基于专利分析的玉米秸秆创新利用态势研究

Research on innovative utilization trend of corn stover based on patent analysis

摘要

为洞悉全球玉米秸秆利用的共性关键技术和发展态势，利用Innography检索1854—2021年的全球玉米秸秆专利，综合分析全球玉米秸秆专利的申请趋势、申请机构、综合实力和各国专利布局等信息，并利用可视化工具分析专利技术聚类相关内容。以高专利强度的专利为代表讨论了减排固碳、绿色生态、现代装备、高值材料、智能信息和生物化学等领域专利对玉米秸秆综合利用方向的引领。结果表明，我国玉米秸秆专利中存着授权率低、研发领域发展不均衡、缺乏国际专利布局、创新利用方法专利较少和企业研发占比偏低等问题。2017—2021年的玉米秸秆创新利用专利技术中，利用玉米秸秆进行固、液、气3种形式的碳储存技术可实现创新减排固碳技术；利用玉米秸秆实现种植还田方法的特异化、肥料利用的创新、制备农产品的基质和绿色产品，实现创新绿色生态技术；利用现代信息技术优化玉米秸秆处理流程和方法，提高资源利用效率；利用创新现代装备技术对秸秆收储运、预处理和利用设备的优化，可实现农业机械高效化；从原料创新和高性能材料需求角度对玉米秸秆进行秸秆高值材料技术研发和创新；利用生物化学技术包含发酵技术青贮、微生物菌剂技术和酶解技术等，实现对玉米秸秆的创新利用。因此建议增加自身核心专利和高影响力专利的数量，提高科技成果转化率和专利国际化布局比例，高校和研究院提出的创新利用技术应加强与产业的融合。玉米秸秆高值材料产业是一个重要的突破方向，通过开发高值产品和实现资源循环利用来实现秸秆的综合利用，有望为农作物秸秆全产业链高值化利用提供新的机遇和发展路径。

Abstract

To comprehensively understand the common key technologies and development trends in global corn stover utilization， this study utilized Innography to search and summarize the global corn stover patents published during 1854 and 2021， and focuses on the analysis of global corn stover patent filing trends， filing institutions and comprehensive strength， and patents distribution across countries， etc. Visualization tools were also used to analyze patent technology clustering， providing insights into research directions and key common technologies in these fields. Among the innovative corn stover utilization technologies， high patent intensity patents were selected as representatives to discuss the directional leadership of patent on comprehensive utilization technologies of corn stover in the areas such as emission reduction and carbon sequestration， green ecology， modern equipment， high-value materials， intelligent information and biochemistry. The analysis revealed that China’s corn stover patents have a low authorization rate， and uneven development in R&D fields， a lack of international patent layout， relatively few patents on innovative utilization methods， and a low proportion of enterprise R&D. From 2017 to 2021， innovative utilization technologies for corn straw included carbon storage technologies in solid-liquid-gas states， which can achieve innovative carbon reduction and sequestration technologies； utilize corn stover can specialize the planting return method and the innovate of fertilizer utilization， increase crop yield， improve soil quality， and prepare substrate and green products for agricultural purposes， thereby achieving innovative green ecological technology； optimizing corn straw processes and methods using modern information technology can enhance resource utilization efficiency； optimizing straw collection， pre-treatment， and utilization equipment using innovative modern equipment technology can enhance agricultural machinery efficiency； developing high-value material technology for corn stover from the perspective of raw material innovation and high-performance material demand can achieve innovative utilization； utilizing biochemical technology， including fermentation technology， green fodder， microbial bacterium， and enzymatic technology， can be applied for innovative utilization of corn stover. Therefore， it is recommended to increase the number of own core patents or high-impact patents， improve the conversion rate of scientific and technological achievements and the proportion of international layout of patents， universities and research institutes. The integration of the industry should also be strengthened to expand the scope of innovative technology utilization. The corn stover high-value material industry represents an important breakthrough direction. By developing high value-added products and achieving resource recycling for comprehensive stover utilization， new opportunities and development paths for the entire corn stover high-value utilization industrial chain can be expected.

Graphical abstract

关键词

玉米秸秆 / 专利分析 / 研究态势 / 创新利用

Key words

corn stover / patent analysis / research situation / innovative utilization

农作物秸秆是一种重要的生物质资源，动物饲2021年全国秸秆产生量8.65亿t，其中玉米秸秆产生量达到3.21亿t，占比达37%。玉米秸秆与其他作物秸秆相比具有高碳氮比、硬度大、高纤维素、高热值等特点^［1-3］。玉米秸秆资源广泛分布于我国北方，可作为动物饲料、能源、肥料和原材料等，还可以降低环境污染和提高土壤质量。秸秆综合利用对于环境保护和可持续发展具有重要意义。农业农村部出台了多项措施鼓励秸秆综合利用，如建设秸秆资源化利用基地和推广秸秆还田等^［4］。同时农业循环经济和绿色发展需要开发新的利用方式，实现玉米秸秆的高效转化和高附加值应用，以降低温室气体排放，改善土壤肥力和增加农民收入^［5］，因此探寻玉米秸秆综合创新利用技术对乡村振兴、农业经济和可持续发展具有重要的意义。

