论文部分内容阅读
摘要 生物脱氮是一种经典的水处理技术，目前已在水产养殖废水处理中广泛应用。以Web of Science和CNKI为数据源，聚焦研究热点和前沿，利用CiteSpace软件对近30年水产养殖生物脱氮领域的研究现状进行知识图谱分析，解析了国内外研究的特点和规律，预测了发展趋势。多视角对比分析结果表明，水产养殖生物脱氮研究领域发展的多样性和深广度在不断增加，好氧反硝化技术脱氮效果好、适用范围广，已成为新的发展方向，具有潜在的应用前景。
关键词 生物脱氮;CiteSpace;可视化分析;知识图谱
中图分类号 X-703.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）13-0236-05
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.060
开放科学（资源服务）标识码（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
水產养殖中，氮素含量过高会引发水质问题，造成水产动物病害加剧乃至死亡。目前循环水养殖净水系统多为硝化装置，仅能将氨氮和亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，氮素仍然存在水体中。虽然硝酸盐氮也会对水生动物造成不利的影响，但因传统反硝化多为厌氧（缺氧）环境，因此限制了反硝化反应器在水产养殖中的应用，好氧反硝化的出现可以解决此类问题。部分好氧反硝化菌株可以将氮素转化为气态氮，从水环境中彻底脱除，但产物中氧化亚氮比重过大也易引发温室效应，限制其应用。当前影响生物脱氮效果的主要有2个方面，一是菌株，二是反应器。因此，筛选高效脱氮的好氧反硝化菌株，并构建适宜生物反应器对养殖系统进行脱氮具有现实意义。
目前，生物脱氮是最经济有效的处理手段，其研究的热点主要集中在厌氧氨氧化[1-2]、短程硝化反硝化[3]及一步式硝化[4-5]。养殖废水处理不当会引发环境污染，而且会浪费水资源。因此掌握水产养殖领域生物脱氮现状及加强对养殖水体污染控制具有重大的意义。
CiteSpace（Citation Space）是基于Java开发的一款信息可视化工具，其算法是基于共引分析理论（co-ciation）和寻径网络算法（pathFinder）原理对既定领域文献进行计量[6]，以探究该研究领域文献演化的关键路径与知识拐点，将其通过可视化图谱进行呈现，目前在图书、情报领域及其他相关专业技术领域应用广泛[7-9]。
基于以上背景和工具，笔者依据关键词，对养殖水体生物脱氮领域的主要研究文献进行分析，整理文献分析报告，以掌握该领域国内外研究趋势及发展状况，为该领域污染控制提供参考。
1 材料与方法
基于“SCI-EXPANDED”“SSCI”“CPCI”和“CPCI-SSH”为数据源，以主题词“SU=（‘生物脱氮’+‘好氧反硝化’+‘脱氮副球菌’+‘生物强化’+‘群落结构分析’+‘移动床生物膜反应器’）*（‘养殖’+‘水’）”为检索式，在WOS数据库中，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 语种：（English）AND 文献类型：（Article）”为检索式，时间跨度为1990年1月1日—2020年2月20 日，共检索到WOS数据库有效文献412篇，CNKI数据库有效文献205篇，将文献进行预处理将数据标准化，选取高频关键词阈值，构建共词矩阵。将矩阵导入到Ucinet中，生成关键词共现网络，在CiteSpace中构建关键词知识图谱，进行聚类分析，刻画水产养殖生物脱氮领域的研究主题。通过不同视角的深入参照对比把握了中外水产养殖生物脱氮研究的特点和规律，为该领域后续研究提供借鉴。 2 结果与分析
2.1 文献年度发文量演变情况
