稻田重金屬污染修復治理技術及效果文獻計量分析

杜志鵬，蘇德純

（中國農業大學資源與環境學院，農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193）

近30年，隨著我國工業化進程的加速和社會經濟的快速發展，農田土壤污染和質量下降問題日趨突出。2014年4月國家環境保護部與國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地土壤重金屬等污染物點位超標率達19.4%，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%，污染形勢不容樂觀[1]。耕地土壤重金屬污染會導致農產品重金屬含量超標。重金屬作為人體非必需元素，半衰期較長，通過食物鏈極易在人體內累積，因長期食用重金屬污染的食物可造成骨毒害、腎損傷、免疫系統缺失、生殖功能障礙、致畸、致癌等各種疾病[2]。近年來，國內發生了數起重金屬污染相關的事件，包括鎘大米、鎘小麥、血鉛超標等[3]。水稻作為我國的第一大糧食作物，其年均種植面積為2860萬hm2，年產稻米1.85億t，占糧食總產量的40%[4-5]，而作為我國稻米主產區的西南、華南和中南地區正是土壤重金屬污染較為突出的區域。因此，修復治理稻田土壤重金屬污染，保障稻米食用安全，對于我國生態環境安全與食物安全有著不可忽視的作用。

對于大面積的稻田重金屬污染修復治理，現階段多采用固定/穩定化方法，降低污染土壤中重金屬的生物有效性，阻止農作物對其吸收，使一些污染程度較低的農田還可以繼續安全的生產農產品。其主要機制是通過向污染土壤中施加一些物質，以改變重金屬在土壤中的存在狀態，降低其在土壤中的遷移性和生物可利用性，使土壤中重金屬固定/穩定化，減少作物對重金屬的富集，從而減少重金屬對作物的危害[6]。比如基施鈍化類的無機、有機以及它們的組配形式[7-9]。不同品種的水稻對重金屬的積累存在顯著性差異[10-11]，通過篩選重金屬低積累品種可以有效降低稻米中重金屬含量[12]。此外，水分管理、葉面阻控劑也可有效降低稻米中重金屬含量[13-15]。

文獻計量學以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，被廣泛用于文獻情報分析，進而評價某領域科學發展現狀及水平[16]。本文通過檢索CNKI中國期刊全文數據庫和Web of ScienceTM核心合集數據庫2006—2017年稻田重金屬污染修復治理領域相關文獻，利用Excel軟件篩選整理、HistCite引文分析軟件統計分析相關文獻，了解國內、外稻田重金屬污染修復治理領域最新研究進展、修復技術類型和特征，并通過文獻分析整理出在大田試驗條件下稻田鎘污染修復治理技術的修復治理效果，以期為我國稻田重金屬污染修復治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 中文數據來源

本文中文數據來源于CNKI的中國期刊全文數據庫。利用中國知網高級檢索功能，檢索時間跨度為2006—2017年，檢索截止時間為2017年12月31日，以“重金屬”并“水稻”或含“稻田”為主題，利用“改良”、“鈍化”、“固定”、“調理”、“阻控”、“修復”、“減少”、“降低”等主題詞在上次主題詞搜索結果中再次檢索，逐條整理挑選，去掉重復、不相關題錄、一稿多發、簡訊、會議報告等，共獲取中文文獻551篇。

1.2 英文數據來源

本文英文數據來源于美國湯森路透公司（Thom?son Reuters）出版的Web of ScienceTM核心合集數據庫。該數據庫收錄的文獻覆蓋了全世界最重要和最有影響力的研究成果，是世界公認的自然科學領域最為重要的檢索平臺。利用主題詞（TS），設計與稻田重金屬修復相關文獻的檢索式如下：TS=（（"acid soil*"or"rice field*"or paddy or rice or"agricultural soil*"）and（"heavy metal*"or lead or"black lead"or plumbum or cadmium or mercury or hydrargyrum or quicksilver or chromium or chrome or arsenic or copper or zinc or nickel）and（removal or decontaminal or stabi?lizat*or phytoremediat*or bioremediat*or co-remedi?at*or phytostabilizat*or phytoinfiltrat*or hyperaccumu?late or remediat*or repair or restore*or localizat*or ac?cumulat*or Immobiliz*or improve*or control or passiv?ation or fix*or amendment）not maize not wheat），檢索時間為2006—2017年，文獻類型為Article和Review，逐條整理挑選之后，共獲取英文相關文獻593篇。

