情报土壤分析环境领域一中国装备专利监测

土壤环境动态数据可为农业可持续发展和环境管理决策提供科学依据。中国装备专利研发成本低、土壤性能稳定且精度高的环境土壤监测装备是实现土壤数据快速获取的关键。基于incoPat科技创新情报平台，监测检索了2000年至2019年期间国内外土壤环境监测装备的领域专利产出，对专利申请数量、情报技术构成、分析区域分布、中国装备专利主要申请人、土壤法律状态等方面进行了分析，环境以揭示中国土壤环境监测装备领域的监测研发状况、技术发展趋势和产学研合作情况。领域结果表明，情报近年来，分析中国土壤环境监测装备领域专利数量急剧增加；土壤监测指标从土壤肥力指标向污染物和生物监测指标拓展，中国装备专利结合现代信息技术等新兴技术发展智能化的原位监测装备正在发展，新的研发充分考虑了定性与定量的结合；我国在土壤环境监测装备领域的专利申请人多隶属高校和科研院所，企业参与度较低。综上，土壤污染物和生物指标的监测已成为焦点，生物和信息新技术成果正逐步引入土壤环境监测设备的开发；中国在土壤环境监测装备领域的产学研合作研发亟需加强。

土壤是人类赖以生存的自然资源之一，也是经济社会可持续发展的物质基础，土壤环境质量关系到食品安全和人类生存环境。土壤环境监测是指通过对影响土壤环境质量因素的代表值的测定，确定土壤环境质量及其变化趋势。土壤环境监测指标涵盖环保部门关注的污染物水平及其积累、转化或降解过程和农林业侧重的土壤肥力。土壤环境监测数据的获取不仅为防控土壤退化和污染提供决策依据，而且能够为农产品产地安全和环境执法提供有效证据。国家《土壤污染防治行动计划》提出在全国范围内开展土壤污染调查，掌握土壤环境质量状况，建立十年一次的土壤环境质量状况定期调查制度。实时、有效地获取土壤环境信息是精准农业和污染防治发展的需求，研发成本较低和性能稳定的土壤环境监测装备是实现智慧农业和环境管理决策的有力保障。

专利文献是科技信息的重要载体和重要表现形式，专利信息包含了全球90%以上的研发产出，它不仅能快速反映科学技术发展的最新前沿水平，也能反映企业的自主知识产权战略布局和市场地位。对相关研发领域的专利信息进行计量分析有助于了解和掌握研发领域的发展态势和研究热点，已经广泛应用于科学研发能力、技术领域、行业部门和企业水平的研究中，是当前信息情报研究的一种重要手段。本文基于土壤环境监测装备领域的全球专利申请趋势、技术构成、法律及运营等要素，同时结合土壤环境监测装备领域的主要发文机构间合作情况进行统计分析，以揭示该领域的专利现状和发展态势，提出未来研发建议与展望，以期为我国土壤环境监测装备与技术领域相关科研人员的研发和国家产业布局提供借鉴。

1材料与方法

1.1数据来源

本次专利检索分析，采用北京合享智慧科技有限公司开发的incoPat科技创新情报平台作为数据源，incoPat具有国内外较为完备的专利数据库，收录了全球112个国家、组织和地区1亿余件专利信息、专利文献，覆盖全面，准确性较高。采用模块检索策略，将土壤环境监测装备主题分成三个技术上有意义的独立块，每个块使用关键词和国际专利分类号组合。为保证专利文献检索的全面性，先分解检索要素，后在检索平台中“申请日”项中设定为“2000年1月1日—2019年11月30日”，检索式为“TI=((“土壤”or“耕地”or“农田”or“山地”or“草地”or“果园”or“菜地”or“菜园”or“林地”)And(“环境”or“养分”or“肥力”or“重金属”or“污染物”or“氮”or“磷”or“钾”or“pH”or“酸度”or“电导率”or“EC”or“有机质”)and国际专利分类(IPC)=(G01)”，统计全球专利申请情况。初步检索到的结果进行人工去噪并标引，最终获取中国土壤环境监测装备领域的相关专利2361件。

1.2分析方法

基于incoPat数据库的专利分析平台，利用Excel2016、VOSviewer分析软件对土壤环境监测装备领域相关专利数据进行计量统计和可视化分析。分别以专利申请量、申请人、区域布局、专利技术特征等为指标进行分析，揭示土壤环境监测装备领域的专利文献分布现状、竞争态势、主要的技术特征以及研究热点和研究发展趋势。

