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【數據說話】基于專利文獻分析的土壤汙染修複技術發展現狀與展望

??發布日期:2016-6-22

土壤作爲陸地生態系統重要組成部分,是人類和動物居住不可替代的環境因子,也是食物安全與人體健康的基本保障,在保護環境和維持生態平衡中具有重要作用。2013年年底第二次土壤調查結果顯示,我國耕地總面積爲20.3億畝,由于生態承載問題日益突出,受到中重度汙染的耕地面積約爲5000萬畝,適宜穩定利用的耕地約爲18億畝。面對土壤汙染的嚴峻形勢,如何修複已成爲當今農業、生態和環境科學領域研究的熱點。爲了實現土壤的可持續利用,保障人類獲得充足且安全的食品和生活環境,迫切需要研究並提出經濟、高效、可行的土壤汙染修複技術。

專利信息能反映最新的科技發明、創造和設計,其所包含的科技信息中有80%未被其他媒體公開過,是重要的科技情報信息源。通過對專利文獻的深入分析,可以對特定技術領域發展做出趨勢預測,對競爭對手進行跟蹤研究等,從而爲國家、韩国19禁、企業生産經營決策和管理決策提供信息支撐。基于專利的文獻計量分析可以客觀的、定量的反映某一門學科的宏觀發展態勢,並已被不少學科所采用。在農業、林業、環境科學、新能源利用等方面,學者已經做過大量的文獻計量分析,研究方法也較爲成熟。有專家指出,科學文獻的數量和質量是對科學技術水平的一種重要量度。從文獻計量角度探討科學研究布局和發展態勢是一種有效的途徑和方法。

为明确土壤污染修复技术领域在世界范围的研究布局和发展态势,本研究基于德温特专利创新索引数据库(Derwent Innovation Index,DII)对土壤污染修复技术领域的专利进行计量学统计,探讨该技术的研究现状、研究重点及发展趋势,为土壤环境学科的发展、研究布局的规划以及为我国土壤污染修复技术的创新、农业环境保护和政府管理部门决策的制定提供参考与借鉴。

1 数据来源与统计方法

本部分以汤森路透的德温特专利创新索引数据库作为数据源,分析土壤污染修复领域相关的专利情况,利用检索式如下:TS(主题词)=((soil or field or farmland or cropland) AND (pollut* or contaminat*) AND (removal or remediat* or decontaminat* or stabilizat* or phytoremediat* or bioremediat* or co-remediat* or phytoextract* or phytostabilizat* or phytoinfiltrat* or phytovolatilizat* or localizat* or accumulat* or hyperaccumulat* or amendments or additives)),检索时间跨度为2005年~2013年,检索日期为2014年8月18日(由于专利申请日和公开日之间通常存在18个月的滞后期,因此,2013年的专利数量仅供参考)。以检索到的全部专利为数据集,利用汤森路透的数据分析工具Thomson Data Analyzer(TDA)和Aureka专利在线分析工具等,从专利年度申请趋势(按基本专利年,下同)、专利受理机构、优先权国家、主要申请机构、学科领域和技术布局、高被引专利等角度对土壤污染修复技术领域相关专利数据进行了计量统计与文本挖掘分析。

2 结果与讨论

2.1 专利申请宏观态势分析

2.1.1 专利申请数量及年度变化趋势

結果顯示,與土壤汙染修複技術相關的專利申請共2145項。相關專利申請量的變化可以反映出全球範圍在該技術領域創新發明的活躍程度。2005年~2013年期間,在土壤汙染修複技術領域專利的年度申請量變化如圖1所示。結果顯示,從2005年至2010年,土壤汙染修複技術領域的專利申請量逐漸增長,但是漲幅較爲緩慢,2010年以後,該技術領域的專利申請量出現較快增長趨勢,尤其在2013年的專利申請量達到432項,是2012年(256項)的1.7倍。可見,在土壤汙染修複技術領域的創新發明在2013年達到近幾年來的活躍高峰。

