基于CiteSpace的燃煤電廠與重金屬污染相關性文獻研究

巢文軍，楊明憲，曹曉涵，顧汝科

(江蘇省常州環境監測中心，江蘇 常州 213003)

燃煤電廠在煤炭燃燒過程中產生的金屬污染物，通過煙氣、氣溶膠、飛灰等形式遷移到環境中后難降解、易累積，且通過生物鏈富集放大產生的危害具隱蔽性和持久性。煤炭是我國的主要一次能源，在嚴控二氧化硫、氮氧化物的超凈排放后，燃煤電廠的金屬污染已經成為關注熱點[1]。

本研究以代表全球學術權威的Web of Science數據庫為基礎，使用Citespace軟件并結合文獻計量學方法作知識圖譜可視化分析，來揭示燃煤電廠與金屬領域的發展變化、主題熱點，為燃煤電廠的金屬排放研究和控制管理提供參考和方向[2]。

1 方法與數據

在Web of Science(以下簡稱WoS)中選擇核心合集數據庫，輸入Coal-fired Power Plants與Metal主題，選擇1980—2020年度，獲得823篇文獻作為研究樣本。結合WoS檢索分析功能，使用CiteSpace知識圖譜軟件，對樣本數據從文獻時間變化(年度分布和熱點追蹤)、空間分布(國家和機構分析)、高被引文獻等方面進行文獻可視化分析和綜合評估。

2 統計與分析

2.1 文獻的時間分布

2.1.1 文獻數量的年度分布

文獻數量的年度分布統計可反映該領域研究的產生、發展及關注度，有利于總體把握并分段研究。分析823篇樣本的年度變化及文獻逐年累積率(圖1)，可劃分為四個階段：第一階段是萌芽期(1983—1990年)，1983年起方斷續有相關文獻統計，數量稀少，內容零散；第二階段是起步期(1991—2000年)，文獻數量開始增加但累積率波動大，研究開始受到關注，研究內容逐步明晰；第三階段是發展期(2001—2010年)，數量增長，內容豐富起來；第四階段是積累期(2011—2020年)，文獻保持加速增長，視野拓寬，內容深化。近10年發文510篇占38年總量的67.8%，為高增長高產出階段。

圖1 1983—2020年燃煤電廠與金屬研究領域WoS數據庫論文年發文量及文獻累積率

2.1.2 主題和熱點隨時間變遷情況2.1.2 關鍵詞聚類與大主題演變路徑

研究主題的發展態勢，可對關鍵詞進行頻次統計和聚類分析。將樣本數據導入Citespace軟件，選擇關鍵詞分析，可得650個有效關鍵詞，其中高頻關鍵詞Top 10為：heavy metal(重金屬)、fly ash(飛灰)、trace element(微量元素)、emission(排放)、metal(金屬)、combustion(燃燒)、mercury(汞)、coal(煤)、soil(土壤)、power plant(發電廠)。

Citespace將關鍵詞分成# 0～# 12共13組主題聚類并按時區顯示(圖2)，可展開為時間線排列(圖3)。節點位置表示關鍵詞首次出現時間，節點大小代表出現頻次，連線粗細代表共現關系[3]。結合每組詞匯的聚類集合，由圖2和3可知該領域的大主題演變路徑為：1991年關注度提高(金屬)；1997年生物有效性(生物累積)；2001年PM2.5(空氣粒子)；2002年鎘(鎘和鉛等金屬積累)；2003年土壤(污染及富集系數)；2005年飛灰(浸出毒性)、源解析(化學成分)；2007年混燃(固廢)、砷(魚和蜆等)、空氣污染(酸雨)；2010年火電廠(煤燃燒和大氣汞)、重金屬去除(汞和硒等)；2013年CO2捕集(煙氣)；2014年生物碳(降解)。

