基于文獻計量的重金屬污染土壤修復材料研究熱點和前沿分析

牛碩，陳衛(wèi)平，楊陽，王天齊，許群，王美娥

1.鄭州大學河南先進技術研究院

2.城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心

3.中國科學院大學

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。近年來，隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，我國土壤重金屬污染態(tài)勢日益凸顯[1-2]。曾思燕等[3]研究指出，中國耕地土壤表層土壤重金屬污染面積占比高達15.87%，土壤重金屬超標威脅糧食安全及人類健康。土壤重金屬空間異質(zhì)性強，影響因素繁雜，修復治理難度較大[1]。近年來，應用鈍化技術修復重金屬污染土壤的研究在世界各國增加趨勢明顯[4-5]。該技術主要通過向土壤中添加修復材料來降低土壤重金屬生物有效性和遷移特性[6]，以降低重金屬危害作用。梳理土壤修復材料研究脈絡，可為我國土壤污染防治工作的扎實推進提供科學支撐。

土壤修復材料種類繁多，來源廣泛，受到眾多研究人員的關注。Wu等[7]發(fā)現(xiàn)生物炭負載-聚乙二醇修飾的納米零價鐵對土壤中六價鉻的去除率高達97.4%；朱凰榕等[8]的研究表明，巰基-蒙脫石復合材料可明顯降低土壤中生物有效性鎘的占比，且最高可使小白菜中鎘濃度降低88.0%。Liang等[9]發(fā)現(xiàn)巰基-海泡石最高可使糙米中鎘含量降低77.9%。隨著材料學科的發(fā)展，有關修復材料的研究日益增多[10-12]，但缺乏對該領域發(fā)展脈絡的梳理和整體發(fā)展趨勢的研究。

文獻計量學是在信息技術累積的基礎上建立起來的數(shù)學統(tǒng)計學科，能夠更加科學、客觀、定量地描述目標領域的研究熱點、演化趨勢并預測未來研究方向[13]，被廣泛應用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領域[14-15]。考慮到重金屬污染土壤修復材料領域前景廣闊且相關研究較少，筆者從文獻計量學的角度出發(fā)，借助CiteSpace和VOSviewer軟件，對近20年國內(nèi)外重金屬污染土壤修復材料相關文獻進行整理，系統(tǒng)分析重金屬污染土壤修復材料發(fā)展的研究現(xiàn)狀、熱點分布和發(fā)展脈絡，以期為促進重金屬污染土壤修復材料的深入研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

以中國知網(wǎng)（CNKI）和 Web of Science（WoS）核心合集數(shù)據(jù)庫為基礎進行文獻檢索和篩選。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，以主題為檢索項，以“土壤”和“重金屬”為檢索詞進行檢索，并在此基礎上以全文為檢索項，以“鈍化劑”“鈍化材料”“改良劑”“調(diào)理劑”為檢索詞進行再次檢索。在WoS核心合集數(shù)據(jù)庫中進行高級檢索，檢索式為TS= soil* AND("amendment" OR "immobili*" OR "stabili*" OR"modif*" OR "material*" OR "passiva*" ) AND("heavy metal*" OR "Cd" OR "cadmium" OR "Pb" OR"lead" OR "As" OR "arsenic" OR "Hg" OR "mercury"OR "Cr" OR "chromium" OR "Ni" OR "nickel" OR"Cu" OR "copper" OR "Zn" OR "zinc") AND remediation*，檢索文獻的時間為2001——2020年。檢索文獻類型為學術期刊，文獻來源類別為所有期刊，通過篩選和去重，去掉與研究主題無關和重復的文獻，共保留中文文獻數(shù)據(jù)8 252條，英文文獻數(shù)據(jù)5 267條，以此為數(shù)據(jù)樣本進行系統(tǒng)分析。

CiteSpace和VOSviewer是常用的2個文獻計量軟件，均通過對相關文獻的計量建模和圖譜繪制來可視化呈現(xiàn)研究領域信息。具體而言，CiteSpace側(cè)重研究前沿辨識和熱點演進趨勢分析，VOSviewer側(cè)重信息計量學圖譜的呈現(xiàn)[16]。綜合運用CiteSpace(5.7R5)和VOSviewer(1.6.16)軟件進行年度發(fā)文量分析，研究熱點、主題和前沿分析，并討論重金屬污染土壤修復材料領域研究現(xiàn)狀和熱點，梳理該領域發(fā)展脈絡。