专利分析是对专利文献进行研究和分析，专利中的前后引用、诉讼信息和分类号等数据可以作为分析的重要参考指标。前后引用可以衡量专利的重要性和影响力，诉讼信息有助于了解专利的法律风险，分类号可以帮助定位专利所属技术领域，综合分析这些数据可以帮助企业、研究机构等获取该产业的技术发展态势、产业分布格局以及市场走向等信息^［6-7］。王红彦等^［8］分析了全球秸秆利用专利的申请趋势，总结了中国核心专利少、专利转化水平低等问题，并提出提高企业的研发水平、增加自身核心专利或高影响力专利的数量、发挥中国在秸秆肥料与秸秆建筑材料等方面的研发优势等建议。已有研究中对秸秆的专利分析主要聚焦于各专利技术，叶嘉欣等^［9］分析了秸秆成型燃料技术，专利申请量在地域上的分布与秸秆资源量的分布大致匹配，另外成型原料的选择是该领域的主要改进方向，煤、污泥和木屑等有一定热值的废弃物资源是最常用的搭配原料。刘起丽等^［10］以“秸秆腐熟类”和“秸秆还田”作为检索词对秸秆还田技术做专利分析，总体反映了秸秆还田技术的科技创新力、发展现状、生态条件三者之间的契合度，形成高效利用秸秆技术与多种生态链相结合。汪珽珏等^［11］从时间、空间、研究热点和研究主题等多维度分析棉花秸秆收获领域的发展态势：西北内陆棉区在棉杆收获方面侧重于打捆、除膜和粉碎技术的研究，机械化程度最高；长江中下游棉区研究较为均衡，且对手动工具研究较多；黄河中下游棉区在棉杆收获方面侧重于收获功能的研究。贾倩等^［12］从申请趋势、区域分布、技术分布和研发主体等方面开展国内外秸秆能源化利用技术发展差异研究发现我国秸秆能源化利用技术经过了以热解气化技术为主转向以固化成型技术和发酵产沼气技术为主到热解气化技术、直燃技术和液化技术并行发展的历程，而液化技术发展相对国外较缓慢，外国秸秆能源化利用技术经过了以固化成型技术和直燃技术为主转向以固化成型技术和液化技术为主的发展转变历程，液化技术逐渐成为其未来发展方向。李金丽等^［13］重点针对秸秆制备缓冲包装材料的原材料、发泡方式和成型方式进行分析，认为在国家环保政策越来越严格的现况下，具有环境友好特点的绿色生物质基材料、多种秸秆纤维复合型及功能型缓冲包装材料是未来的研发重点之一。

Innography是美国Innography公司推出的一款知识产权智能分析与检索软件，该软件具有强大完整的数据库，涵盖104个司法管辖区的国家或地区专利数据和美国联邦法院电子备案系统的全部专利诉讼数据、专利发布时间、专利诉讼和被引用量等20多类信息^［14-15］。Innography还建立了独特的专利强度指标，可综合多方面指标评估每个专利的综合价值，便于筛选核心专利。Gephi是广泛应用于探索性数据分析、链接分析、社交网络分析和生物网络分析等领域，可进行各种布局和过滤操作，可以处理大规模的数据集合，对数据进行清洗和分类^［16］。

当前对秸秆利用的专利分析研究大多是依靠统计分析，而在秸秆创新利用技术领域深入分析其发展态势的研究鲜见报道。本研究利用Innography检索并筛选玉米秸秆利用领域的专利数据，运用Gephi图谱分析工具，并结合Excel软件对玉米秸秆领域专利的变化趋势进行图表和网络等可视化呈现，旨在了解全球玉米秸秆利用的共性关键技术、发展态势以及创新前沿，以期为我国玉米秸秆创新利用技术提供参考。

1　数据来源与研究方法

以“玉米秸秆”为关键词，在Innography数据库中进行专利检索和分析，采用的检索式为@（abstract， claims， title） （“corn stover” or “corn stalk” or “corn residue” or “corn cob” or “corn straw”）并设置maize为corn的同义词。本研究的研究对象为明确的玉米秸秆专利，因此在进行筛选时，只有在专利的摘要、声明和题目中明确提及了玉米秸秆的专利才会被纳入研究范围。对于未明确指出秸秆种类的专利，适用于所有农作物秸秆，而不具有针对性的玉米秸秆专项研究，这些专利将不包含在本研究的范围内。经过专利同族扩充和清洗后，最终共检索到1854—2021年的5 214项该领域专利。鉴于专利申请到专利公开最长有18个月的滞后期，使得大量专利还处于未公开状态，因此2018—2021年的专利数量少于实际申请量，见表1。

专利强度是Innography独创的专利评价指标，其作用是帮助用户快速有效地寻找核心专利，追寻专利文献利用的前沿方向^［14］。该指标综合了专利诉讼情况、被引用次数、专利从申请到授权的时长、专利授权时间、权利要求数量和引用之前技术文献数量等多个专利价值相关指标计算而得。专利强度的区间为0~100，其越接近于100，表示专利创新性、技术水平、商业价值和法律保护程度等综合价值越高。以专利强度指标为主，评估玉米秸秆专利综合价值、申请机构对玉米秸秆专利布局、专利技术聚类情况和玉米秸秆利用专利创新技术研究。

2　全球玉米秸秆专利统计特征

2.1　申请趋势

由图1可知，1995—2021年的玉米秸秆专利申请大致可分为早期探索阶段（1995—2005年）、快速发展阶段（2005—2013年）以及稳定阶段（2013—2021年）。全球最早的玉米秸秆专利为1854年欧盟专利局授权的从甘蔗和玉米棒中提取烈酒或酒精的工艺^［17］，中国的第一项玉米秸秆利用专利为1995年授予张俊峰^［18］的玉米杆粉酿醋新方法，该专利利用不霉变的玉米秸秆生产出优质的食品醋。