通过绘制发文量年度分布折线图（图1），贯穿1990—2020年水产养殖生物脱氮领域的发展史，国外发文量整体呈现平稳上升状态，主要经历了2个阶段。第1阶段为1990—2004年，发文曲线平缓，每年发文量都不足10篇，表示领域研究刚刚起步，还未有过多关注;第2阶段为2005—2020年，发文量总体飞速上升，于2019年内达到峰值59篇，2020年发文量虽有下降，但这可能是由文献发表时间的滞后性导致，该阶段为国外该领域的成长阶段。国内该领域研究基数较低，发文量略有起伏，但近年也呈现整体上升趋势。整体来说，国内外水产养殖生物脱氮领域发文量不高、结构还不稳定、发文能力不持续，具有涌现新一轮热点的潜质。
2.2 关键词分析
关键词是在题名或者在文章中能够表达研究中心思想且有实质意义的词汇。经过整理，共得到45个高频关键词，频次总和为333，占所有关键词频次总和的33.74%;同理，国外研究共筛选出42个高频关键词，频次总和为441，占所有关键词频次总和的22.32%。国内外水产养殖生物脱氮研究的高频关键词所占比例较高，反映出选取的高频关键词具有代表性。
进一步构建高频关键词共现矩阵，以此共现矩阵为邻接矩阵，导入Ucinet 6.0中构造国内外高频关键词共现网络（图2、3），网络中节点的大小与点度中心性成正比，连接与共现频次成正比。国内共词网络包括45个关键词节点，162对关系，网络密度为0.18[10-11]，国外共词网络由42个关键词节点间的148对关系构成，网络密度为0.17。国内外共词网络的拓扑结构较为松散，但是国内以废水处理为桥接，呈现清晰的两级社团结构。
2.3 基于关键词的前沿热点探测
为探究水产养殖生物脱氮领域研究热点，进一步通过关键词分析来探究水产养殖生物脱氮领域的研究主题和动态变化。在CiteSpace中导入正确处理后的CNKI文献集合，时间分区“Year Per Slice”为1年;节点类型选择“Keyword”;词源选择“Author Keyword（DE）”;阈值设定g指数法，k为10;网络剪枝算法选择“Pathfinder”，修剪分片及整体网络。国外研究的WOS文献集合阈值数值设为15，其他选项设定和上述一致。
利用CiteSpace的“Cluster View”（聚类视图）对国内关键词知识图谱进行聚类分析，再次运行后，得到了基于关键词所呈现的水产养殖生物脱氮研究聚类知识图谱（图4、5），其中国内关键词图谱225个节点，207条连接，国外关键词图谱159个节点，161条连接。
氮素污染源的持续增加加剧了养殖环境恶化，影响水产养殖的产出效益，甚至威胁人类健康，探寻高效环保的创新技术来加强废水治理迫在眉睫。因此，“环境污染控制”“生物脱氮”“固定化技术”“分段进水”这类关键词频繁位于网络中心位置。另一方面，污水组成成分、污染物含量迥然不同，因地制宜地应用脱氮技术是发展方向，而生物脱氮因成本低、不产生二次污染等优点被广泛应用，因此在国内外水产养殖行业聚类图谱中居于中心位置。
2.4 基于关键词的突现词分析
为进一步厘清国内外研究热点的差异，进行了图6和7所示的突现词分析。CiteSpace提供突发性检测技术，能够将不同年代频次激增的词（突现词，burst terms）从文献集中抽取出来，用以侧写领域前沿主题。基于CiteSpace的“Burstness”功能，得到国内外水产养殖生物脱氮领域的突现词（图6、7）。
以关键词出现年份先后排序，强度（Strength）越高，表明其突现程度越大。红色色块的位置和长度代表关键词的突现区间。可以看出，国内水产养殖生物脱氮领域研究基础比较薄弱，因此只有4个突现词，突现期都是在2005年后，国外研究中11个突现词区间有10个都分布在2005年以后，表明1990—2020年间水产养殖生物脱氮领域热点主题爆发明显，各种新颖前沿热点并存共进，与发文量分析结果吻合。国内突现强度最大的关键词是分段进水（4.043 7），持续时间是2006—2009年，移动床生物膜反应器为最新突现词，持续时间是2010—2013年;国外突现强度最大的关键词是microbial community（6.560 4），持续时间是2018—2020年，反映出生物群落属于国外倾向型研究。对比国内热点，国外热点主题的更迭较快，出现了gene、recirculating aquaculture system等新兴概念，研究层面向生物信息转化，研究主题向细菌群落过渡。
