基于CiteSpace的重金屬污染土壤修復研究文獻計量分析

吳永紅，靳少非

（閩江學院地理科學系，福州 350108）

隨著工業化和農業生產現代化的快速發展，我國土壤受到不同程度的重金屬污染，其不僅會降低農作物產量，農產品質量也會下降，進而通過食物鏈累積危害人類健康[1]。因此，土壤重金屬污染已經成為當今面臨的主要環境問題之一，重金屬污染土壤的修復技術研究也越來越得到國內外學術界的關注。20世紀90年代以前，土壤重金屬修復多采用客土修復[2]，但該方法只是環境問題在空間上的轉移，并未真正達到去除土壤重金屬的目的。目前廣泛采用的修復方法有物理化學修復和生物修復[3]，前者包括化學固化、土壤淋洗、動電修復等，后者包括植物修復、微生物修復等。

國內外學者在土壤重金屬修復領域已經做了大量研究，如楊洋等[4]對油菜-玉米和油菜-油葵兩種種植模式對土壤重金屬的修復潛力進行對比研究，認為后者種植模式要優于前者；張金婷等[5]利用植物修復技術，對典型棕地修復前后土壤重金屬生態風險變化進行研究，認為修復后區域生態風險大幅降低；王佳佳等[6]對污染土壤的重金屬形態分布進行研究，為制定精準修復方案提供依據。同時，也有不少對土壤重金屬修復研究的總結和綜述性文獻[7-8]，但大多局限于對某一研究方向進展情況的總結，沒有從宏觀尺度上對該領域研究進行全面分析。

本文通過文獻計量的方法，采用CiteSpace文獻計量工具，對1998—2018年土壤重金屬修復領域相關文獻進行量化分析，從宏觀上展示該領域的研究現狀，揭示研究熱點及未來發展態勢，以期為今后的相關研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究外文文獻數據選取自美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information，ISI）Web of Science（WOS）數據庫中Web of ScienceTM核心合集，檢索“主題”=（heavy metal*）AND（soil remediation）AND“文獻類型”=“article”，檢索時間設置為1998—2018年，共得檢索結果4036條。中文文獻數據取自中國學術期刊出版總庫（CNKI總庫），使用高級檢索，檢索“主題”或者“關鍵詞”=“重金屬”并含“土壤修復”，選擇檢索時間為1998—2018年，精確匹配檢索，共得檢索結果730條。730篇文獻時間范圍為2000—2018年，1998、1999年未檢索到相關文獻。

1.2 分析方法

本文運用CiteSpace（5.4.R4）軟件，分析了1998—2018年中外文發表的有關重金屬污染土壤修復研究工作的進展情況，包括發文時間、發文國家、發文機構、關鍵詞、作者群體、載文期刊及高被引論文情況。CiteSpace是美國德雷塞爾大學（Drexel University）陳超美博士開發的文獻計量分析軟件，能夠對數據進行深度挖掘，繪制知識圖譜，實現分析結果的可視化，通過知識圖譜的分析，可獲取該領域研究現狀、研究熱點及未來發展態勢。

2 結果與分析

2.1 發文量的時間分析

對1998—2018年土壤重金屬修復研究的中外文文獻發文量的逐年變化進行分析（圖1），外文文獻數量總體呈快速增加態勢，個別年份有小幅波動。中文文獻起步相對較晚，2000年開始有該領域研究論文出現，但發文量增加較為緩慢。

1998—2018年重金屬污染土壤修復研究的外文文獻發文量增加態勢明顯，特別是2014年以來，發文量快速增長，從2014年的274篇增加到2018年的523篇，表明土壤重金屬修復研究越來越得到國際學術界重視。

中文文獻起步相對較晚，2000年開始有該領域研究文獻出現，在此之后10余年時間（2000—2011年），發文量沒有表現出明顯增加，從2012年開始，發文量逐步提高，特別是2015年以來，增加態勢較為明顯，從2015年的71篇增加到2018年的126篇。

