近十年國內(nèi)外土壤重金屬鈍化改性材料研究的 文獻計量分析

王穎南，王 平，繩琳琳，黃占斌

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

1 前 言

近年來，城市化、工業(yè)化、礦山開采的快速發(fā)展，導(dǎo)致每年有大量重金屬通過“三廢”排放等途徑進入土壤與水體[1]，并通過食物鏈對人體健康造成損害。土壤重金屬污染治理的技術(shù)途徑，一是削減土壤重金屬總量，二是削減有效態(tài)重金屬的含量。目前土壤重金屬污染的處理方法有物理、化學(xué)和生物法等[2]，其中向土壤中添加重金屬鈍化材料因具有操作簡單、成本低等特點而成為工程應(yīng)用的主要技術(shù)選擇[3]。為了提高土壤重金屬鈍化材料的吸附性能，常對材料進行改性處理[4]。目前，改性方法主要有對材料表面進行物理改性、添加功能官能團的化學(xué)改性等[5]，為了較全面了解土壤重金屬鈍化改性材料的研發(fā)和應(yīng)用進展，本文對該領(lǐng)域的國內(nèi)外文獻進行計量分析。

文獻計量學(xué)是探討科學(xué)技術(shù)某些特征和規(guī)律、用以確定專題文獻研究熱點、發(fā)展方向等全局性的方法[6]。目前，文獻計量學(xué)以其顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程、土壤學(xué)和新能源等領(lǐng)域[7]，如劉志慧等[8]基于中國知網(wǎng)(CNKI)對1994～2019年發(fā)表的“3S”(remote sensing，global position system，geographic information system)技術(shù)文獻進行分析，得出目前“3S”技術(shù)主要服務(wù)于土地、林業(yè)、生態(tài)等領(lǐng)域，并提出了該領(lǐng)域存在的問題；李昂等[9]基于CNKI對我國鎘污染土壤鈍化技術(shù)文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)近年來發(fā)表相關(guān)文獻的數(shù)量呈指數(shù)增長趨勢，高等院校和科研院所對生物炭、石灰和海泡石的研究較多。因此，將文獻計量分析應(yīng)用在重金屬鈍化改性材料方向，可對該領(lǐng)域材料的研發(fā)進行精準地描述、評價與預(yù)測，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考。

2 材料與方法

為了保證數(shù)據(jù)的代表性與權(quán)威性，國際和國內(nèi)文獻檢索分別選擇Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(WOS)和CNKI數(shù)據(jù)庫。WOS數(shù)據(jù)庫全稱“Web of Science”是全球最大、國際公認的反映科學(xué)研究水準、覆蓋學(xué)科最多的綜合性學(xué)術(shù)信息資源庫。CNKI數(shù)據(jù)庫包括中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫、中國博士學(xué)位論文和中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國重要會議論文和國際會議論文全文數(shù)據(jù)庫。WOS數(shù)據(jù)庫中高級搜索以公式TS=((heavy metal AND soil)AND modified)，獲得文獻3054篇。CNKI數(shù)據(jù)庫中以“重金屬”、“改性”和“土壤”為主題詞進行檢索，獲文獻638篇。

文獻發(fā)表時間選定為2011年1月1日～2020年12月31日，對檢索的文獻從年度發(fā)文量、主要發(fā)文國家、發(fā)文類型、Top10高被引論文、發(fā)文量Top10期刊、Top10研究機構(gòu)、改性方法、基金資助和研究機構(gòu)分布進行分析，將符合要求的文獻導(dǎo)入NoteExpress數(shù)據(jù)庫中，利用EXCEL2010軟件處理數(shù)據(jù)，同時利用VOSviewer軟件對WOS、CNKI數(shù)據(jù)庫進行熱點分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 年度發(fā)文量

發(fā)文量在一定程度上反映出該研究領(lǐng)域的受關(guān)注程度和發(fā)展趨勢[10]。圖1表明2011～2018年英文發(fā)文量呈上升趨勢，尤其是2017年開始，發(fā)文量呈倍數(shù)增長。中文發(fā)文量2011～2017年呈穩(wěn)定增長，2018年出現(xiàn)最大發(fā)文量，這和2016年“土十條”頒布、土壤污染及其修復(fù)逐漸受到民眾的關(guān)注有關(guān)；2019～2020年CNKI發(fā)文量減少可能是由于檢索時間較早(2021年8月)，部分最新期刊尚未錄入數(shù)據(jù)庫導(dǎo)致的。發(fā)文量變化趨勢從側(cè)面反映出國內(nèi)外對于土壤重金屬鈍化材料的關(guān)注與需求。