圖2 1983—2020年燃煤電廠與金屬研究關鍵詞聚類的時區圖

圖3 1983—2020年燃煤電廠與金屬研究共被引聚類時間線圖

2.2.2 關鍵詞突現與前沿突發熱點轉變

Citespace特有的關鍵詞突現偵測功能[4]，可監控文獻和引文數量突發增長的前沿熱點轉變趨勢，由軟件導出突現性強的11個突現關鍵詞(見表1)，可見2002—2010年的突現研究前沿為大氣汞；2009—2015年熱點轉換為土壤研究(其中2011—2013年著重土壤污染)；在2013—2016年關注煙氣(其中2013—2015年多使用溶液吸附方法)；2014—2017年焦點是多環芳烴；2015—2020年水質研究(其中2016—2017年關注的地域是中國，2017—2020年關注的元素是鉛)；2018—2020年的最新突發熱點切換到有害微量元素、形態。

表1 引用突發最強的前11個關鍵詞

2.3 文獻的空間分布

2.3.1 國家分析

聯合國教科文組織的《世界科學報告》、美國《科學與工程指標》及《中國科學技術指標報告》，多以WoS等權威數據庫收錄的高水平科技論文數量為定量指標之一，來對國家科技和創新實力進行綜合評價[5]。使用Cite Space設置Top15國家分類被引聚類(見圖4)，可見其中10個是發達國家，分別是美國(USA)、西班牙(SPAIN)、澳大利亞(AUSTRALIA)、加拿大(CANADA)、英國(ENGLAND)、德國(GERMANY)、意大利(ITALY)、日本(JAPAN)、韓國(SOUTH KOREA)、芬蘭(FINLAND)；僅中國(CHINA)、印度(INDIA)、土耳其(TURKEY)、馬來西亞(MALYSIA)、巴西(BRAZIL)是發展中國家。統計1983—2020年間發文量大于200篇的只有2個國家，分別是中國(236篇)、美國(208篇)，尤其2011—2020年中國的發文數量遠超美國，但是代表被引頻次的節點大小總體仍小于美國。

圖4 1983—2020年燃煤電廠與金屬研究領域發文量Top15國家圖譜分析

2.3.2 機構分析

由圖5可見在1983—2020年間發文量Top15機構，分屬5個國家，只有中國和印度是發展中國家，其余3個為發達國家。其中中國8家(中國科學院、華北電力大學、西安交通大學、清華大學、浙江大學、中國礦業大學、華中科技大學、中國東南大學)在Top15機構發文總量里占比高達58.2%；美國4家(能源部、佐治亞大學系統、電力研究學會、加州大學系統)占比25.5%。

圖5 1983—2020年燃煤電廠與金屬研究領域發文量Top15機構排名

從年度分布變化來看，在1983—2020年期間排名前三位的機構是美國能源部、中國科學院、華北電力大學；而到2010—2020年中國科學院、華北電力大學、西安大學的發文量占據全球前三，表明近10年里以中國科學院、華北電力大學、西安交通大學等為代表的中國機構在該領域科研產出領先。

2.4 高影響力文獻

將樣本按被引頻次降序排列查找Top15高影響力文獻。統計第一作者的國家來源，11篇來自發達國家(美國9篇，澳大利亞和荷蘭各2篇，加拿大1篇)，另外中國3篇、印度1篇；分析期刊來源，發表于13種期刊，其中ENVIRONMENTAL SCIENCE TECHNOLOGY和FUEL PROCESSING TECHNOLOGY分別載文2篇；分析發表時間，2005、2008和2010年的這三年每年2篇，另外9篇散布于1994—2016年間；分析被引頻次最高，是美國人Caskey, Stephen R.于2008年發表在JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY上題為Dramatic tuning of carbon dioxide uptake via metal substitution in a coordination polymer with cylindrical pores的論文，被引達1227次。

3 結論與展望

根據文獻計量和CiteSpace圖譜，燃煤電廠與金屬的研究從1991年起關注度提高，2001—2010年大主題為顆粒物、土壤富集、魚和蜆中砷、煤燃燒和大氣汞及去除；2011—2020年大主題為土壤污染、煙氣吸附、水中鉛及最新熱點是有害微量元素、形態及優化。

在該領域內中、美發文量最多，尤其近10年來中國科學院、華北電力大學等中國機構發文量增長較快，研究領先。但展望未來，由于制造業用電量大和火電占比重，我國以燃煤發電為主的格局短期難變，燃煤電廠的金屬研究與控制仍有很長的道路要走。