2.2 外文文獻發文國家分析

重金屬污染土壤修復研究外文文獻發文量排名前10的國家如表1，中國發文量1166篇，占總發文量4036篇的28.89%，是排名第二美國的2.59倍，排名第三西班牙的3.77倍，表明我國在土壤重金屬修復研究方面十分重視，并做了大量的研究工作。發文量排名前10的國家多為農業大國，且科技水平均居世界前列，表明科研能力和社會需求對該研究領域的發展具有重大推動作用。使用CiteSpace軟件對重金屬污染土壤修復研究外文文獻發文國家進行分析，結果顯示我國作為發文量最大的國家，在網絡圖譜中的中心性最高，其次為西班牙、美國、法國、韓國、德國。

2.3 發文機構分析

2.3.1 外文文獻發文機構分析

圖1 1998—2018年重金屬污染土壤修復研究中外文文獻發文數量Figure 1 Number of published literatures on the repair of heavy metal contaminated soil during 1998—2018

表1 重金屬污染土壤修復研究領域外文文獻發文量前10位國家排名Table 1 The top 10 most productive countries of foreign language literaturesin the research field of the repair of heavy metal contaminated soil

重金屬污染土壤修復研究外文文獻發文量排名前10的機構分別為中國科學院（304篇）、西班牙高等科學研究理事會（110篇）、中國科學院大學（98篇）、中國科學院南京土壤研究所（97篇）、丹麥技術大學（67篇）、法國國家科學研究中心（56篇）、中山大學（54篇）、法國農業科學研究院（52篇）、浙江大學（52篇）、伊利諾伊大學（44篇）。中國科研機構占其中5個，表明我國作為一個農業大國，對該研究領域極其重視，同時，快速的經濟發展造成我國土壤受到不同程度的重金屬污染，在該方面的社會需求也是推動其發展的重要動力。

利用CiteSpace對重金屬污染土壤修復研究外文文獻發文機構進行分析，中國科學院在網絡圖譜中的中心性最高，表明其與國內外相關科研機構之間共被引關系較多，亦即與國內外科研機構的學術交流合作較為緊密。而圖譜網絡密度并不高，僅為0.007 5，表明總體來說，世界各大科研機構之間的交流合作相對較為欠缺。

2.3.2 中文文獻發文機構分析

重金屬污染土壤修復研究領域中文文獻發文量排名前10的機構有中國科學院南京土壤研究所（16篇）、中國科學院地理科學與資源研究所（10篇）、中國科學院沈陽應用生態研究所（10篇）、沈陽環境科學研究院（10篇）、桂林理工大學（9篇）、同濟大學（9篇）、蘭州交通大學（8篇）、中國科學院生態環境研究中心（8篇）、湖南農業大學（8篇）、浙江農林大學（8篇）。中文文獻發文機構分析結果顯示，各科研機構在網絡圖譜中分布較為離散，表明國內科研機構之間的交流合作相對匱乏，今后有待進一步加強。

2.4 關鍵詞分析

關鍵詞是文獻研究內容的高度提煉，也是研究主題的突出表現，通過對關鍵詞出現頻次的分析，可以挖掘近年相關研究領域的熱點問題。

2.4.1 外文文獻關鍵詞分析

利用CiteSpace對重金屬污染土壤修復研究領域外文文獻關鍵詞進行分析，“heavy matal”為出現頻次最高關鍵詞，與之緊密度較高的其他關鍵詞包括“remediation”“contaminated soil”“soil”“cadmium”“removal”“phytoremediation”“lead”“copper”“zinc”“accumulation”等，可見在外文文獻中，重金屬鎘、鉛、鋅、銅的累積特征及修復是近年研究熱點，而在修復手段方面，植物修復是研究的重要方向。

2.4.2 中文文獻關鍵詞分析

在中文文獻關鍵詞出現頻次分析中，“土壤修復”和“重金屬”成為出現頻次最高的兩個關鍵詞，其他出現頻次較高的關鍵詞有“重金屬污染”“土壤”“土壤污染 ”“ 修 復技 術 ”“修 復 ”“植 物 修 復 ”“污 染 土壤 ”“ 無機污染物”“土壤修復技術”“土地污染”“生物炭”等，可見在中文文獻中，植物修復同樣是該領域研究熱點，而與此同時，生物炭作為吸附劑在重金屬污染土壤修復中的應用也成為近年研究熱點。

