土壤環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)可為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境管理決策提供科學(xué)依據(jù)。研發(fā)成本低、性能穩(wěn)定且精度高的土壤監(jiān)測裝備是實現(xiàn)土壤數(shù)據(jù)快速獲取的關(guān)鍵?；趇ncoPat科技創(chuàng)新情報平臺，檢索了2000年至2019年期間國內(nèi)外土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的專利產(chǎn)出，對專利申請數(shù)量、技術(shù)構(gòu)成、區(qū)域分布、主要申請人、法律狀態(tài)等方面進行了分析，以揭示中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的研發(fā)狀況、技術(shù)發(fā)展趨勢和產(chǎn)學(xué)研合作情況。結(jié)果表明，近年來，中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量急劇增加；土壤監(jiān)測指標(biāo)從土壤肥力指標(biāo)向污染物和生物監(jiān)測指標(biāo)拓展，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)等新興技術(shù)發(fā)展智能化的原位監(jiān)測裝備正在發(fā)展，新的研發(fā)充分考慮了定性與定量的結(jié)合；我國在土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利申請人多隸屬高校和科研院所，企業(yè)參與度較低。綜上，土壤污染物和生物指標(biāo)的監(jiān)測已成為焦點，生物和信息新技術(shù)成果正逐步引入土壤環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)；中國在土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)亟需加強。

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，也是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤環(huán)境質(zhì)量關(guān)系到食品安全和人類生存環(huán)境。土壤環(huán)境監(jiān)測是指通過對影響土壤環(huán)境質(zhì)量因素的代表值的測定，確定土壤環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢。土壤環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)涵蓋環(huán)保部門關(guān)注的污染物水平及其積累、轉(zhuǎn)化或降解過程和農(nóng)林業(yè)側(cè)重的土壤肥力。土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取不僅為防控土壤退化和污染提供決策依據(jù)，而且能夠為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全和環(huán)境執(zhí)法提供有效證據(jù)。國家《土壤污染防治行動計劃》提出在全國范圍內(nèi)開展土壤污染調(diào)查，掌握土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，建立十年一次的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況定期調(diào)查制度。實時、有效地獲取土壤環(huán)境信息是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和污染防治發(fā)展的需求，研發(fā)成本較低和性能穩(wěn)定的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理決策的有力保障。

專利文獻是科技信息的重要載體和重要表現(xiàn)形式，專利信息包含了全球90%以上的研發(fā)產(chǎn)出，它不僅能快速反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新前沿水平，也能反映企業(yè)的自主知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略布局和市場地位。對相關(guān)研發(fā)領(lǐng)域的專利信息進行計量分析有助于了解和掌握研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢和研究熱點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研發(fā)能力、技術(shù)領(lǐng)域、行業(yè)部門和企業(yè)水平的研究中，是當(dāng)前信息情報研究的一種重要手段。本文基于土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的全球?qū)＠暾堏厔荨⒓夹g(shù)構(gòu)成、法律及運營等要素，同時結(jié)合土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的主要發(fā)文機構(gòu)間合作情況進行統(tǒng)計分析，以揭示該領(lǐng)域的專利現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢，提出未來研發(fā)建議與展望，以期為我國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備與技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)科研人員的研發(fā)和國家產(chǎn)業(yè)布局提供借鑒。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本次專利檢索分析，采用北京合享智慧科技有限公司開發(fā)的incoPat科技創(chuàng)新情報平臺作為數(shù)據(jù)源，incoPat具有國內(nèi)外較為完備的專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球112個國家、組織和地區(qū)1億余件專利信息、專利文獻，覆蓋全面，準(zhǔn)確性較高。采用模塊檢索策略，將土壤環(huán)境監(jiān)測裝備主題分成三個技術(shù)上有意義的獨立塊，每個塊使用關(guān)鍵詞和國際專利分類號組合。為保證專利文獻檢索的全面性，先分解檢索要素，后在檢索平臺中“申請日”項中設(shè)定為“2000年1月1日—2019年11月30日”，檢索式為“TI=((“土壤”or“耕地”or“農(nóng)田”or“山地”or“草地”or“果園”or“菜地”or“菜園”or“林地”)And(“環(huán)境”or“養(yǎng)分”or“肥力”or“重金屬”or“污染物”or“氮”or“磷”or“鉀”or“pH”or“酸度”or“電導(dǎo)率”or“EC”or“有機質(zhì)”)and國際專利分類(IPC)=(G01)”，統(tǒng)計全球?qū)＠暾埱闆r。初步檢索到的結(jié)果進行人工去噪并標(biāo)引，最終獲取中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的相關(guān)專利2361件。

