全 文 ：第26卷 第5期
2014年5月
Vol. 26, No. 5
May, 2014
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2014)05-0533-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2014077
收稿日期：2014-05-19
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目
(Y113I11021)
*通信作者：E-mail: bliu@cashq.ac.cn
基于文献计量学的能源植物国际研究趋势与发展格局
刘　斌1*，李祯祺2，徐　萍2
(1 中国科学院科技促进发展局，北京 100864；2 中国科学院上海生命科学信息中心，上海 200031)
摘　要：随着环境的不断恶化与化石资源的急剧消耗，世界各国都在加快可再生能源 (尤其是生物质能源 )
的研发进程，以保障国家能源安全，应对全球气候变化。其中，能源植物的开发利用是提供生物质原料的
重要途径之一。分析能源植物的国内外研究进展，把握其发展趋势，结合我国的特点和需求，有助于支持
基础研究，促进源头创新。以 ISI Web of Science数据库为数据来源，Thomson Data Analyzer为工具，从文
献计量学的角度分析能源植物的国际发展态势。
关键词：能源植物；情报分析；文献计量学；发展态势
中图分类号：G353.1；Q949.9 文献标志码：A
International research trend and development pattern
of energy crops based on bibliometrics
LIU Bin1*, LI Zhen-Qi2, XU Ping2
(1 Bureau of Science & Technology for Development, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China;
2 Shanghai Information Center for Life Sciences, Shanghai Institutes for Biological Sciences,
Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: With the continuous deterioration of the environment and the rapid depletion of fossil resources, countries
in the world speed up the research process for renewable energy, especially biomass energy. Wherein, development
and utilization of energy crops is an important way to provide biomass feedstock. Analyzing progress of energy
crops at home and abroad, grasping the development trend and combining with our characteristics and needs, will
help to support basic research and promote innovation. In this paper, ISI Web of Science database was used as a data
source and Thomson Data Analyzer as a tool to analyze international development trend of energy crops from the
perspective of bibliometrics.