结合聚类分析和突现词列表，发现在国内外，水产养殖生物脱氮的研究内容繁多，研究热点之间的联系不甚紧密，呈多维度发展态势，表明在该领域研究的出发点多样化，还未形成固化的模式。国内外部分主题热点具有一定的交集，包括生物脱氮、A/O、好氧反硝化、生物群落微环境等，这反映出国内研究具有一定相似性，也表明了上述主题关注度高。
3 小结
综上分析，1990—2020年间水产养殖生物脱氮领域呈现多样性发展的趋势，主要表现在研究数量和规模的逐步扩大，研究向更深广度和更高维度发展。在生物脱氮技术的大命题下，好氧反硝化打破了反硝化只在厌氧条件下才能进行的传统观念，表明好氧反硝化细菌为水产养殖脱氮工艺提供了新的道路。
參考文献
[1] LI J，FENG 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，黄柳欣，等.基于CiteSpace的湿地生物多样性领域研究的可视化分析[J].农业图书情报学刊，2018，30（12）：52-60.
[7] 冀宪武，樊晓璐，李武佳，等.2007—2019年中国党参研究文献计量分析[J].图书情报导刊，2020，5（6）：60-65.
[8] 郑泽宇，陈德敏.CSSCI（2009—2019）环境法学研究的知识图谱：基于Citespace的文献计量分析[J].干旱区资源与环境，2020，34（6）：62-72.
[9] 肖畅，彭婷，刘继红.基于WOS和CiteSpace分析我国近10年柑橘研究热点与前沿[J].果树学报，2020，37（10）：1573-1583.
[10] 丰洪微，范哲超.金属增材制造技术研究热点分析[J].世界有色金属，2019（23）：172-173.
[11] 丰洪微，范哲超.激光选区熔化技术研究热点可视化分析[J].中国金属通报，2019（11）：202-203，205.
关键词 生物脱氮;CiteSpace;可视化分析;知识图谱
中图分类号 X-703.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）13-0236-05
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.060
开放科学（资源服务）标识码（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
水產养殖中，氮素含量过高会引发水质问题，造成水产动物病害加剧乃至死亡。目前循环水养殖净水系统多为硝化装置，仅能将氨氮和亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮，氮素仍然存在水体中。虽然硝酸盐氮也会对水生动物造成不利的影响，但因传统反硝化多为厌氧（缺氧）环境，因此限制了反硝化反应器在水产养殖中的应用，好氧反硝化的出现可以解决此类问题。部分好氧反硝化菌株可以将氮素转化为气态氮，从水环境中彻底脱除，但产物中氧化亚氮比重过大也易引发温室效应，限制其应用。当前影响生物脱氮效果的主要有2个方面，一是菌株，二是反应器。因此，筛选高效脱氮的好氧反硝化菌株，并构建适宜生物反应器对养殖系统进行脱氮具有现实意义。
目前，生物脱氮是最经济有效的处理手段，其研究的热点主要集中在厌氧氨氧化[1-2]、短程硝化反硝化[3]及一步式硝化[4-5]。养殖废水处理不当会引发环境污染，而且会浪费水资源。因此掌握水产养殖领域生物脱氮现状及加强对养殖水体污染控制具有重大的意义。