2.5 作者群體分析

2.5.1 外文文獻作者群體分析

利用CiteSpace對重金屬污染土壤修復研究外文文獻作者群體進行分析，Daniel C W Tsang、Yong Sik OK、Kitea Baek、Lisbeth MOttosem等是發文較多的作者。分析結果表明，大多作者群體分布較為離散，團隊內部網絡連線較為緊密，而團隊與團隊之間僅有少數連線鏈接，表明科研團隊之間的學術交流相對較少，故圖譜網絡密度并不高，僅為0.003 8。

2.5.2 中文文獻作者群體分析

重金屬污染土壤修復研究中文文獻作者群體分析結果表明，中文文獻作者群體總體呈大分散小集中態勢，各個科研團隊內部交流合作較為緊密，而團隊與團隊之間合作相對匱乏。

2.6 載文期刊分析

2.6.1 外文文獻載文期刊分析

重金屬污染土壤修復研究外文文獻載文期刊發文量排名前10的出版物如表2。可見該領域研究外文文獻發表期刊主要集中于環境污染、植物修復等方面，也進一步證明，植物修復是當前重金屬污染土壤修復的主要研究方向。International Journal of Phytoremediation為該領域研究論文同期發文量占比最高刊物（8.17%），其次為 Soil Sediment Contamination（7.68%），Science of the Total Environment所刊文獻該領域研究論文占比最低（0.6%）。

2.6.2 中文文獻載文期刊分析

重金屬污染土壤修復研究中文文獻載文期刊中，《農業環境科學學報》《生態環境學報》等核心刊物所刊載文獻在一定程度上可反映該領域研究前沿，故在此只列出《中國科學引文數據庫》收錄刊物（表3）。從載文期刊可以看出，中文文獻主要側重于農業環境方面研究，《農業環境科學學報》為該領域研究論文載文量最多刊物，共載文19篇，也是同期發文量占比最高刊物，為0.27%，其次為《生態環境學報》，載文16篇，占同期發文量比重為0.26%。而另一方面，我國目前尚缺乏針對土壤修復領域的專門性期刊，也是我國相關領域機構當前以及今后努力的重要任務。

2.7 高被引論文分析

2.7.1 外文文獻高被引論文分析

重金屬污染土壤修復研究外文文獻高被引排名前10的論文如表4所列，10篇論文中有7篇關于生物炭在重金屬污染土壤修復研究中的應用，可見其已經成為當前該領域的熱點問題。10篇論文的載文期刊中，Environmental Pollution、Journal of Hazardous Materials、Environmental Scienceand Pollution Research位列外文文獻發文量排名前10的期刊，其中Journal of Hazardous Materials刊載10篇論文中的5篇，Environmental Pollution、Environmental Science and Pollution Research各刊載1篇。10篇論文的發文機構中，中國科研機構占其中6個，且僅中國科學院南京土壤研究所位列外文文獻發文量排名前10機構，表明我國在重金屬污染土壤修復研究領域有著較強的國際學術影響力。

表2 重金屬污染土壤修復研究外文文獻發文量前10位期刊排名Table 2 Thetop 10 journalsof foreign language literatures in the research field of the repair of heavy metal contaminated soil

表3 重金屬污染土壤修復研究中文文獻發文量前10位核心期刊排名Table 3 The top 10 core journals of Chinese literature in the research field of the repair of heavy metal contaminated soil