2 結果與討論

2.1 年度發(fā)文量和時間序列分析

發(fā)文量是衡量某領域研究熱度的重要指標。對2001——2020年發(fā)文量進行分析，結果如圖1所示。由圖1可知，2001——2020年，國內(nèi)外關于重金屬污染土壤修復材料的研究不斷增加，累計發(fā)文量已達13 000余篇。2001——2004年，中文、英文年度發(fā)文量分別為174和306篇，總發(fā)文量較少；2005——2008年，年度發(fā)文量開始緩慢上升，中文、英文總發(fā)文量累計達到841和789篇；2009年之后，國內(nèi)外年度發(fā)文量進入快速發(fā)展階段，特別是2013——2016年和2017——2020年，相較于2001——2004年，中文、英文年度發(fā)文量分別增加1 302%、2 201%和892%、1 721%，增長顯著（P＜0.05）。可見，國內(nèi)外對重金屬污染土壤修復材料的需求愈發(fā)迫切。

圖1 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域年度發(fā)文量Fig.1 Quantity of publications on remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

為進一步了解國內(nèi)外研究進展的差異，應用CiteSpace軟件對2001——2020年文獻數(shù)據(jù)進行國家合作分析并繪制成網(wǎng)絡圖譜（圖2）。結果顯示，代表中國的圓圈尺寸較大，橙色和黃色圈層較厚，說明中國雖然在發(fā)文量上占據(jù)優(yōu)勢，但與一些發(fā)達國家相比研究表現(xiàn)出明顯的滯后性。具體來講，代表美國的圓圈中心灰色圈層最大，說明美國在土壤修復材料領域發(fā)展得最早。美國早在20世紀40年代和80年代就分別出臺了《農(nóng)業(yè)修正法案》和《超級基金法》，用以規(guī)范、指導和調(diào)整污染土壤風險管控和土壤修復工作，并在利用修復材料改良土壤方面有較好的技術儲備[17]。另外，代表日本、韓國和一些歐洲發(fā)達國家的圓圈也同樣表現(xiàn)出中心圈層較大，外層較小的特點。20世紀70年代，日本出臺了一系列法律法規(guī)，確定了污染農(nóng)田監(jiān)測區(qū)域和修復技術應用標準[18]。韓國在20世紀90年頒布了《土壤環(huán)境保護法》，并制定《土壤環(huán)境保護法實施細則》，建立了土壤污染防治的法律體系[19]。歐洲多國在20世紀80年代完善了土壤管理的法律法規(guī)和相關標準，歐盟在1997年開展土壤聯(lián)合調(diào)查，對歐洲3 000個點位進行重金屬含量檢測和評估，并在2009年和2012年再次進行詳細調(diào)查，制定了適宜的修復策略[20-21]。相比較而言，中國在重金屬土壤污染修復方面的起步較晚，文獻產(chǎn)出大多集中分布在近10年。

圖2 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域國家合作網(wǎng)絡圖譜Fig.2 Collaborative relationships between countries in the field of remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

2013——2016年和2017——2020年是文獻產(chǎn)出持續(xù)快速增長階段（圖1），應用VOSviewer軟件對2個時段關鍵詞時間序列進行分析，結果如圖3所示。由圖3可知，2013——2016年是研究熱點變化最為明顯的時間段，在該時段，重金屬污染土壤修復領域迎來快速發(fā)展時期，研究熱點快速增多，向各個方向延伸發(fā)展，擴充了該領域研究內(nèi)容和方向，形成了較為完整的研究網(wǎng)絡。這可能與我國在2014年和2016年相繼出臺了《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》和《土壤污染防治行動計劃》（以下簡稱“土十條”）有關[2,22]。在“土十條”的指導下，我國相繼在廣西、湖南、河南[23-24]等多個省（區(qū)）開展土壤修復研究試點，這也是該時段文獻產(chǎn)出數(shù)量和研究熱點快速增長的重要原因。2017——2020年該領域熱點數(shù)量與2013——2016年相比有一定回落，但研究內(nèi)容向外延伸得較多（圖3）。國家“十三五”規(guī)劃土壤環(huán)境專題中提出加緊制定土壤環(huán)境質(zhì)量標準和立法的明確要求，隨著GB 15618——2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》、GB 36600——2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》和《中華人民共和國土壤污染防治法》的實施，我國更加重視土壤污染的綜合修復治理，該方面的研究更加深入和具體，豐富了重金屬污染土壤修復材料領域的研究內(nèi)涵。土壤污染修復在源頭管控、風險管控和修復措施3個方面并行，修復工作逐漸規(guī)模化、系統(tǒng)化，研究步入了新的發(fā)展時期。

