基于文獻計量的銻對農作物影響研究趨勢

劉連華,歐陽威,2*,何孟常,林春野,崔馨桐 (.北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京 00875；2.北京師范大學環境與生態前沿交叉研究院,廣東 珠海 59087)

銻(Sb)是環境中微量但普遍存在的極具生理毒性和致癌性的類金屬元素[1-2].雖然銻并不是動植物必需元素,但它能夠通過水土環境介質被植物根系吸收進入到植物體內,進而通過食物鏈進入人體,對人體肺、心臟、肝臟等器官產生危害,甚至引發癌癥[3-4].近年來,由于自然過程(如火山活動和風化作用)和人類活動(如工業生產、礦山開采)等影響,大量銻元素進入環境中,使它成為全球性分布、長距離遷移的新型污染物,并被歐盟巴塞爾公約和美國環保署(USEPA)列為全球優先污染物之一,也逐漸引起國內外學者的重視[5-10].我國銻產量約占世界總量的 80%,銻礦開采導致很多地區銻污染嚴重,特別是在湖南、廣西、貴州等南方地區[11-14].在我國湖南錫礦山銻礦區調查發現,礦區周邊土壤銻的濃度為271～3640mg/kg,河水及地下水中銻的濃度分布為0.0053～309mg/L 和 0.01～22.98mg/L[15-16].礦區周圍土壤及水體中高銻含量必然影響植物尤其是農作物的正常生長,甚至還會導致農產品銻含量超標,進而通過食物攝入對人類健康造成危害[17-18].隨著銻在農作物生長相關領域(例如農作物體內銻的吸收、代謝和轉化機制及其毒性機理等)文獻大量涌現[5,19-23],有必要對銻的農作物影響研究現狀進行梳理和總結,從而了解農作物銻污染的研究發展歷程并掌握其現階段發展熱點和未來發展趨勢.

文獻計量學是采用數學和統計學方法定量地分析各類學科發展中存在的數學規律,客觀有效地反映學科領域中的發展動態和發展趨勢[24-25].由美國德雷塞爾大學陳超美博士團隊開發的 CiteSpace可視化分析軟件可以較快的識別某一學科領域文獻的研究熱點、演變情況,具有定量化、客觀性和模型化的宏觀優勢,已經被廣泛應用于環境、醫學、食品安全等多個學科領域[26-28].目前,已有學者利用CiteSpace軟件對土壤重金屬遷移轉化、土壤重金屬形態分析、土壤重金屬污染防治、土壤重金屬風險評價、重金屬生物可給性、重金屬時空污染等重金屬污染熱點前言進行了分析[28-32].關于銻污染研究進展的文獻計量學分析文章較少[33].雖然學者們針對銻對植物(特別是農作物)的影響研究進行了室內試驗、現場監測或綜述總結研究[34-38],仍然缺乏銻對農作物生長影響領域的發展歷程、現狀、前言熱點和未來趨勢的細致分析.

因此,本文采用CiteSpace軟件對1991～2021年銻對作物生長影響領域的發文量、發文國家或地區、研究機構、關鍵詞共現、突顯關鍵詞、文獻共被引網絡和關鍵文獻的知識圖譜進行可視化分析,闡述該領域的發展歷程,探討該研究領域在研究內容和研究方向等方面的發展趨勢,旨在掌握銻對農作物生長影響領域的研究現狀和研究熱點,進而提出該領域未來的研究趨勢和重點,以期為相關研究人員提供理論基礎,為銻對農作物污染的研究和防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 數據來源

選取Web of Science 平臺的WOS核心合集數據庫進行銻對農作物影響研究領域的文獻檢索.因為本研究重點關注的對象是農作物,小麥、水稻、玉米和大豆是全球四大糧食作物,蔬菜是主要的經濟作物,因此本研究的檢索式設置為:TS=((crop OR wheat OR rice OR maize OR corn OR soybean OR vegetable) AND (antimony OR Sb)),檢索時間為2022年2月,時間段為1991～2021年,檢索后共得到4420條數據.為聚焦研究,進一步篩選環境科學與生態學(ENVIRONMENTAL SCIENCES ECOLOGY)、農業(AGRICULTURE)、植物科學(PLANT SCIENCES)研究方向文獻類型,最終選取2597篇文獻作為主要數據來源,分析了 1991～2021年全球銻對農作物影響相關研究的總體趨勢.

