基于文獻(xiàn)計量學(xué)的施肥機(jī)械領(lǐng)域研究進(jìn)展

張猛強(qiáng) 張宏 董學(xué)璋 拜海龍 姚杰 蘭海鵬

摘要：為了解施肥機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，直觀地掌握施肥機(jī)械領(lǐng)域的現(xiàn)狀和主要學(xué)術(shù)脈絡(luò)，基于Web of Science核心論文集、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫、世界知識產(chǎn)權(quán)組織Patent Scope、中國專利全文數(shù)據(jù)庫四個數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)理統(tǒng)計和知識圖譜可視化軟件，繪制施肥機(jī)械領(lǐng)域知識圖譜。結(jié)果表明：施肥機(jī)械領(lǐng)域論文發(fā)文量和專利發(fā)布量逐年上升；中美是施肥機(jī)械領(lǐng)域論文發(fā)文量和專利發(fā)布量最多的國家，且以美國農(nóng)業(yè)部和中國科學(xué)院為中心與其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行密切合作；國外施肥機(jī)械領(lǐng)域發(fā)表期刊主要為農(nóng)林科學(xué)類期刊，國內(nèi)主要為農(nóng)業(yè)機(jī)械類期刊；國內(nèi)外在施肥機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的研究方向都是以變量施肥為核心；國外研究熱點和前沿集中在以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為載體，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新型技術(shù)手段運用在施肥機(jī)械領(lǐng)域；國內(nèi)研究熱點和前沿集中在變量施肥、數(shù)值模擬；綜上，施肥機(jī)械領(lǐng)域研究大致分為萌芽期、起步期、發(fā)展期三個階段，現(xiàn)處于第三階段，未來施肥機(jī)械領(lǐng)域研究將有望向著無人值守的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：施肥機(jī)械；VOSviewer；文獻(xiàn)計量；Web of Science

中圖分類號：S224

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02009110

收稿日期：2022年7月5日 ?修回日期：2022年9月15日

基金項目：兵團(tuán)重大科技項目（2021AA005、2021AA0050302）

第一作者：張猛強(qiáng)，男，2000年生，河南駐馬店人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。Email： 1449110481@qq.com

通訊作者：蘭海鵬，男，1982年生，黑龍江巴彥人，教授，博士；研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。Email： lanhaipeng@126.com

Research progress of fertilizing machinery based on bibliometrics

Zhang Mengqiang， Zhang Hong， Dong Xuezhang， Bai Hailong， Yao Jie， Lan Haipeng

（College of Mechanical Electrification Engineering， Tarim University， Alar， 843300， China）

Abstract：

The research of fertilization machinery is related to food security and the coordinated development of agricultural production and ecological environment. This paper provides a reference for relevant researchers to systematically understand the development status of the field of fertilization machinery， and provides reference for subsequent research. In order to grasp the current situation and main academic context of the field of fertilization machinery more intuitively， this paper used mathematical statistics and knowledge graph visualization software based on four databases such as Web of Science core papers， China Academic Journal Fulltext Database， WIPO Patent Scope and China Patent FullText Database， and the knowledge map of fertilization machinery field was drawn. The results show that the number of papers published and patents issued in the field of fertilization machinery has increased year by year. China and the United States have the largest number of papers published and patents issued in the field of fertilization machinery， and the United States Department of Agriculture and the Chinese Academy of Sciences as the center of close cooperation with other institutions. Foreign periodicals in the field of fertilization machinery are mainly agricultural and forestry periodicals， while domestic periodicals are mainly agricultural machinery periodicals. The research directions in the field of fertilization machinery at home and abroad are all based on variable fertilization. Foreign research hotspots and frontiers focus on precision agriculture as a carrier， and the application of sensors， Internet of things， machine learning and other new technologies in the field of fertilization machinery. Domestic research hotspots and frontiers focus on variable fertilization and numerical simulation. In summary， the research in the field of fertilization machinery can be roughly divided into three stages （germination stage， initial stage and development stage）， and now it is in the third stage. The future research in the field of fertilization machinery is expected to develop in the direction of unattended mode.