3.2 主要發(fā)文國家

發(fā)文量反映出一個國家/地區(qū)的基礎(chǔ)研究水平、科研實力和國際學(xué)術(shù)地位等[11]。2011～2020年土壤重金屬鈍化改性材料發(fā)文量Top10國家/地區(qū)如表1所示。可以看出，中國的發(fā)文數(shù)量遠高于其它國家與地區(qū)，側(cè)面印證了我國土壤修復(fù)行業(yè)的快速發(fā)展。另一方面，澳大利亞均篇被引頻次最高，主要原因是其國土75%屬于干旱半干旱地區(qū)，土壤酸化、鹽堿化問題嚴重，同時礦產(chǎn)資源豐富，大片地面經(jīng)過長期風(fēng)化淋濾，部分地區(qū)土壤重金屬污染問題嚴重；其次，澳大利亞對土壤污染問題較為重視，早在20世紀70年代就頒布了諸如《土地委員會法》和《土地和環(huán)境法院法》等法律，因此在土壤重金屬鈍化改性材料領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先。H指數(shù)(h-factor)代表高被引次數(shù)，表明論文的影響力[12]。我國H指數(shù)為85，位列首位，而均篇被引頻次我國僅排第五，說明我國雖然發(fā)文量多，但文章質(zhì)量整體有待提高。

表1 2011～2020年土壤重金屬鈍化改性材料發(fā)文量Top10的國家/地區(qū)

3.3 熱點分析

通過關(guān)鍵詞分析可直觀反映該領(lǐng)域熱點與前沿，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率表明其受關(guān)注程度[13，14]。熱點圖譜中圓圈越大，表示其活躍程度越高，距離越近則表示兩者間關(guān)系越密切。基于WOS數(shù)據(jù)庫對關(guān)鍵詞熱點分析(圖2)表明，近年來國外對重金屬Cd2+、Pb2+、Cr3+研究較集中，土壤重金屬與植物關(guān)系密切，說明重金屬污染土壤的生物有效性是研究重點。

圖2 2011～2020年Web of Science數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料研究熱點知識圖譜

3.4 文獻類型

文獻類型分析如圖3和圖4所示，英文文獻主要以研究性論文(artical)為主，占比達到74.04%，相比學(xué)位論文，研究性論文具有嚴謹、數(shù)量大等特點[15]。國內(nèi)文獻主要以學(xué)位論文為主，優(yōu)秀碩、博學(xué)位論文占比達到64.82%，學(xué)術(shù)期刊論文僅占30.62%，不足英文研究性論文的1/2。以上研究表明，國內(nèi)外對于土壤重金屬鈍化改性材料的關(guān)注點并不相同。

圖3 2011～2020年Web of Science數(shù)據(jù)庫土壤重金屬鈍化改性材料的發(fā)文類型

圖4 2011～2020年CNKI數(shù)據(jù)庫土壤重金屬鈍化改性材料的發(fā)文類型

3.5 Top10高被引論文

高被引論文可系統(tǒng)、清晰地反映不同國家/地區(qū)科研實力、學(xué)術(shù)水平和學(xué)科發(fā)展動態(tài)。表2和表3分別列出了國內(nèi)外被引頻次排名前10的文獻及其平均引用次數(shù)、第一作者、所在國家/地區(qū)、文獻來源。英文Top10高被引論文中，中國作者Zhao等的論文“Few-layered graphene oxide nanosheets as superior sorbents for heavy metal ion pollution management”被引頻次最高[16]。高被引的主要原因是該文以石墨為原材料改性并制備生成石墨烯，并對重金屬Cd和Co進行吸附研究[16]，介紹試驗方法并對試驗結(jié)果進行系統(tǒng)性總結(jié)分析，具有較高科學(xué)探索和實用價值。Top10高被引論文中，中國作者達5位，說明我國在該領(lǐng)域部分研究已處于國際領(lǐng)先。國內(nèi)而言，王林發(fā)表的論文“Effect and mechanism of immobilization of paddy soil contaminated by cadmium and lead using sepiolite and phosphate”被引頻次最高[17]。Top10高被引論文中，關(guān)于生物炭文章達5篇，可見生物炭在土壤重金屬鈍化改性材料方面占據(jù)著較為重要的地位。

表2 2011～2020年Web of Science數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料的Top10高被引論文

表3 2011～2020年CNKI數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料的Top10高被引論文

3.6 改性方法與土壤重金屬污染類別

為提高材料對土壤重金屬鈍化能力，一般會對材料進行改性處理，主要改性方法有表面物理改性、表面化學(xué)改性和負載改性等[5]，而重金屬類別一定程度上反映出土壤受重金屬污染的現(xiàn)狀。2011～2020年中文文獻改性方法與重金屬污染類型統(tǒng)計結(jié)果如表4和圖5所示。

表4 2011～2020年CNKI數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料的改性方法

圖5 本研究檢索的CNKI數(shù)據(jù)庫中重金屬文章中不同重金屬種類占比與數(shù)量

由表4看出，針對土壤重金屬鈍化材料的改性，目前使用最多的是鐵基改性方法。鐵基改性主要包括零價鐵改性、FeCl3改性和Fe3O4改性等。一般情況下，負載金屬改性主要是利用材料的吸附性和氧化還原性，使得材料表面活性位點和酸性官能團數(shù)量增加，從而增強對重金屬離子的吸附和氧化還原性能[36]。除鐵基改性外，巰基、羥基與酸改性都是較為常見的改性方法。

