，專利申請量1 234件。由此可以看出，國內(nèi)秸稈利用技術(shù)創(chuàng)新主體以高校和研究機構(gòu)為主，與國外企業(yè)為主的研發(fā)主體形成鮮明對比。此外，國外秸稈利用技術(shù)集中在少數(shù)幾個大企業(yè)，中國在該領(lǐng)域的專利申請呈現(xiàn)小而散的特點，不利于技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

2.2.2 重要專利分析

DI分析平臺中的戰(zhàn)略重要性指標用于評估該專利對其他申請人的相對重要性。表3可以看出，戰(zhàn)略重要性排名前10位的專利主要涉及秸稈類生物質(zhì)預處理、燃料乙醇生產(chǎn)等技術(shù)方向。

秸稈的復雜結(jié)構(gòu)極大地限制了秸稈資源的開發(fā)利用。預處理技術(shù)是秸稈資源化利用尤其是能源化、工業(yè)原料化利用工藝的核心技術(shù)，也是秸稈資源利用的共性關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段如何降低秸稈預處理工藝成本和提高預處理效率仍是一個難點。表3結(jié)果顯示，國外企業(yè)更加重視秸稈預處理技術(shù)和秸稈燃料乙醇技術(shù)、秸稈飼料利用技術(shù)以及秸稈預處理設(shè)備等，對上述技術(shù)的專利布局較多，中國在秸稈燃料乙醇相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域處于跟跑地位。

表3 全球秸稈利用專利戰(zhàn)略重要性排名前10位

2.3 全球秸稈利用專利技術(shù)態(tài)勢分析

2.3.1 基于IPC分類號的技術(shù)分析

專利IPC編號規(guī)則是粗粒度的專利技術(shù)分類方法之一，能夠在一定程度上呈現(xiàn)專利技術(shù)領(lǐng)域分布情況。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，2010年以來C05G（肥料的混合物）發(fā)展最為迅速，主要為秸稈肥料化利用；其次是A01G（園藝、栽培），主要涉及秸稈還田農(nóng)藝與田間管理；發(fā)展較快的第三類技術(shù)是秸稈飼料化技術(shù)，即A23K（專門適用于動物的喂養(yǎng)飼料；其生產(chǎn)方法）；C05F（有機肥料，如用廢物或垃圾制成的肥料）也是發(fā)展較快的技術(shù)方向，主要涉及秸稈堆肥技術(shù)、秸稈基質(zhì)肥料技術(shù)等。此外，C12N（微生物或酶；繁殖、保藏或維持微生物；變異或遺傳工程；培養(yǎng)基）也取得了一定進展，主要涉及秸稈燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)、秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)等秸稈新型能源化利用技術(shù)領(lǐng)域（圖4）。

圖4 2001—2018年全球秸稈利用專利技術(shù)變化趨勢

2.3.2 主要國家秸稈利用專利地圖分析

結(jié)合專利IPC及專利地圖分析，對比中國、美國和韓國的秸稈利用專利布局，可以看出各國在秸稈利用技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)的側(cè)重點。

中國秸稈利用專利涵蓋了“五料化”利用各領(lǐng)域，但在各領(lǐng)域的專利申請分布并不均衡。其中，秸稈肥料化利用專利申請量最高，這與中國秸稈利用現(xiàn)狀是一致的；秸稈燃料化利用技術(shù)主要涉及厭氧發(fā)酵技術(shù)、生物質(zhì)燃料；秸稈基料化利用主要聚焦于食用菌基質(zhì)栽培技術(shù)和育苗培養(yǎng)基質(zhì)配置；秸稈原料化利用主要涉及秸稈制漿造紙技術(shù)、建筑材料、秸稈木塑等，但高值化利用技術(shù)專利相對較少。

美國秸稈資源利用技術(shù)領(lǐng)域的專利申請主要分布在秸稈燃料化利用和秸稈工業(yè)原料化利用，其中以秸稈纖維素降解酶的研發(fā)專利最多；其次是秸稈還田機械方面，包括秸稈收獲和打捆機械設(shè)備。

韓國秸稈利用技術(shù)主要集中在基料化、飼料化、燃料化和原料化利用方向。韓國秸稈基料化利用側(cè)重于食用菌栽培基質(zhì)的研究；飼料化利用主要偏重于豆科秸稈發(fā)酵生產(chǎn)飼料技術(shù)；此外，韓國秸稈燃料化利用重點技術(shù)同樣選擇了生物燃料乙醇技術(shù)。在秸稈原料化利用方面?zhèn)戎赜诮斩捊ㄖ牧仙a(chǎn)技術(shù)。