Keywords：

fertilizing machinery； VOSviewer； bibliometrics； Web of Science

0 引言

隨著世界人口快速增長，人類對于糧食的需求不斷增加，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中施用肥料是最快、最有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要手段［1］。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計表明，施用肥料對于農(nóng)作物產(chǎn)量增加大約在55%［2］；中國化肥試驗網(wǎng)表明，施用肥料對于糧食作物的產(chǎn)量增加為40%～50%左右［3］。但是隨著施用肥料數(shù)量激增，人工施肥不能滿足現(xiàn)狀。因此，采用施肥機(jī)械代替人工施肥，解決勞動強(qiáng)度高、肥料利用率低等問題迫在眉睫。

施肥機(jī)械是一種提高施肥作業(yè)效率、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備［4］。施肥機(jī)械種類繁雜，根據(jù)農(nóng)作物施肥方式不同分為基肥、種肥、追肥施肥機(jī)械；根據(jù)肥料物理形態(tài)不同可分為固態(tài)化肥、固態(tài)廄肥、液態(tài)化肥、液態(tài)廄肥施肥機(jī)械［5］。施肥機(jī)械的研究起步較早可以追溯到20世紀(jì)。歐美等發(fā)達(dá)國家受到人均耕地面積的影響，早在20世紀(jì)開始對施肥機(jī)械進(jìn)行早期研究，出現(xiàn)畜拉式堆肥撒布機(jī)代替人工施肥［6］。到70年代歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對施肥全過程基本實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)［7］，并且開始初步研究變量施肥技術(shù)。90年代初美國首次將變量施肥技術(shù)應(yīng)用在施肥機(jī)械［8］。美國因平原農(nóng)場規(guī)模較大，且農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，所以美國長期引領(lǐng)施肥機(jī)械的發(fā)展。日本因其耕地種植面積集約化且主要種植水稻，在中小型水田施肥機(jī)械中處于領(lǐng)先地位［9］。德國、法國等歐洲發(fā)達(dá)國家同樣重視施肥機(jī)械的發(fā)展，德國近年來在ZA-M和ZA-B系列實現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥作業(yè)［10］，法國研制Axis系列結(jié)合GPS和GIS系統(tǒng)提高施肥機(jī)械作業(yè)效率［11］。整體而言，施肥機(jī)械的發(fā)展與各國技術(shù)、國情有著密切關(guān)聯(lián)。

中國對于施肥機(jī)械研究起步較晚。20世紀(jì)80年代中國開始研究施肥機(jī)械，并在90年代后期提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)并開始借鑒和學(xué)習(xí)，同時不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，但整體發(fā)展相對發(fā)達(dá)國家具有一定差距［12］。2021年中央一號文件指出，持續(xù)推進(jìn)化肥減量增效，提高施肥機(jī)械自主研發(fā)能力。因此，基于現(xiàn)實需求和國際發(fā)展趨勢，中國需要加快施肥機(jī)械研究進(jìn)程。

本研究為量化施肥機(jī)械研究進(jìn)程，運用文獻(xiàn)計量分析法，結(jié)合VOSviewer、CiteSpace等分析工具，從論文發(fā)文量、專利發(fā)布量、來源國家和科研機(jī)構(gòu)等方面分析施肥機(jī)械領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，并利用論文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和研究歷程知識圖譜分析施肥機(jī)械領(lǐng)域研究熱點和未來研究方向。以期為相關(guān)科研人員系統(tǒng)了解施肥機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀提供參考，且為后續(xù)研究提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究從碩、博論文和高引文獻(xiàn)常見表達(dá)中分別提取施肥機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)中英文檢索詞。從四個數(shù)據(jù)庫Web of Science核心集（下文簡稱“WoS”）、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫（下文簡稱“CNKI”）、世界知識產(chǎn)權(quán)組織Patent Scope（下文簡稱“WIPO”）、中國專利全文數(shù)據(jù)庫（下文簡稱“CSPD”）進(jìn)行施肥機(jī)械領(lǐng)域文獻(xiàn)檢索，檢索時間2001年1月1日至2020年12月31日。檢索式如下：