由圖5可以看出，我國目前針對土壤Cd污染的研究較多，占總文章數(shù)的41.57%，這與我國土壤重金屬污染類型有關(guān)。據(jù)國務(wù)院生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[37]顯示，影響農(nóng)用地土壤質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中鎘為首要污染物。此外，鉛、鉻、砷污染土壤發(fā)文量占總發(fā)文量的17.34%，10.93%，9.50%，上述重金屬可對人體神經(jīng)和腎臟造成損傷且不易被排除體外。

3.7 發(fā)文量Top10期刊及影響因子

期刊發(fā)文量與影響因子在一定程度上可以反映期刊在該研究領(lǐng)域的影響力及學(xué)術(shù)水平。影響因子是指該刊近2年所有文章被引用總次數(shù)與所發(fā)文章總數(shù)的比值，是我國評定期刊影響力的一個重要指標[38]。CNKI和Web of Science發(fā)文量Top10期刊統(tǒng)計結(jié)果如表5和表6所示。中文發(fā)文量Top10期刊中，前3期刊分別為《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報》、《環(huán)境科學(xué)》和《環(huán)境污染與防治》，占總發(fā)文量10.35%，其中《環(huán)境科學(xué)》影響因子最高，復(fù)合影響因子與綜合影響因子分別為3.58和2.42。

表5 2011～2020年CNKI數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料的中文發(fā)文量Top10期刊

表6 2011～2020年Web of Science數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料的英文發(fā)文量Top10期刊

英文發(fā)文量前10期刊中，前3的期刊分別為EnvironmentalScienceandPollutionResearch，JournalofHazardousMaterials和ChemicalEngineeringJournal，占總發(fā)文量的15.27%，影響因子分別為4.31，10.13和11.53。英文Top10期刊中有7個期刊屬Q(mào)1分類，表明土壤重金屬鈍化改性材料研究受重視程度較高。

3.8 基金資助與研究機構(gòu)

國內(nèi)外發(fā)文量前10的機構(gòu)如表7所示。英文文獻發(fā)文量前10機構(gòu)中，有6個機構(gòu)來自中國，發(fā)文量最多機構(gòu)為中國科學(xué)院，占總發(fā)文量5.50%。表明我國對土壤重金屬鈍化改性材料重視程度較大。中文文獻發(fā)文量最多的機構(gòu)是西北農(nóng)林科技大學(xué)，占國內(nèi)總發(fā)文量的5.49%，排名前10的機構(gòu)均為高等院校，表明我國科研院所在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

表7 2011～2020年Web of Science與CNKI數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料發(fā)文量Top10機構(gòu)

從支撐基金可看出國家對各研究領(lǐng)域重視程度。由表8可知，發(fā)文量排名前4的基金均為國家基金項目，綜合占比超過90%，這也充分說明了土壤重金屬污染的相關(guān)研究得到國家層面的關(guān)注。

表8 2011～2020年CNKI數(shù)據(jù)庫中土壤重金屬鈍化改性材料發(fā)文量Top10基金

4 結(jié) 論

本研究基于Web of Science和CNKI數(shù)據(jù)庫，對2011～2020年這10年有關(guān)土壤重金屬鈍化改性材料的中英文文獻計量分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外年發(fā)文量自2017年開始快速增加，我國在該領(lǐng)域發(fā)文量最高，但均篇被引頻次較低。我國研究的改性材料主要為生物炭、納米零價鐵和殼聚糖等，改性方法主要為鐵基改性、巰基改性、羥基改性等，土壤重金屬鈍化種類主要為鎘、鉛、鉻等。國際上發(fā)文量前10機構(gòu)中，我國占比超過一半，國內(nèi)排名前10的機構(gòu)均為科研院所，說明我國科研院所在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

總體來說，我國在土壤重金屬鈍化改性材料領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢地位，但主要存在以下問題：

(1)我國關(guān)于土壤重金屬鈍化改性材料方向發(fā)文量較多，但文章質(zhì)量整體有待提高。

(2)實際土壤污染中存在多種重金屬污染共存的情況，材料鈍化對陽離子、陰離子或者某種重金屬的針對性較弱，存在鈍化某一種重金屬的同時增加其它類型重金屬遷移的風(fēng)險。

(3)改性材料偏重鈍化功能，卻忽視了生產(chǎn)成本或材料的環(huán)保性等因素，產(chǎn)業(yè)化實際應(yīng)用較少。

對此，建議加強土壤重金屬鈍化機理和改性方法的研究；加強對改性材料的功能性、經(jīng)濟性和環(huán)保性的綜合評價，達到相關(guān)的應(yīng)用標準；加強礦產(chǎn)等廢棄物材料資源再生和改性研發(fā)，研發(fā)陽離子、陰離子或某種重金屬鈍化專用性的改性材料，提升我國在土壤重金屬鈍化改性材料研發(fā)方面的實際應(yīng)用性；在發(fā)表文獻方面，不斷提升研究生論文質(zhì)量的同時，加強期刊論文的發(fā)表數(shù)量和質(zhì)量。