CiteSpace（Citation Space）是基于Java开发的一款信息可视化工具，其算法是基于共引分析理论（co-ciation）和寻径网络算法（pathFinder）原理对既定领域文献进行计量[6]，以探究该研究领域文献演化的关键路径与知识拐点，将其通过可视化图谱进行呈现，目前在图书、情报领域及其他相关专业技术领域应用广泛[7-9]。
基于以上背景和工具，笔者依据关键词，对养殖水体生物脱氮领域的主要研究文献进行分析，整理文献分析报告，以掌握该领域国内外研究趋势及发展状况，为该领域污染控制提供参考。
1 材料与方法
基于“SCI-EXPANDED”“SSCI”“CPCI”和“CPCI-SSH”为数据源，以主题词“SU=（‘生物脱氮’+‘好氧反硝化’+‘脱氮副球菌’+‘生物强化’+‘群落结构分析’+‘移动床生物膜反应器’）*（‘养殖’+‘水’）”为检索式，在WOS数据库中，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 语种：（English）AND 文献类型：（Article）”为检索式，时间跨度为1990年1月1日—2020年2月20 日，共检索到WOS数据库有效文献412篇，CNKI数据库有效文献205篇，将文献进行预处理将数据标准化，选取高频关键词阈值，构建共词矩阵。将矩阵导入到Ucinet中，生成关键词共现网络，在CiteSpace中构建关键词知识图谱，进行聚类分析，刻画水产养殖生物脱氮领域的研究主题。通过不同视角的深入参照对比把握了中外水产养殖生物脱氮研究的特点和规律，为该领域后续研究提供借鉴。 2 结果与分析
2.1 文献年度发文量演变情况
通过绘制发文量年度分布折线图（图1），贯穿1990—2020年水产养殖生物脱氮领域的发展史，国外发文量整体呈现平稳上升状态，主要经历了2个阶段。第1阶段为1990—2004年，发文曲线平缓，每年发文量都不足10篇，表示领域研究刚刚起步，还未有过多关注;第2阶段为2005—2020年，发文量总体飞速上升，于2019年内达到峰值59篇，2020年发文量虽有下降，但这可能是由文献发表时间的滞后性导致，该阶段为国外该领域的成长阶段。国内该领域研究基数较低，发文量略有起伏，但近年也呈现整体上升趋势。整体来说，国内外水产养殖生物脱氮领域发文量不高、结构还不稳定、发文能力不持续，具有涌现新一轮热点的潜质。
2.2 关键词分析
关键词是在题名或者在文章中能够表达研究中心思想且有实质意义的词汇。经过整理，共得到45个高频关键词，频次总和为333，占所有关键词频次总和的33.74%;同理，国外研究共筛选出42个高频关键词，频次总和为441，占所有关键词频次总和的22.32%。国内外水产养殖生物脱氮研究的高频关键词所占比例较高，反映出选取的高频关键词具有代表性。
进一步构建高频关键词共现矩阵，以此共现矩阵为邻接矩阵，导入Ucinet 6.0中构造国内外高频关键词共现网络（图2、3），网络中节点的大小与点度中心性成正比，连接与共现频次成正比。国内共词网络包括45个关键词节点，162对关系，网络密度为0.18[10-11]，国外共词网络由42个关键词节点间的148对关系构成，网络密度为0.17。国内外共词网络的拓扑结构较为松散，但是国内以废水处理为桥接，呈现清晰的两级社团结构。
2.3 基于关键词的前沿热点探测
为探究水产养殖生物脱氮领域研究热点，进一步通过关键词分析来探究水产养殖生物脱氮领域的研究主题和动态变化。在CiteSpace中导入正确处理后的CNKI文献集合，时间分区“Year Per Slice”为1年;节点类型选择“Keyword”;词源选择“Author Keyword（DE）”;阈值设定g指数法，k为10;网络剪枝算法选择“Pathfinder”，修剪分片及整体网络。国外研究的WOS文献集合阈值数值设为15，其他选项设定和上述一致。