施肥機(jī)械領(lǐng)域英文檢索以WoS為例，檢索式為“TS=（fertilize* OR manure*） AND TS=（spreader* OR applicator* OR machine* OR distributor* OR spraying* OR apparatus* OR equip*）”；中文檢索以CNKI為例，檢索式為“SU=（‘施肥機(jī)+‘撒肥機(jī)+‘深施機(jī)+‘追肥機(jī)+‘水肥一體機(jī)+‘撒施機(jī)+‘撒布機(jī)）”。由于英文單詞“fertilizer”不僅具有施肥的含義，同時可表達(dá)為受精，中文關(guān)鍵詞“撒布機(jī)”不僅局限于施肥撒布機(jī)，還存在石灰、除雪和石料等撒布機(jī)，因此經(jīng)人工篩選對所得文獻(xiàn)進(jìn)行剔除不相關(guān)文獻(xiàn)和重復(fù)文獻(xiàn)，最終篩選出WoS數(shù)據(jù)庫2112篇文獻(xiàn)；CNKI數(shù)據(jù)庫993篇文獻(xiàn)；WIPO數(shù)據(jù)庫8043條記錄；CSPD數(shù)據(jù)庫4963條記錄。

1.2 研究方法

文獻(xiàn)計量分析法是一種對大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行某一單元定量研究的科學(xué)方法［13］。這種方法首次由情報科學(xué)家Pritchard提出［14］，主要對文獻(xiàn)機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等單元進(jìn)行可視化以及特征規(guī)律研究。知識圖譜分析稱為可視化分析同時是文獻(xiàn)計量分析法的重要研究方法之一［15］。對于如何構(gòu)建完整的知識圖譜包含以下步驟：檢索式構(gòu)建、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)預(yù)處理、提取分析數(shù)據(jù)單元、構(gòu)建關(guān)系矩陣網(wǎng)絡(luò)、圖譜參數(shù)調(diào)整、分析與闡述結(jié)果。

荷蘭萊頓大學(xué)研究人員開發(fā)出基于文獻(xiàn)計量分析法的可視化分析軟件［16］。VOSviewer軟件擅長構(gòu)建共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行知識圖譜可視化。在構(gòu)建知識圖譜時使用關(guān)聯(lián)強(qiáng)度進(jìn)行相似性計算，項目i和項目j的相似性Sij的計算公式如式（1）所示。

Sij=CijWiWj

（1）

式中：

Cij——

項目i和項目j的共現(xiàn)次數(shù)；

Wi——

項目i出現(xiàn)次數(shù)；

Wj——

項目j出現(xiàn)次數(shù)。

經(jīng)過歸一化、映射及聚類的數(shù)學(xué)處理，在圖譜上兩個項目則兩個項目距離越近表現(xiàn)出兩個項目相似性越高，關(guān)聯(lián)強(qiáng)度越強(qiáng)。其中項目可為關(guān)鍵詞、機(jī)構(gòu)等。

首先利用Excel軟件對論文和專利進(jìn)行文獻(xiàn)數(shù)量和文獻(xiàn)來源國家統(tǒng)計，概述其發(fā)展現(xiàn)狀；然后采用VOSviewer、CiteSpace文獻(xiàn)計量分析軟件作為分析工具，提取論文機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等單元進(jìn)行可視化分析，最后對圖譜進(jìn)行分析與闡述，揭示施肥機(jī)械領(lǐng)域研究的特征和規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)數(shù)量逐年變化趨勢分析

文獻(xiàn)數(shù)量逐年變化是該研究領(lǐng)域是否成為熱點的重要體現(xiàn)，在一定程度上能夠反映研究歷程的變化規(guī)律［17］。施肥機(jī)械領(lǐng)域文獻(xiàn)數(shù)量分布比例如圖1所示。2001—2020年間施肥機(jī)械領(lǐng)域研究總體呈上升趨勢。基于CNKI和CSPD統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001—2007年間論文發(fā)文量僅占總量9.77%，專利發(fā)布量僅占3.99%，增勢較為緩慢。2008—2012年間論文發(fā)文量曲線斜率為0.30，專利為2.01，增勢基本保持不變。2013—2020年間施肥機(jī)械領(lǐng)域研究開始快速積累，論文和專利分別在2019年和2018年達(dá)到頂峰，且總量占比高達(dá)11.08%、15.31%。文獻(xiàn)具體數(shù)量的年分布情況見圖2。

如圖2所示，2001—2020年間施肥機(jī)械領(lǐng)域研究論文累計發(fā)文量達(dá)到3000余篇，專利累計發(fā)布量達(dá)到13000余件。論文發(fā)文量從2001年42篇到2020年發(fā)文量216篇，并在2020年達(dá)到單年最高216篇。國內(nèi)論文發(fā)文量從2001年6篇到2020年91篇，并在2019年達(dá)到單年最高110篇，但在2020年論文發(fā)文量有所下降。專利發(fā)布量從2001年243件到2020年的753件，并在2020年達(dá)到單年最高753件。國內(nèi)專利發(fā)布量從2001年18件到2020年748件，并在2018年達(dá)到單年最高760件。