2结果

2.1全球土壤环境监测装备专利申请量的年度变化

对2000—2019年20年间的全球土壤环境监测装备专利申请量进行统计分析（图1）可以发现，全球土壤环境监测装备专利的年度申请量整体呈现快速上升的趋势。2000—2006年，专利申请量较少，专利申请人数量也较少；2007—2018年，随着土壤环境污染及监测分析的研究不断加强，专利申请量呈现指数型增长。2007—2008年，专利申请量从25件上升至42件，增幅为68%；2015—2016年，专利申请量再次快速增长，2016年申请量达352件，年增长幅度达64.49%，2017年和2018年的专利申请量处于高峰，申请量超过500件。中国在土壤环境监测装备领域的专利变化趋势同国际的发展趋势保持一致。2007—2018年，中国的土壤环境监测装备专利数量得到快速、大幅增加。2007—2008年和2015—2016年的申请量出现爆发式增长点，2018年的申请数量达到518件，其专利申请总量居于世界首位。中国是主要的专利布局国家，其次是美国和日本。

一种技术生命周期通常会经历技术萌芽期、发展期、成熟期和衰退期四个阶段。分析一种技术的专利申请量和申请人数的年度变化趋势，了解该技术处于生命周期哪种阶段，有助于为该领域研发及专利申请提供参考。从土壤环境监测装备专利技术生命周期分析（图1）而言，2008年之前，土壤环境监测装备领域的专利申请量和申请人数均较少，平均每年的申请数量不足30件，申请人数量不超过20人，说明处于技术引入阶段，这些专利基本是原理性的基础专利。2008年之后，专利申请量和申请人数量快速增加，技术分布的范围扩大，土壤环境监测装备技术进入技术发展期。2017—2018年，专利增长速度变慢，但专利申请数量和申请人数保持较高水平，由于从专利申请到公开有18个月的滞后期，2018、2019年的部分专利处于未公开状态，因此，2018和2019年专利数据仅供参考。目前，土壤环境监测装备技术处于发展阶段，专利申请量会保持增加。

2.2中国土壤环境监测装备的主要研究机构

土壤环境监测装备领域的申请人排名可反映该领域主要的研发机构及其竞争态势。研究涉及的机构主要包括高等院校、企业、科研单位等共1353家。图2统计了2000—2019年中国土壤环境监测装备领域专利申请总量前十（TOP10）的申请机构的年度申请情况，TOP10申请机构集中于高校和科研单位，其中有6家属于高校，4家属于科研机构。由此可见，土壤环境监测装备领域的技术研发和专利申请主要是由高校主导，也证实了中国高校和科研单位在该领域的重要研发地位。TOP10申请人的专利申请主要集中于2012年之后。2000—2019年中国农业大学的专利申请总量62件，其数量为位于第二位的中国水利水电科学研究所申请量的两倍。中国农业大学在2000年申请了1件土壤环境监测装备领域的实用新型专利，随后各个年度的申请数量较为平均，无明显的增长趋势。中国水利水电科学研究院在2017年申请量显著增加，高达16件，均为涉及土壤水分测量技术领域。

2.3中国土壤环境监测装备的专利技术领域

通过分析全球专利的技术构成（图3），土壤环境监测装备的技术主要集中在G01N（借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料）领域。中国在G01N技术领域上的专利高达2064件，占专利总量的87.42%；日本、美国分别是123、115件。图4为主要技术领域间的合作关系，图中每个节点表示一个技术领域，连线代表不同技术领域间存在合作关系，线宽越大则表示技术领域间合作关系越强。由图4可以看出涉及G01N33/24（地面材料）的专利申请量最大，G01N33/24、G08C17/02（用无线电线路）、G01D21/02（用不包括在其他单个小类中的装置来测量两个或更多个变量）彼此间存在合作关系，联系强度较大，构成一个三角形关系。表明这些领域间具有较高的技术关联性。根据不同的土壤环境监测指标，将G01N技术领域的专利主要细分为土壤物理性质测定、土壤化学性质测定、土壤养分指标监测、土壤污染物指标监测、土壤生物指标监测这五个技术主题。图5土壤物理性质占土壤环境监测的比例较大，超过50%，其中土壤水（相似概念还包括土壤湿度和墒情）是主要的监测指标。

