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王紅彥1，王亞靜2，畢于運2，高春雨2
（1.中國農業科學院農業信息研究所，北京100081；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081）
摘要：[目的]通過專利分析揭示全球秸稈利用技術的研發現狀與態勢，為中國秸稈產業創新技術發展提供情報支撐。[方法]文章利用Derwent Innovation（DI）、德溫特數據分析軟件（Derwent Data Analyzer，DDA）、incoPat等專業分析工具和平臺，對申請年截止日期為2020年的全球秸稈利用專利申請趨勢、專利布局、重要申請人、技術發展態勢等內容進行深入分析。[結果]（1）截止2020年，中國秸稈利用發明專利數量為5.36萬件，占全球的76.80%，居第一。美國希樂克公司專利申請量居首位，中國科學院、中國農業科學院分列第二、第三位。中國專利申請呈“小而散”的特點。（2）中國秸稈利用專利布局主要在國內，涵蓋了“五料化”（肥料化、飼料化、燃料化、基料化、原料化）利用各領域，且以秸稈肥料化利用專利為主。（3）對全球排名前50申請人類型分析表明，國外申請人以企業為主，中國申請人類型則以高校和研究機構為主。（4）中國秸稈利用專利授權率20.49%，轉讓與許可專利比例僅為5.56%，與發達國家差距仍較大（美國73.67%）。[結論]中國是秸稈利用專利申請大國，但與發達國家相比，在專利質量、核心專利以及專利轉化方面仍存在高價值專利少、專利轉化水平低等一些問題，因此建議：（1）提高企業的研發水平，促進校企合作。（2）密切關注國際核心關鍵技術研發動態，增加自身核心專利或高影響力專利的數量。（3）發揮中國在秸稈肥料與秸稈建筑材料等利用技術方向的專利優勢，加速專利向產業轉化。
0引言
生物質資源是當今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。秸稈類生物質資源化利用技術是科學家們重點關注和研究的課題[1,2]。中國是農業大國，也是世界第一秸稈大國[3]。2020年全國秸稈資源可收集利用量7.22億t，秸稈利用量6.33億t，秸稈綜合利用率87.60%[4]，基本形成肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩步推進，基料化、原料化為輔的綜合利用格局。秸稈田間焚燒量約1.12億t，占全國秸稈理論資源總量的11.6%[5]。我國最早以秸稈禁燒（嚴禁焚燒秸稈）和綜合利用為專題內容的國家行政規范性文件于1997年發布[6,7]，近年來黨中央、國務院對秸稈資源管理達到了前所未有的重視程度，明確了要堅持秸稈還田利用與產業化開發相結合[8-10]，推動形成布局合理、多元利用的產業化發展格局，不斷提高秸稈綜合利用水平[11,12]，因此秸稈利用技術研發勢在必行。
目前秸稈類生物質利用技術的專利分析研究主要集中在能源化、肥料化利用方向。如Faba等[13]基于專利文獻分析了生物質轉化為燃料的催化技術領域最新進展，利用專利聚類方法分析了生物質制氫技術的發展歷程，明確了生物質制氫核心技術集群。國內學者也開展了纖維素乙醇[14]、生物質發電[15]、成型燃料[16]等生物質資源化利用技術的專利分析，為產業發展提供戰略情報信息。劉勤等[17,18]分別就中國秸稈資源化利用技術領域的授權發明專利和外觀設計專利數據進行挖掘分析；也有學者對秸稈制備緩沖包裝材料[19]與秸稈還田技術[20]進行了專利分析。但上述研究的范圍與時效對當前中國秸稈產業技術發展的情報支撐遠遠不夠，且全面分析秸稈資源化利用技術創新和發展態勢的研究屈指可數。文章基于專利文獻，從全球視角對秸稈利用技術專利研發趨勢、重要國家、重要申請人等內容進行深入分析，揭示全球秸稈利用技術的現狀與發展態勢，全面深層地挖掘秸稈利用技術專利信息以促進產業技術升級[21]，能夠在一定程度上喚醒“沉睡專利”，為研究和制定秸稈產業發展戰略，促進秸稈利用技術創新和成果轉化提供決策支撐。