Key words: energy crops; intelligence analysis; bibliometrics; development trend
随着化石能源的日渐枯竭与其对环境带来的诸
多危害，许多国家开始寻找新式的可替代能源。正
是由于人们对可替代能源认识的不断加深，能源植
物方面的研究应运而生。从广义上来说，诺贝尔奖
获得者卡尔文博士将通过光合作用产生碳氢化合物
的植物统称为能源植物；从狭义上来理解，能源植
物是指那些可以直接作为能源或生产能源的植物，
通常是指那些能够产生石油类似成分和可替代产品
的植物，以及富含油脂的植物。
目前，种植能源植物以炼制油品在国际上是一
种主流趋势，过去促使能源植物发展的主要驱动力
是能源危机。尤其是在二次能源危机发生后，大多
数工业化国家的农业部门意识到自己的作用，因此
开发能源植物，提炼生物质能源，以提高国内自主
能源的供给量，减少对化石能源的需求，降低对化
石能源的依赖。虽然已经有很多种能源植物为人们
所发现，但大多数的能源植物还处于野生或半野生
生命科学 第26卷534
状态等待被发掘。为了提高其生物能源的转化效率，
研究人员或利用遗传工程等改造手段，或采用先进
的生物质能转换技术，从而产生多种可再生清洁能
源以控制化石能源消耗，减少温室气体排放。
1　背景介绍
充分利用不宜耕种粮食作物的边际性土地，种
植具备高产高抗逆属性的能源植物，不仅可以提供
大量的生物质原料，而且对当地生态环境的改善具
有重要意义。由其生产的生物质能源还可以减少温
室气体排放，提升去碳化效率，使能源供给多样化，
并且能够为种植者提供新的经济来源，有利于解决
经济、环境与能源等多方面问题。因此，能源作物
的开发与利用可以产生长远的社会效益。据不完全
统计，仅在我国具有能源开发利用价值的植物就有
4 000种左右，主要集中在夹竹桃科、大戟科、萝
摩科、菊科、桃金娘科以及豆科 (表 1)。按照成分
和用途来划分，主要分为以下几类。
1.1　富含碳水化合物的能源植物
碳水化合物在能源植物中以多种形式存在，如
菊芋、甘蔗、甜高粱、木薯、玉米、甘薯等。利用
这些植物可得到生物柴油、燃料乙醇和燃气 [1]。
1.2　富含油脂的能源植物
油脂类作物包括以采收种子榨油为主要用途的
草本油料植物和木本油料植物。草本油料植物主要
是指油菜、向日葵、蓖麻和大豆等一年生的油脂作
物，虽然它们具备广泛的工业用途，但大多为人类
食物的重要组成部分。木本油料植物主要是指棕榈
树、椰子树、橄榄树和茶树等植物。由于后者适宜
种植在山地和丘陵等地区，且具有较高的抗逆属性，
“不与粮争地，不与人争粮”，因此利用和开发的价
值略优。
1.3　富含木质纤维素类能源植物
木质纤维素类植物的主要成分是木质纤维素，
木材是其最主要的来源，其他含有木质纤维素的物
质涵盖棉、麻、麦等作物。这些植物及其残余物或
废弃物能够以燃烧或发电的形式直接转化为生物质
能，或转化为燃料乙醇、合成气等生物能源。
1.4　能源藻类
藻类虽然是一种低等植物，但其分布广泛，种
类繁多，且不占用陆地资源。藻类同样可以为人类
提供油脂类、糖类和碳氢类生物质原料，进而生产
出多种多样的生物能源 (如生物柴油、生物氢等 )。
产油藻类和产氢藻类是目前的关注重点与前沿。
2　国际研究趋势与发展格局
本文以 ISI Web of Science (WoS)数据库收录的
论文为基础数据，以 Thomson Data Analyzer (TDA)
为文献计量分析工具，解析了能源植物领域相关论
文的发展态势。数据下载日期截至2014年5月16日。
由于数据库录入迟滞等原因，2013年数据可能尚未
收录完全，仅供参考。
2.1　全球研发态势与相关政策
近年来，世界各国发表的能源植物相关论文快
速增长。2004~2013年，WoS数据库中收录的能源
植物领域的相关论文共计 12 278篇。从全球论文发
表数量 (图 1)可以看出，能源植物方面的研究发展
势头愈加迅猛。究其原因，主要是出于能源等资源
已经不能满足日益增长的社会需求，以及人们对环
境变化和可持续发展的进一步重视和诉求。随着生
物技术的不断完善，该领域的研究会逐渐突破技术
上的限制，夯实其产业基础。
