国内外农业废弃物资源化利用技术对比研究.pdf
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1、国内外农业废弃物资源化利用技术对比研究贾倩串丽敏王爱玲赵静娟李凌云(北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所北京 )收稿日期:.基金项目:北京市农林科学院青年科研基金“基于专利数据的农业领域核心技术识别方法研究”(QN J J ),北京市农林科学院科技创新能力建设专项“智库型农业情报研究与服务能力提升”(K J C X ),“面向科研管理的情报研究与服务能力提升”(K J C X ),年度国家知识产权局专利专项研究项目“农业废弃物资源化利用领域专利分析研究”(F X ).作者简介:贾倩(),女,山西吕梁人,助理研究员,硕士,研究方向:农业专利信息计量研究,E m a i l:j q c o m
2、;串丽敏(),女,河北 邢 台 人,副 研 究 员,博 士,研 究 方 向:农 业 资 源 与 环 境 研 究,E m a i l:x i a o c h u a n c o m;王 爱 玲(),女,河南博爱人,副研究员,博士,研究方向:都市农业、农村政策等,E m a i l:a i l w c o m;李凌云(),女,北京人,馆员,本科,研究方向:农业信息资源建设与信息服务研究,E m a i l:a g r i l i b s k c o m.通信作者:赵静娟,女,(),山西晋城人,副研究员,硕士,研究方向:农业科技情报研究,E m a i l:z j j a a a_z n c o m
3、.摘要:强化农业废弃物资源化利用对于农业绿色转型、低碳化发展具有重要意义.厘清中国与国际的农业废弃物资源化利用技术研发特点与差异,为该领域技术创新与产业化发展提供借鉴.基于专利数据,从申请趋势、技术来源、技术分布、专利质量等维度对比国内外农业废弃物资源化利用技术研发态势.中国农业废弃物资源化利用技术数量优势明显,已成为该领域的主要研发国,技术研发活跃度远超国外.但是技术质量偏低,在全球化布局和技术输出上与美国、德国、日本有较大差距,专利质量不及美国.中国技术热点与国外不同,中国技术研发集中在秸秆,以肥料化、饲料化利用等农用技术为主;国外集中在畜禽粪污,注重肥料化利用、能源化利用和无害化处理均衡
4、发展,秸秆原料化和能源化利用等高值化利用技术是其研发重点.本文进一步从国内外现实需求、重要创新主体及技术创新水平等角度探析了国内外技术发展差异形成的原因,建议应发展种养结合保障农用和回归农业生产体系,加强产业链前端技术研发和高值化利用技术布局;培育企业创新能力和技术转化能力,优化促进技术创新和产业发展的政策环境;鼓励面向产业发展需求的原始创新,注重培育高价值专利和提升技术创新水平.关键词:农业废弃物;资源化利用;文献计量法;专利;文本聚类D O I:/j c n /s 1引言气候变化是当前全球面临的共同挑战,发展低碳经济、减少温室气体排放、缓解全球气候变暖已成为全球共识.目前,全球超过 个国家
5、提出了“碳中和”目标,中国也将“碳达峰、碳中和”写入“十四五”规划,并纳入国家重大战略布局.作为全球碳排放的重要来源之一,农业产生了全球约/的碳排放量,进一步扩展到粮食系统,该占比则超过/.据统计,年粮食体系排放的二氧化碳当量较 年水平?23郾11(总535)增加了.因此,推动农业减排是实现“双碳”目标的重要抓手.中国是农业大国,随着现代农业快速发展,产生作物秸秆、畜禽粪污等大量农业废弃物,这些废弃物资源化利用不充分不全面造成了严重的面源污染问题,制约了从产前绿色投入品开发应用、产中绿色技术模式创新,到产后农业废弃物资源化利用全链条农业生产方式的绿色转型.科学、合理、有效地实现农业废弃物资源化