總體而言，施肥機(jī)械領(lǐng)域研究趨勢向好。國內(nèi)論文年發(fā)文量與專利年發(fā)布量逐年增長，其中專利在數(shù)量統(tǒng)計中呈現(xiàn)出“S”型，2008年以前是緩慢增長，2008—2012年間年平均增長量增大，2012年以后專利數(shù)量開始爆發(fā)式增長，處于“S”型的填充效應(yīng)?？梢悦黠@地看出國內(nèi)對于實際應(yīng)用更加注重。

2.2 文獻(xiàn)來源國家和機(jī)構(gòu)分析

通過對文獻(xiàn)來源國家和機(jī)構(gòu)的分析能夠體現(xiàn)一個國家在該領(lǐng)域研究的綜合實力以及它們之間的合作網(wǎng)絡(luò)［18］。根據(jù)WoS、WIPO和CSPD對施肥機(jī)械領(lǐng)域文獻(xiàn)來源國家的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計論文發(fā)文量和專利發(fā)布量TOP10，如表1所示。發(fā)文量前三的國家分別為美國、中國和巴西，發(fā)文量分別為321篇、298篇和121篇，占總發(fā)文量的35.04%。中國和美國專利發(fā)布量較大，分別是4963件和4797件，占總發(fā)布量的75.04%，其次是世界專利組織1400件。

根據(jù)WoS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計施肥機(jī)械領(lǐng)域中發(fā)文量前8的機(jī)構(gòu)，如表2所示。美國農(nóng)業(yè)部以81篇論文（3.84%）高居榜首，其次是中國科學(xué)院以50篇論文（2.37%）位居第二，且在發(fā)文量前8的機(jī)構(gòu)中有6個來自中美兩國，加拿大農(nóng)業(yè)食品部以36篇論文（1.70%）位居第三。可以明顯看出中美兩國是施肥機(jī)械領(lǐng)域研究主要國家。

為進(jìn)一步了解各機(jī)構(gòu)間的研究合作聯(lián)系，圖3給出了施肥機(jī)械領(lǐng)域論文發(fā)文機(jī)構(gòu)頻次大于等于20的機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系網(wǎng)。將機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)分為三個部分：（1）以美國農(nóng)業(yè)部為中心的合作網(wǎng)，美國當(dāng)?shù)卦盒Ｅc中國、歐洲等地區(qū)都有聯(lián)系，且發(fā)文量和國際影響力大；（2）以中國科學(xué)院為中心的機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等中國院校相互聯(lián)系，且與美國院校合作較多，其次是其他國家院校進(jìn)行合作，發(fā)文量和國際影響力較大；（3）以加拿大農(nóng)業(yè)食品部為中心的機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)，與其他兩個機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)相比，院校之間的聯(lián)系較少且發(fā)文量和國際影響力略低。

2.3 發(fā)表刊物類型分析

通過對發(fā)表刊物類型進(jìn)行統(tǒng)計分析，能夠了解該領(lǐng)域研究的主要方向［18］。根據(jù)WoS、CNKI數(shù)據(jù)庫對期刊文獻(xiàn)來源進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。WoS發(fā)文量前五的期刊分別是《Applied Engineering in Agriculture》《Computers and Electronics in Agriculture》《Agronomy Journal》《Biosystems Engineering》《Journal of Environmental Quality》，主要為農(nóng)林科學(xué)類期刊，其中又可以分為農(nóng)業(yè)工程、工程技術(shù)—計算機(jī)、農(nóng)藝學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。CNKI發(fā)文量前五的期刊分別是《農(nóng)業(yè)機(jī)械》《農(nóng)機(jī)化研究》《當(dāng)代農(nóng)機(jī)》《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報》《農(nóng)機(jī)科技推廣》，主要為農(nóng)業(yè)機(jī)械類，其中《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報》是國內(nèi)農(nóng)業(yè)類頂尖期刊。但是與WoS數(shù)據(jù)庫期刊相比，國內(nèi)整體期刊質(zhì)量低于國外期刊質(zhì)量。