1.3 研究方法

中文文獻按Excel文件格式導出，利用Excel進行分類整理統計，對2006—2017年間發表的有關稻田重金屬污染修復技術文獻從年度發文量、來源期刊分析、關鍵詞分析、研究熱點等方面進行計量統計。

利用Web of ScienceTM數據庫自帶的分析工具、HistCite軟件、Excel 2013軟件，對2006—2017年間發表的有關稻田重金屬修復技術文獻從國家/地區發文量、來源期刊分析、關鍵詞分析、研究方向以及熱點等方面進行計量統計。其中用HistCite軟件進行數據分析時，是將從Web of ScienceTM核心合集數據庫下載的txt全紀錄格式的題錄，按照研究內容的需要將文本導入至HistCite軟件，然后進行分析。

從1144篇中英文文獻中再次篩選出在大田試驗條件下修復稻田鎘污染的各種技術文獻，并從文獻中提取相關修復稻田鎘的數據，對各種技術修復稻田鎘污染的效果（各修復技術對土壤pH提升單位、降低土壤中鎘生物有效性、稻米降鎘率等）進行分析比較。

2 結果與討論

2.1 發文量及年度變化趨向

發文量表征科研人員對本領域熱點的關注程度，一定意義上表明了稻田重金屬修復領域的發展速度和發展程度[17]。所發論文被SCI收錄數量一定程度上可反映一個國家/地區的整體科研實力和國際影響力[18]。年度發文量結果（圖1）表明，在2006—2011年間，中英文稻田重金屬修復領域發文量增加不顯著，但從2011—2017年，中英文稻田重金屬修復領域發文量迅速增長。到2017年，中文年發文量為111篇，是2011年發文量的5.5倍；英文發文量為118篇，是2011年發文量的3倍。2011—2017年該領域中文和英文發文量的年增長率分別為115%、32.5%、5.3%、-1.7%、44.1%、30.6%和2.6%、12.5%、22.2%、25.5%、94.2%、-11.9%，2012—2017年中文和英文發文量年平均增長率為37.6%和24.2%。2012—2017年6年累計中文和英文發文量占統計年限（12年）總發文量的75.3%和77.7%，說明近6年稻田重金屬污染修復問題受到科研人員的高度重視，在該領域的研究熱度也逐漸提升。在2015年之后，中英文發文量都呈爆發式增長，主要原因可能是2014年4月17日環保部和國土資源部[19]歷時8年調查發布的《全國土壤污染狀況調查公告》出臺以及2014年4月24日新環保法的頒布，進一步有效地推動了科研人員對稻田污染修復的研究工作，加快了該領域的研究熱度提升。國外土壤重金屬修復文獻統計顯示，從20世紀80年代開始便有重金屬土壤污染修復的相關研究[20]，且發文量持續增長，而此時國內研究開展較少。2006—2017年稻田重金屬修復領域國內、國際趨勢相同，基本持平，發文量均處于快速發展期。

圖1 2006—2017年稻田重金屬污染修復領域年度發文量Figure1 Annual published articles on heavy metals pollution remediation in paddy fields from 2006 to 2017