1方法與數據來源
該研究采用專利分析方法，基于全球秸稈利用專利數據開展申請趨勢、專利布局、重要申請人、技術發展態勢分析等研究。分析工具包括德溫特創新索引（Derwent Innovation Index，DII）、德溫特數據分析軟件（Derwent Data Analyzer，DDA）、incoPat分析平臺以及MSExcel等。專利數據來源于德溫特創新索引（DII），是專利信息收錄最全面的數據庫之一。該文檢索策略中涉及農作物秸稈種類主要包括小麥、玉米、水稻、豆類、薯類、油料等。檢索字段包括標題與摘要，限定發明專利數據，專利檢索采用IPC國際分類號與關鍵詞檢索相結合的方式進行，檢索截止日期為申請年2020年，共檢索到發明專利7.28萬件，剔除不相關專利后剩余6.98萬件專利。鑒于專利申請到專利公開有18個月的滯后期，使得大量專利還處于未公開狀態，所以2018年及以后的數據僅供參考。
2結果與分析
2.1全球秸稈利用專利申請趨勢
2.1.1全球秸稈利用專利經歷3個發展階段
圖1顯示了1950—2020年全球秸稈利用專利的申請與授權情況，大致可分為萌芽階段、緩慢發展階段和快速增長階段。首先是1950—1980年的萌芽階段，該時期內全球秸稈利用專利數量很少，專利申請總量不足千件，主要集中在日本、美國和英國等國家。第二階段是1980—2000年的緩慢發展期。20世紀80年代全球秸稈利用專利申請量突破百件，各年專利申請量起伏不大，技術發展較為緩慢。2000年以后秸稈利用專利進入快速增長階段，2000—2020年的20年里全球秸稈利用技術專利申請量達到6.62萬件，占申請總量的94.86%，僅2018年全球秸稈利用專利申請量就達到8485件，表明全球秸稈利用技術專利申請在近20年呈現爆發式增長的趨勢。其主要原因是由于受到能源危機和環境污染的壓力，秸稈類生物資源利用技術發展迅速，秸稈產業形成一定規模。專利授權趨勢與專利申請趨勢大致保持一致，隨著秸稈利用專利申請基數的激增，全球秸稈利用專利授權率在2015年達到43.39%，達到近年來的峰值。總體來看，秸稈利用專利申請仍保持良好的增長勢頭，但增速放緩。
2.1.2秸稈利用專利全球布局情況
中國目前是世界第一秸稈大國[22]，但中國最早的秸稈利用技術專利出現在20世紀80年代，起步較晚。美國、日本、德國和英國等國家早在19世紀60—70年代就開始秸稈利用技術的研究工作并申請專利。20世紀90年代，隨著中國環境治理和秸稈禁燒政策的實施，科研機構和企業加大了對秸稈利用技術的研發力度。截止2020年，中國秸稈利用專利申請公開量為5.36萬件，占全球的76.80%，位居第一；美國秸稈利用技術專利公開數量2689件占全球3.85%，位居第二；韓國和日本秸稈申請量分別為2325件和1841件，分列第三和第四位；中美日韓4國秸稈利用技術專利申請數量占全球秸稈利用專利的90%以上（圖2）。
圖3顯示了2000年以來主要國家秸稈利用專利公開趨勢。可以看出，近年來美國、韓國和日本在秸稈利用技術領域的專利公開數量相對穩定，而中國秸稈利用專利公開量從2010年的1087件增長至2017年的8764件，增加了7倍多，成為全球秸稈利用專利公開數量的主要貢獻力量。
