基于Citespace可視化的土壤重金屬形態(tài)分析

茍俊莉， 張清東*， 李文夢， 張思林， 王立東

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院， 四川 綿陽 621000； 2.綿陽市農畜產品質量安全檢驗檢測中心， 四川 綿陽 621000)

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，越來越多的環(huán)境問題出現(xiàn)。土壤環(huán)境作為自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。中國是全球土壤污染最嚴重的國家之一，環(huán)保部生態(tài)司司長莊國泰曾坦言：“我們的大氣和水污染治理已經走了將近40年的歷程，但是土壤污染治理與修復幾乎還沒有動”。土壤污染的常見類型有有機污染、重金屬污染、病原微生物污染、放射性元素污染，其中，重金屬污染危害最大。重金屬在土壤中主要通過沉淀溶解、氧化還原、吸附解吸、膠體等一系列物理化學過程進行遷移和轉化，最終以一種或多種形態(tài)長期駐留在環(huán)境中。

研究表明，土壤重金屬形態(tài)具有重要的環(huán)境學意義，影響其形態(tài)分布的因素主要包括土壤內因和人為活動外因兩方面[1]。重金屬總量僅僅反映其在土壤中的富集程度，環(huán)境中重金屬的遷移轉化、毒性及其在自然界中的循環(huán)很大程度上取決于其賦存形態(tài)[2-4]。張建云等[5]添加生物炭到污染土壤中，結果顯著降低了土壤重金屬的有效態(tài)，減少了重金屬在環(huán)境介質中的遷移性；劉盼盼等[6]通過對重金屬全量和形態(tài)分布分析，采用風險評價編碼(RAC)法及次生相與原生相分布比值(RSP)法對元素生物有效性和環(huán)境風險進行評價。

土壤重金屬形態(tài)研究已引起廣泛關注，由于土壤重金屬形態(tài)研究的文獻太多，通過綜述很難清晰地梳理出研究的熱點。而科學計量學分析可以通過共現(xiàn)網絡發(fā)現(xiàn)相同或相似主題的潛在關系，最終找出科學活動的規(guī)律性[7]。目前，進行可視化分析的軟件較多，有Sci2Tool、BibExcel、Histcite、Ucinet、SCIMAT、VOSviewer、Pajek和CiteSpace。不同軟件都有自己的優(yōu)勢，BibExcel和Ucinet專注于共現(xiàn)分析，SCIMAT專注于進化趨勢檢測，而VOSviewer專注于可視化，CiteSpace則集成了所有功能，為科學計量學分析提供了一站式的方法[8]。為此，筆者等利用CiteSpace軟件分析 2014—2018年我國土壤重金屬形態(tài)領域的研究核心方向及研究熱點，以期為我國土壤重金屬的深入研究提供參考。

1資料與方法

1.1數(shù)據來源

研究所使用的數(shù)據來源于中國學術期刊出版網絡總庫(中國知網)，數(shù)據檢索時間為 2019年7月1日，檢索條件以“主題=‘土壤重金屬’并含‘形態(tài)’”進行檢索，時間限定為 2014年1月1日至2018年12月31日，共獲取1 487條記錄。對檢索結果進行去重，剔除會議稿件、書評、征稿等無效條目，最終獲得1 445篇有效文獻。在導出數(shù)據時選擇可以被 Citespace軟件識別的 Ref Work 格式，并將其命名為“download.txt”，以保證運行效果。

1.2方法

采用CiteSpace 軟件(5.2.R2 SE 版本)進行研究。利用機構作者合作圖譜、關鍵詞共現(xiàn)圖譜等可視化分析2014—2018年間土壤重金屬形態(tài)研究領域的發(fā)展特點、研究熱點、合作關系等。

作者合作圖譜反映作者在該學科中的活動及合作程度，可科學評價研究者的學術影響力。在軟件參數(shù)設置上，時間閾值為2014—2018，時間切割設置為1年；節(jié)點類型設置為“Author”；節(jié)點閾值為Top 50，無網絡修剪，其余選項均為默認。

機構合作圖譜可反映某一研究領域的核心機構及其合作強度。在軟件參數(shù)設置上，節(jié)點類型設置為“ Institution”，其余選項均同上。

研究對象的分布和演化可直觀地反映不同時間序列中熱點區(qū)域、分析視角和研究方法的變化。關鍵詞作為學術論文研究主題的精細表達，在一定程度上揭示學科領域知識的內在關系[9]。在軟件參數(shù)設置上，選擇“Keyword”作為節(jié)點類型，時間片設置為1年，閾值選擇Top50，網絡修剪方式選擇 Pathfinder和Pruning the merged networks；其余選項均為默認[10]。