早期探索阶段（1995—2005年）始自中国（除香港、澳门地区和台湾省，下同）第一项玉米秸秆专利公开直至2005年，在此阶段的年度专利申请量不足50项，国别构成以美国、中国、德国、前苏联和法国为主，该阶段的专利主要涉及农作物的收割^［19-24］。

快速发展阶段（2005—2013年），中国共申请510项玉米秸秆专利，占全世界玉米秸秆专利的77.1%。此阶段仍是以农作物收割技术专利为主，同时出现高专利强度的玉米秸秆综合利用专利被授权，例如一种利用玉米芯生产丁二酸的方法^［25］、从玉米芯中提取烟用香料的方法及其用途^［26］、一种玉米秸秆制备的纸浆及其制成的纸制品^［27］、用玉米秆制取高白度化学浆及其纸产品的制造方法^［28］以及一种玉米秸秆青贮新方法^［29］。

稳定阶段（2013—2021年），每年申请超过200项的玉米秸秆专利。在玉米秸秆专利中以美国迪尔公司和奥地利Poettinger Ohg Alois等农机公司为主。中国主要申请机构以中国科学院、中国农业大学等科研机构为主，中国的农业机械公司例如哈尔滨市工艺美术有限责任公司、河北农哈哈机械有限公司等并行，逐步形成秸秆综合利用专利申请格局。

中国专利申请量在全世界占比较高的主要原因是中国是全球最大的玉米生产国之一^［30］，每年会产生大量的玉米秸秆。中国一直致力于推动农业废弃物可持续发展和环保产业的发展，积极支持农作物秸秆资源的综合利用，通过出台一系列的政策和措施，包括财政补贴、税收减免和技术支持等，鼓励企业和个人在玉米秸秆利用领域进行创新和专利申请，例如《国务院办公厅关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》（2008年）^［31］、《关于全面做好秸秆综合利用工作的通知》（2023年）^［4］等，同时国内科研机构、大学和企业积极开展相关研究，推动玉米秸秆的高效利用技术创新^［32］。技术创新和研发资源投入的增加也促进了玉米秸秆利用相关专利申请量的增长。

按照技术主题分类的专利（表1），1995—2021年6种技术的申请数量呈增长趋势，其中秸秆收获及预处理方面专利数量在1995—2021年每年的数量均为最高，其次为秸秆原料化利用，其余4个技术主题每年的申请数相差不大（图2）。2015—2016年秸秆原料化利用方面专利数量出现明显的峰值，其原因是哈尔滨市工艺美术有限责任公司申请了一批以玉米秸秆为原料制备多种颜色染料的专利^［33-34］，然后逐渐下降至平缓，其余5个技术主题都在2005年左右开始发展，随之进入平稳阶段。

由表2可知，申请玉米秸秆技术专利的国家主要为中国、美国和德国，中国的申请量占全世界的75.6%，成为玉米秸秆专利申请大国，其次为美国，占6.3%，其余国家或地区占比较少，共占全球申请量的20%左右。中国的玉米秸秆专利授权率不足50%，相较于美国76.3%的专利授权率具有较大差距，因此中国玉米秸秆未来申请专利应兼顾数量和质量，需侧重于申请更有价值的高质量玉米秸秆专利，提高核心专利占比。

2.2　申请机构及综合实力

由图3可知，全球玉米秸秆专利强度呈现金字塔状分布，即强度较高的专利占比较低，反之占比较高，在玉米秸秆利用技术专利中专利强度高于60的总数为191项。申请机构分布同样如此，仅有15个机构或自然人申请超过20项专利，而有2 653个机构或者自然人申请不超过5项专利。综合考虑机构布局专利的广度和深度，建立机构专利强度指标，并以该指标使用机构申请专利数量乘以该机构平均专利强度得出的机构专利强度。通过Innography平台检索到玉米秸秆利用技术专利申请前十的机构，全世界高专利强度玉米秸秆专利申请机构前十中有8个国内机构，其中7个是国内高校科研院，仅有1个商业公司（表3）。美国迪尔公司作为最早申请玉米秸秆专利的公司之一，在玉米收获装备领域处于世界龙头地位，该公司在设计玉米联合收割机后，又针对秸秆多项性质对联合收割机不断改进，完成了玉米秸秆的集中机械化收获，为秸秆打捆运输后再利用提供了便利，进而降低了玉米秸秆的利用成本。在1928—2020年共申请38项专利，平均专利强度达到了34.8，但2017—2021年只申请了3项专利。美国科迪华公司在2017—2021年的专利申请数量达10项，数量高于其他企业。

在国内高校中，山东理工大学申请玉米秸秆专利数量最多，共计30项，但2017—2021年的申请量较少，仅有1项。平均专利强度较高的是中国科学院和东北农业大学，分别是26.9和25.9，两所机构申请专利数量均为29项，属于较高水平，这2个机构在玉米秸秆专利数量和质量均位于前列，在玉米秸秆专利布局中，中国农业大学是最早申请玉米秸秆专利的国内高校。在专利数量方面，哈尔滨市工艺美术有限责任公司申请了103项相关专利，但是平均专利强度并不高，可以通过校企合作的方式提升秸秆专利利用的综合水平，吉林省农业科学院在2017—2021年申请专利数量最多，且平均专利强度仅次于中国科学院和东北农业大学，说明吉林省农业科学院近年在玉米秸秆利用技术创新方面加大了力度。

2.3　各国专利布局

由图4可知，各国研究针对玉米秸秆专利的关注点不尽相同，收获和预处理领域是大多数国家申请玉米秸秆专利的主要方向，而韩国、日本在秸秆的收获和预处理专利比占较低，不足50%。在“秸秆五料化”利用中，玉米秸秆原料化利用在专利中占比最高，说明大部分国家在玉米秸秆原料化利用领域比较重视。