2.1.2 专利申请全球布局分析

不同專利受理機構的專利受理數量一定程度反映了該領域在全球的布局狀況。根據對土壤汙染修複技術相關專利申請受理機構的統計(表1),受理量最多的前10個機構依次爲中國國家知識産權局(CN)、美國專利商標局(US)、日本專利局(JP)、世界知識産權組織(WO)、韓國專利局(KR)、歐洲專利局(EP)、加拿大知識産權局(CA)、俄羅斯專利局(RU)、澳大利亞知識産權局(AU)和德國專利局(DE),說明土壤汙染修複技術在以上衆多區域布局廣泛,市場也較爲活躍。排名前10位國家的專利受理量占專利申請總量的89.2%。其中中國國家知識産權局受理的專利數量最多,爲738件,占專利申請總量的21.2%,表明中國在土壤汙染修複技術領域的研究和應用最爲活躍。位居第二位的美國專利商標局專利受理量爲611件,占專利申請總量的17.6%,排名第三位的日本專利局爲488件,占專利申請總量的14.0%。澳大利亞和德國專利受理機構的受理數量在100件以下。

2.1.3 专利技术来源国分析

優先權國一般意味著技術原創國。申請量排名在前10位的優先權國家分別爲中國、美國、日本、韓國、加拿大、俄羅斯、德國、法國、歐洲專利局、英國(圖2)。其中,排名第一位的中國在該領域的專利申請量高達627項,遠遠高于排在第二位和第三位的美國(514項)和日本(422項),說明中國是土壤汙染修複領域最大的技術來源國。排名第四位和第五位的是韓國和加拿大,在土壤汙染修複領域享有的優先權專利分別爲244和106項。其余國家的專利優先權申請量均在100項以下,遠遠低于上述排名靠前的幾位國家。

中國在土壤汙染修複技術領域的專利數量從2005年逐年上升,尤其是2009年以後呈現迅猛上升趨勢,超過了美國和其他國家(圖3)。美國在土壤汙染修複技術領域的專利數量在2005年~2013年期間基本平穩,保持在42~69項範圍。日本在2005年的專利數量高于中國和美國,然而到2010年一直呈現下降趨勢,在2013年的專利數量突然激增。韓國在土壤汙染修複技術領域的專利數量保持在17~32項之間,其余國家每年在土壤汙染修複技術領域的專利數量多在10項以內。

2.2 专利技术发展与布局分析

2.2.1 专利涉及的学科领域分析

根據德溫特數據庫的學科分類,分析土壤汙染修複技術領域相關專利共涉及23個學科領域(圖4),其中分布較多的前10個主要是化學、儀器與儀表、工程學、水資源學、高分子科學、農學、生物技術與應用微生物學、能源與燃料、公共、環境與職業健康、藥物學與藥劑學。其中涉及化學領域的專利數量最多,爲1542項,占專利申請總量71.9%,其次是儀器與儀表領域,爲1394項,約占專利申請總量的65.0%,排名第三的是工程學領域,爲1081項,占專利申請總量的50.4%。其余學科領域的專利申請量在2~537項之間,遠遠低于前三個學科領域的申請量。

2.2.2 基于IPC分类的技术布局分析

涉及的專利主要分布在"汙染的土壤的再生"以及"水、廢水、汙水或汙泥的處理"兩個技術方向上(表2),IPC專利類別分別爲"B09C"和"C02F",專利申請的數量分別爲780項和479項,各占專利申請總量的36.4%和22.3%。其余技術方向上主要分布在"微生物或酶;其組合物;繁殖、保藏或維持微生物;變異或遺傳工程;培養基"、"分離"、"通過産生化學變化使有害的化學物質無害或減少害處的方法;用于防護有害化學試劑的覆蓋物或衣罩的材料組合物等"、"χ,γ輻射、微粒輻射或粒子轟擊的防護;處理放射性汙染材料;及其去汙染裝置"、"固體廢物的處理"、"不包含在其他類目中的各種應用材料;不包含在其他類目中的材料的各種應用"、"化學或物理方法,例如,催化作用、膠體化學;其有關設備"以及"園藝;蔬菜、花卉、稻、果樹、葡萄、啤酒花或海菜的栽培;林業;澆水"等方面,這些技術方向的專利數量在88~202項之間,其余技術方向的專利數量在80項以下。