2.4 被引論文分析

科研文獻(xiàn)被他人認(rèn)可的程度通常用被引頻次來表示，被引頻次也是衡量該領(lǐng)域重點研究方向的重要指標(biāo)［19］。對WoS、CNKI數(shù)據(jù)庫內(nèi)施肥機(jī)械領(lǐng)域論文進(jìn)行統(tǒng)計，被引頻次TOP5的文獻(xiàn)如表4所示。

其中，WoS數(shù)據(jù)庫被引頻次最多為137次，其次為71次、48次和45次。論文1、論文2和論文3研究方向一致為變量施肥。論文1為綜述論文，分析無人機(jī)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，利用無人機(jī)進(jìn)行施肥作業(yè)。論文2是Zaman等［20］根據(jù)不同樹冠大小與水果產(chǎn)量不同，利用超聲波傳感器掃描生成不同施肥處方圖，實現(xiàn)變量施肥的目的。論文3是Maleki等［21］因為田間土壤磷的固有空間變異性較大，使用可見光和近紅外土壤傳感器進(jìn)行土壤磷含量的測量并開發(fā)成為模型，利用自制程序來記錄土壤光譜和預(yù)測土壤磷含量，在施肥機(jī)械移動期間計算磷酸鹽含量，并向施肥機(jī)械提供信號調(diào)整施肥量。論文4和5研究方向為施肥機(jī)械性能檢測，分別利用圖像處理技術(shù)和數(shù)值模擬仿真技術(shù)測試施肥機(jī)械性能，提出一種新的測試方法。

在CNKI數(shù)據(jù)庫內(nèi)施肥機(jī)械領(lǐng)域論文被引頻次分別為195次、151次、118次、111次和93次。論文6、論文7、論文9和論文10研究方向一致，為變量施肥機(jī)械的研制以及控制系統(tǒng)的開發(fā)。論文8為綜述論文，在一定程度上對我國施肥機(jī)械研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述與分析。其中論文2是馬旭等［22］自制一種能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥的系統(tǒng)，將GPS（全球定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和DDS（信號發(fā)生器）相結(jié)合，利用預(yù)先存儲數(shù)據(jù)的IC卡進(jìn)行施肥決策，實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)意義上的變量施肥。論文9是張書慧等［2324］在前期研制的基礎(chǔ)上，利用傳感器進(jìn)行施肥機(jī)械前進(jìn)速度監(jiān)測和讀取預(yù)先將施肥量數(shù)據(jù)寫入的IC卡，對排肥軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到實時自動變量施肥的目的。可以看出國內(nèi)外在施肥機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的研究方向都是以變量施肥為核心，其次，國內(nèi)普遍基礎(chǔ)性較強(qiáng)。

3 施肥機(jī)械相關(guān)領(lǐng)域研究熱點分析

3.1 高頻關(guān)鍵詞圖譜制作

根據(jù)WoS、CNKI數(shù)據(jù)庫對其中高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，利用VOSviewer文獻(xiàn)計量可視化軟件對高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行圖譜繪制。VOSviewer根據(jù)關(guān)鍵詞連接緊密強(qiáng)度進(jìn)行聚類，同一類別關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率越高，代表研究同一領(lǐng)域越相近［25］。首先對施肥機(jī)械領(lǐng)域研究文獻(xiàn)統(tǒng)計關(guān)鍵詞頻次，確定最高關(guān)鍵詞頻詞，其中CNKI數(shù)據(jù)庫中施肥機(jī)最高關(guān)鍵詞頻次為238次，WoS數(shù)據(jù)庫中Fertilizer為最高關(guān)鍵詞頻次為84次，如表5所示，其次確定VOSviewer文獻(xiàn)計量可視化軟件關(guān)鍵詞閾值，根據(jù)普賴斯定律發(fā)文量的閾值m≈0.749Nmax（Nmax為最大發(fā)文量）確定高頻關(guān)鍵詞閾值［26］。CNKI和WoS數(shù)據(jù)庫閾值分別為11.56、6.86，在CNKI數(shù)據(jù)庫中選取頻次大于12的高頻關(guān)鍵詞；在WoS數(shù)據(jù)庫中選取頻次大于7的高頻關(guān)鍵詞。結(jié)果如圖4和圖5所示。

3.2 研究熱點及關(guān)鍵詞分析

研究熱點是該領(lǐng)域?qū)W者主要關(guān)注的問題，也是該領(lǐng)域研究的主要趨勢。而關(guān)鍵詞是文章主要內(nèi)容的概括，也是文章主要內(nèi)容的體現(xiàn)，能夠在一定程度上反映該領(lǐng)域的研究熱點［18］。