6、利用对于治理农业面源环境污染,促进农业绿色、低碳化发展具有积极促进作用.技术创新对于农业废弃物资源化利用综合效益的实现具有重要支撑作用,农业废弃物资源化利用技术是国内外普遍需要解决的重要课题.S a r a n g iPK等认为利用不同农业生物质并探索各种生物质转化技术,将有效促进循环生物经济的发展.陈慈等全面分析了蔬菜废弃物资源化利用的技术路径,并剖析了其存在的技术难点.周海宾等通过问卷调研与实地测量方式,总结分析了中国畜禽粪污资源化利用存在的问题,提出了中国畜禽粪污资源化利用技术发展建议.候其东和鞠美庭基于现有生物质利用方式存在的问题,总结了国内外秸秆类生物质利用现状,并系统梳理了生物质高
7、值化利用技术研究进展.杜艳艳和赵蕴华指出发达国家在农业废弃物集储装备技术、微生物强化堆肥技术等方面已达到规模化、产业化水平,中国在关键技术与装备方面尚有差距.总体来看,当前研究多从定性分析角度阐述国内外农业废弃物资源化利用技术发展现状.专利文献承载着技术创新与产业变革信息,世界上 的发明创造在专利文献中均有记载,近 仅出现在专利文献中.专利文献作为科学研究和技术创新最重要的信息源和情报源之一,其所提供的信息更能全面反映某一领域的技术研发现状和竞争态势.国内外基于专利分析的技术发展动态和竞争态势研究日益广泛 ,在农业废弃物资源化利用领域,部分学者开展了基于专利分析梳理秸秆等具体类别的农业废弃物资
8、源化利用技术发展现状的研究 ,针对堆肥等农业废弃物资源化利用分支技术开展专利计量分析、预测未来发展趋势的研究,但目前还缺乏对整体农业废弃物资源化利用领域及技术发展状况的系统性梳理,通过对比国内外专利布局,量化分析国内外技术发展差异的研究较为欠缺.本文基于专利文献,从申请趋势、技术来源、技术布局、专利质量等维度对比国内外农业废弃物资源化利用技术发展现状,明晰中国与国际的技术研发特点与差异,并进一步探析国内外技术发展差异形成的原因,为该领域技术研发、产业发展和知识产权布局提供借鉴和参考.2数据来源与研究方法 数据来源根据行业调研,结合 关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案中提出的废弃物种类,本文
9、的农业废弃物涵盖农作物秸秆、畜禽粪污、病死畜禽、废旧农膜和废弃农药包装物,资源化利用技术包括肥料化、饲料化、能源化、基料化和原料化利用技术.专利数据来自智慧芽数据库(P a t S n a p),专利检索类型包括发明专利和实用新型专利,检索时间为 年月 日,通过关键词结合I P C分类号构建检索式开展检索,经反复试验检索迭代调整,并进行查全查准检验,确定最终检索式及初始专利数据集 件;以I P C分类号结合人工阅读进行数据清洗,得到 件相关专利文献.研究方法通过文献计量法从申请趋势、申请来源与布局、专利权人、技术分布、专利质量等方面开展国内外农业废弃物资源化利用技术对比分析;在专利质量分析方面
10、,参考前人使用的专利指标 ,构建了基于授权率、维持率、专利家族规模、被引频次及权利要求数量等指标的专利质量计算方法,各分项指标的定义及计算方法见表,经数据标准化处理,根据公式QiQi 计算获得专利质量数值.?23郾11(总535)表专利质量指标及计算方法指标定义数值计算授权率Q国家a在技术领域b的授权专利量在其专利申请量的占比国家a在b领域的授权专利量/其申请量维持率Q国家a在技术领域b的有效授权专利量在其授权专利量的占比国家a在b领域的有效授权专利量/其授权专利量专利家族规模Q国家a在技术领域b的平均I N P A D O C同族专利数量国家a在b领域同族专利数量总和/其申请量被引频次Q国家