2結果與分析

2.1文獻刊發(fā)量的可視化

發(fā)文量隨時間變化的分布情況可反映該領域研究熱度變化。從圖1可看出，2014—2018年間，年均發(fā)文量在200篇以上，發(fā)文量總體呈上升趨勢。但2018年發(fā)文量有所下降，僅占5年中總發(fā)文量的15.68%，而2016年發(fā)文量最多，占24.18%。

2014—2018年發(fā)文量的變化可能有以下原因： 1) 農業(yè)地位的重要性。農業(yè)作為第一產業(yè)，是其他產業(yè)的基礎，是自然經濟和社會經濟相互交織的產物。根據糧農組織2014年的信息和數(shù)據，超過8.05億人面臨饑餓和營養(yǎng)不良，人口增長將需要糧食產量增加約60%。因此保持土壤健康和生產力十分重要。土壤污染一直是人們關注的焦點，土壤重金屬污染相關研究也相應越來越多。2) 全球政治背景趨勢的變化。2013年6月，世界糧農組織大會通過了將每年的12月5日作為世界土壤日的決議，此后，來自世界各地的土壤專家、政治家和高級官員逐漸強調土壤的重要性，土壤重金屬形態(tài)這一研究也越來越進入大眾視野。3) 國家系列政策的實施。環(huán)境保護部和國土資源部于2014年4月聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》[11]顯示，土壤污染率達16.1%，重金屬污染尤為突出，使國內土壤重金屬方面的研究逐漸白熱化。而在2016年5月28日，由國務院印發(fā)實施的《土壤污染防治行動計劃》是我國土壤保護的綱領性文件，該文件提出了預防為主、保護優(yōu)先、風險管控的總體思路。由于有了更多的新的研究方向，使土壤重金屬方面的研究逐漸弱化，重金屬形態(tài)這一分支也受其影響，重金屬形態(tài)理論的研究逐漸趨于飽合，后期關于實踐性的研究尚待與理論融合，致使2018年的論文產出量較前幾年有所下降。

圖1 2014—2018年土壤重金屬形態(tài)研究發(fā)文量

Fig.1 Number of publications on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.2作者合作網絡

從圖 2可知，土壤重金屬形態(tài)研究的作者合作網絡有節(jié)點368個，連線535條。其中，南忠仁創(chuàng)下了8篇相關文章的記錄；其次是胡紅青，發(fā)表論文7篇，武文飛、王厚成、肖瑞和陳尋峰均分別發(fā)表論文6篇。我國土壤重金屬形態(tài)研究存在明顯的作者合作群體，主要是以南忠仁和陳尋峰為主的2個群體間作者合作最為密切。通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，南忠仁所在的作者合作群體主要是通過土壤-植物體系來研究其生物有效性[12-14]，而陳尋峰所在的作者合作群體側重于土壤重金屬的固化研究[15-16]。除此之外，部分其他作者之間也存在合作，但合作強度不大，未能形成群體，還有部分作者獨立進行研究。總的來說，研究人員之間還處于相對獨立的研究狀態(tài)，未能形成大范圍的群體合作研究。

圖22014—2018年土壤重金屬形態(tài)研究的作者合作網絡圖譜

Fig.2 The map of author cooperation network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.3機構合作網絡

節(jié)點大小表示機構在該領域研究論文中出現(xiàn)頻次高低，節(jié)點之間的連線越多表明合作越多，節(jié)點間連線粗細代表機構間合作強度高低。從圖3可知，土壤重金屬形態(tài)研究機構的合作圖譜有節(jié)點128個，連線64條。其中，土壤重金屬形態(tài)研究較多的機構包括中國科學院大學、湖南農業(yè)大學、云南農業(yè)大學、環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所、廣西大學、西北農林科技大學、華中農業(yè)大學、河海大學、湖南大學和西南大學。其中，西北農林科技大學與其他機構的合作最為廣泛，其次是環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所。部分機構由于所處地理位置相近，相互之間也有合作，但大部分的機構與高校都是獨立研究。總的來說，對于土壤重金屬形態(tài)研究較多的機構主要集中于資源與環(huán)境類院校和科研機構；各大機構之間的合作相對缺乏，獨立性較強。