专利的申请地区是指专利权人申请专利保护的国家，对其进行分析能反映创新主体对专利申请地区市场重视程度。其中美国、德国申请国际性玉米秸秆专利涉及到的国家最多，美国涉及到14个国家或组织，德国涉及11个国家或组织，德国玉米秸秆专利国际化布局比例最高，达到28.2%，而中国玉米秸秆专利国际布局比例仅为0.4%，仅涉及到8个国家或组织（表4），由此可见，中国玉米秸秆专利的国际化水平略弱于美国、德国。美国的科迪华农业科技公司的玉米秸秆专利布局在印度3项、匈牙利4项和巴西4项等。美国迪尔公司的玉米秸秆专利布局于欧洲专利局1项、德国13项和巴西2项，可见美国的玉米秸秆专利国际化布局主要是依靠以美国科迪华农业科技公司和美国迪尔公司为代表的跨国农机公司。中国玉米秸秆专利可汲取其中经验，大力扶持相关秸秆利用公司，鼓励与玉米秸秆方面专利相对较少的农业国家开展合作。

2.4　专利技术聚类

玉米秸秆专利可被分为收获及预处理和“秸秆五料化”共六大类（表1）。由图5可知，玉米秸秆肥料化利用技术主要包括三类，分别为优化秸秆还田器械类、堆肥并腐熟后还田方法类、改良土壤或提高产量的还田方法类。玉米秸秆燃料化利用技术有固态、气态和液态3种燃料形式，分别以生物炭和成型燃料、燃油和酒精、发酵产沼气为主，发酵技术作为占比较高的利用技术之一，包括对发酵罐等设备的创新和对发酵工艺的创新。玉米秸秆饲料化包括以青贮、微生物处理技术为主的制饲料技术和饲料处理、运输等机械装置技术。玉米秸秆原料化包括制板材和纸浆以及经过化学处理后制备纤维素膜、糖和大分子化合物等。玉米秸秆基料化主要是制作以生产蘑菇为主的真菌培养基。

秸秆收获和预处理的专利占比最高，该领域专利主要是以改进收割机为主的农用机械结构，在脱粒、捆扎和切割储存等处理中实现高效收获和机械处理^［37-39］。清理、收割和脱粒技术专利使得秸秆能够被有效地分离出来，捆扎、储存、切割和干燥技术专利方便后续的处理和利用，灭菌、烘烤和消毒等技术专利可以改善秸秆的性质和质量^［35-36］，机械分解、除杂、分离和压缩技术专利可将秸秆转化为适合于其他应用的形式，包装与拆包机器、运输、送料技术专利可确保秸秆的高效运输和供给，微生物降解专利技术可进一步提高秸秆的可降解性和利用效率，物化性质分析专利技术可评估秸秆的质量和利用可行性。秸秆收获专利推动农业机械高效化，可优化作业流程，降低作业能耗。

3　玉米秸秆利用专利创新技术研究

为选出重要性高和新颖性强的核心专利进行玉米秸秆利用专利创新技术研究，本研究设置筛选专利强度≥60且授权年限在2017—2021年的专利，对筛选到的专利归纳提炼出创新减排固碳技术、创新绿色生态技术、创新智能信息技术、创新现代装备技术、创新高值材料技术和创新生物化学技术等类别，见图6。

3.1　创新减排固碳技术

玉米秸秆是一种富含碳元素的农业废弃物^［40］，含碳量在40%以上，为实现环保减排，可通过创新减排固碳技术，利用玉米秸秆进行碳储存，将秸秆转化为生物质能源和生物炭，以替代传统化石能源，从而减少碳排放。

将玉米秸秆固碳的碳源分为液态、固态、气态3种形式^［41］。液体碳源固碳是将秸秆转化为燃油、乙醇和乙二醇等。在秸秆固体碳源固碳中，CN110205176^［42］是一种基于玉米秸秆皮穰分离的固体成型燃料制备方法，专利强度62，对玉米秸秆的皮和穰进行分离，分别粉碎后再制成原料混合物，最终制得固体成型燃料。CN106318418^［43］是一种玉米秸秆低温炭化制备生物质炭燃料的方法，专利强度68，通过向炭化炉内通入N₂使炉内处于无氧或低氧环境，将玉米秸秆原料颗粒从炭化炉顶部进料，使玉米秸秆原料颗粒在炉内从上到下运动过程中依次实现干燥、预热解、热解和炭化阶段，可避免焦油的产生。

在秸秆气体碳源固碳中，玉米秸秆发酵产生沼气为主要方式，其他产生低碳能源的技术，包括利用处理过程中产生的蒸汽热量和水解后产电等，在专利中体现如下：CN105003920^［44］是管理和利用过量玉米残留物的系统和方法，专利强度67，包括收割和预处理玉米秸秆及其他残留物的方法，通过燃烧玉米秸秆等残留物以产生热量来生成可用的蒸汽和热能源。CN107623139^［45］是微生物连续发酵玉米秸秆水解液产电及制备电池的方法，专利强度69，首先将玉米秸秆水解后接种菌液获得培养液，在厌氧环境下反应并输出电能。