2.2重要申請人與重要專利分析
2.2.1重要申請人分析
表1重點分析了全球秸稈利用專利數量前10位的機構及其技術研發重點。從專利申請公開數量看，美國希樂克公司以專利申請量662件居第一位，中國科學院以658件居第二位，中國農業科學院、美國杜邦公司分別為第三位和第四位。專利公開量排名前10位的機構中，中國5家（專利公開量1851件），美國4家（專利公開量1533件），丹麥1家。希樂克公司、杜邦公司、諾維信公司在秸稈利用領域的專利主要集中在秸稈纖維素原料預處理與纖維素乙醇生產，中國科學院與中國農業科學院在秸稈利用技術領域的專利覆蓋面較廣，涵蓋秸稈肥料化、飼料化和基料化利用，以及秸稈炭、秸稈纖維素乙醇生產。凱斯紐荷蘭與迪爾公司在秸稈領域的專利主要涉及作物收獲環節聯合收獲機械和打捆設備；華南理工大學和南京林業大學在秸稈領域的專利涉及秸稈化工產品制備、秸稈木塑復合材料等。
表2對全球秸稈利用專利申請量排名前50位申請人類型進行了分析，結果表明，該領域的專利申請人類型以企業為主，20家企業專利申請量達到3494件，占排名前50位申請人專利總量的44.73%；23個高校專利申請量為2488件，占比31.85%；7家研究機構專利公開量為1869件，占比23.93%（表2）。
排名前50位申請人中包含37家中國機構和13家國外機構。國外的13家機構從申請人類型看，包括11家企業和2家研究機構，其中企業專利申請量占主導地位，是技術研發的主力。排名前50位申請人中的37家中國機構共申請專利5194件，專利申請人以高校居多（23家），專利申請量2448件；研究機構5家，專利申請量1512件；企業9家，專利申請量1234件。由此可以看出，國內秸稈利用技術創新主體以高校和研究機構為主，與國外企業為主的研發主體形成鮮明對比。此外，國外秸稈利用技術集中在少數幾個大企業，中國在該領域的專利申請呈現小而散的特點，不利于技術創新發展。
2.2.2重要專利分析
DI分析平臺中的戰略重要性指標用于評估該專利對其他申請人的相對重要性。表3可以看出，戰略重要性排名前10位的專利主要涉及秸稈類生物質預處理、燃料乙醇生產等技術方向。
秸稈的復雜結構極大地限制了秸稈資源的開發利用。預處理技術是秸稈資源化利用尤其是能源化、工業原料化利用工藝的核心技術，也是秸稈資源利用的共性關鍵技術。現階段如何降低秸稈預處理工藝成本和提高預處理效率仍是一個難點。表3結果顯示，國外企業更加重視秸稈預處理技術和秸稈燃料乙醇技術、秸稈飼料利用技術以及秸稈預處理設備等，對上述技術的專利布局較多，中國在秸稈燃料乙醇相關技術領域處于跟跑地位。
2.3全球秸稈利用專利技術態勢分析
2.3.1基于IPC分類號的技術分析
專利IPC編號規則是粗粒度的專利技術分類方法之一，能夠在一定程度上呈現專利技術領域分布情況。從技術發展趨勢看，2010年以來C05G（肥料的混合物）發展最為迅速，主要為秸稈肥料化利用；其次是A01G（園藝、栽培），主要涉及秸稈還田農藝與田間管理；發展較快的第三類技術是秸稈飼料化技術，即A23K（專門適用于動物的喂養飼料；其生產方法）；C05F（有機肥料，如用廢物或垃圾制成的肥料）也是發展較快的技術方向，主要涉及秸稈堆肥技術、秸稈基質肥料技術等。此外，C12N（微生物或酶；繁殖、保藏或維持微生物；變異或遺傳工程；培養基）也取得了一定進展，主要涉及秸稈燃料乙醇生產技術、秸稈厭氧發酵技術等秸稈新型能源化利用技術領域（圖4）。
2.3.2主要國家秸稈利用專利地圖分析
結合專利IPC及專利地圖分析，對比中國、美國和韓國的秸稈利用專利布局，可以看出各國在秸稈利用技術領域研發的側重點。