11、a在技术领域b专利申请的平均被引频次国家a在b领域专利申请的总被引频次/其申请量权利要求数量Q国家a在技术领域b专利申请的平均权利要求数量国家a在b领域专利申请的总权利要求数量/其申请量文本聚类法:通过D e r w e n t I n n o v a t i o n专利数据库T h e m e S c a p e专利地图分析工具,抽取专利文献标题与摘要中的关键词或词组,通过文本解析创建标记词,基于标记词在文献中的出现频率结合算法得到最能代表每篇文献的标记词,将满足阈值要求的标记词作为文献主题;通过比较各文献的主题,计算其关系强度,基于关系强度形成不同主题聚类.3国内外农业废弃物资源化利用技术
12、对比分析 国内外技术发展规模比较 专利申请量分布通常情况下,申请人会优先在本国申请专利,将优先权国视为技术来源国;不同区域的专利受理数量可以反映出技术的市场规模.由表所示,中国是农业废弃物资源化利用技术研发大国,也是该领域的热点市场,技术数量优势明显.农业废弃物资源化利用领域约 的专利申请来自中国,排名第二至第四的国家依次为美国、韩国和日本,三者的相关专利申请量在 件.中国的专利受理量最多,美国、韩国、日本、德国、英国和俄罗斯次之.表农业废弃物资源化利用领域专利申请来源国与受理地域优先权国专利申请量/件受理地域专利受理量/件中国 中国 美国 韩国 韩国 日本 日本 美国 德国 德国 英国 英国
13、 俄罗斯 俄罗斯 其他 其他 专利申请趋势国内外农业废弃物资源化利用领域的专利年度申请趋势差异显著,技术发展进程不同步.国外该领域专利申请大致呈现萌芽期(年)、缓慢发展期(年)和稳定期(年至今)三个阶段.欧美发达国家对秸秆焚烧以及养殖业所带来的环境污染问题关注较早,相关专利申请较早;?23郾11(总535)世纪七八十年代受世界范围能源危机影响,发达国家开始关注其他可替代能源,秸秆固化成型技术和直燃技术的相关专利申请迅速增加.德国秸秆捆烧与热解技术、动植物废弃物发酵制沼技术相关专利申请逐渐增加;日本、韩国开始探索发展循环经济,畜禽粪污处理与肥料化利用技术的专利申请快速增加.经过近 年的技术发展,
14、国外每年专利申请量从百件增加到千余件;年之后,随着国际石油价格上涨以及 京都议定书生效,美国、欧盟等发达国家或地区相继出台了促进生物质能产业发展的政策法规,但受农业废弃物原料供应量、市场规模、技术产业化发展阶段等多种因素影响,国外该领域专利申请维持在相对稳定的范围,每年专利申请量在 件,目前国际上该领域技术发展进入平稳期.中国专利制度建立较晚,该领域最早的专利申请出现在 年,专利申请大致呈现萌芽期(年)、缓慢发展期(年)和快速发展期(年至今)三个阶段.在 年的二十余年间相关专利申请增长缓慢,年之后,随着 关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见出台,领域相关技术研发逐渐受到关注;年后,在“十二五”
15、农作物秸秆综合利用实施方案 关于推进农业废弃物资源化利用试点的方案 关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见等一系列推进农业废弃物资源化利用政策和规划的推动下,各年度专利申请量增长率均值约 ,中国相关技术进入快速发展期.国内外技术发展质量比较 主要国家的技术全球化布局域外申请能够反映出各地区的技术全球化布局和保护情况.由表可见,美国和德国非常注重技术全球化布局和保护,中国全球化布局较为欠缺.美国在德国、英国、法国等欧洲地区和日本、韩国、中国等亚洲地区均进行了数百件专利申请,其国外申请占比达 ;德国在英国、法国及欧洲地区均申请了百件以上的专利,其国外申请占比达 .中国、日本、韩国三个亚洲国家中