3.2.1 國內(nèi)施肥機(jī)械領(lǐng)域研究熱點及關(guān)鍵詞分析

中文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中施肥機(jī)、免耕施肥播種機(jī)、變量施肥、設(shè)計、開溝器、整機(jī)質(zhì)量等高頻關(guān)鍵詞，表明國內(nèi)施肥機(jī)械領(lǐng)域向著施肥機(jī)械聯(lián)合機(jī)組［27］、保護(hù)性耕作［28］、農(nóng)藝要求［29］、配套動力［30］、變量施肥控制系統(tǒng)［31］、數(shù)值模擬仿真［32］的方向發(fā)展，從最近幾年相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表來看，其中變量施肥、數(shù)值模擬仿真是研究熱點。

3.2.2 國外施肥機(jī)械領(lǐng)域研究熱點及關(guān)鍵詞分析

英文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中化肥（Fertilizer）、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）、糞肥（Manure）、產(chǎn)量（Yield）、氮（Nitrogen）等高頻關(guān)鍵詞，大多數(shù)文獻(xiàn)是將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為載體，將傳感器［33］、物聯(lián)網(wǎng)［34］、機(jī)器學(xué)習(xí)［35］等新型技術(shù)手段運用在施肥機(jī)械領(lǐng)域。

3.3 研究歷程圖譜繪制

關(guān)鍵詞研究歷程可以體現(xiàn)歷年來關(guān)鍵詞的演變和熱點更替。使用CiteSpace軟件對CNKI、WoS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，基于時間軸得到關(guān)鍵詞時間線圖6和圖7。

第一階段萌芽期：2001—2007年間隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出和環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，變量施肥機(jī)械進(jìn)入快速發(fā)展時期，2001年Yang等［36］提出一種能夠同時改變兩種液體肥料施肥速率的排肥器，并說明了其靜態(tài)和動態(tài)性能以及現(xiàn)場施用精度。結(jié)果表明，排肥器具有非常好的動態(tài)響應(yīng)和較高的施用精度。其測試結(jié)果對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量施肥機(jī)械的開發(fā)和測試具有實用性。2004年王秀等［29］提出一種根據(jù)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與預(yù)先設(shè)計的處方圖進(jìn)行變量施肥，且該施肥機(jī)械可與國產(chǎn)拖拉機(jī)進(jìn)行配套使用。變量施肥技術(shù)以及變量施肥機(jī)械的設(shè)計與研究，時至今日，依然是施肥機(jī)械的重要主題。

第二階段起步期：2008年前后國內(nèi)外利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)不斷研發(fā)和優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。20世紀(jì)70年代Cundall等首次提出離散元法并在之后得到快速發(fā)展［37］。2009年Van等［38］首次嘗試用離散元法（DEM）模擬肥料顆粒流在離心式撒肥機(jī)的運動，采用兩種不同的試驗驗證仿真的有效性。結(jié)果表明：模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好一致性。2013年李鵬等［39］提出一種擺管式撒肥機(jī)，使用EDEM仿真軟件對顆粒肥料在擺管式撒肥機(jī)運動過程進(jìn)行模擬，并進(jìn)行臺架試驗。結(jié)果表明：仿真結(jié)果與臺架試驗撒肥的分布情況有較好的相似性。計算機(jī)數(shù)值模擬仿真能夠減少農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)時間和簡化樣機(jī)制作流程，提高設(shè)計效率及質(zhì)量，以期降低研發(fā)成本。在動態(tài)模擬仿真過程中，能夠為設(shè)計提供關(guān)鍵信息，揭示農(nóng)業(yè)機(jī)械運動機(jī)理，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計提供新思路［40］。