1.2分析方法

基于incoPat數(shù)據(jù)庫的專利分析平臺，利用Excel2016、VOSviewer分析軟件對土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域相關(guān)專利數(shù)據(jù)進行計量統(tǒng)計和可視化分析。分別以專利申請量、申請人、區(qū)域布局、專利技術(shù)特征等為指標(biāo)進行分析，揭示土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利文獻分布現(xiàn)狀、競爭態(tài)勢、主要的技術(shù)特征以及研究熱點和研究發(fā)展趨勢。

2結(jié)果

2.1全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請量的年度變化

對2000—2019年20年間的全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利申請量進行統(tǒng)計分析（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，全球土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利的年度申請量整體呈現(xiàn)快速上升的趨勢。2000—2006年，專利申請量較少，專利申請人數(shù)量也較少；2007—2018年，隨著土壤環(huán)境污染及監(jiān)測分析的研究不斷加強，專利申請量呈現(xiàn)指數(shù)型增長。2007—2008年，專利申請量從25件上升至42件，增幅為68%；2015—2016年，專利申請量再次快速增長，2016年申請量達352件，年增長幅度達64.49%，2017年和2018年的專利申請量處于高峰，申請量超過500件。中國在土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利變化趨勢同國際的發(fā)展趨勢保持一致。2007—2018年，中國的土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利數(shù)量得到快速、大幅增加。2007—2008年和2015—2016年的申請量出現(xiàn)爆發(fā)式增長點，2018年的申請數(shù)量達到518件，其專利申請總量居于世界首位。中國是主要的專利布局國家，其次是美國和日本。

一種技術(shù)生命周期通常會經(jīng)歷技術(shù)萌芽期、發(fā)展期、成熟期和衰退期四個階段。分析一種技術(shù)的專利申請量和申請人數(shù)的年度變化趨勢，了解該技術(shù)處于生命周期哪種階段，有助于為該領(lǐng)域研發(fā)及專利申請?zhí)峁﹨⒖?。從土壤環(huán)境監(jiān)測裝備專利技術(shù)生命周期分析（圖1）而言，2008年之前，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的專利申請量和申請人數(shù)均較少，平均每年的申請數(shù)量不足30件，申請人數(shù)量不超過20人，說明處于技術(shù)引入階段，這些專利基本是原理性的基礎(chǔ)專利。2008年之后，專利申請量和申請人數(shù)量快速增加，技術(shù)分布的范圍擴大，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)進入技術(shù)發(fā)展期。2017—2018年，專利增長速度變慢，但專利申請數(shù)量和申請人數(shù)保持較高水平，由于從專利申請到公開有18個月的滯后期，2018、2019年的部分專利處于未公開狀態(tài)，因此，2018和2019年專利數(shù)據(jù)僅供參考。目前，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備技術(shù)處于發(fā)展階段，專利申請量會保持增加。

2.2中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的主要研究機構(gòu)

