基于文獻計量的土壤重金屬污染研究進展

毛文軒，張 華

(遼寧師范大學 地理科學學院, 遼寧 大連 116029)

1 引言

重金屬元素是地殼的重要組成部分[1,2]。土壤重金屬污染是土壤中過量的砷(As)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鉻(Cr)和銅(Cu)等重金屬元素不能為土壤微生物所分解，而可為生物所富集，成為土壤中不斷積累的污染物[3]。土壤中的重金屬主要來源于母質和人為污染兩個方面，一方面母質的性質和成土作用可以為土壤重金屬的積累創造條件，因此，母質的風化是一個影響土壤重金屬含量的自然過程[4,5]；另一方面，目前的人為污染主要源自交通運輸、工業和農業生產[6]，例如工業生產中排放的污泥、農業生產中灌溉的污水等，都不同程度地含有生物難以降解的過量重金屬元素，導致土壤受到不同程度的重金屬污染。

重金屬元素在土壤中的積累、遷移不僅危害區域生態安全，影響動植物的生長發育，而且通過食物鏈進入人體，危害暴露區的人體健康，導致一些慢性病的發生[7]。例如1955年日本富山通川流域的“骨痛病”系由糙米吸收了受污染土壤中的過量重金屬元素鎘而引起，1997年美國蒙大拿州的兩個農業區也由于土壤重金屬污染使當地小麥不能食用。根據《2014年全國土壤污染狀況調查公報》[8]顯示，中國已有16.9%的土壤受到不同重金屬元素的污染，其中砷、鎘、汞、鉛、鋅、鉻和銅濃度超標的土壤分別占2.7%、7.0%、1.6%、1.5%、0.9%、1.1%和2.1%，土壤重金屬污染防治已刻不容緩。

國際上有關土壤重金屬污染的事件最早在20世紀30年代的美國公共衛生與國家衛生雜志開始報道，但當時對土壤污染的研究較為缺乏，相關研究并沒有深入。直到1973年《Heavymetal Pollution and Soil Enzymaticactivity》[9]與《Heavy-metal Pollution in Trondheimsfjorden and Hardangerfjorden Study Using Soil Analysis》[10]兩篇論文的發表，國際社會才逐漸重視對土壤重金屬污染的研究。我國有關土壤重金屬污染的研究最早可追溯到20世紀70年代，國內學者在研究日本富山縣神通川流域的骨痛病過程中，將該地區土壤中的鎘污染作為研究對象，總結了鎘含量與病因的關系，提出鎘含量標準和土壤治理的建議[11]。近年來，國內外土壤重金屬污染的研究逐漸趨向定量化研究。然而，對土壤中重金屬含量的分析缺乏客觀、準確的評價方法[12～15]。因此，為了準確評價土壤重金屬富集程度及其與土壤性質的關系，許多污染研究方法已逐漸在分析過程中被應用[16,17]。時至今日，土壤重金屬污染研究已開展多年，相關文獻數量也呈快速增長趨勢。文獻計量法以文獻為基礎，從定量分析出發，在文獻信息計量、科學評價方面具有廣泛應用[18]。基于此，本文選取2000～2021年土壤重金屬污染研究相關文獻，從發文量、研究熱點及研究趨勢、土壤重金屬元素關注度、研究方法四個方面梳理國內外土壤重金屬污染研究發展態勢，旨在為土壤重金屬污染研究與土壤資源的可持續利用提供參考依據。

2 數據與方法

本研究基于Web of Science核心合集數據庫和CNKI數據庫進行文獻計量分析，其中CNKI數據庫設定為中國學術期刊網絡出版總庫，兩個數據庫檢索的時間跨度均為2000年1月1日至2022年1月1日。Web of Science核心合集數據庫的檢索式為“主題=(soil heavy metal pollution)OR 主題=(soil heavy metal risk)”，共檢索到英文文獻366篇；CNKI數據庫的檢索式為“主題=(土壤重金屬污染)OR主題=(土壤重金屬風險)”，共檢索到中文文獻769篇。以兩個數據庫檢索到的1135篇文獻為數據源，以兩個數據庫自帶發文量檢索功能進行發文量及其增長率的分析；運用ItgInsight軟件[19]繪制關鍵詞聚類圖和研究主題熱點圖，對研究熱點及研究趨勢進行可視化分析；運用Excel統計文獻中對土壤重金屬元素的研究頻次及不同研究方法的應用頻次。