美国处于领先地位，中国紧随其后，巴西位于
第三位，德国、加拿大、印度和英国等国家近两年
的研究也发展得十分迅速 (图 2)。这与以上国家 /
地区对能源植物的政策支持是密不可分的。从研究
的资助来源看，中国国家自然科学基金委员会是对
该领域进行资助获得较多产出的机构。除此之外，
美国国家科学基金委员会 (National Science Foundation,
NSF)、巴西国家科技发展委员会 (National Council
for Scientific and Technological Development, CNPq)、
中国科学院、美国能源部 (Department of Energy,
DOE)、欧盟、美国能源生物科学研究院 (Energy
Biosciences Institute, EBI)和美国农业部 (United States
Department of Agriculture, USDA)均体现出了良好
的研究资助态势与成果产出。
2.1.1　美国
2011年 8月，USDA与 DOE共同资助了 10
个全新研究项目。这些项目主要是通过提升产量、
提高质量及增强适应极端环境的能力等方式，以改
良那些生产生物燃料的特殊能源作物 (如柳枝稷、
白杨、芒草和短柄草等 )。研究人员采用现代基因
组学技术为作物的改良制定相关策略。同年 9月，
美国能源部先进能源研究计划署 (Advanced Research
Projects Agency-Energy, ARPA-E)发布了 1.56亿美
元的先进能源研究资助计划，其中包含能源植物工
程 (PETRO)。该计划的目标在于通过基因工程对植
物进行改造，对能源采集与转化过程进行优化配置，
刘　斌，等：基于文献计量学的能源植物国际研究趋势与发展格局第5期 535
表
1
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》
[2
] 。
生命科学 第26卷536
提高其能源采集效率，并达到直接转化燃料、降低
燃料成本的目的。2012年，USDA与 DOE联合投
资 4 100万美元，助力生物燃料和生物基产品的高
效开发，其中包括生物质研发计划和生物能源植物
原料基因组研究计划。
2.1.2　中国
2012年 6月，中国科技部发布《生物质能源
科技发展“十二五”重点专项规划》，其中提出“必
须加快新型能源植物的规模化培育、加强生物质高
效转化技术创新、推进液体燃料等生物质能源产品
规模化生产与示范”，主要任务包括“高生物量能
源植物培育与能化产品生产培育和能源微藻育种与
生物炼制”。同年 7月，中国国务院发布《“十二五”
国家战略性新兴产业发展规划》，指出“加强下一
图1 2004~2013年能源植物相关论文发表数量年度趋势
图2 能源植物相关论文发表数量排名前10国家/地区
刘　斌，等：基于文献计量学的能源植物国际研究趋势与发展格局第5期 537
来说，其前景都是尽可能地转化为生物能源或生物
化工产品，以达到提高可再生能源供给量的目标，
因此大部分的研究人员关注能源植物在能源燃料方
面的开发利用，而主要的手段主要利用化学、生物
技术与微生物学等技术。生物技术 (尤其是应用微
生物学 )为能源植物向生物燃料的转化提供了强有
力的支持。无论是测序技术、遗传工程还是代谢工
程，都会对其改良、培育与转化产生巨大的推动力，
所以人们也非常关注生物技术、应用微生物学、生
物化学与分子生物学在该领域产生的深远影响。此
外，海洋与淡水生物学的出现可能表明藻类等水生
能源植物研究方向的兴起。
随着各国对能源植物和生物质能源的日益重视
与不断投入，以及基因组技术和生物合成技术的大
幅进步，从事该领域的研究人员不断增加，且新出
现的研究人员比重较大，约占总数的 75%以上 (图
4)。在这些研究人员的推动下，该领域的研究进展
由传统的筛选与培育向全基因组测序和分子层面的
作物改良逐步迈进，其中也不乏能源植物转化为生
物能源的新式预处理方法。从研究机构的角度出发，
USDA(及其下属的农业研究服务局 )、中国科学院
和 DOE(及其下属的实验室 )仍然是该领域的引领