土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的申請人排名可反映該領(lǐng)域主要的研發(fā)機構(gòu)及其競爭態(tài)勢。研究涉及的機構(gòu)主要包括高等院校、企業(yè)、科研單位等共1353家。圖2統(tǒng)計了2000—2019年中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭壳笆═OP10）的申請機構(gòu)的年度申請情況，TOP10申請機構(gòu)集中于高校和科研單位，其中有6家屬于高校，4家屬于科研機構(gòu)。由此可見，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和專利申請主要是由高校主導(dǎo)，也證實了中國高校和科研單位在該領(lǐng)域的重要研發(fā)地位。TOP10申請人的專利申請主要集中于2012年之后。2000—2019年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的專利申請總量62件，其數(shù)量為位于第二位的中國水利水電科學(xué)研究所申請量的兩倍。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在2000年申請了1件土壤環(huán)境監(jiān)測裝備領(lǐng)域的實用新型專利，隨后各個年度的申請數(shù)量較為平均，無明顯的增長趨勢。中國水利水電科學(xué)研究院在2017年申請量顯著增加，高達16件，均為涉及土壤水分測量技術(shù)領(lǐng)域。

2.3中國土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的專利技術(shù)領(lǐng)域

通過分析全球?qū)＠募夹g(shù)構(gòu)成（圖3），土壤環(huán)境監(jiān)測裝備的技術(shù)主要集中在G01N（借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來測試或分析材料）領(lǐng)域。中國在G01N技術(shù)領(lǐng)域上的專利高達2064件，占專利總量的87.42%；日本、美國分別是123、115件。圖4為主要技術(shù)領(lǐng)域間的合作關(guān)系，圖中每個節(jié)點表示一個技術(shù)領(lǐng)域，連線代表不同技術(shù)領(lǐng)域間存在合作關(guān)系，線寬越大則表示技術(shù)領(lǐng)域間合作關(guān)系越強。由圖4可以看出涉及G01N33/24（地面材料）的專利申請量最大，G01N33/24、G08C17/02（用無線電線路）、G01D21/02（用不包括在其他單個小類中的裝置來測量兩個或更多個變量）彼此間存在合作關(guān)系，聯(lián)系強度較大，構(gòu)成一個三角形關(guān)系。表明這些領(lǐng)域間具有較高的技術(shù)關(guān)聯(lián)性。根據(jù)不同的土壤環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，將G01N技術(shù)領(lǐng)域的專利主要細分為土壤物理性質(zhì)測定、土壤化學(xué)性質(zhì)測定、土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測、土壤污染物指標(biāo)監(jiān)測、土壤生物指標(biāo)監(jiān)測這五個技術(shù)主題。圖5土壤物理性質(zhì)占土壤環(huán)境監(jiān)測的比例較大，超過50%，其中土壤水（相似概念還包括土壤濕度和墑情）是主要的監(jiān)測指標(biāo)。

土壤水是構(gòu)成土壤生產(chǎn)力的重要因素，不僅影響土壤的物理性質(zhì)，而且決定著土壤中養(yǎng)分的遷移、轉(zhuǎn)化和微生物活動。目前土壤水的監(jiān)測方法主要有傳統(tǒng)的烘干稱重法，基于介電特性測量的時域反射（TDR，TimeDomainReflectometry）、頻域反射（FDR，F(xiàn)requencyDomainReflectometry）、時域傳播（TDT，TimeDomainTransmission）、探地雷達（GPR，GroundPenetratingRadar）等方法，基于中子測量的有源中子儀（ND，NeutronDetector）法和宇宙射線中子（CRNP，CosmicRayNeutronProbe）法、基于土水勢的張力計法，以及電法、磁法、熱法和大尺度的遙感等方法。其次為土壤污染物監(jiān)測領(lǐng)域，包括有機污染物和重金屬的監(jiān)測，重金屬監(jiān)測裝備占比較大，達到65.18%（圖5），主要涉及汞、砷、鉛、鎘、銅、鋅、鎳等重金屬的監(jiān)測。傳統(tǒng)的測定土壤重金屬的方法多采用原子吸收光譜、原子熒光光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜等化學(xué)分析儀器。快速監(jiān)測土壤重金屬的方法包括X射線熒光光譜法、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、酶抑制法、生物傳感器等，快速監(jiān)測土壤重金屬具備快速、精度高、智能化等優(yōu)點，是一個重要的研究發(fā)展方向。土壤中的主要有機污染物一般具可揮發(fā)性，揮發(fā)性污染物是重要監(jiān)測對象。污染物監(jiān)測主要集中于多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、三氯乙醛、石油、多氯聯(lián)苯、甲烷等可揮發(fā)性有機污染物。氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、高效液相色譜法是測定土壤有機污染物的常用方法。