圖3 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域關鍵詞時間序列圖譜Fig.3 Keywords time distribution network in the field of remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

2.2 研究熱點分析

應用VOSviewer軟件對關鍵詞進行篩選，設置關鍵詞共現(xiàn)的頻次閾值為20，可得到該領域熱點分布的網(wǎng)絡圖譜如圖4所示。由圖4可知，除重金屬和污染土壤外，鎘的出現(xiàn)頻次最高，說明研究人員對土壤鎘污染的關注度最高，主要原因可能是《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》指出鎘是超標率最高（達7%）的重金屬[2]，且鎘具有很強的累積性，長期暴露于鎘污染環(huán)境對人體健康危害極大[4-5]。鉛是出現(xiàn)頻次僅次于鎘的重金屬元素，鉛鋅冶煉場及周邊土壤重金屬污染已成為我國突出的區(qū)域問題之一。根據(jù)原環(huán)境保護部2014年公布的《全國土壤污染調(diào)查公告》，我國礦區(qū)土壤重金屬點位超標率高達33.4%，嚴重影響區(qū)域土壤環(huán)境，威脅民眾健康，對鉛污染土壤的治理和風險管控是當前科學研究的熱點[25]。另外，鎘、鉛、銅、鋅等重金屬元素之間連線較為密集，說明重金屬復合污染也是重金屬污染修復的研究熱點之一。相比單一重金屬污染，重金屬之間的拮抗、加和和協(xié)同效應使得復合污染更具普遍性和復雜性的特點[26-27]，增加了土壤修復治理的難度。例如鎘、砷復合污染，鎘和砷的生物有效性對土壤酸堿度和氧化還原點位的反應相反，增大了實際治理難度[28]。土壤修復研究涵蓋了以礦業(yè)開采、耕種、城市建設為主的土地利用方式造成的土壤污染，人為活動可能是造成重金屬土壤污染的主要原因。

圖4 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域關鍵詞熱點分布的網(wǎng)絡圖譜Fig.4 Keywords hot spots distribution network in the field of remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

生物炭是出現(xiàn)頻次最高的修復材料，其次為乙二胺四乙酸（EDTA）、檸檬酸、腐殖酸、海泡石、石灰等。生物炭作為研究熱度最高的修復材料，種類豐富、生產(chǎn)成本低、制作工藝簡單、便于施用，并且具有增加土壤肥力，改良土壤性質(zhì)的優(yōu)點，有很好的發(fā)展?jié)摿Γ苽浞椒ê褪┯猛恋仡愋偷牟煌瑫е缕溻g化效果不一致[29]。目前研究聚焦于生物炭的改性和對土壤修復效果的評估，大多處于實驗室研究階段，而在實際工程應用較少[30]。另外，吸附、鎘脅迫、水稻、小麥、生物有效性、農(nóng)田土壤、pH、化學形態(tài)等關鍵詞出現(xiàn)頻次較高。農(nóng)作物重金屬累積過程繁雜，影響因素較多，其中土壤重金屬生物有效性、pH、重金屬化學形態(tài)是影響水稻和小麥重金屬累積的關鍵因子[31]。綜上可知，鈍化材料應用于土壤修復的干擾因子較多，實際修復效果具有一定的不確定性，為了進一步提高修復材料的修復效果和適用性，實現(xiàn)土地安全利用，針對不同土壤污染情況，鈍化材料的篩選、修復效果穩(wěn)定性評價，鈍化修復機制的研究具有指導性意義。

2.3 研究主題分析

應用VOSviewer軟件對關鍵詞做進一步聚類分析，結果如圖5所示。由圖5可知，該領域可以大致分為3個聚類主題。主題1（藍色）集中于重金屬在土壤-植物體系遷移轉(zhuǎn)化，主題2（綠色）集中于鈍化材料篩選和應用，主題3（紅色）集中于農(nóng)田土壤重金屬污染評價。