者，以伊利诺伊大学 (及其分校 )、密歇根州立大
学和爱荷华州立大学为代表的美国“生物能源州”
高校同样体现出了该领域的研发优势，巴西圣保罗
大学 (Universidade de Sao Paulo)、荷兰瓦赫宁根大
代生物燃料技术开发，推进纤维素制乙醇、微藻生
物柴油产业化。开展重点地区生物质资源详查评价，
鼓励利用边际性土地和近海海洋种植能源作物和能
源植物”。
2.1.3　欧洲
2011年 3月，英国生物技术与生物科学研究
委员会 (Biotechnology and Biological Sciences Research
Council, BBSRC)的可持续生物能源中心 (BBSRC
Sustainable Bioenergy Centre, BSBEC)对芒草和柳树
种植策略方面的研究进行了资助，其目的在于开发
出气候条件耐受性和产能较高的新品种。2014年
1月，中欧生物质大会报告总结了全球的生物质政
策，其中提到“尽管有许多技术问题尚未解决，但
用于生产能源的农业残余物和新能源作物 (如速生
树种或草类 )已日益增多；在许多地区，生物气 (沼
气 )已经成为腐败废料、复合残留物和能源植物生
产能源的主要方式之一”。
2.2　重点研究方向与重要研究进展
当前，能源植物相关论文主要集中在农学
(6 035篇 )、生物技术与应用微生物学 (4 681篇 )、
能源燃料 (2 438篇 )、植物科学 (1 261篇 )等研究
方向 (图 3)。从能源植物的研究来源和范围来看，
这些论文出现在农学、植物科学、环境科学和生态
学等研究方向，并且部分能源植物同样属于粮食作
物，所以食品科学技术和营养与饮食学的出现也是
比较合理的。从能源植物的研究目的和产业化方向
图3 能源植物相关论文发表数量排名前10研究方向
生命科学 第26卷538
学研究中心 (Wageningen University Research Center)
等是南美洲和欧洲高校研发机构的代表，法国农业
科学院 (National Agronomic Research Institute, INRA)
作为法国的国立研究机构取得了较多的技术突破。
2.2.1　遗传改良与环境外因研究
2012年 2月，美国伊利诺伊大学的研究人员
从温、热带的玉米杂交组合中择优培育了一种新型
的玉米杂交品种。该品种的生物质不仅具备生产乙
醇的潜力，而且其乙醇产能水平等同于甚至高于当
前的商业玉米杂交品种，非常富有市场竞争力 [3]。
2013年 1月，英国阿伯里斯特威斯大学 (Aberystwyth
University)的科研人员在研究能源作物荻草 (Miscanthus
sacchariflorus)时发现，延迟花期可使其产量增加
50%。因为产量的增加意味着商业可行性的增加，
因此该发现对于生物燃料的生产来说极具意义 [4]。
同年 5月，爱尔兰国立大学高威分校的科学家与印
度、法国等公司和研究机构开发出对向日葵进行非
转基因遗传改良的方法。这种新式技术利用植物自
身的基因来提高其品质，培育新的遗传性状，从经
济性的角度提高了向日葵这种能源植物的利用价
值 [5]。2013年年底，比利时法兰德斯生物技术中心
(VIB)、根特大学与法国农业科学研究院联合开展
的转基因杨树田间试验结果表明，经过木质素改良
的杨树能够更为高效地用于生物塑料和生物乙醇等
生物基产品的生产 [6]。
2.2.2　全基因组测序与功能分析
早在 2010年 7月，USDA农业研究局 (Agricultural
Research Service, ARS)的研究人员就在 Genetics期
刊上发布了柳枝稷的遗传图谱 [7]。2011年 11月，
美国弗吉尼亚州理工学院的研究团队鉴定出杨树中
有关木材形成的基因，这有助于提高生物燃料生
产原料的质量与数量。除杨树外，其研究对象还
涵盖了柳枝稷、芒草、甘蔗、高粱和短柄草等这
类潜在的能源作物 [8]。2012年 1月，BSBEC发现
了一个基因家族，可用于改良食用和生物能源草
本植物的品质。该基因家族能够控制水稻、小麦等
草本植物的纤维和木质发育，这对于今后开发它们
生产生物能源的特性来说具有重大意义 [9]。同年 2