土壤化學(xué)性質(zhì)的測定主要分布在土壤酸堿度、電導(dǎo)率方面。土壤酸堿度是土壤化學(xué)環(huán)境最重要和直接的反映，其占比達到76.96%（圖5）。通過以土壤實時、準(zhǔn)確的養(yǎng)分分布監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，快速、穩(wěn)定獲得土壤養(yǎng)分信息是實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的第一步。目前土壤養(yǎng)分指標(biāo)的監(jiān)測主要集中在有機質(zhì)、有效氮、全氮的測量。其中，光譜分析是目前應(yīng)用廣泛的快速測定方法之一。通過可見/近紅外光譜、中紅外光譜，可有效檢測土壤中的總碳、有機碳以及無機碳的快速測定；傅里葉變換中紅外衰減全反射光譜在土壤氮含量的測定中顯示出優(yōu)勢；除此之外，土壤質(zhì)地、土壤pH以及土壤陽離子交換量等與土壤養(yǎng)分相關(guān)的屬性也可通過紅外光譜方法進行表征和測定。有效磷和速效鉀測定技術(shù)領(lǐng)域的專利相對較少，但近年來，激光誘導(dǎo)擊穿光譜方法也用來測定土壤磷、鉀、鈣、鎂及鐵等元素含量。土壤生物指標(biāo)監(jiān)測的專利占比為6.69%（圖5），所占比例較低。土壤生物指標(biāo)檢測項包括土壤微生物生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤呼吸、微生物活性、生物量等，表明研究者增加對土壤生物及其在土壤關(guān)鍵過程中作用的關(guān)注度。除上述4個技術(shù)主題外，土壤環(huán)境監(jiān)測裝備還包括土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、土壤樣品采集制備。土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠測定土壤相關(guān)的多個參數(shù)，可遠程實時監(jiān)控，監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便于維護。將信息化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田土壤環(huán)境監(jiān)測，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化。土壤樣品采集制備主要涉及環(huán)境檢測的土壤取樣裝置，現(xiàn)有的土壤采樣裝置主要有手工采樣器和機械取樣裝置。

技術(shù)功效矩陣分析有助于尋找技術(shù)空白點、熱點和突破點，從土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)功效矩陣分布圖（圖6）可以看出，土壤理化性質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研究是土壤環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的重點和熱點，主要包括土壤含水量或墑情、溫度、酸堿度等指標(biāo)的監(jiān)測；土壤污染物監(jiān)測技術(shù)的關(guān)注度僅次于土壤理化性質(zhì)監(jiān)測，包括重金屬和有機污染物監(jiān)測；土壤養(yǎng)分指標(biāo)監(jiān)測的技術(shù)申請相對較少，土壤生物監(jiān)測技術(shù)的申請最少。在功能改進方面，提高精度和提高效率是土壤理化性質(zhì)監(jiān)測技術(shù)研究的重點和熱點，無線傳輸和擴大監(jiān)測范圍也得到極大關(guān)注；土壤污染物監(jiān)測研究關(guān)注的重點是提高精度、提高效率和易于操作，一些研究也關(guān)注到擴大監(jiān)測范圍、原位監(jiān)測、便攜式和提高監(jiān)測安全性等方面；土壤養(yǎng)分監(jiān)測技術(shù)研發(fā)工作主要集中在提高效率和提高精度方面；土壤生物指標(biāo)監(jiān)測重點是提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和提高效率方面。其他技術(shù)主要包括土壤采樣設(shè)備、土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等，關(guān)注的焦點是提高精度、提高效率和易操作方面；其他功效的研發(fā)主要包括降低設(shè)備功耗、多參數(shù)集成、自動化等方面。

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