圖32014—2018年土壤重金屬形態(tài)研究的機構合作網絡圖譜

Fig.3 The map of institution cooperation network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.4關鍵詞共現(xiàn)網絡

2.4.1研究熱點從圖4可知，關鍵詞共現(xiàn)網絡有節(jié)點127個，連線145條。通過關鍵詞共現(xiàn)圖譜內容可以確定國內土壤重金屬形態(tài)研究領域的主要熱點。其中，高頻關鍵詞為在所有分析文獻的關鍵詞中出現(xiàn)頻率較高的部分，一定程度反映了研究的熱門。排除“土壤”、“重金屬”、“形態(tài)”這三個檢索主題限定詞后，關鍵詞共現(xiàn)頻率最高的是“生物有效性”，其次是“形態(tài)分析”、“化學形態(tài)”和“生物炭”。排除“形態(tài)分析”、“化學形態(tài)”等檢索相關限定詞，同時結合圖譜中其他主要關鍵詞統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，土壤重金屬形態(tài)的研究熱點內容集中在以下方面： 1) 生物有效性。關鍵詞“生物有效性”出現(xiàn)頻次最高，為113次。在土壤重金屬形態(tài)研究中，形態(tài)與生物有效性緊密關聯(lián)。蘭翔等[17]從污染土壤中篩選了耐鉛鎘真菌，結果使土壤中鉛鎘的生物有效性和小白菜體內鉛鎘含量和累積量顯著降低，為鉛鉻污染土壤微生物修復的應用提供了理論依據；宋文恩等[18]采用不同土壤酸化方式研究土壤中Cu的形態(tài)及生物有效性的變化，發(fā)現(xiàn)降低pH可導致土壤中重金屬的活化，生物有效性增強；龍靈芝等[19]探究了水分管理方式和磷酸鹽對水稻土中Cd生物有效性的影響發(fā)現(xiàn)，磷酸鹽施用與水分管理對有效態(tài)Cd的影響存在交互作用，且水分管理是控制水稻土中Cd生物有效性降低的主要影響因素。2) 生物炭。生物炭因具有較大的比表面積和孔隙結構，強的離子交換能力和豐富的表面含氧官能團對重金屬具有很強的吸附能力與吸附容量，生物炭研究的熱點主要集中于土壤鈍化修復。周貴宇等[20]研究了3種有機物料在設施菜田土壤重金屬污染條件下對重金屬生物有效態(tài)等賦存形態(tài)的影響，結果表明，3種有機物料可以通過改變設施菜田土壤pH和對重金屬的吸附、絡合等固定作用降低土壤中重金屬活性；郁倩文等[21]構建微生物/生物炭盆栽試驗系統(tǒng)修復重金屬污染土壤，修復后的土壤重金屬浸出毒性均遠小于毒性鑒別標準，對土壤修復具有一定指導參考意義。3) 重金屬污染。通過檢測特定區(qū)域土壤或植物中重金屬濃度分析其污染分布特征和污染程度，從而對該地區(qū)進行生態(tài)風險評估和健康風險評價是近年來的研究熱點之一。劉俊等[22]通過測定沉積物中重金屬的總量、形態(tài)及生物有效性，利用地積累指數(shù)法和單因子指數(shù)法分析其污染程度與等級來研究沉積物中重金屬的污染特征及生態(tài)風險；吳青等[23]使用生物可降解螯合劑谷氨酸N,N-二乙酸四鈉萃取污泥中重金屬具有良好的萃取效果；林文杰等[24]使用改良劑對礦區(qū)污染耕地土壤進行基質改良，研究改良劑對土壤金屬形態(tài)及其在土壤-農作物界面遷移的影響，結果表明，改良劑能有效的將重金屬固化在土壤中。重金屬污染與生物有效性和生物炭兩大研究熱點具有一定的關聯(lián)性，許多情況下這三大熱點的研究是在土壤修復這一大背景下進行的。