月，美国佐治亚大学的科研人员绘制出了芒属植物
(Miscanthus x giganteus)两个祖细胞的基因组图谱。
这项研究能够帮助人类使这类植物“扬长避短”，
从而加速其向生物能源的转化利用 [10]。时隔一个月，
英美的研究人员通力合作，全面完成了芒草的首个
高分辨率遗传图谱，这是一个能够推动生物燃料生
产的重大突破和里程碑事件 [11]。2012年 8月，美
国康奈尔大学的科研团队利用最新绘制的灌木柳基
因组图谱对其杂交优势与产量展开研究。这一进展
有望让灌木柳提前数年成为商业化的生物燃料原
图4 能源植物相关论文的研究人员数量与结构的年度趋势
刘　斌，等：基于文献计量学的能源植物国际研究趋势与发展格局第5期 539
料。2013年 6月，我国科学家在国际上率先构建了
谷子的单倍体型图谱，并对 47个主要的农艺性状
进行了全基因组关联分析。该研究成果为谷子的基
因挖掘与遗传改良奠定了坚实的数据基础，也将对
未来禾谷类作物的品种改良以及能源作物的遗传解
析产生深远影响 [12]。
2.2.3　预处理方法及转化效率创新
2013年 4月，美国弗吉尼亚理工大学与河南
农业大学等机构的科研人员通过非天然的合成酶途
径，采用一步催化法将预处理后的生物质纤维素转
化成淀粉。该研究预示，基于同步酶催化转化和微
生物发酵的下一代生物合成技术有望同时解决粮
食、生物燃料和环境的三方需求 [13]。同年 5月，
DOE联合生物能源研究所 (Joint BioEnergy Institute,
JBEI)的研究团队开发出一种在室温条件下利用离
子液体对纤维素进行预处理的新式技术。这种新技
术不需要在预处理的过程中添加昂贵的酶，而且离
子液本身可回收利用，降低了能源作物转化过程中
的预处理成本 [14]。与此同时，伊利诺伊大学的研究
人员研制出一项兼具环境效益和经济效益的芒草预
处理新型工艺。他们利用丁二烯砜的水溶液对生物
质进行预处理，从而达到降解植物细胞壁的目的。
实验数据显示，该方法具备去除半纤维素和木质素
以及保留纤维素的潜在能力，不仅能够去除 58%
的木质素和 91%的半纤维素，而且纤维素的留存
高达 90%~99% [15]。2013年 11月，美国斯克里普
斯海洋学研究所的科研团队开发出一种能够极大地
提高海洋小海藻生产生物燃料效率的新方法。实验
证明，代谢工程对于增加脂质产量与降低生物燃料
成本的效果显著。除此之外，由于在研究中使用了
高效的筛选过程，该方法也大大提高了藻类生物燃
料作物自身的生长速度 [16]。2014年 1月，美国威
斯康星大学麦迪逊分校的科学家开发出一种生产浓
缩糖的工艺，有助于促进生物燃料的发展。研究小
组在文章中阐明其如何利用 γ-戊内酯 (GVL)对植
物体进行拆解，并转化为糖类，以通过化学或生物
方法生产生物燃料 [17]。美国北卡罗来纳州立大学的
研究人员开发了一种简单、高效且相对廉价的新技
术，能够从能源植物原料中移除木质素，从而降低
生物燃料的生产成本 [18]。澳大利亚莫道克大学
(Murdoch University)与日本筑波大学 (University of
Tsukuba)也在此合作，研制出一种非破坏性的藻类
油分萃取技术，以 5 d为周期重复从藻类中提取油
类组分而不会对藻类造成破坏。这种类似于“挤牛
奶”的方法显著提高了微藻碳氢化合物的产率，克
服了高产油藻类 Botryococcus braunii生长缓慢而无
法用于生物燃料商业化生产的缺陷。
2.3　研究热词变化趋势
在论文研究中，关键词用于标识论文非常重要
的要素和属性，对其进行分析可以鲜明而直观地表
述论文论述的主题。近 10年来，能源植物相关论
文中出现频次最高的前 10个关键词 /附加关键词
(key words plus)表明，当前研发过程中主要关注的
能源作物原料包括生物质、微藻和玉米秸秆等，技
术过程涵盖预处理、发酵、酶解等，生产的生物燃
料产品主要有乙醇和生物柴油等。此外，效能、消
化率也是人们的聚焦点 (表 2)。
除了考虑高频词之外，也要注意到能源植物相
关论文中近 3年新出现的高频关键词 /附加关键词
(见表 3)，这可能代表该领域的未来研究方向或发