1.2 分析方法

運用 CiteSpace(5.8.R3)軟件分析了 1991～2021年國內外發表的有關銻對農作物影響領域的研究進展,包括發文國家、發文數量、發文機構、H-index值、關鍵詞、突顯關鍵詞及關鍵文獻等,通過知識圖譜的可視化分析,獲取該領域研究現狀和研究熱點,并分析未來的發展態勢.

2 結果與討論

2.1 發文量、發文國家或地區分析

全球年度文獻發表數量以及不同國家/地區發文數量可以從側面反映該研究領域的總體趨勢、研究熱度和發展速度以及科學界對某一研究領域的關注度[25,33].自 20世紀 90年代開始,年發文總量總體上呈現逐年增加的趨勢,2005年以后呈現指數型增長的趨勢,特別是自2010年后發文數量迅速增加(圖 1a).因此就年發表文獻數量的增速而言,可將銻對農作物影響研究分為3個階段:緩速增長期(2005年以前),總發文量438篇,年均發文量29篇;快速增長期(2006～2015),總發文量 995篇,年均發文量 100篇;急速增長期(2016～2021),總發文量 1164篇,年均發文量 194篇,表明該領域研究在近年來得到了國內外學術界的高度重視.該領域的研究已在全球范圍內廣泛開展,多個國家/地區的學者進行了相關研究,學者主要分布在中國、美國、巴西、印度、意大利、西班牙、日本、澳大利亞等國家[39-44](圖 1b).美國地質調查局數據顯示,截至2019年末,中國、俄羅斯和玻利維亞三國的金屬銻儲量約為全球總儲量的 80%[45].作為銻儲量最多的國家,我國也是世界上銻產量最大的國家,銻礦業的大量開采導致周邊水體和土壤受到銻污染[46].因此,我國學者對銻礦區周邊農作物對銻的吸收和富集等方向開展了大量研究,并且發文 H-index值較高,說明我國在該領域具有較強的影響力.

圖1 發文量(a)以及主要國家發文被引頻次和H-index(b)Fig.1 Total published literatures numbers(a), and citation volume and H-index of main countries(b)

2.2 研究機構分析

利用 CiteSpace軟件中的“Institution”分析功能對發文研究機構進行分析(圖2).1991～2021年,發表文獻數量最多的機構是中國科學院(CAS)202篇,其次為美國農業部(USDA)106篇、中國農業科學院(CAAS)70篇、歐洲研究型大學聯盟(LERU)55篇、印度農業研究委員會(ICAR)48篇、圣保羅州立大學(UNESP)46篇、最高科研理事會(CSIC)38篇、圣保羅大學(USP)35篇.文獻數量前 10位機構發文量占總發文量的 25.7%,中國研究機構發文量占 10.5%,說明中國在該領域具有一定權威性和影響力.除中國科學院和中國農業科學院外,浙江大學、華南農業大學、西北農林大學等國內研究機構也在該領域與國內外機構合作密切.從研究機構合作網絡圖來看,近年來中國科學院的年輪最大、出現的頻次最高,并且與國內外研究機構保持一定的合作,說明在該領域研究方面具有強大的科研攻關力量.

圖2 國內外研究機構合作知識圖譜Fig.2 Global research institutions collaboration networks

2.3 關鍵詞分析

在進行某個領域的前沿分析時,關鍵詞一般被視為文章的精髓,是全文內容的高度提煉和概括,因此高頻關鍵詞可以體現研究主題的演變過程,為相關領域的研究人員預測該主題未來的發展趨勢提供依據[47-48].基于 CiteSpace軟件中“Keyword”分析功能,對檢索結果的關鍵詞進行共現分析,快速掌握該領域的研究熱點和動態變化趨勢(圖3).除了與檢索主題詞一致的“antimony”外,“heavy metal”、“trace element”、“plant”、“water”、“soil”、“sediment”、“environment”、“identification”、“performance”、“speciation”、“availability”是高頻次關鍵詞,表明銻在作物、土壤、水體、沉積物等環境中的識別、特征、形態和生物可利用性是研究核心[6,49].在污染物方面,除了銻外,涉及鉛、鋅、鎘等其他重金屬、氮以及有機質等元素的研究逐步出現[50-51],說明銻污染的發生伴隨著其他重金屬污染和養分遷移轉化的過程也是國內外學者關注的熱點之一.另外,學者們對地球化學環境中銻的提取、遷移、毒性、去除、環境風險的關注度也穩步提高[52-54].