2.7.2 中文文獻被引頻次分析

中文文獻被引頻次排名前10的論文如表5所列，植物修復位列其中，結合關鍵詞出現頻次分析，可見植物修復研究亦為該領域研究熱點。10篇論文載文期刊中，《農業環境科學學報》《應用生態學報》《環境科學》《環境科學與技術》位列發文量排名前10的核心刊物。10篇論文的發文機構中，中國科學院生態環境研究中心、中國科學院南京土壤研究所、中國科學院沈陽應用生態研究所、中國科學院地理科學與資源研究所位列中文文獻發文量排名前10機構。10篇論文中的6篇來自于中國科學院下屬研究機構，可見中國科學院作為中國自然科學研究的最高學術機構，在重金屬污染土壤修復研究領域有著較強的影響力。

3 研究展望

3.1 重金屬污染土壤修復研究發展態勢

1998—2018年重金屬污染土壤修復研究發文量呈快速增長態勢，特別是2015年以來，增加態勢更為明顯，表明土壤重金屬修復研究已經越來越得到國內外學術界的關注。相對而言，外文文獻較中文文獻增加態勢更加明顯，其中我國科研工作者做出巨大貢獻。

表4 重金屬污染土壤修復研究外文文獻高被引論文排名Table 4 The rank of citation frequency of foreign language literature in the research field of the repair of heavy metal contaminated soil

表5 重金屬污染土壤修復研究中文文獻被引頻次排名Table 5 The rank of citation frequency of Chinese literatures in the research field of therepair of heavy metal contaminated soil

我國作為世界農業大國對土壤重金屬修復研究十分重視，并做出了較好的研究成果，在發文量、文獻被引方面都表現出較強的國際學術影響力。但從作者群體、發文機構圖譜可以看出，國際該領域相關科研機構及科研團隊之間的交流合作較為欠缺，特別是國內科研機構及團隊的交流合作有待加強。

3.2 當前重金屬污染土壤修復研究熱點問題

通過關鍵詞出現頻次分析，結合高被引論文分析，得到當前國際土壤重金屬污染修復研究領域的熱點問題，按照屬性可以將其歸結為以下幾個方面。

3.2.1 土壤重金屬污染修復技術——植物修復

Brooks等[9]于1977年提出超富集植物概念之后，Chaney[10]于1983年首次提出利用植物去除土壤中重金屬的思想，自此，土壤重金屬的植物修復技術成為相關領域科研工作者關注的熱點。近年來，各國學者做了大量研究，包括重金屬超富集植物種類的研究[11-12]、不同種植條件對超富集植物修復潛力的影響[4，13-17]、植物基因工程改造研究[18]等。但多數超富集植物生長緩慢、生物量少，其對生長環境、重金屬類型有較強的選擇性，且只能處理少數幾種重金屬，故仍需大量研究探索，尋找更多種類超富集植物，并通過基因工程、農藝、微生物等強化技術提升植物修復效率。

3.2.2 土壤重金屬污染修復材料——生物炭

自1963年Hilton等[19]發現生物炭對土壤中非草隆等有機農藥具有良好的吸附作用之后，生物炭即作為一種土壤改良劑在污染土壤修復領域得到應用。國內外學者在土壤重金屬的生物炭修復利用方面已做了大量研究，研究內容主要集中于生物炭對土壤重金屬的修復效果及其對土壤的改良作用。然而，不同溫度、不同原料制備的生物炭，以及不同生物炭施加量都會對修復效果產生重要影響，土壤類型、重金屬種類及污染程度亦對修復作用產生影響。鑒于此，生物炭作為吸附劑在土壤重金屬修復領域的應用仍有非常大的研究空間，不失為當前乃至今后該領域研究的熱點。

3.2.3 土壤重金屬污染修復對象——鎘、鉛、鋅、銅

在土壤重金屬污染修復對象方面，土壤鎘、鉛、鋅、銅為當前土壤重金屬污染修復研究的主要內容。土壤鎘、鉛與汞、砷、鉻并稱“五毒元素”[20]，亦成為該領域相關學者關注的焦點。鋅是動植物生長發育必需的微量元素，但也是公認的有害重金屬元素之一[21]，土壤鋅超標會導致作物減產，并通過食物鏈累積、傳遞，最終威脅人類健康，亦成為當前該領域研究熱點。銅也是動植物生長必需的微量元素，但當其在生物體內累積量超過生物承受限度就會產生毒害效應，進而影響人體健康和生態系統穩定，因此，土壤銅污染的修復研究成為該領域相關學者關注的熱點和難點[22]。