展趋势。这些关键词表明，微藻生物质、拜式梭菌
和酿酒酵母 424a (Lnh-St)近年来受到越来越多的重
视。此外，生物质生产力、技术经济分析和海洋酸
化是人们日益关注的经济环境问题，催化剂、水热
表2 能源植物相关论文中出现的高频关键词
排名 关键词 中文译注 附加关键词 中文译注
1 Ethanol 乙醇 Biomass 生物质
2 Biodiesel 生物柴油 Growth 发育
3 Microalgae 微藻 Fermentation 发酵
4 Biomass 生物质 Corn Stover 玉米秸秆
5 Biofuel 生物燃料 Ethanol-Production 乙醇生产
6 Digestibility 消化率 Ethanol 乙醇
7 Bioethanol 生物乙醇 Performance 效能
8 Pretreatment 预处理 Digestibility 消化率
9 Bioenergy 生物能 Enzymatic-Hydrolysis 酶解
10 Enzymatic Hydrolysis 酶解 Protein 蛋白质
生命科学 第26卷540
液化和脂质提取等是目前能源作物转化的技术重点
和关键，分子标记等手段已被引入能源植物开发、
培育和改良。
从能源植物相关论文的研究术语结构可以发
现，该领域拥有较强的研究活跃度。不仅领域研究
术语的数量增长迅速，而且每年新出现的研究术语
占总体数量的 60%以上 (图 5)。
3　结论与展望
尽管在能源植物的开发利用方面还存在一些技
术问题，但从论文的角度可以发现，该领域正处于
快速发展阶段。随着各国对生物能源的日益重视，
对相关技术研发的进一步投入，以及对经济效益、
环境效益和社会效益的多重需求，能源作物将拥有
广阔的应用范围与市场前景。
我国能源植物的产业链构建中主要存在两个问
题。其一是由于我国确立了“不与人争粮，不与粮
争地”的发展原则以保证粮食安全，因此国外广泛
利用玉米等粮食作物来制备生物乙醇的工艺并不适
合我国的基本国情；其二是由于高新技术的匮乏，
加工工艺不是很成熟，这就导致了原料转化率低的
问题，使得相对稀缺的原料资源产生了较大的损耗
表3 能源植物相关论文中近3年新出现的高频关键词
排名 关键词 中文译注 附加关键词 中文译注
1 Biochar 生物炭 Lipid Extraction 脂质提取
2 Catalyst 催化剂 Recalcitrance 顽抗
3 Nutrient Removal 脱氮除磷 Technoeconomic Analysis 技术经济分析
4 Hydrothermal Liquefaction 水热液化 Hydrothermal Liquefaction 水热液化
5 Biomass Productivity 生物质生产力 Saccharomyces-cerevisiae 424a (Lnh-St) 酿酒酵母424a (Lnh-St)
6 Fermentable Sugars 可发酵糖 Diesel 柴油
7 Reducing Sugar 还原糖 Microalgal Biomass 微藻生物质
8 Ocean Acidification 海洋酸化 Molecular Markers 分子标记
9 Neutral Lipids 中性脂质 Antioxidant Activities 抗氧化活性
10 Clostridium beijerinckii 拜式梭菌 Triacylglycerol Accumulation 甘油三酯积累
图5 能源植物相关论文的研究术语结构
刘　斌，等：基于文献计量学的能源植物国际研究趋势与发展格局第5期 541
与浪费。如果我国想在能源作物和生物质能源领域
走得更为长远，建议在保证政策与资金支持的前提
下，大力发展具有自主知识产权的关键技术，打破
国外公司垄断的行业壁垒，通过生物技术等手段对
能源植物进行改良，使其可以生长在边际土地上，
并提高原料的转化效率，走出一条符合我国基本国
情的独特研发道路。
[参　考　文　献]
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