圖3 關鍵詞共現網絡分析Fig.3 Analysis of keywords co-occurrence network

20世紀90年代的關鍵詞主要為“plant growth”、“protein”、“wheat”,近年來“agricultural soil”、“soil property”、“particle size”、“microbial community”等關鍵詞的共現,表明銻對農作物的影響研究由過去的農作物對銻的吸收代謝、植物生長和作物產量影響的研究逐步轉向環境中特別是土壤中銻對微生物活性的影響微觀機理研究[37,55-58].而且,近年來“environment”、“contamination”、“health risk”、“ecological risk”、“toxicity”、“dietary intake”等關鍵詞共現表明,銻污染排放通過土壤、水體、沉積物等不同環境介質進入人類飲食從而可能產生的環境效應、生物效應和健康風險評估也逐漸成為學者們關注的焦點和熱點[32,59-61].整體來說,銻對農作物的影響研究從主要考慮農作物生長、產量和品質的影響研究發展到考慮農作物、土壤、水體、沉積物等環境中的遷移轉化機制研究,特別是微生物活性對土壤系統中銻的吸附及氧化還原變化的影響也是近年來的研究熱點[57-58,62-63].

相對于傳統高頻主題詞,突顯詞可以更明確表明學科的變化趨勢和新興方向,突顯詞分析的基本原理是根據檢索文獻的標題、摘要及關鍵詞的增長頻率來確定該領域熱點詞匯[24].本文利用 CiteSpace軟件中“Burstness”功能對關鍵詞進行突現詞分析,識別研究領域發展中研究熱點的改變趨勢(圖4).

圖4 關鍵詞突顯圖Fig.4 Keywords with the strongest citation bursts

根據前25位突顯詞分析發現,緩慢增長期(2005年以前)的突現關鍵詞主要為“protein”、“trace element”、“growth”、“identification”等,表明該時期主要集中在農作物對銻等微量元素代謝吸收及植物生長影響的識別研究[5,37,64].快速增長期 (2006～2015)的研究重點主要集中在植物對銻的抗性和吸收特征研究,以及污染土壤中有機質等土壤理化性質變化條件下銻的含量、穩定性和提取等遷移轉化機制方向的研究[51,65].急速增長期(2016～2022)的研究重點為農田土壤中銻的生物可利用性和作物生長響應,特別是稻田土壤中微生物群落活性的動態變化以及銻的健康風險評價研究[22,57].

2.4 關鍵文獻分析

文獻共被引分析可以反映被引文獻作為知識基礎對當前研究的影響,高引用率的文獻代表了該領域的重要研究成果[28].基于 Citespace軟件中“Reference”分析功能,對檢索結果進行文獻共被引分析(圖5).文獻共被引網絡是指由兩篇文獻組成的知識網絡同時被其他文章引用,其中連線代表共被引的關系,節點表示收集到的文章被引情況,中介中心性高的節點是在不同領域進行連接的關鍵樞紐文獻.

圖5 文獻共被引網絡Fig.5 Literature co-citation network

該研究領域內8篇關鍵文獻中有6篇為綜述性文章(表1).綜述是學者們高度凝練總結該領域某些方向現狀趨勢的文獻,為未來研究提供理論支撐和研究思路.學者們從銻的來源、銻在環境中的遷移轉化過程、農作物對銻的吸收和生物累積、銻的微生物地球化學過程、以及銻對生態系統和人類健康影響等方面進行了綜述[5-6,20,46,49,56].銻主要來源于含銻礦物的風化、溶解和顆粒態遷移,其形態及氧化還原轉化是決定銻地球化學特征的主要因素[6].由自然活動或人類活動產生的銻可以在有機或無機復雜環境介質上吸附并發生氧化還原反應,發生形態轉化,從而對生態系統產生毒性影響[46].水分管理、銻的形態和土壤中的共存離子等是影響植物吸收銻的關鍵因素[5].此外,微生物是影響銻的氧化還原、吸附和甲基化過程的重要因素,在銻的地球化學循環中起著重要的作用[56].另外 2篇關鍵文獻對典型銻礦區中國湖南錫礦山礦區土壤和作物中銻的分布、形態和遷移進行了研究[3],利用水培試驗深入探究了水稻對銻的吸收代謝機制[21].