16、,日本较为重视技术的全球化布局,除中国和韩国以外,还积极开展在欧美市场的专利申请和技术部署,其国外专利申请占比约 .中国在技术全球化布局和保护方面尚有较大差距,的专利申请布局在国内.表农业废弃物资源化利用领域主要优先权国的专利地域布局受理地域优先权国中国美国韩国日本德国中国 韩国 日本 美国 德国 英国 俄罗斯 法国 欧洲 主要国家的技术输入与输出从非本土申请和域外申请来分析技术输入与输出状况,由图可见,美国、德国、日本三国技术输出明显多于技术输入,美国技术输出优势更为突出,韩国技术输出与输入基本持平,中国技术输出少于技术输入,技术输出处于劣势.中国在域外布局和技术全球化保护水平方面的不足,一
17、方面,与研发主体该领域的市场分布有关,中国秸秆产量大,是秸秆资源化利用热点市场,本国申请人会优先考虑在本国进行技术布局;另一方面,也受其国际专利申请意识和全球化战略布局意识不足影响.此外,由于申请国外专利需要高昂的申请费和代理费,面对不可预见的授权前景,研发主体对高质量、高水平的技术才会考虑向国外申请专利,由此也间接反映出?23郾11(总535)图农业废弃物资源化利用领域T O P 优先权国的技术输入与输出中国该领域的专利质量及技术创新水平仍有待提升.主要国家的专利质量发明专利申请的新颖性、创造性以及审查程序的严格性高于实用新型专利和外观设计专利,发明专利在一定程度上更能代表较高质量和更具创新
18、性的技术.对农业废弃物资源化利用领域的主要国家统计其发明专利授权率,授权发明专利维持率,有效发明专利I N P A D O C家族规模、被引频次及权利要求数量,计算其专利质量数值.由表可见,美国的专利质量最高,中国在五国中位列第四,处于劣势地位.从专利质量各分项指标来看,在授权率方面,韩国、美国较高,半数以上的发明专利获得授权,中国授权率约为;在维持率方面,中国表现较为优异,以上的授权发明专利目前处于有效状态;在专利家族规模方面,美国位居榜首,平均每件专利的I N P A D O C同族数量达到 件,而中国平均每件专利的I N P A D O C同族数量仅为件,专利家族数量可以间接反映专利技术
19、的国际布局,可见中国该领域专利的地域保护范围较小;在权利要求数量方面,美国最高,平均每件专利有 项权利要求,中国平均每件专利有项权利要求,反映出中国该领域专利的技术保护范围较窄;在被引频次方面,美国最高,每件专利的被引频次达到次以上,而中国每件专利的被引频次不到次,反映出其专利技术影响力略显不足.表农业废弃物资源化利用领域T O P 优先权国发明专利的专利质量指标国家申请量/件授权量/件授权率/维持率/专利家族规模/件权利要求数量/项被引频次/次专利质量中国 美国 韩国 日本 德国 国内外技术热点比较技术主题聚类显示,全球农业废弃物资源化利用领域的技术热点主要集中在肥料化、能源化、原料化、饲料
20、化及基料化利用五个方面,肥料化和饲料化利用是主导利用方式,能源化、原料化和基料化利用是重要辅助方式.肥料化利用技术研发主要集中在秸秆还田机械设计和利用畜禽粪污制备有机肥、复合肥和新型增值肥料.?23郾11(总535)在能源化利用方面,围绕固化成型、直燃、热解气化、液化以及发酵制沼五种利用方式,形成生物质原料预处理及固化成型燃料制备工艺,直燃炉及燃烧器的研发与改良,热解气化炉及配套装置的设计与工艺,利用秸秆制备醇类、酮类、烷烃类物质的方法、工艺和设备,沼气池构建、制沼原料制备、发酵装置及工艺,环保畜禽养殖舍建造技术等技术热点.原料化利用的技术研发集中在利用秸秆纤维素制作纸浆、木塑复合材料、纳米纤