圖42014—2018年土壤重金屬形態(tài)研究的關鍵詞共現(xiàn)網絡圖譜

Fig.4 The map of keywords co-occurrence network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.4.2研究前沿研究前沿的識別與追蹤能為研究者提供學科研究的最新演化動態(tài)，預測研究領域的發(fā)展，識別需要進一步探索的問題。CiteSpac軟件具有突發(fā)性的詞匯檢測功能，而突現(xiàn)的主題則代表了學科發(fā)展的新型趨勢和突然變化。研究在上述關鍵詞共現(xiàn)分析的同時，利用軟件自帶的突現(xiàn)檢測算法，整理得到土壤重金屬形態(tài)研究領域的突現(xiàn)詞信息(表1)。

表12014—2018年土壤重金屬形態(tài)研究的突現(xiàn)詞信息

Table 1 Information about keywords with the strongest citation bursts on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

關鍵詞Key words強度Strength起始Begin終止End2014—2018年中介中心性Centrality頻次Frequency遷移 Migration4.578 920142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.0614edta4.249 820142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.3513超聲波 Ultrasonic3.264 320142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.2710鎘形態(tài) Cd form2.663 520162018▂ ▂ ▃ ▃ ▃0.3612油菜 Rape2.609 020142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.388cu2.281 720142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.307污染特征 Pollution characferistics1.994 920162018▂ ▂ ▃ ▃ ▃0.039

注：▃為在2014—2018年中關鍵詞突現(xiàn)的年份。

Note:▃ is the year in which keywords with the strongest citation bursts from 2014 to 2018.

從關鍵詞突現(xiàn)強度看，“遷移”的突現(xiàn)強度最大，為4.578 9。土壤重金屬形態(tài)研究熱點之一的生物有效性就主要研究重金屬的遷移富集，表明在土壤重金屬形態(tài)研究早期“遷移”受到廣泛關注，并成為具有影響的研究前沿熱點。同時，“edta”和“超聲波”的強度也較大，分別為4.249 8和3.264 3，是土壤重金屬形態(tài)研究的重要前沿領域。總體來看，土壤重金屬形態(tài)研究呈現(xiàn)出從單一到多元、從宏觀到微觀的變化趨勢。

從關鍵詞突現(xiàn)時間來看，2014—2018年關鍵詞突現(xiàn)可分為兩個階段。2014—2015年為第一階段，突現(xiàn)詞有“遷移”“edta”“超聲波”“油菜”和“cu”，突現(xiàn)時間跨度均為2年，這可能與環(huán)境保護部和國土資源部于2014年4月聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》有關。2016—2018年為第二階段，在2016年，出現(xiàn)了“鎘形態(tài)”和“污染特征”兩個突現(xiàn)詞，這可能與2016年國務院印發(fā)實施的《土壤污染防治行動計劃》有關，致使2016年的兩個突現(xiàn)詞成為延續(xù)至今的最新研究前沿。

關鍵詞的中介中心性在很大程度上代表其在整個關鍵詞共現(xiàn)網絡中的重要性，指代一定時期內熱門的研究主題。從突現(xiàn)詞中介中心性和頻次來看，“油菜”為中介中心性最大的突現(xiàn)詞，為0.38，表明“油菜”是研究的熱點主題，學術影響力較高，盡管其出現(xiàn)的頻次較少；而“遷移”和“污染特征”的中介中心性在7個突現(xiàn)詞中偏小，僅為0.06和0.03，說明該突現(xiàn)詞在整體關鍵詞共現(xiàn)網絡中的連接作用較小，但其出現(xiàn)頻次分別為14次和9次，比中介中心性最大的“油菜”的頻次高，表明關鍵詞出現(xiàn)的頻次不決定研究前沿的影響力。

3結論

利用 CiteSpace 軟件研究2014—2018年間土壤重金屬形態(tài)研究領域的文獻量、合作關系、研究熱點、研究前沿等。結果表明， 2014—2018年間發(fā)文量總體呈現(xiàn)上升趨勢，這與國內外政策息息相關。此外，有關土壤重金屬形態(tài)研究的作者間存在明顯的作者合作群體，主要是以南忠仁和陳尋峰為主的兩個群體間作者合作最為密切；在研究機構中，中國科學院大學、湖南農業(yè)大學、云南農業(yè)大學、環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所等為土壤重金屬形態(tài)研究重點機構，研究機構之間大多都是處于獨立研究狀態(tài)，未形成研究合力。目前，土壤重金屬形態(tài)研究主要集中在生物有效性、生物炭和土壤污染三方面，鎘形態(tài)和污染特征為最新的研究前沿，是未來幾年該領域集中的主要研究方向。