圖5 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域關鍵詞聚類分布網(wǎng)絡圖譜Fig.5 Keywords cluster distribution network in the field of remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

主題2涵蓋了62個關鍵詞，總出現(xiàn)頻次達到了2 957次，是研究熱點最高的主題。鈍化材料篩選是該主題研究熱點，也是鈍化修復技術應用的關鍵。具體而言，傳統(tǒng)的鈍化材料如石灰、磷酸鹽、硅酸鹽等雖具有一定修復效果[32-33]，但會產(chǎn)生作物減產(chǎn)和二次污染問題。生物炭是該主題研究熱度最高的詞。與其他材料相比，生物炭由生物質(zhì)熱解產(chǎn)生，孔隙度大、表面含氧官能團豐富，具備良好的吸附性能和土壤改良能力，可提升作物產(chǎn)量[34]。另外，由于單一鈍化材料難以在復雜的土壤環(huán)境中起到很好的修復效果，因此如何通過現(xiàn)有材料的組配和改性有效改善上述問題，成為該主題另一熱點方向，諸如生物炭的改性[35]、黏土礦物的改性[36]等均為該方向的研究熱點。另外，鈍化材料的鈍化機理和效果評估一直是主題2的重點和難點。鈍化材料的鈍化機理主要有吸附、絡合、沉淀、氧化還原和離子交換等[26]。在實際土壤環(huán)境中，不同鈍化材料的吸附機理差異較大，同一鈍化材料在理化性質(zhì)不同的土壤中吸附機理也有較大差異。鈍化材料的篩選目前大多處于實驗室和局部田間試驗階段，沒有大規(guī)模應用，主要原因可能是研究人員尚未明晰其在污染土壤中的鈍化機理。此外，投入使用的鈍化材料由于受到土壤污染程度、氣候因素、耕作方式等條件影響，導致在實際工程中的修復效果不甚理想。

主題1、2、3連線密集，并向四周發(fā)散，表明重金屬的遷移轉(zhuǎn)化、鈍化材料篩選應用以及農(nóng)田土壤修復關系密切。其中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化能力（主題1）是評估鈍化材料修復效果（主題2）的關鍵，鈍化材料篩選應用（主題2）的重點主要集中在農(nóng)田土壤修復（主題3）。主題1中農(nóng)田土壤重金屬鈍化率以及重金屬在水稻、小麥等谷物中的富集系數(shù)是研究人員篩選鈍化材料（主題2）和評估農(nóng)田土壤重金屬污染（主題3）時考慮的主要指標。

2.4 研究前沿分析

關鍵詞在一定時間內(nèi)的出現(xiàn)頻次能夠反映特定時期的研究熱點，有助于研究人員更準確把握研究前沿。應用CiteSpace軟件的突現(xiàn)分析功能，以1年為時間切片進行突現(xiàn)分析，更能體現(xiàn)該領域研究演進過程和研究前沿。2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域關鍵詞突現(xiàn)分析如表1所示。由表1可知，2001——2003年，EDTA首次突現(xiàn)，突現(xiàn)強度為11.83，是初期熱度最高的修復材料，但隨著研究的深入，其研究熱度下降，這可能與其突出的負面影響有關。例如EDTA的應用帶來了營養(yǎng)元素流失、土壤二次污染甚至地下水污染等問題[37]。土壤污染作為該領域重要概念首次突現(xiàn)，突現(xiàn)強度為7.92。據(jù)駱永明等[38]的闡述，土壤修復作為土壤科學的新興分支學科在該時期首次被提起，說明這一時期是該領域的起步時期。

表1 2001——2020年重金屬污染土壤修復材料領域關鍵詞突現(xiàn)分析Table 1 Keywords emergent analysis in the field of remediation materials of heavy metals contaminated soil from 2001 to 2020