21、维丝、营养育秧纸和可降解环保材料.饲料化利用的技术热点主要集中在利用农业废弃物及其加工废弃物制作畜禽专用饲料、生物发酵饲料、功能性饲料的配方、设备与生产工艺,以及基于酶制剂和微生物菌剂的农业废弃物预处理技术.基料化利用的技术热点主要集中在制作食用菌栽培基质,其关键技术在于研发适用不同食用菌种类的配方.利用废弃菌菇、废弃菌棒等食用菌栽培废料制备育苗基质是新兴利用方向.从技术研发对象来看,国内外技术热点明显不同,国外聚焦畜禽粪污处理,中国聚焦秸秆处理.就全球专利申请来看,国际上在畜禽粪污资源化利用领域的专利申请最多,专利申请占比超过半数,侧重于畜禽粪污分级处理、发酵、堆肥等方法工艺及有机肥产品的研
22、发;中国则在秸秆资源化利用领域的专利申请居多,专利申请占比达,侧重于秸秆制作有机肥、复合肥、新型增值肥和土壤改良剂的方法、配方及工艺的研发.就在华申请来看,中国本土申请在秸秆资源化利用领域的专利申请最多,占比约;国外来华申请在畜禽粪污资源化利用领域的专利申请最多,占比约.在秸秆资源化利用技术研发方面,中国侧重于肥料化利用技术,国外则更加注重原料化利用技术.由表可见,中国以肥料化利用专利申请最多,占其秸秆资源化利用专利申请量的,饲料化利用()和原料化利用()次之;国外以原料化利用专利申请最多,占其秸秆资源化利用专利申请量的,饲料化利用()和肥料化利用()次之.就在华申请来看,中国本土申请在秸秆肥
23、料化利用技术的专利申请占比最大,约,饲料化利用()和原料化利用()次之;而国外来华申请则以秸秆原料化利用技术的专利申请占比最高,约,能源化利用专利申请次之,其占比约.表国内外秸秆资源化利用技术分布技术中国申请国外申请在华本土申请来华申请申请量/件占比/申请量/件占比/申请量/件占比/申请量/件占比/肥料化 饲料化 能源化 基料化 原料化 在畜禽粪污资源化利用技术研发方面,国内外同中有异,国内外均以肥料化利用技术研发为主,但国外更为注重能源化技术和无害化技术的均衡发展.由表可见,中国肥料化利用专利申请占据绝对优势,其在中国畜禽粪污资源化利用专利申请量的占比达,无害化利用()和能源化利用()次之;
24、国外同样以肥料化利用专利申请最多,占其畜禽粪污资源化利用专利申请量的,能源化利用()和无害化利用()次之.就在华申请来看,中国畜禽粪污资源化利用本土申请以肥料化利用技术的专利申请最多,占比约,而国外来华申请则重点布局畜禽粪污能源化利用技术,其专利申请占比约.表国内外畜禽粪污资源化利用技术分布技术中国申请国外申请在华本土申请来华申请申请量/件占比/申请量/件占比/申请量/件占比/申请量/件占比/肥料化 无害化 能源化 基料化?23郾11(总535)4国内外农业废弃物资源化利用技术差异形成原因分析通过前述分析可见,中国是农业废弃物资源化利用领域专利申请大国,近年来技术研发热度高涨,但是技术发展质量
25、偏低,与欧美发达国家相比仍存在一定差距,并且在技术研究热点上明显不同.为探析这些差异形成的原因,本文基于专利与科技创新之间的联系 ,从国内外现实需求、创新主体、技术创新水平等维度剖析技术发展差异的形成因素.国内外农业废弃物处理的现实需求各异第一,国外农业废物资源化利用的紧迫性不及国内.近年来中国农业产量产能不断提升,随之产生大量农业废弃物,据统计每年产生各类农作物秸秆约亿吨,畜禽粪便产生量约 亿吨.地少人多的现实情况,也使面临的资源环境压力更为巨大,资源与环境的双重压力倒逼中国亟待提高农业废弃物资源化利用技术;此外,近年来在“绿水青山就是金山银山”的绿色发展理念指导下,中国在政策、资金等方面向
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