3.2　创新绿色生态技术

随着“绿水青山就是金山银山”的发展理念深入人心，玉米秸秆资源循环高效利用与提升农业发展的生态功能愈发重要。创新绿色生态技术包含利用玉米秸秆实现种植还田方法的特异化、肥料利用的创新、制备作物的基质和绿色产品四个方面：1）秸秆有机肥的创新利用中，合理规划玉米秸秆在不同地区和轮作环境下的还田和种植方法^［46］；2）玉米秸秆通过生物降解或微生物发酵等转变成有机肥料用于大田生产和土壤修复改良^［47］；3）玉米秸秆中含有丰富的木质素和半纤维素等生物高分子化合物，可以转化为绿色生态化学品，如生物基聚合物、生物基材料以及如无污染板材和水净化材料等绿色产品^［48］；4）制备用于作物栽培和人工湿地的基质^［49］。

在玉米秸秆还田利用制作有机肥的专利中，对种植方法进行创新的有：CN104584814^［50］是小麦/玉米一年两熟秸秆全量还田下平衡施肥方法，专利强度66，将小麦和玉米作为一个施肥单元，采用全量还田平衡施肥方法，在冬小麦季，将玉米秸秆和根茬粉碎深耕还田并施用底肥，在拔节期追肥；夏玉米季，在小麦成熟收割的同时粉碎麦秸，将麦秸覆盖田地，点播玉米后在玉米苗期进行小麦灭茬和追肥。CN105145003^［51］是玉米烤烟轮作制中秸秆就地还田耕作方法，专利强度66，该发明创新点在于通过将秸秆直接还田，并撒施微生物肥和基肥来改良土壤。CN105706702^［52］是一种高海拔山区玉米秸秆全还田条件下马铃薯机械化种植方法，专利强度71，将机械化种植技术应用于高海拔山区马铃薯种植，并结合玉米自身的生长特性采用机械化种植，并通过调节播种时间、种植方式、秸秆还田等技术条件提高土壤利用率。

玉米秸秆制备肥料再还田的专利分为修复增肥土壤和大田生产两种目的的创新技术路线。CN110283023^［53］是一种用于修复土壤镉污染的多效能玉米秸秆生物炭复合肥料制备方法，专利强度67，通过对玉米秸秆、重过磷酸钙和硅藻土进行混合热解制备出复合生物炭材料，再与尿素混合制备成复合肥料，有效地吸附镉离子用于污染土壤改良。CN106045626^［54］是利用氨基酸发酵废液和玉米秸秆生产生物菌肥的方法，专利强度70，将发酵废液应用于肥料制备中，生产生物菌肥。CN107805615^［55］是一种玉米秸秆腐熟剂制备方法，专利强度73，提供了不含真菌的玉米秸秆腐熟剂制备方法，该复合菌剂中的多种菌株具有促进玉米秸秆腐熟的能力，达到防治病害的效果。

秸秆生产的绿色产品中，CN104999538^［56］是一种玉米秸秆制备零甲醛刨花板的方法，专利强度62，将秸秆作为原料，采用绿萝汁浸泡并添加纤维素酶和淀粉酶，最终制得无甲醛的刨花板。CN105080511^［57］是一种玉米秸秆纤维素黄原酸镁盐的制备方法及应用，专利强度67，可用于去除水体中的重金属离子，处理成本低。CN105016874^［58］是秸秆液化包膜液及其制备方法与应用，专利强度74，是将秸秆液化作为制备包膜控释肥的包膜液。CN108149504^［59］是玉米秸秆和麦草混合原料的半化学浆清洁制浆工艺，专利强度68，采用生物酶辅助超声波预处理、化学催化剂及加热自催化处理等技术，在提高制浆过程的质量和效率的同时减少废水的排放。

利用玉米秸秆还可以制备用于农作物和人工湿地的基质，CN106258878^［60］是一种玉米秸秆复合基质及其制备方法，专利强度68，最大的创新点是使用玉米秸秆和河沙制备出符合蔬菜生长要求的复合基质，达到无土栽培基质标准，成本比常规基质降低60%~80%。CN108569768^［61］是一种玉米秸秆制备人工湿地基质的方法，专利强度73，将玉米秸秆制备成人工湿地基质，用于净化生活污水，同时还可用于制备有机肥料。CN106495912^［62］是一种以腐熟玉米秸秆为原料制备机插水稻育秧基质的方法，专利强度80，利用玉米秸秆废弃物和干牛粪通过多种有益微生物的发酵，制备出用于水稻育秧的基质。

3.3　创新智能信息技术

创新智能信息技术涉及玉米秸秆利用中的收集、运输、处理和转化环节，提高资源利用效率，可行的方式包含：1）智能信息技术可实现对玉米秸秆收储运过程中的数据处理和利用，包括秸秆种类、数量、产地、生长情况和收割时间等建立起完整的玉米秸秆生命周期数据链^［63］；2）利用传感器、图像处理等感知监测和技术实时监测处理设备处理过程的参数^［64］；3）通过物联网技术上传数据至云平台，利用大数据分析技术优化处理流程和方法，提高资源利用效率^［65］；4）采用人工智能技术分析海量数据并提供决策支持，建立处理设备和处理过程的数字孪生模型，进行虚拟演示即后续优化，提高设计和处理方案的效率和精度^［66］。整合机器学习、建模与仿真、图像识别、神经网络和地理信息系统等技术手段，实现秸秆的全价值利用。

在自动寻迹方面创新的智能化秸秆收割农机设备专利有CN107980337^［67］是一种玉米秸秆自动收割破碎装置，专利强度62，该发明通过自动寻迹和多组收割装置等设计实现了对玉米秸秆的自动收割和破碎，降低了人力成本，提高了秸秆收集的效率。