利用CiteSpace的“Cluster View”（聚类视图）对国内关键词知识图谱进行聚类分析，再次运行后，得到了基于关键词所呈现的水产养殖生物脱氮研究聚类知识图谱（图4、5），其中国内关键词图谱225个节点，207条连接，国外关键词图谱159个节点，161条连接。
氮素污染源的持续增加加剧了养殖环境恶化，影响水产养殖的产出效益，甚至威胁人类健康，探寻高效环保的创新技术来加强废水治理迫在眉睫。因此，“环境污染控制”“生物脱氮”“固定化技术”“分段进水”这类关键词频繁位于网络中心位置。另一方面，污水组成成分、污染物含量迥然不同，因地制宜地应用脱氮技术是发展方向，而生物脱氮因成本低、不产生二次污染等优点被广泛应用，因此在国内外水产养殖行业聚类图谱中居于中心位置。
2.4 基于关键词的突现词分析
为进一步厘清国内外研究热点的差异，进行了图6和7所示的突现词分析。CiteSpace提供突发性检测技术，能够将不同年代频次激增的词（突现词，burst terms）从文献集中抽取出来，用以侧写领域前沿主题。基于CiteSpace的“Burstness”功能，得到国内外水产养殖生物脱氮领域的突现词（图6、7）。
以关键词出现年份先后排序，强度（Strength）越高，表明其突现程度越大。红色色块的位置和长度代表关键词的突现区间。可以看出，国内水产养殖生物脱氮领域研究基础比较薄弱，因此只有4个突现词，突现期都是在2005年后，国外研究中11个突现词区间有10个都分布在2005年以后，表明1990—2020年间水产养殖生物脱氮领域热点主题爆发明显，各种新颖前沿热点并存共进，与发文量分析结果吻合。国内突现强度最大的关键词是分段进水（4.043 7），持续时间是2006—2009年，移动床生物膜反应器为最新突现词，持续时间是2010—2013年;国外突现强度最大的关键词是microbial community（6.560 4），持续时间是2018—2020年，反映出生物群落属于国外倾向型研究。对比国内热点，国外热点主题的更迭较快，出现了gene、recirculating aquaculture system等新兴概念，研究层面向生物信息转化，研究主题向细菌群落过渡。
结合聚类分析和突现词列表，发现在国内外，水产养殖生物脱氮的研究内容繁多，研究热点之间的联系不甚紧密，呈多维度发展态势，表明在该领域研究的出发点多样化，还未形成固化的模式。国内外部分主题热点具有一定的交集，包括生物脱氮、A/O、好氧反硝化、生物群落微环境等，这反映出国内研究具有一定相似性，也表明了上述主题关注度高。
3 小结
综上分析，1990—2020年间水产养殖生物脱氮领域呈现多样性发展的趋势，主要表现在研究数量和规模的逐步扩大，研究向更深广度和更高维度发展。在生物脱氮技术的大命题下，好氧反硝化打破了反硝化只在厌氧条件下才能进行的传统观念，表明好氧反硝化细菌为水产养殖脱氮工艺提供了新的道路。
參考文献
[1] LI J，FENG 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，黄柳欣，等.基于CiteSpace的湿地生物多样性领域研究的可视化分析[J].农业图书情报学刊，2018，30（12）：52-60.
[7] 冀宪武，樊晓璐，李武佳，等.2007—2019年中国党参研究文献计量分析[J].图书情报导刊，2020，5（6）：60-65.
[8] 郑泽宇，陈德敏.CSSCI（2009—2019）环境法学研究的知识图谱：基于Citespace的文献计量分析[J].干旱区资源与环境，2020，34（6）：62-72.
[9] 肖畅，彭婷，刘继红.基于WOS和CiteSpace分析我国近10年柑橘研究热点与前沿[J].果树学报，2020，37（10）：1573-1583.
[10] 丰洪微，范哲超.金属增材制造技术研究热点分析[J].世界有色金属，2019（23）：172-173.
[11] 丰洪微，范哲超.激光选区熔化技术研究热点可视化分析[J].中国金属通报，2019（11）：202-203，205.