中國秸稈利用專利涵蓋了“五料化”利用各領域，但在各領域的專利申請分布并不均衡。其中，秸稈肥料化利用專利申請量最高，這與中國秸稈利用現狀是一致的；秸稈燃料化利用技術主要涉及厭氧發酵技術、生物質燃料；秸稈基料化利用主要聚焦于食用菌基質栽培技術和育苗培養基質配置；秸稈原料化利用主要涉及秸稈制漿造紙技術、建筑材料、秸稈木塑等，但高值化利用技術專利相對較少。
美國秸稈資源利用技術領域的專利申請主要分布在秸稈燃料化利用和秸稈工業原料化利用，其中以秸稈纖維素降解酶的研發專利最多；其次是秸稈還田機械方面，包括秸稈收獲和打捆機械設備。
韓國秸稈利用技術主要集中在基料化、飼料化、燃料化和原料化利用方向。韓國秸稈基料化利用側重于食用菌栽培基質的研究；飼料化利用主要偏重于豆科秸稈發酵生產飼料技術；此外，韓國秸稈燃料化利用重點技術同樣選擇了生物燃料乙醇技術。在秸稈原料化利用方面側重于秸稈建筑材料生產技術。
2.3.3中美秸稈利用專利轉移許可對比
在中國公開的5.36萬件秸稈利用專利中，發生專利轉讓與許可的專利數量為3224件，占比為6.02%，也就是說大量的秸稈利用專利在“沉睡”。而美國發生許可和轉讓的專利數量為1981件（總量2689件），占比為73.67%。相比之下，中國秸稈技術領域的專利基數雖大，但是轉化應用比例較低。此外，對比中美兩國的專利有效性分析，在秸稈利用技術領域，中國專利有效和審中的專利數量為2.09萬件，占比39.07%；美國在該技術領域有效和審中的專利比例達到47.00%（圖5）。中國秸稈利用專利授權率為20.49%，平均單篇專利被引證次數為1.85；美國在該領域的授權率和被引證次數分別為48.23%和10.47，由此可見，中國在該領域的專利質量亟待提升。
3結論與建議
3.1結論
中國在秸稈利用專利技術領域的專利申請雖然起步晚，但通過在秸稈綜合利用與禁燒管理等方面不斷強化政策支持，專利申請迅速增加，目前成為秸稈專利第一大國。但是中國在專利質量、核心專利技術以及專利轉化方面仍存在一些問題。從專利質量看中國秸稈還田、秸稈肥料化利用等直接利用的專利技術較多，高值化秸稈利用技術專利數量較少；從專利戰略重要性看，中國在秸稈預處理、秸稈燃料乙醇生產等戰略重要技術領域處于跟跑地位；從專利轉化看，中國的專利授權率和專利轉讓許可比例遠不及發達國家，科技成果轉化率低；從技術研發主體類型看，中國秸稈利用技術創新主體以高校和研究機構為主，企業研發實力相對較弱。國外秸稈利用專利集中在少數幾個大型跨國企業，中國在該領域的專利申請人呈現“小而散”的特點，不利于技術創新發展。
3.2建議
（1）中國要加強企業在秸稈產業技術領域的作用。中國秸稈利用技術的專利申請活動大部分由高校和研究機構承擔，反映出作為創新主體的企業創新能力不足，企業在提高研發水平的同時，應加強與高校及研究機構的合作。
（2）加強核心技術研發，提升專利質量。中國在秸稈類生物質預處理、燃料乙醇生產等核心關鍵技術方向專利數量和質量都不高，處于跟跑地位。因此，中國在秸稈利用技術研發中應密切關注主要國家和機構的重要專利，對相關的前沿熱點技術及核心關鍵技術進行動態監測和跟蹤，加強與國際先進研發主體的合作，引進吸收改進后，增加自身核心或高影響力專利的數量，提高專利質量。
（3）加快專利成果轉化與技術推廣。要充分發揮中國在秸稈炭基肥等新興肥料生產、秸稈土壤重金屬修復、秸稈建筑材料以及秸稈化工產品等領域的優勢，進一步加快專利向產業化轉化，促進“沉睡的專利”轉化為現實生產力，進而開展技術應用與推廣。
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