2.2.3 基于德温特分类的技术布局分析

土壤汙染修複領域相關的專利主要分布在A、B、D、P、J、K、H、X八個部,即聚合物、塑料,藥物,食品、洗滌劑、水處理、生物技術,一般工程,化學工程,核子能、爆破、防護,石油,電力工程等(表3)。具體分別主要爲P43、D15、D16、J01、K07等技術方向。其中分布在"P43"(分類、清洗;廢物處置)技術方向的專利有812項,排名第二位的"D15"代表"水處理,工業廢水和生活汙水"的專利539項,排名第三位的"D16"表示"發酵工業",該技術領域的專利數量有328項,分別占專利申請總量的37.9%、25.1和15.3%。其余專利的技術方向主要分布在包括蒸發、結晶等分離、物理保健、未分類的其他小商品、大型運輸和存儲系統、救生、消防、工業電氣設備、天然産物和聚合物、測試、未知結構的化合物等方面。

2.2.4 基于主题的专利聚类分析

运用Thomson Innovation 中的ThemeScape专利地图工具对检索到的专利数据进行主题词聚类分析,可以发现领域的技术热点。从图5可以看出,土壤污染修复领域相关专利中,土壤砷、镉、铅、铬及有机污染物一直是土壤污染修复领域研究的热点,污染物的稳定固化、植物修复、电动化、添加调理剂、土壤淋洗、离子束、分离回收等是采取的重要技术。通过时间切片的分析工具比较2005-2010年以及2010年以后专利产出的主题分布,发现2010年以后,各国在土壤砷、镉、铅、铬污染方面开展了大量研究和技术研发,在重金属稳定固化、植物修复、添加土壤调理剂修复技术上近几年研发活动较为活跃。

主題詞的變化可以從側面反映研究熱點的布局。通過對中國土壤汙染修複相關專利2010-2013年主題詞出現頻率高于2005-2009年的主題詞變化分析可以看出(表4),2010年以後,中國土壤最受關注的是(類)重金屬和有機汙染物,其中(類)重金屬主要是镉、砷、鉻、鋅、銅、汞等種類,有機物汙染主要是多環芳烴類、多氯聯苯、菲、石油烴、芘和原油中的有機成分等。修複技術的研究更傾向于生物修複,主要是植物修複和生物降解。電動化、淋洗、固定化等技術也同時發展。通過添加表面活性劑、添加螯合劑、調理劑、叢枝菌根、微生物接種劑等方法對汙染土壤進行原位和異位修複是其重要研究熱點。同時,基于農韩国19禁安全的風險評估也逐漸受到重視,並從作物對汙染土壤的響應以及土壤微生物有效性、微生物群落多樣性、環境汙染風險等方法開展土壤汙染風險評估。

3 结论与展望

通過對土壤汙染修複相關專利分析,獲得的主要結論如下:

(1)2005-2013年土壤汙染修複技術領域涉及的專利申請量逐漸增長,研究較爲活躍。2013年達到近幾年來專利申請量的高峰,排名在前10位的優先權國家分別爲中國、美國、日本、韓國、加拿大、俄羅斯、德國、法國、歐洲專利局、英國。中國在土壤汙染修複技術領域的專利數量從2005年逐年上升,尤其是2009年以後呈現迅猛上升趨勢。

(2)土壤汙染修複領域相關專利涉及的學科領域呈現交叉趨勢,技術布局廣泛。主要涉及化學、儀器與儀表、工程學、水資源學、高分析科學、農學、生物技術與應用微生物學、能源與燃料、公共、環境與職業健康、藥物學與藥劑學等領域。主要分布在"汙染的土壤的再生"以及"水、廢水、汙水或汙泥的處理"兩個技術方向上。"χ,γ輻射、微粒輻射或粒子轟擊的防護;處理放射性汙染材料;及其去汙染裝置"技術方向的專利保護越來越得到重視。

(3)基于主題詞的分析結果顯示,土壤砷、镉、鉛、鉻及有機汙染物一直是土壤汙染修複領域研究的熱點,汙染物的穩定固化、植物修複、電動化、添加調理劑、土壤淋洗、離子束、分離回收等是采取的重要技術。2010年以後,中國土壤最受關注的是重金屬和有機汙染物,更傾向于生物修複技術,主要是植物修複和生物降解。電動化、淋洗、固定化等技術也同時發展。通過添加表面活性劑、添加螯合劑、調理劑、叢枝菌根、微生物接種劑等方法對汙染土壤進行原位和異位修複是其重要研究熱點。同時,基于農韩国19禁安全的風險評估也逐漸受到重視,並從作物對汙染土壤的響應以及土壤微生物有效性、微生物群落多樣性、環境汙染風險等方法開展土壤汙染風險評估。