3 結果與分析

3.1 發文量變化態勢

發文量在一定程度上反映了該研究領域受到關注的程度[20,21]。近22年來，中國有關土壤重金屬污染研究的發文量增長率為8300%，發文量呈逐年增長態勢(圖1)，大致可劃分為3個階段：第一階段在2000～2004年，為緩慢增長階段，該階段發文量少，發文量增長率為200%；第二階段在2005～2015年，為迅猛增長階段，在此期間我國開展了首次全國土壤污染狀況調查，發文量增長率為680%，表明在開展土壤污染調查后，我國對土壤重金屬污染研究的重視程度開始加強；第三階段在2016～2021年，為平穩增長階段，該階段發文量多，發文量增長率為50%。近22年國外有關土壤重金屬污染研究的發文量增長率為7700%，發文量呈逐年增長態勢(圖2)，大致可以分為3個階段：第一階段在2000～2012年，為緩慢增長階段，該階段發文量少，發文量增長率為700%；第二階段在2013～2017年，為迅猛增長階段，發文量增長率為933%；第三階段在2018～2021年，為平穩增長階段，該階段發文量多，發文量增長率為95%。

圖1 基于CNKI數據庫歷年發文量及其增長率變化態勢

圖2 基于Web of Science數據庫歷年發文量及其增長率變化態勢

3.2 研究熱點及研究趨勢

高頻關鍵詞是歸納該研究領域相關熱點問題的基礎[22～24]。從CNKI數據庫的相關文獻關鍵詞聚類圖(圖3)可以看出，高頻關鍵詞有重金屬、污染評價、潛在生態風險、空間分布特征、來源分析、地積累指數、GIS、土地利用類型等，反映出土壤重金屬污染研究熱點以污染研究方法及農業用地、礦區土地、廠區用地三大土地利用類型的土壤重金屬污染研究為主。從研究熱點圖看(圖4)，土壤重金屬污染研究的熱點主要集中在重金屬元素分析、基于GIS空間分析技術的土壤重金屬空間分布格局與源解析，這與高頻關鍵詞的聚類結果趨于一致。從總體研究趨勢看，CNKI數據庫土壤重金屬污染研究主要研究熱點變化趨勢如下：2000～2005年主要為農產品、廢棄地、種植區、分析測試，研究區主要為農業區，運用分析測試的方法對土壤進行測定；2006～2010年主要為工業區、冶煉廠、沉積物、環境質量，研究區重點從農業區轉變為工業區，同時研究兼顧土壤環境質量的檢測；2011～2015年主要為土壤環境、質量標準、工業區、蔬菜基地、煤矸石，研究區以農業區、工業區和礦區為主；2016～2021年主要為城市功能區、質量標準、尾礦庫、農用地、農產品、養殖場、農作物，研究區以農業區為主，同時尾礦庫、城市功能區也成為了部分研究的研究區域。

圖3 基于CNKI數據庫的關鍵詞聚類可視化圖譜

圖4 基于CNKI數據庫的研究主題熱點可視化圖譜

Web of Science數據庫的相關文獻關鍵詞聚類圖(圖5)可以看出，高頻關鍵詞有重金屬、重金屬污染、空間分布、有毒元素、健康風險、風險評估、采礦活動、工業源、環境污染等，反映出土壤污染研究以空間分析與來源解析為主。從研究熱點圖看(圖6)，土壤重金屬污染研究的熱點主要集中在健康風險、有毒元素、基于GIS空間分析技術的土壤重金屬空間分布格局、源解析等，這與高頻關鍵詞的聚類結果趨于一致。Web of Science數據庫的主要研究熱點隨年份的變化為： 2000～2005年主要為個體間來源、農用地、暴露評估、關鍵成分、微量元素、檢出限、造紙污泥、污染區、總金屬通量，研究區主要為農業區和造紙廠，研究以分析測試和人體健康風險測試為主；2006～2010年主要為池塘底泥、影響區、耕地、糧食作物、廢水灌溉土壤、快速城市化，研究區以池塘、農田、城市為主，重點分析污水灌溉后的農田土壤污染狀況及對人體健康的影響；2011～2015年主要為空間分布、健康風險、平均濃度、地表土壤、有機廢棄物、風險評估，研究區以工業區與農田為主，研究方法為空間分析與風險評估；2016～2021年主要為人體健康、健康風險、致癌風險、生態風險、有毒元素、重金屬污染，研究區主要為農業區、工業區、礦區，研究多與人體健康風險聯系。不同數據庫下的關鍵詞的聚類結果、研究熱點大致相同，二者都重點關注農業區土壤與礦區土壤的相關污染研究，基于Web of Science數據庫的研究趨勢中出現了有毒元素、健康風險等與人體健康相關聯的詞，這表明國外的相關研究更加注重土壤重金屬污染對人體健康的相關影響。

