近十年國內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

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

1 前 言

近年來，城市化、工業化、礦山開采的快速發展，導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途徑，一是削減土壤重金屬總量，二是削減有效態重金屬的含量。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用的主要技術選擇[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和應用進展，本文對該領域的國內外文獻進行計量分析。

文獻計量學是探討科學技術某些特征和規律、用以確定專題文獻研究熱點、發展方向等全局性的方法[6]。目前，文獻計量學以其顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究優勢，已廣泛應用于環境工程、土壤學和新能源等領域[7]，如劉志慧等[8]基于中國知網(CNKI)對1994～2019年發表的“3S”(remote sensing，global position system，geographic information system)技術文獻進行分析，得出目前“3S”技術主要服務于土地、林業、生態等領域，并提出了該領域存在的問題；李昂等[9]基于CNKI對我國鎘污染土壤鈍化技術文獻進行分析，發現近年來發表相關文獻的數量呈指數增長趨勢，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，將文獻計量分析應用在重金屬鈍化改性材料方向，可對該領域材料的研發進行精準地描述、評價與預測，以期為相關領域的研究人員提供參考。

2 材料與方法

為了保證數據的代表性與權威性，國際和國內文獻檢索分別選擇Web of Science核心合集數據庫(WOS)和CNKI數據庫。WOS數據庫全稱“Web of Science”是全球最大、國際公認的反映科學研究水準、覆蓋學科最多的綜合性學術信息資源庫。CNKI數據庫包括中國學術期刊網絡出版總庫、中國博士學位論文和中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國重要會議論文和國際會議論文全文數據庫。WOS數據庫中高級搜索以公式TS=((heavy metal AND soil)AND modified)，獲得文獻3054篇。CNKI數據庫中以“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文量、主要發文國家、發文類型、Top10高被引論文、發文量Top10期刊、Top10研究機構、改性方法、基金資助和研究機構分布進行分析，將符合要求的文獻導入NoteExpress數據庫中，利用EXCEL2010軟件處理數據，同時利用VOSviewer軟件對WOS、CNKI數據庫進行熱點分析。

3 結果與分析

3.1 年度發文量

發文量在一定程度上反映出該研究領域的受關注程度和發展趨勢[10]。圖1表明2011～2018年英文發文量呈上升趨勢，尤其是2017年開始，發文量呈倍數增長。中文發文量2011～2017年呈穩定增長，2018年出現最大發文量，這和2016年“土十條”頒布、土壤污染及其修復逐漸受到民眾的關注有關；2019～2020年CNKI發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據庫導致的。發文量變化趨勢從側面反映出國內外對于土壤重金屬鈍化材料的關注與需求。

3.2 主要發文國家

發文量反映出一個國家/地區的基礎研究水平、科研實力和國際學術地位等[11]。2011～2020年土壤重金屬鈍化改性材料發文量Top10國家/地區如表1所示。可以看出，中國的發文數量遠高于其它國家與地區，側面印證了我國土壤修復行業的快速發展。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，土壤酸化、鹽堿化問題嚴重，同時礦產資源豐富，大片地面經過長期風化淋濾，部分地區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《土地和環境法院法》等法律，因此在土壤重金屬鈍化改性材料領域的研究較為領先。H指數(h-factor)代表高被引次數，表明論文的影響力[12]。我國H指數為85，位列首位，而均篇被引頻次我國僅排第五，說明我國雖然發文量多，但文章質量整體有待提高。

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

3.3 熱點分析

通過關鍵詞分析可直觀反映該領域熱點與前沿，關鍵詞出現頻率表明其受關注程度[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系越密切。基于WOS數據庫對關鍵詞熱點分析(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數據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%，相比學位論文，研究性論文具有嚴謹、數量大等特點[15]。國內文獻主要以學位論文為主，優秀碩、博學位論文占比達到64.82%，學術期刊論文僅占30.62%，不足英文研究性論文的1/2。以上研究表明，國內外對于土壤重金屬鈍化改性材料的關注點并不相同。