基于土壤汙染修複領域的發展現狀,發現目前在研究和應用中仍然存在如下問題:

(1)當前研究多著重于實驗室或盆栽的模擬修複,已有的技術成果實際應用到現實的修複工程中還不夠廣泛,多數仍然處于研究試驗階段。

(2)雖然我國在土壤汙染修複領域的專利申請量位居世界前位,並且主要的科研院所和高校也有專利申請,但是整體申請數量仍然偏低,保護範圍還不夠廣泛,缺少本國專利的國際戰略保護。在土壤汙染修複領域相關的專利産權保護意識有待進一步加強。

(3)在研究布局上,我國與發達國家和地區差別不是很大,均主要開展修複機理、技術研發、工程應用、風險評估和修複效果評估方面的研究;采用的修複技術主要集中在植物修複、微生物修複、化學修複和物理修複;針對的汙染物也主要是重金屬(包括镉、鉻、鋅、鉛、砷和汞等)及持久性有機汙染物,特別是多環芳烴。但是總體而言,除了上述幾個方面,發達國家早期還布局了放射性物質(如铯和锶)的汙染修複,設立了服務推廣項目和突發事件應對計劃。隨著自然災害等突發事件的增多,以及人爲的放射性物質泄漏等事件給生態環境和人類健康造成了巨大威脅。我國在設立一些有關土壤汙染修複的應急計劃,防禦性地布局具有潛在危險的有害物質的汙染修複研究還存在不足。

針對土壤汙染修複技術發展現狀,結合當前國家發展需求,提出今後應在以下幾方面加強工作:

(1)注重加強汙染源頭防控

土壤汙染防治重在"防控"。對于未汙染的農田土壤,應科學施用土壤化學投入品,對化肥、農藥等農用化學品進行科學管理和施用,避免由于過量施肥或劇毒高殘留農藥引起的土壤汙染。嚴格禁止將具有汙染土壤性質的工業項目建在居民生活區與引導發展的農業區,針對生活垃圾對土壤的汙染,應實行垃圾分類回收,綜合利用可再生資源,搞好填埋區植被覆蓋,減輕汙染。確定區域汙染物質的排放量,允許的種類、藥量和濃度。制定相應監管政策和稅收政策,嚴格限制汙染源排放,做到責任到人,控制並實時監測汙染排放源頭,堅決杜絕汙染物肆意排放。在有代表性的地區定期采樣或定點安置自動監測儀器,進行土壤環境質量的測定,以觀察汙染狀況的定期變化規律,做好汙染監測預警。從源頭上杜絕土壤點源汙染擴大化,嚴格防控土壤汙染。

(2)促進修複技術攻關

對于已經汙染的土壤,確有必要恢複的,要著力探索經濟實用可行的綜合型修複技術,促進科技攻關。單一的修複技術已不能滿足當前對于土壤汙染治理的需求,今後的研究方向應該是多種技術的有機結合。加強土壤調理劑研發與應用,開發與螯合劑協同作用的土壤改良劑,探索螯合誘導與其他生物工程結合的聯合修複技術,探索作物最佳施肥技術和病蟲害生物防治技術,開展修複技術的環境風險評估以及經濟可行性評價。

運用分子生物學和基因工程技術,強化超富集植物材料的篩選。在引入超富集植物之前,充分論證其造成生物入侵等的負面風險評估,因地制宜地誘導、培育本地兼具高生物量和高富集能力的植物。充分利用生態位差異的優勢,開展超富集植物與農作物的間套作研究以及木本和草本植物聯合修複的研究。

(3)加強技術成果的應用示範與推廣

理論研究終歸是要投入應用實踐,科學研究要與應用實踐並重。土壤汙染修複技術的應用在很大程度上依賴于修複設備和監測設備的支撐。在經濟實用可行的土壤汙染修複技術研發的基礎上,兼顧經濟效益和生態效益,研發先進適用裝備和高效低成本功能材料,加強重金屬氣提、氧化還原、熱脫附、淋洗等物化修複設備的研發以及工程的規模化,增強修複技術和裝備的應用示範與推廣,注重已有技術成果的轉化,進而有序促進土壤修複産業發展,使基礎的理論研究用于指導應用實踐,發揮更大的社會和經濟效益。

原标题:【數據說話】基于專利文獻分析的土壤汙染修複技術發展現狀與展望

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