圖5 基于Web of Science數據庫的關鍵詞聚類可視化圖譜

圖6 基于Web of Science數據庫的研究主題熱點可視化圖譜

3.3 土壤重金屬元素關注度

從研究頻次看(圖7)，土壤重金屬元素Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn的研究頻次在國內、外分別高于400和200，其中Pb的研究關注度最高，分別為684與332；Hg的研究頻次在國內、外分別為375、148，Ni的研究頻次在國內、外分別為339、223，有一定研究關注度；V、Co、Mn、Fe等元素的研究頻次在國內、外均低于100，表明Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg是土壤重金屬污染研究的重點。Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg主要來自大氣降塵、工業廢水污染灌溉、工廠排放、尾礦污染、汽油燃放、農藥等。高研究頻次的重金屬元素可以反映出相關的重金屬元素污染越來越受到人們的重視，這些元素將逐漸成為科研工作者研究的重心。

圖7 文獻中主要土壤重金屬元素研究頻次

3.4 土壤重金屬污染研究方法

從應用頻次看(圖8)，國內外應用最廣泛的研究方法[25]為單因子污染指數法，應用頻次在中國和國外研究中分別為592、262，單因子污染指數法可反映每一個評價因子的污染程度，便于各污染因子之間的比較分析[26]，從而可以快速判斷出土壤環境的主要污染因子。在CNKI數據庫中使用較多的研究方法為內梅羅綜合污染指數法，應用頻次為517，潛在生態危害指數法、地積累指數法、GIS空間分析技術[27～31]應用頻次分別為243、147、269，內梅羅污染指數是一種通過單因子污染指數得出的綜合性污染指數，該方法兼顧單個元素污染指數平均值和最大值，反映了多種污染物質對土壤的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環境質量的影響[32,33]。在Web of Science數據庫中，潛在生態危害指數法、地積累指數法、GIS空間分析技術、內梅羅綜合污染指數法、人體健康風險指數法應用頻次為232、169、210、150、59。人體健康風險指數法在國外研究中多次應用，其內容主要包括估算污染物進入人體的數量、評估計量與負面健康效應之間的關系。這種結果說明國外的土壤重金屬污染研究對于研究方法的選擇更加多樣并重視人體健康與土壤重金屬污染的關系[34,35]。

圖8 文獻中土壤重金屬污染研究方法的應用頻次

4 結論與展望

從土壤重金屬污染研究發文量看，近22年國內外有關土壤重金屬污染研究的發文量呈逐年增長態勢，增長率在7700%～8300%間。

從土壤重金屬污染研究熱點看，土壤重金屬的空間分布特征與源解析是當前國內外土壤重金屬污染研究熱點，國外研究更加注重土壤重金屬污染與人體健康的關系。

從土壤重金屬元素關注度看，國內外主要研究重金屬元素為Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Hg和Ni，各個元素在國內外研究總頻次超過500，其他重金屬元素研究較少。

從土壤重金屬污染研究方法看，單因子污染指數法是國內外污染研究的主要選擇。此外，基于CNKI數據庫的文獻主要應用內梅羅綜合污染指數法；基于Web of Science數據庫的文獻主要應用潛在生態危害指數法、地積累指數法、污染負荷指數法等，在人體健康與土壤重金屬污染研究中則更多采用人體健康風險指數法。

土壤對人類的生存和發展意義重大，但過度的人類干擾會導致土壤重金屬累積到有毒水平，從而對人體健康造成巨大風險，最終影響區域自然資源的可持續利用。現階段的研究對單種土壤重金屬元素污染的評價研究方法較成熟，而多種土壤重金屬對土壤協同污染評價研究方法研究；此外，國內研究較缺乏重金屬對人體健康的評價，未來應逐步增加污染土壤的人體健康風險評價，更多關注重金屬的毒性效應和致癌機理，有效指導土壤污染風險評估工作。

社會對土壤重金屬污染認識逐漸深入以及人們環境保護意識的加強，對預防土壤污染以及土壤污染治理的工作也就提出了更高的要求。未來政府需完善廢水排放、礦產開采等活動的監察工作，確保土壤不受到污染或只受到最低程度的污染；學術界要加強土壤污染治理的研究工作，開創治理效率高且副作用小的污染治理方法；社會各界應繼續強化環境保護的意識，減少工作、生活對土壤的污染，提高土壤質量，實現對土壤的合理利用與保護。