2004——2010年，重金屬鉛、銅、鋅在同一時期突現(xiàn)，它們的地球化學性質(zhì)相似，分布特征和來源也具有相似性[39]。此類研究聚焦礦區(qū)土壤的修復治理，特別是鉛鋅礦區(qū)和銅尾礦的修復治理。殼聚糖、煤矸石、赤泥是該時段修復材料類突現(xiàn)詞，它們屬于固體廢物或其加工產(chǎn)物的資源化利用[40]。這一階段出現(xiàn)的關鍵詞較多但類別單一，方向較為固定，是該領域初步發(fā)展時期。2011——2014年，該階段出現(xiàn)短暫的突現(xiàn)詞空缺期，說明該領域在經(jīng)歷了初步發(fā)展時期后進入短暫的醞釀階段。2014年，組配改良劑關注度上升（突現(xiàn)強度為4.23），說明相關研究更加重視修復材料的篩選和組配，而隨著2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》的發(fā)布[2]，研究更加重視農(nóng)田土壤修復治理。2015——2020年是該領域快速發(fā)展時期。鈍化材料在2017年開始突現(xiàn)，突現(xiàn)強度為13.18，關于鈍化材料的研究急劇增加，進而凝聚成當前研究前沿。生物炭在該時段突現(xiàn)強度最高，為13.91，突現(xiàn)時間為2018年，說明對于生物炭的研究集中出現(xiàn)在近幾年。通過對生物炭檢索發(fā)現(xiàn)，生物炭以其來源廣泛、綠色低碳、土壤改良性能良好等特點，在2010年便受到研究人員的重視。近幾年生物炭成為研究熱點，主要原因是對其改性復合材料的研究持續(xù)增長。納米零價鐵突現(xiàn)時間最晚，是新出現(xiàn)的熱點修復材料。納米材料較傳統(tǒng)材料具有表面效應和小尺寸效應，在土壤中表現(xiàn)出高反應活性和吸附性能[41]，正成為該領域新的研究熱點。生物炭和納米零價鐵均屬鈍化材料范疇，說明鈍化材料占據(jù)了該時期的主要研究熱度。另外，鈍化材料的改性在2018年開始突現(xiàn)，受到研究人員的重視，突現(xiàn)強度為4.04，說明有關鈍化材料的研究已經(jīng)從簡單的原材料篩選向功能化改性過渡。農(nóng)田土壤在2018年開始突現(xiàn)，突現(xiàn)強度為9.82，說明該領域研究重心集中于農(nóng)田土壤修復治理。綜上，經(jīng)過近20年的發(fā)展，重金屬污染土壤修復材料領域研究重心向農(nóng)田土壤轉(zhuǎn)移，修復材料呈現(xiàn)由單一向復合、由原材料篩選向改性材料制備的演進變化，基于傳統(tǒng)土壤修復材料的功能化改性和納米化工藝成為重金屬污染土壤修復的研究前沿。

農(nóng)田土壤修復治理關系我國土地安全利用、糧食安全和人類健康安全[42-43]。隨著GB 15618——2018的施行，農(nóng)田土壤污染修復研究將更加深入和具體。鈍化材料的應用在修復治理過程中起著關鍵作用，具有十分廣闊的發(fā)展前景。然而當前鈍化材料仍存在成本高、穩(wěn)定性差、修復效果參差不齊等問題[44]。在未來研究過程中，以下幾個方面將是該領域研究重點：優(yōu)化材料制備過程和工藝，以更加綠色的方法開發(fā)可以大規(guī)模生產(chǎn)和經(jīng)濟效益高的修復材料；深入探究修復材料的修復機理，從污染農(nóng)田的實際情況和目標污染物的特性出發(fā)，設計便于實際施用的鈍化材料；完善修復材料的實用性和再生回用性，確保修復材料的組分和施用量不會對修復土壤造成二次污染問題；開展重金屬污染土壤修復效果長期監(jiān)測工作，實現(xiàn)污染土壤長期安全利用。

3 結論

（1）國內(nèi)外重金屬污染土壤修復材料領域在近20年發(fā)展迅速，特別是2013——2016年和2017——2020年發(fā)文數(shù)量快速增長。重金屬鎘、鉛污染以及復合污染修復是該領域研究的主要研究內(nèi)容，生物炭以其良好的修復改良土壤能力成為研究熱度最高的修復材料。

（2）由重金屬污染土壤修復材料領域近20年演進過程可知，隨著研究的深入，基于現(xiàn)有材料的改性以及納米化工藝研究正成為研究前沿；隨著國家相關政策法規(guī)的出臺，農(nóng)田土壤污染修復受到廣泛關注，鈍化材料的篩選以及在農(nóng)田土壤中應用成為更多研究人員關注的熱點；隨著碳達峰碳中和、生態(tài)文明理念深入人心，具備高效修復能力的環(huán)境友好型功能復合材料的研發(fā)將逐步成為該領域研究的新常態(tài)。