圖3 2011～2020年Web of Science數據庫土壤重金屬鈍化改性材料的發文類型

圖4 2011～2020年CNKI數據庫土壤重金屬鈍化改性材料的發文類型

3.5 Top10高被引論文

高被引論文可系統、清晰地反映不同國家/地區科研實力、學術水平和學科發展動態。表2和表3分別列出了國內外被引頻次排名前10的文獻及其平均引用次數、第一作者、所在國家/地區、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果進行系統性總結分析，具有較高科學探索和實用價值。Top10高被引論文中，中國作者達5位，說明我國在該領域部分研究已處于國際領先。國內而言，王林發表的論文“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著較為重要的地位。

表2 2011～2020年Web of Science數據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數據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狀。2011～2020年中文文獻改性方法與重金屬污染類型統計結果如表4和圖5所示。

表4 2011～2020年CNKI數據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數據庫中重金屬文章中不同重金屬種類占比與數量

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，占總文章數的41.57%，這與我國土壤重金屬污染類型有關。據國務院生態環境部發布的《2020中國生態環境狀況公報》[37]顯示，影響農用地土壤質量的主要污染物是重金屬，其中鎘為首要污染物。此外，鉛、鉻、砷污染土壤發文量占總發文量的17.34%，10.93%，9.50%，上述重金屬可對人體神經和腎臟造成損傷且不易被排除體外。

3.7 發文量Top10期刊及影響因子

期刊發文量與影響因子在一定程度上可以反映期刊在該研究領域的影響力及學術水平。影響因子是指該刊近2年所有文章被引用總次數與所發文章總數的比值，是我國評定期刊影響力的一個重要指標[38]。CNKI和Web of Science發文量Top10期刊統計結果如表5和表6所示。中文發文量Top10期刊中，前3期刊分別為《農業環境科學學報》、《環境科學》和《環境污染與防治》，占總發文量10.35%，其中《環境科學》影響因子最高，復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數據庫中土壤重金屬鈍化改性材料的中文發文量Top10期刊

表6 2011～2020年Web of Science數據庫中土壤重金屬鈍化改性材料的英文發文量Top10期刊

英文發文量前10期刊中，前3的期刊分別為EnvironmentalScienceandPollutionResearch，JournalofHazardousMaterials和ChemicalEngineeringJournal，占總發文量的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Q1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

國內外發文量前10的機構如表7所示。英文文獻發文量前10機構中，有6個機構來自中國，發文量最多機構為中國科學院，占總發文量5.50%。表明我國對土壤重金屬鈍化改性材料重視程度較大。中文文獻發文量最多的機構是西北農林科技大學，占國內總發文量的5.49%，排名前10的機構均為高等院校，表明我國科研院所在該領域占據主導地位。

表7 2011～2020年Web of Science與CNKI數據庫中土壤重金屬鈍化改性材料發文量Top10機構

從支撐基金可看出國家對各研究領域重視程度。由表8可知，發文量排名前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研究得到國家層面的關注。

表8 2011～2020年CNKI數據庫中土壤重金屬鈍化改性材料發文量Top10基金

4 結 論

本研究基于Web of Science和CNKI數據庫，對2011～2020年這10年有關土壤重金屬鈍化改性材料的中英文文獻計量分析發現，國內外年發文量自2017年開始快速增加，我國在該領域發文量最高，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。國際上發文量前10機構中，我國占比超過一半，國內排名前10的機構均為科研院所，說明我國科研院所在該領域占據主導地位。

總體來說，我國在土壤重金屬鈍化改性材料領域占據優勢地位，但主要存在以下問題：

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

(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險。

(3)改性材料偏重鈍化功能，卻忽視了生產成本或材料的環保性等因素，產業化實際應用較少。

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、經濟性和環保性的綜合評價，達到相關的應用標準；加強礦產等廢棄物材料資源再生和改性研發，研發陽離子、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方面的實際應用性；在發表文獻方面，不斷提升研究生論文質量的同時，加強期刊論文的發表數量和質量。