2.2 主要國家發文量分析

一個國家/地區的發文量一定程度上代表了在某領域研究的活躍程度，總被引頻次（TGCS）反映了一個國家/地區的整體科研實力和科研影響力[21]，本地被引頻次（TLCS）則代表了本國所發表的論文在該領域的重要程度，可更貼切地表明一個國家在該領域的影響力。從Web of ScienceTM核心合集數據庫中共檢索出中國、印度、美國等50個國家/地區發表了有關稻田重金屬污染修復的研究論文。在現有數據上，對2006—2017年不同國家/地區的發文情況進行分析，論文發表數量排名前10位的國家/地區如表1所示，中國的發文量排名第一，共387篇，遙遙領先于其他國家，占英文發文總量的65.3%，分別是排名第二的印度發文量的4.5倍和排名第三的美國發文量的6.2倍，可見我國在稻田重金屬污染修復領域的研究占有重要地位，間接也說明我國當下稻田重金屬污染問題的嚴峻。由表1可知，中國發文量雖然位居榜首，稻田重金屬修復治理領域雖然發展較快，但其篇均被引次數、本地篇均被引次數排名均偏低，表明中國在該領域的研究雖然比較活躍，但國際影響力不高，應加強該領域的創新性研究。日本發文量排第四，其篇均被引次數、本地篇均被引次數排名均為第一，表明日本在稻田重金屬污染修復治理領域的文章影響力較強。

2.3 期刊來源分析

對2006—2017年稻田重金屬污染修復領域中文文獻檢索結果進行分析，收錄與稻田重金屬修復相關的研究論文前10種中文期刊如表2，在這10種期刊中，發文量排第一的是《農業環境科學學報》，為95篇，占期刊發文總量的15.94%。綜合影響因子最高的期刊是《生態學報》，為2.521。發文量排名前10的中文期刊總發文量為284篇，占該領域中文期刊發文總量的51.54%。

表1 2006—2017年稻田重金屬污染修復研究發文量排名TOP10的國家/地區Table1 Top10 countries or regions in volume of publications in the field of remediation of heavy metals contaminated paddy soil from 2006 to 2017

表2 2006—2017年稻田重金屬污染修復中文發文量TOP10期刊Table2 Top10 Chinese journal in volume of publications in the field of remediation of heavy metals contaminated paddy soil from 2006 to 2017

對2006—2017年稻田重金屬污染修復領域英文文獻檢索結果進行分析，收錄與稻田重金屬修復相關的研究論文有187家英文期刊，英文發文量前10的期刊如表3。發文量第一的期刊為《Environmental Sci?ence and Pollution Research》，其發文量為57篇。近5年平均影響因子最高的期刊為《Journal of Hazardous Materials》，其影響因子為6.513，其次是《Environmen?tal Pollution》《Science of the Total Environment》《Che?mosphere》和《Ecotoxicology and Environmental Safe?ty》，近5年平均影響因子分別為5.291、4.984、4.551、4.000，在2017年期刊引證報告中，這5種期刊均屬于Q1分類，其余5種期刊近5年影響因子在1.972～3.921之間。某期刊的本地篇均被引次數（TCLS/R）可直觀表現出該期刊所刊登稻田重金屬修復領域研究文章在本領域的受重視程度，本地篇均被引次數最高為5.38，所屬期刊為《Journal of Environmental Sciences》，其次為《Environmental Pollution》《Journal of Hazard?ous Materials》《Geoderma》和《Chemosphere》，本地篇均被引次數分別為5.33、4.71、4.62、3.60。綜合近5年平均影響因子和本地篇均被引次數排名前5的期刊，歸納出在稻田中金屬污染修復領域影響力較強的3種期刊為《Environmental Pollution》《Journal of Hazard?ous Materials》和《Chemosphere》。

表3 2006—2017年稻田重金屬污染修復英文發文量TOP10期刊Table3 Top10 English journal in volume of publications in the field of remediation of heavy metals contaminated paddy soil from 2006 to 2017

圖2 2006—2017年中文稻田重金屬污染修復類別Figure2 Being published Chinese articles in paddy field heavy metals pollution category from 2006 to 2017

圖3 2006—2017年英文稻田重金屬污染修復類別Figure3 Being published English articles in paddy field heavy metals pollution category from 2006 to 2017