表1 研究領域關鍵文獻Table 1 Key literatures in research field

2.5 未來研究趨勢分析

通過分析銻對農作物影響領域的關鍵詞和突顯詞,結合關鍵文獻的閱讀,歸納總結出該領域的未來研究熱點主要體現在以下幾個方面:

銻在農作物體內的吸收代謝途徑和器官之間的遷移、存在形態、生物有效性及毒性.雖然國內外學者在這一方面已逐步開展了大量研究,但仍然需要從植物生理學、細胞生物學、分子生物學等多學科角度繼續深入研究農作物中銻的吸收、轉運、代謝及毒害作用機理[37,66].該方向的研究將豐富和充實有關銻的植物生理學、植物化學等方面的理論基礎,為系統研究銻超富集植物的富集機制提供科學依據.特別是水稻作為世界上主要的糧食作物之一,比其他糧食作物更易吸收和富集銻[67],水稻生長過程中的水分管理導致稻田存在干濕交替環境,好氧和厭氧條件交替變化和氧化還原電位的變化將影響水稻體內銻的吸收、轉運和代謝[68].因此,應高度重視不同水分管理條件下,稻田生態系統內銻的遷移轉化機理研究.

銻的環境地球化學循環及環境風險評價研究.在礦區周邊及周邊農田生態系統,土壤、農作物、水體以及河流沉積物中銻的濃度較高,甚至有些區域水體中銻含量遠超過世界各國飲用水銻含量的上限值,增加了生態系統和人類暴露健康風險[46,69].系統了解銻的來源及分布特征,大氣、水體、土壤、作物、沉積物等環境介質中銻的地球化學循環機理對于深入認識銻污染對環境及人體健康風險具有重要意義.此外,不同環境介質和生物群(包括植物和動物)、飲食來源及人體系統中銻含量閾值的研究較為缺乏.此類方向研究將充實有關銻的環境與生物地球化學理論,豐富有毒元素與人體健康風險關系的知識體系[70].

銻的微生物生態效應及微生物對銻的代謝機制研究.銻和微生物的相互作用可以影響地球化學環境中兩者的存在量及存在形式.微生物群落結構通過影響銻的溶解、氧化、還原、甲基化和生物累積,從而影響環境中銻的遷移轉化過程[71-72].銻也可以對微生物群落產生生態效應,對微生物生物量、酶活性、基本呼吸速率、群落結構和生物化學過程產生重要影響[46].在農田生態系統,銻的吸收、轉運、代謝及生物可利用性與土壤中微生物群落密切相關,因此不同環境條件下銻和微生物群落的相關作用研究將是未來持續的研究趨勢和熱點.

3 結論

3.1 銻對農作物影響研究的發文數量呈快速增長態勢,2016～2021年發文量為194篇/年,表明國內外學者對該領域研究的關注度不斷提高.我國是發文量最多的國家,其次為美國、巴西、印度、意大利、西班牙等國家,且我國發文的被引頻次和 H-index值也位居前列,表明我國在該領域的研究較為活躍.

3.2 通過關鍵詞共現網絡及突顯詞分析發現,本研究領域發展的緩慢增長期(2005年以前)研究主題側重于農作物對銻的代謝吸收及植物生長影響研究;快速增長期(2006～2015)的研究主題側重于植物對銻的抗性和吸收特征以及土壤理化性質變化條件下銻的含量和穩定性等方向的研究;急速增長期(2016～2022)的研究主題側重于考慮到土壤、作物、水體、沉積物等環境中銻的遷移轉化機制的研究,特別是土壤系統(如稻田土壤)中微生物群落活性的動態變化以及對人類健康的風險評價研究.

3.3 未來該領域的研究可能主要集中于水體—土壤—農作物系統中銻元素遷移轉化過程的影響因子及影響機制研究、銻的微生物生態效應及微生物活性對農作物銻吸收、富集、生物可利用性的響應機理研究等方面.