玉米秸秆收获和回收处理中智能化设备专利有：CN209897694^［68］是玉米秸秆粉碎喂料装置，专利强度62，解决了现有的玉米秸秆工作时入料繁琐且物料中小石块清除不易的问题，实现了玉米秸秆的智能化粉碎喂料。CN109511388^［69］是一种玉米秸秆回收处理车，专利强度70，可长时间高效粉碎、切割秸秆和叶片，无需人工清理，通过控制器控制车辆的工作，提高回收处理车的智能高效化。CN211406872^［70］是穗茎兼收智能玉米收获机，专利强度65，对玉米茎进行收获、铡断、收集和穗茎分流，实现穗茎兼收作业。CN108617268^［71］是玉米秸秆处理装置及配套处理的方法，专利强度74，在农田中对收集的玉米秸秆经过切割、筛选、粉碎、还田和压块处理后，对玉米秸秆同时进行还田或打包，使得秸秆的处理过程智能化。

3.4　创新现代装备技术

玉米秸秆利用的创新现代装备技术指秸秆收储运和利用流程中的农机设备，需要针对玉米秸秆特点，研究精准作业装备技术。利用创新现代装备技术进行秸秆收集、预处理和利用三阶段设备的优化，可实现农业机械高效化：1）秸秆收获农业机械高效化，简化切割收割打捆流程^［72］；2）针对玉米秸秆硬质特点进行切割装备的创新方向，包括玉米收割机上切割设备和独立的秸秆切割设备^［73］；3）秸秆收获后的利用装备的现代化创新包括秸秆饲料加工、生物质燃烧炉等设备，可以提高生产效率、降低能源消耗和环境影响^［74］。

玉米秸秆收获中农业机械高效化是现代装备的主要研究方向^［75］。CN109168572^［76］是一种玉米秸秆收割打捆一体机的喂料机构，专利强度71，在喂料机构中添加了一种冗余装置，保证了收割机和打捆机的供料稳定连续，解决了因收割机故障或停止收割时打捆机喂料不稳定的问题，提高了玉米秸秆收割打捆的效率。CN110050589^［77］是一种玉米秸秆整形打包机，专利强度73，通过机械设计和优化，将杂乱的玉米秸秆整形为有封闭口的中空板，通过改变玉米秸秆的运动方向使得玉米秸秆更适用于后续打包和运输等环节。CN111802088^［78］是一种连续包装式玉米秸秆收割打捆机，专利强度63，采用压缩箱体作为秸秆储存压缩舱以提高秸秆的压缩效率和密度，设计伸缩输料筒以保证压缩速率与喂料速率的一致性，实现了玉米秸秆的高效收集。CN109362332^［79］是站立玉米秸秆前置式粉碎还田机，专利强度71，设计了左、右两组螺旋夹持辊，通过左螺旋夹持辊的横向往复运动提高对站立玉米秸秆的夹持输送效果，并避免秸秆对夹持辊的缠绕和堵塞，从而实现高效稳定地粉碎和还田。

由于玉米秸秆质地较硬，为便于后续运输储存和利用，秸秆粉碎装备专利技术包括：CN109315132^［80］是玉米茎粉碎装置，专利强度67，通过使用曲柄连杆机构和分度块等组件，实现对玉米茎杆的粉碎，结合收割装置和打包装置的设计，便于运输和存储。CN212087085^［81］是一种农牧玉米秸秆粉碎处理装置，专利强度65，通过将玉米秸秆粉碎为粉末，避免设备内被秸秆卡住，减少收割机设备的损坏。CN108925256^［82］是一种玉米秸秆粉碎锤捣装置，专利强度73，将秸秆进行粉碎处理后，可以作为肥料使用。同时该发明通过添加运输组件，实现了对粉碎后秸秆的收集和运输。CN110521394^［83］是一种玉米秸秆还田装置，专利强度68，能够保证秸秆还田时滚动车轮与地面有充足的摩檫力，通过滚动车轮和齿轮加速器的作用可使秸秆充分的粉碎，有效提升了秸秆的粉碎效果，使秸秆能够快速的进行分解。

秸秆收获后利用装备的创新专利有：CN107996134^［84］是大田玉米秸秆原位青贮饲料定量块加工制作装置，专利强度68，利用归拢爪和切割机将秸秆切割，收秆杆将玉米秸秆推送到吞秆口，并在粉碎处理机中处理形成块状混合料块，利用乳酸菌的发酵可制成青贮饲料块，达到即时处理即时加工的目的。CN109005928^［85］是玉米秸秆田间捡拾粉碎均布还田专用机，专利强度72，可以捡拾粉碎和全方位铺放的秸秆，实现高效还田作业。

3.5　创新高值材料技术

玉米秸秆中含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素等可用作高值产品的原料。从原料创新和高性能材料需求角度对玉米秸秆进行高值材料研发，实现创新利用，在高专利强度专利中的体现包括：1）玉米秸秆纳米纤维素技术^［86］：利用纳米技术将玉米秸秆中的纤维素分子进行纳米化处理^［87］，制备出纤维素功能材料^［88］、再生纤维素纤维^［89］，该材料具有高比表面积、高强度等优异性能，可用于制造涂料、复合材料等高性能材料^［88］；2）制备碳材料：将秸秆转化为碳材料，可制备成高性能电池电极材料^［90］、超级电容器^［91］等；3）通过生物技术加工制造生物质能源和生物材料产品，以生物材料聚乳酸（PLA）替代普通塑料（PE、PP、PVC）和普通化纤（PET、PBT、PTT等），以生物基聚氨酯（Bio-PU）、生物基聚碳酸酯（Bio-PC）、生物基聚酰胺尼龙（Bio-PA）替代传统化学工程材料（PU、PC、PA等）^［92］。