2.4 稻田重金屬污染類別分析

稻田重金屬污染類別文章的數量一定意義上也代表了某種重金屬的污染程度。圖2為2006—2017年中文稻田重金屬污染類別，可見中文發文量第一的重金屬為鎘，發文量達548篇，占中文稻田重金屬污染修復總發文量的56.32%；同樣對2006—2017年英文稻田重金屬污染修復類別（圖3）分析發現，發文量第一的重金屬仍為鎘，發文量達458篇，占比31.11%。此外，結合2006—2017年中英文稻田重金屬污染修復領域主要關鍵詞出現頻次（圖4、圖5）將出現頻次最高的前100個關鍵詞進行分類合并，稻田重金屬污染出現頻次最高的重金屬同樣是鎘。說明全球稻田重金屬污染中鎘污染最突出，包括我國，這與我國2014年的《全國土壤狀況調查公報》中所報告的鎘的點位超標率為7.0%，是所有無機污染中污染最嚴重的結論相符合，另外鉛、砷等重金屬污染也較為嚴重[22-23]。中文與英文稻田重金屬污染類別均為鎘、鉛、砷、銅、鋅，表明在稻田重金屬污染修復領域研究人員的重金屬研究熱點為鎘、鉛、砷、銅、鋅這5種重金屬，間接也說明全球稻田主要受鎘、鉛、砷、銅、鋅這5種重金屬污染。對比中英文稻田砷污染發文量百分比，英文明顯高于中文，表明國外的稻田砷污染修復研究工作較我國更多。許多研究都表明，治理鉛、鎘、銅、鋅等重金屬的化學調理劑一般可提高土壤pH值，這在很大程度上可能提高土壤砷的生物活性，在治理鎘、鉛、砷等復合污染稻田時，對修復某種重金屬污染有效果，但不一定對砷有效果[24-25]。因此，不僅需要對稻田單個重金屬污染進行修復治理，也需關注稻田重金屬復合污染修復治理的效果。

圖4 2006—2017年中文稻田重金屬污染修復領域主要關鍵詞出現頻次Figure4 Frequency of major keywords in published Chinese articles of remediation of heavy metals contaminated paddy soil from 2006 to 2017

圖5 2006—2017年英文稻田重金屬污染修復領域主要關鍵詞出現頻次Figure5 Frequency of major keywords in published English articles of remediation of heavy metals contaminated paddy soil from 2006 to 2017

圖6 2006—2017年中英文稻田重金屬污染各修復技術發文量Figure6 The number of published Chinese and English articles about remediating heavy metals pollution in paddy soils from 2006 to 2017

2.5 稻田重金屬污染修復技術分析

對2006—2017年稻田重金屬污染修復中英文出現頻次最高的前100個關鍵詞頻次進行分析（圖4、圖5），發現稻田重金屬污染修復主要是通過鈍化或改良技術將重金屬固定在土壤中，降低土壤中重金屬的生物有效性，減少有效重金屬被水稻吸收以及累積[26]，這一類的鈍化劑有石灰類、硅鈣類、磷酸鹽類、有機物料、生物炭等。其次也有通過葉面噴施阻控劑阻止重金屬轉運基因的表達以及在細胞壁固定部分重金屬等，以有效阻控重金屬向稻米中轉運[27-28]，這一類葉面阻控劑有硅類、硒類、鋅類等。也可通過水分管理等農藝措施來降低水稻對重金屬的吸收累積[29-30]。