第三階段發(fā)展期：2013年伊始，隨著農(nóng)業(yè)4.0的提出，近年來機(jī)器學(xué)習(xí)、高質(zhì)量傳感器、ZigBee等高新技術(shù)不斷應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械中，施肥機(jī)械向著現(xiàn)代化、智能化發(fā)展。Vadivel等［41］介紹一個監(jiān)測系統(tǒng)——Hypaponics，它使用傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法基于數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，以減少化肥施用增加農(nóng)民收入。Xue等［42］介紹一種基于ZigBee技術(shù)的深度施肥可變液肥施肥機(jī)。采用帶遠(yuǎn)程控制軟件的上位機(jī)單片機(jī)相結(jié)合，對液肥流量進(jìn)行測量和控制，通過流量計監(jiān)測液肥液位，收集液肥流量信息，采用增量式PID控制算法動態(tài)調(diào)節(jié)變頻器頻率，使液肥流量準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定值。結(jié)果表明，該施肥機(jī)精度可達(dá)99.52%。因此，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械相比，隨著不同類型的高質(zhì)量傳感器的發(fā)展，已經(jīng)徹底改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域打開了一扇新的大門。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文通過檢索Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫（WoS）、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫（CNKI）、世界知識產(chǎn)權(quán)組織Patent Scope（WIPO）、中國專利全文數(shù)據(jù)庫（CSPD）共4個數(shù)據(jù)庫中關(guān)于施肥機(jī)械領(lǐng)域研究的期刊論文和發(fā)明專利。通過文獻(xiàn)計量概述了近20年研究信息的數(shù)量分布和質(zhì)量來源情況，借助知識圖譜梳理研究脈絡(luò)、內(nèi)容進(jìn)展和研究前沿，分析了施肥機(jī)械領(lǐng)域研究在我國及國際上的研究動態(tài)，得到如下結(jié)論。

1） 施肥機(jī)械領(lǐng)域論文發(fā)文量和專利發(fā)布量逐年上升，論文發(fā)文量由2001年42篇增至2020年216篇，專利發(fā)布量由2001年243件增至2020年753件，且國內(nèi)對于實際應(yīng)用更加注重。

2） 施肥機(jī)械領(lǐng)域研究中美兩國論文發(fā)文量分別為298篇、321篇；專利發(fā)布量分別為4963件、4797件；美國農(nóng)業(yè)部和中國科學(xué)院是發(fā)文量做多的機(jī)構(gòu)，分別為81篇、50篇；中美兩國是施肥機(jī)械領(lǐng)域研究內(nèi)的主力國，以美國農(nóng)業(yè)部、中國科學(xué)院為中心與其他國家進(jìn)行合作研究。

3） 施肥機(jī)械國際領(lǐng)域內(nèi)的熱門期刊為《Applied Engineering in Agriculture》《Computers and Electronics in Agriculture》和《Agronomy Journal》等，發(fā)文量分別為71篇、42篇、30篇等，主要為農(nóng)林科學(xué)類期刊；國內(nèi)熱門期刊為《農(nóng)業(yè)機(jī)械》《農(nóng)機(jī)化研究》和《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報》等，發(fā)文量分別為178篇、173篇、74篇等，主要為農(nóng)業(yè)機(jī)械類期刊。

4） 國內(nèi)外在施肥機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)的研究方向都是以變量施肥為核心，其次，國內(nèi)普遍基礎(chǔ)性較強(qiáng)。

5） 國外研究熱點和前沿集中在以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為載體，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等新型技術(shù)手段運用在施肥機(jī)械領(lǐng)域；國內(nèi)研究熱點和前沿集中在變量施肥、數(shù)值模擬仿真的應(yīng)用。

6） 施肥機(jī)械領(lǐng)域研究大致分為三個階段，萌芽期：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出，變量施肥機(jī)械進(jìn)入快速發(fā)展時期；起步期：數(shù)值模擬仿真技術(shù)的提出，興起研發(fā)和優(yōu)化施肥機(jī)械熱潮；發(fā)展期：農(nóng)業(yè)4.0的提出，施肥機(jī)械向著現(xiàn)代化、智能化發(fā)展。

4.2 展望

近20年來，施肥機(jī)械領(lǐng)域研究依舊處于上升趨勢，與國外研究相比，國內(nèi)更注重施肥機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。因此，國內(nèi)應(yīng)該加強(qiáng)施肥機(jī)械領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究，提高自主研發(fā)能力；積極探索農(nóng)機(jī)農(nóng)藝農(nóng)信相融合，推動交叉學(xué)科研究發(fā)展；加大施肥機(jī)械科研力度，加強(qiáng)國際合作，提高研究成果影響力，擴(kuò)大施肥機(jī)械研究領(lǐng)域。隨著農(nóng)業(yè)4.0的提出，智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的浪潮推動了施肥機(jī)械領(lǐng)域與新興科技（如GPS、機(jī)器學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等）的高速融合。未來，借助人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，施肥機(jī)械領(lǐng)域有望向著無人值守的方向發(fā)展。

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