3.3 重金屬污染土壤修復領域未來重要研究方向

3.3.1 修復機理研究

植物修復作為一種有效的土壤重金屬修復手段已被學術界廣泛認可，但鑒于多數超富集植物生長緩慢、生物量少、選擇性強等特點，深入探討植物超累積作用生理機制，利用強化技術聯合植物修復提升其修復能力，是未來該領域研究的重要方向。例如利用基因工程技術提升其富集潛力，培育高效型修復植物；利用根際微生物強化技術增強植物對重金屬的耐受性及提取能力；利用農藝措施促進植物生長，縮短生長周期，以提高其修復效率。因此，基因工程強化技術的作用機制、根際微生物作用效應、植物體對重金屬的累積機制、農藝強化技術的作用機理等是今后植物修復土壤重金屬的研究重點。

作為新型吸附劑的生物炭，其來源廣泛成本低廉，是一種值得推廣的有效修復手段。目前對其修復機理闡述還存在不同意見，主要包括：表面吸附、親合力極弱的非靜電物理吸附[23]、靜電相互作用力[24]、表面配合吸附和共沉淀同時作用[25]等。隨著研究的深入，生物炭對土壤重金屬修復能力的局限性逐漸顯現出來，為提高其修復潛力，生物炭改性技術應運而生[26]。有研究顯示，利用表面氧化、氨基化等改性后的生物炭對鎘的吸附能力顯著提高[27]，利用氧化鐵改性的葡萄秸稈生物炭有效促進其對鎘的吸附[28]，針鐵礦改性后的生物炭對三價砷的吸附量比未改性生物炭吸附量增大達62倍[29]。因此，通過對生物炭修復機理的研究，可以有針對性地改性生物炭，是今后研究的重要方向。

3.3.2 聯合修復技術的研發

雖然重金屬污染土壤修復領域已有大量研究，并取得了長足的發展，但由于污染的嚴重性及環境條件的復雜性，重金屬污染土壤多為多種重金屬的復合污染，且通常伴有農藥殘留、有機物料等其他方面的污染，使得土壤修復的效果遠未達到人們的期望值[30]。再加上各種修復手段在實際應用中本身都存在一定的局限性，如植物修復耗時長、選擇性強，生物炭吸附累積的重金屬在環境條件發生變化時可能重新釋放造成二次污染[31]，因此，經濟、高效、實用的聯合修復技術的研發，特別是要把這些技術在生產實踐中得到應用，且兼顧當地環境條件及生產習慣，是今后需要繼續努力的方向。如在土壤修復過程中聯合運用物理、化學、生物、農藝等措施，建立一個動物-植物-微生物-農藝-改良劑多種修復手段聯用的綜合修復體系，探究它們之間的作用機理，以達到土壤重金屬污染的有效防治。

3.3.3 研發技術及產品的農業應用研究

重金屬污染土壤修復的大田生產實踐研究已有相關實例報道，并取得了較好的研究成果，如在水稻田中施用硅鈣肥和石灰，顯著降低了糙米中鎘含量，稻谷增產達50%～51%[30]，天然海泡石可顯著降低水稻土中鎘含量[32]，施用 1.5 t·hm-2和 3.0 t·hm-2污泥生物炭可顯著降低稻米中鎘含量[33]。就目前來說，用于田間試驗的修復材料多集中在堆肥、生物炭、石灰以及黏土礦物等[26]，多數其他修復手段的研究仍限于實驗室規模，大田修復實踐較為缺乏，但實驗室環境條件難以代表大田實際情況，如基因工程植物修復的研究，轉基因植物進入野生環境能否正常生長，以及是否會對當地物種帶來風險還有待進一步驗證[34]。因此，研發技術及產品在實際農田土壤重金屬污染修復中的應用示范工作是未來該領域研究的一個重要方向。