將2006—2017年1144篇中英文稻田重金屬污染修復文獻按修復類型分為基施鈍化類、水稻品種篩選、農藝措施、葉面阻控、生物修復、機理/綜述六大類，其發文量如圖6。國內外稻田重金屬污染修復技術都是以基施鈍化類為主要研究方向，中文和英文發文量分別為377篇和397篇，占所有稻田重金屬修復技術的53.9%和49.0%。比較2006—2017年中英文稻田重金屬污染各修復技術的發文量可發現，除了基施鈍化類修復技術，國內研究人員比較側重水稻品種的篩選以及葉面阻控劑對水稻的阻控效果研究，而國際研究者比較側重生物修復技術和機理/綜述的研究工作。就我國而言，約有1×107hm2的重金屬污染土壤，其中輕中度重金屬污染占超標點位的94.3%，地域上大部分分布于南方亞熱帶水熱資源豐富地區，修復治理后的土壤具有巨大的利用潛力；中度和輕度污染的土壤修復后，單位面積產量可以提高10%以上[31]，因此，大面積輕中度重金屬污染稻田修復治理具有很實際的意義。基于生物地球化學理論，稻田重金屬行為是水-土-氣-生共同作用的地表過程。鎘、砷等元素從土壤礦物至植物根表的遷移機制、從根至籽粒的轉運機制，是關鍵科學問題。從基礎入手，研發降低重金屬從礦物遷移至根表的鈍化技術、阻控可食部位積累重金屬的生理阻隔技術（葉面阻控劑），是阻控稻米重金屬積累的有效途徑[32]。

表4 稻田鎘污染修復技術及效果Table4 Effect of cadmium pollution repair technology in rice fields

2.6 稻田鎘污染修復技術效果分析

在“2.4稻田重金屬污染類別分析”中得出，稻田重金屬污染中鎘污染最為突出，稻米食用安全需要保障，對眾多稻田鎘污染修復技術效果（稻米降鎘率）進行統計分析，有利于篩選出高效的稻田鎘污染修復技術。

對2006—2017年稻田重金屬污染修復領域篩選出的1144篇文章進行二次篩選，挑選出稻田鎘污染修復技術且在大田試驗條件下進行的文章，對其試驗地土壤性質、施用修復技術后的pH變化單位、降低土壤鎘生物有效性、施用修復技術前后的稻米鎘含量、產量等進行統計（表4）。稻田鎘修復技術包括石灰類物質、硅鈣類物質、黏土礦物、有機物料、生物炭、磷酸鹽類、生物肥類、無機組配改良劑、無機+有機組配改良劑、葉面阻控劑、葉面阻控劑+基施改良劑、水分管理+基施改良劑、品種篩選等。

從表4可知，試驗地土壤pH多為酸性，土壤鎘含量嚴重超標。除葉面阻控和品種篩選外，其他修復技術都不同程度地提升了稻田土壤pH，其中最為明顯的是黏土礦物修復技術，其次為無機組配改良劑修復技術，分別提升了0.98、0.95個單位。降低土壤鎘生物有效性最顯著的是無機組配改良劑修復技術，其次是無機+有機組配改良劑修復技術，分別降低50.31%、38.54%。在施用各項稻田鎘污染修復技術后，稻米中的鎘含量都明顯下降。其中，稻米降鎘率最高為 74.50%，以下為 46.85%、44.52%、42.19%、41.19%、38.69%、35.67%、34.62%、33.89%、31.28%、27.23%、21.27%、14.77%，分別為品種篩選、黏土礦物、葉面阻控制+基施改良劑、無機組配改良劑、水分管理+基施改良劑、無機+有機組配改良劑、生物炭、硅鈣類物質、石灰類物質、生物肥類、葉面阻控劑、磷酸鹽類、有機物料。產量提升最為顯著的稻田鎘污染修復技術為磷酸鹽類和生物炭，分別提升13.86%和13.16%。

3 結論

（1）2006—2017年12年稻田重金屬污染修復領域國內發文量與國際發文量基本持平，從2011年開始發文量迅速增加。研究的重金屬元素主要是鎘、鉛、砷、銅、鋅。研究熱點主要為稻田鎘污染修復治理，且基施鈍化類修復固定/穩定技術最多。

（2）通過對2006—2017年大田試驗條件下稻田鎘污染修復技術修復效果統計，低積累鎘品種篩選稻米降鎘效果最好，其次為黏土礦物、葉面阻控劑+基施改良劑、無機組配改良劑、水分管理+基施改良劑、無機+有機組配改良劑，降鎘率依次為74.50%、46.85%、44.52%、42.19%、41.19%、38.69%。