2.3.3 中美秸稈利用專利轉(zhuǎn)移許可對比

在中國公開的5.36萬件秸稈利用專利中，發(fā)生專利轉(zhuǎn)讓與許可的專利數(shù)量為3 224件，占比為6.02%，也就是說大量的秸稈利用專利在“沉睡”。而美國發(fā)生許可和轉(zhuǎn)讓的專利數(shù)量為1 981件（總量2 689件），占比為73.67%。相比之下，中國秸稈技術(shù)領(lǐng)域的專利基數(shù)雖大，但是轉(zhuǎn)化應用比例較低。此外，對比中美兩國的專利有效性分析，在秸稈利用技術(shù)領(lǐng)域，中國專利有效和審中的專利數(shù)量為2.09萬件，占比39.07%；美國在該技術(shù)領(lǐng)域有效和審中的專利比例達到47.00%（圖5）。中國秸稈利用專利授權(quán)率為20.49%，平均單篇專利被引證次數(shù)為1.85；美國在該領(lǐng)域的授權(quán)率和被引證次數(shù)分別為48.23%和10.47，由此可見，中國在該領(lǐng)域的專利質(zhì)量亟待提升。

圖5 中美秸稈利用專利有效性分析

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

中國在秸稈利用專利技術(shù)領(lǐng)域的專利申請雖然起步晚，但通過在秸稈綜合利用與禁燒管理等方面不斷強化政策支持，專利申請迅速增加，目前成為秸稈專利第一大國。但是中國在專利質(zhì)量、核心專利技術(shù)以及專利轉(zhuǎn)化方面仍存在一些問題。從專利質(zhì)量看中國秸稈還田、秸稈肥料化利用等直接利用的專利技術(shù)較多，高值化秸稈利用技術(shù)專利數(shù)量較少；從專利戰(zhàn)略重要性看，中國在秸稈預處理、秸稈燃料乙醇生產(chǎn)等戰(zhàn)略重要技術(shù)領(lǐng)域處于跟跑地位；從專利轉(zhuǎn)化看，中國的專利授權(quán)率和專利轉(zhuǎn)讓許可比例遠不及發(fā)達國家，科技成果轉(zhuǎn)化率低；從技術(shù)研發(fā)主體類型看，中國秸稈利用技術(shù)創(chuàng)新主體以高校和研究機構(gòu)為主，企業(yè)研發(fā)實力相對較弱。國外秸稈利用專利集中在少數(shù)幾個大型跨國企業(yè)，中國在該領(lǐng)域的專利申請人呈現(xiàn)“小而散”的特點，不利于技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

3.2 建議

（1）中國要加強企業(yè)在秸稈產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的作用。中國秸稈利用技術(shù)的專利申請活動大部分由高校和研究機構(gòu)承擔，反映出作為創(chuàng)新主體的企業(yè)創(chuàng)新能力不足，企業(yè)在提高研發(fā)水平的同時，應加強與高校及研究機構(gòu)的合作。

（2）加強核心技術(shù)研發(fā)，提升專利質(zhì)量。中國在秸稈類生物質(zhì)預處理、燃料乙醇生產(chǎn)等核心關(guān)鍵技術(shù)方向?qū)＠麛?shù)量和質(zhì)量都不高，處于跟跑地位。因此，中國在秸稈利用技術(shù)研發(fā)中應密切關(guān)注主要國家和機構(gòu)的重要專利，對相關(guān)的前沿熱點技術(shù)及核心關(guān)鍵技術(shù)進行動態(tài)監(jiān)測和跟蹤，加強與國際先進研發(fā)主體的合作，引進吸收改進后，增加自身核心或高影響力專利的數(shù)量，提高專利質(zhì)量。

（3）加快專利成果轉(zhuǎn)化與技術(shù)推廣。要充分發(fā)揮中國在秸稈炭基肥等新興肥料生產(chǎn)、秸稈土壤重金屬修復、秸稈建筑材料以及秸稈化工產(chǎn)品等領(lǐng)域的優(yōu)勢，進一步加快專利向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，促進“沉睡的專利”轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，進而開展技術(shù)應用與推廣。