玉米秸秆原料创新利用技术包括对半纤维素和纤维素的利用。半纤维素利用的典型专利技术有：CN106748750^［93］是一种由玉米秸秆中半纤维素制备乳酸的方法，专利强度64，通过化学催化法制备获得高收率的乳酸产品，该技术同时具有绿色环保，无二次污染和生产成本低等优点。纤维素利用的典型专利技术有：CN105568744^［94］是一种玉米秆纳米纤维素晶须及其制备方法与应用，专利强度66，可节约预处理过程的化学药品用量，降低了预处理过程废液的处理难度，还能降低后续酸水解纤维素的酸浓度。CN106087089^［95］是一种微生物共培养预处理玉米秸秆制备粘胶纤维的系统，专利强度70，将生物质降解的瘤胃微生物和降解物或代谢产物通过与微生物共培养，降解秸秆皮中半纤维素和不稳定纤维素，进而将剩余的高结晶木质纤维素制备为粘胶纤维。CN104004207^［96］是离子液体制备玉米芯纤维素材料或共混纤维材料的方法，专利强度73，中离子液体相比传统的有机溶剂，具有溶解性能好、低毒性、高稳定性和可回收性等优点。

玉米秸秆制备活性炭的典型专利技术有：CN105384171^［97］利用木糖醇制备工艺后的玉米秸秆废渣制备活性炭的方法，专利强度64，用于从玉米秸秆原料中提取半纤维素制备低聚木糖时的脱色脱毒。CN106117610^［98］是玉米全秆再生纤维素-纳米活性炭复合凝胶膜的制备方法，专利强度64，采用了玉米秸秆作为原料，通过特定的处理方法得到玉米秆纤维素和纳米活性炭，并将两者混合制成复合凝胶膜，该膜具有较高的重金属离子吸附能力。

利用玉米秸秆制备出高性能材料的创新技术有：CN109456451^［99］是一种玉米秸秆基超吸水树脂及其制备方法，专利强度63，是将玉米秸秆作为原料，制备出一种具有超吸水性能的树脂。CN107337205^［100］是一种利用废弃玉米秸秆转变为钠离子电池电极材料的方法，专利强度62，通过超声清洗、高温碳化、化学活化和空气活化等步骤，将玉米秸秆转变为多孔的碳材料，并且该材料制成的钠离子电池表现出很好的循环稳定性、较高的倍率性能和储钠容量。CN107376993^［101］是玉米秸穰固载钯催化复合材料的制备方法及应用，专利强度63，制备的复合材料具有优异的脱色降解能力，可应用于有机染料的降解。CN105110758^［102］是一种利用玉米秸秆和氯氧镁水泥复合制备建筑保温材料的方法，专利强度64，该材料兼顾了保温隔热、防火、防水和防腐等功能。CN110684311^［103］是一种改性玉米秸秆阻燃可降解发泡材料制备方法，专利强度67，通过对玉米秸秆进行酯化接枝改性解决了目前玉米秸秆生产发泡材料易燃的问题，并且具有良好的抗压性能和高回弹率。CN108250473^［104］是一种石墨烯改性玉米秸秆芯复合电磁屏蔽薄膜制备方法，专利强度72，利用生物质材料制备电磁屏蔽材料，将玉米秸秆芯与石墨烯相结合，形成了三层复合电磁屏蔽薄膜，具有较大的比表面积和良好的三维网络状结构，可提高对电磁波的多次反射和吸收能力。

3.6　创新生物化学技术

生物化学技术是通过发酵技术、微生物菌剂技术和酶工程技术等将玉米秸秆转化为生物质资源，如生物乙醇等。生物化学技术在高专利强度的专利中的体现在：1）木质素降解技术将玉米秸秆中的木质素分解为单体，可用于生产生物柴油、化学品和材料等^［91］；2）酶解技术将多糖类物质转化为单糖，可用于生产生物乙醇、有机酸等^［105］；3）发酵技术将玉米秸秆转化为乳酸、酵母蛋白等生物制品，用于食品、饲料和化妆品等领域^［106］；4）微生物菌剂技术可将玉米秸秆转化为高蛋白饲料、有机肥料等，提高其降解效率和利用价值^［54］。生物化学技术专利有利于推进玉米秸秆综合利用的可持续发展。

目前微生物预处理的专利有：CN108865927^［106］是低温酵解玉米秸秆的细菌菌株及其发酵培养的方法，专利强度75，提供了一种新的短小芽胞杆菌菌株及其发酵培养方法，可以高效酵解玉米秸秆。CN105255953^［107］是物理-化学-生物预处理玉米秸秆的方法，专利强度69，将玉米秸秆经过稀碱处理和混菌发酵等预处理后，可以利用微生物生产乙醇或接入饲料酵母生产蛋白饲料。CN106182250^［108］是一种玉米秸秆的防霉改性处理方法，专利强度64，针对玉米秸秆进行了防霉改性处理，可提高秸秆防霉防虫时长、降低吸水率、提高耐火温度使用稳定性等。有关秸秆青贮技术专利包括：CN106834167^［109］是一种玉米秸秆青贮用复合菌剂，专利强度76，是多种活性乳酸菌组成的复合菌剂，能够显著提高乙酸产量、有氧稳定性，抑制二次发酵，减少干物质损失，提高了玉米秸秆青贮料的发酵品质。