土壤水是构成土壤生产力的重要因素，不仅影响土壤的物理性质，而且决定着土壤中养分的迁移、转化和微生物活动。目前土壤水的监测方法主要有传统的烘干称重法，基于介电特性测量的时域反射（TDR，TimeDomainReflectometry）、频域反射（FDR，FrequencyDomainReflectometry）、时域传播（TDT，TimeDomainTransmission）、探地雷达（GPR，GroundPenetratingRadar）等方法，基于中子测量的有源中子仪（ND，NeutronDetector）法和宇宙射线中子（CRNP，CosmicRayNeutronProbe）法、基于土水势的张力计法，以及电法、磁法、热法和大尺度的遥感等方法。其次为土壤污染物监测领域，包括有机污染物和重金属的监测，重金属监测装备占比较大，达到65.18%（图5），主要涉及汞、砷、铅、镉、铜、锌、镍等重金属的监测。传统的测定土壤重金属的方法多采用原子吸收光谱、原子荧光光谱、电感耦合等离子体发射光谱等化学分析仪器。快速监测土壤重金属的方法包括X射线荧光光谱法、激光诱导击穿光谱技术、酶抑制法、生物传感器等，快速监测土壤重金属具备快速、精度高、智能化等优点，是一个重要的研究发展方向。土壤中的主要有机污染物一般具可挥发性，挥发性污染物是重要监测对象。污染物监测主要集中于多环芳烃、农药、三氯乙醛、石油、多氯联苯、甲烷等可挥发性有机污染物。气相色谱法、气相色谱-质谱法、高效液相色谱法是测定土壤有机污染物的常用方法。

土壤化学性质的测定主要分布在土壤酸碱度、电导率方面。土壤酸碱度是土壤化学环境最重要和直接的反映，其占比达到76.96%（图5）。通过以土壤实时、准确的养分分布监测数据为基础，快速、稳定获得土壤养分信息是实现精准施肥的第一步。目前土壤养分指标的监测主要集中在有机质、有效氮、全氮的测量。其中，光谱分析是目前应用广泛的快速测定方法之一。通过可见/近红外光谱、中红外光谱，可有效检测土壤中的总碳、有机碳以及无机碳的快速测定；傅里叶变换中红外衰减全反射光谱在土壤氮含量的测定中显示出优势；除此之外，土壤质地、土壤pH以及土壤阳离子交换量等与土壤养分相关的属性也可通过红外光谱方法进行表征和测定。有效磷和速效钾测定技术领域的专利相对较少，但近年来，激光诱导击穿光谱方法也用来测定土壤磷、钾、钙、镁及铁等元素含量。土壤生物指标监测的专利占比为6.69%（图5），所占比例较低。土壤生物指标检测项包括土壤微生物生物量碳氮、微生物群落结构、土壤呼吸、微生物活性、生物量等，表明研究者增加对土壤生物及其在土壤关键过程中作用的关注度。除上述4个技术主题外，土壤环境监测装备还包括土壤环境监测系统、土壤样品采集制备。土壤环境监测系统能够测定土壤相关的多个参数，可远程实时监控，监测范围广、数据准确、便于维护。将信息化技术应用于农田土壤环境监测，实现农业信息化。土壤样品采集制备主要涉及环境检测的土壤取样装置，现有的土壤采样装置主要有手工采样器和机械取样装置。

技术功效矩阵分析有助于寻找技术空白点、热点和突破点，从土壤环境监测领域专利的技术功效矩阵分布图（图6）可以看出，土壤理化性质监测技术的研究是土壤环境监测领域的重点和热点，主要包括土壤含水量或墒情、温度、酸碱度等指标的监测；土壤污染物监测技术的关注度仅次于土壤理化性质监测，包括重金属和有机污染物监测；土壤养分指标监测的技术申请相对较少，土壤生物监测技术的申请最少。在功能改进方面，提高精度和提高效率是土壤理化性质监测技术研究的重点和热点，无线传输和扩大监测范围也得到极大关注；土壤污染物监测研究关注的重点是提高精度、提高效率和易于操作，一些研究也关注到扩大监测范围、原位监测、便携式和提高监测安全性等方面；土壤养分监测技术研发工作主要集中在提高效率和提高精度方面；土壤生物指标监测重点是提高监测的准确性和提高效率方面。其他技术主要包括土壤采样设备、土壤环境监测系统等，关注的焦点是提高精度、提高效率和易操作方面；其他功效的研发主要包括降低设备功耗、多参数集成、自动化等方面。

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