CN106480101^［110］是厌氧消化技术包括N、P、K复合营养型预处理可提高玉米秸秆厌氧消化产气性能的方法，专利强度70，利用氨水、KOH和磷酸对木质纤维素不同组分的选择性，有针对性地对原料中木质素，纤维素和半纤维进行破坏，同时为预处理及厌氧全过程提供丰富的营养；CN105420282^［111］是一种通过生化预处理玉米秸秆提高秸秆与粪便混合厌氧消化产气性能的技术，专利强度72，可明显缩短预处理时间和厌氧发酵周期，提高甲烷产量。

3.7　玉米秸秆综合利用发展趋势预测

高专利强度的专利反映出玉米秸秆综合利用的发展方向主要集中在玉米秸秆全产业链利用，表明未来的发展重点在于将玉米秸秆利用延伸至玉米秸秆加工全产业链，通过开发高值产品和实现资源循环利用来实现玉米秸秆的综合利用。在这个发展方向中，创新高值材料技术可作为重要的突破方向。创新高值材料技术可以帮助玉米秸秆转化为具有经济价值的材料，还有助于提高玉米秸秆综合利用的经济效益和可持续性，同时推动农业废弃物的资源化利用。通过不断创新和改进，可以开发出更多新型材料和产品，满足不同行业的需求，并拓宽了应用领域，环境友好的高值材料技术能够降低对不可再生资源的依赖，还可以减少农业废弃物的焚烧和填埋，降低环境污染的风险，促进绿色生态建设；碳中和属性的高值材料可利用玉米秸秆进行碳储存，将秸秆转化为生物质能源和生物炭，以替代传统化石能源，从而减少碳排放。玉米秸秆创新高值材料技术与减排固碳、绿色生态、现代装备、智能信息和生物化学同样密切相关。它通过转化废弃物为高值产品可实现减少碳排放、高效利用资源和环境保护的目标。同时，现代装备和智能信息技术的运用提高了生产效率和资源利用效率，而生物化学方法的应用则将玉米秸秆中的纤维素、半纤维素等成分提取和转化为高性能材料，推动可持续发展。

玉米秸秆创新高值材料技术的发展为农村经济的发展提供动力。其次，玉米秸秆高值材料产业的发展将创造更多的就业机会，促进就业增长和人才培养，为就业市场提供稳定支撑。此外，该技术的推广和应用也能促进技术转化和国际合作，不同国家之间可以共享技术经验和知识，加强合作关系，推动技术进步和创新，为产业的可持续发展提供更广阔的前景。因此，未来在玉米秸秆综合利用领域，创新高值材料技术可作为一个重要的突破方向，有望为农作物秸秆全产业链高值化利用提供新的发展路径。这样的创新技术将促进资源的可持续利用，减少环境污染，同时推动相关产业的发展，并提升竞争力。

4　结论与展望

本研究使用Innography检索筛选出全球的玉米秸秆专利，利用可视化工具Gephi和Excel对玉米秸秆利用专利的发展态势进行展示。结果表明中国在玉米秸秆利用专利领域的申请虽然起步晚，但对秸秆综合处理技术的研发活跃，只是高强度专利数量仍较少；在专利授权率方面中国玉米秸秆专利授权率不及发达国家，科技成果转化率较低^［8］；在专利国际布局中，应加强与其他农业国家的合作，提高专利国际化布局比例；在专利利用技术方面，玉米秸秆由于其自身物理和化学性质，主要的专利聚焦于玉米秸秆收储运及预处理过程；在申请机构方面，中国玉米秸秆专利申请机构以高校和研究院为主，企业参与度较低，创新利用技术专利需在产业中发挥实效。

本研究在玉米秸秆利用专利态势分析中，从高专利强度专利的视角下总结了6个玉米秸秆综合利用的态势：1）通过创新减排固碳技术利用玉米秸秆进行碳储存，达到减少温室气体排放的目的。现有专利包含固、液、气3种形式的固碳形式，以及生物质能源、生物炭和发酵玉米秸秆水解液产电等创新技术；2）创新绿色生态技术通过生物降解和微生物发酵转变为有机肥料，还可以制备用于作物和人工湿地的基质，对种植方法的创新可以促进秸秆综合利用，发展循环农业。另外，玉米秸秆中还含有丰富的木质素和半纤维素等生物大分子化合物，可以转化为绿色生态产品，如生物基聚合物、生物基材料和生物医药品等；3）创新现代信息技术可通过建立玉米秸秆生命周期数据链、创新玉米秸秆回收处理流程设备的智能化，以降低人力成本、提高秸秆收集的效率。具体包括数字孪生、物联网技术、大数据分析、人工智能技术和地理信息系统等高新技术手段的综合应用，以促进秸秆的全价值利用发展；4）创新现代装备技术包含秸秆的收、储、运和利用流程中的设备设计，包括针对玉米秸秆硬质特点进行粉碎装备的创新设计，玉米秸秆收获和利用过程中农业机械高效化的创新装备设计等，以降低劳动力和时间成本，提高生产效率；5）创新高值材料技术中，利用玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素等可转化为高值产品的原料。其中半纤维素可以制备乳酸，而纤维素可以制备纳米纤维素晶须和粘胶纤维等；从获得高性能材料的角度，创新技术包含将玉米秸秆转化为碳材料，制备成高性能电池电极材料和超级电容器等；6）在创新生物化学技术中包括将玉米秸秆转化为生物质能源、高价值化合物、生物炭和生物制品等方面的应用，这些生物化学技术不仅可以提高利用效率，而且更环保、节能，有利于推进玉米秸秆的创新利用。

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科技部创新方法工作专项项目(2020IM020901)