基于文獻計量的農田土壤鎘下滲研究現狀與趨勢分析

摘要：基于中國知網（CNKI）和Web of Science（WoS）核心合集數據，本文采用文獻計量學方法和可視化分析軟件，分析了國內外農田土壤重金屬Cd下滲研究領域2003—2023年的研究現狀、研究熱點及未來發展趨勢。結果顯示，該領域的年發文量整體呈增長趨勢，但年度最高發文量較低，中文和英文最高年發文量僅為19篇和23篇。中文文獻的研究熱點主要集中在“重金屬”、“數值模擬”、“遷移”和“土壤”，英文文獻主要為“cadmium”、“agricultural soil”、“heavy metals”和“fluxes”。國內外研究者已初步掌握農田土壤中重金屬Cd的下滲遷移過程、影響因素、下滲通量計算方法及模型模擬。然而，目前的研究主要集中在室內模擬實驗（如土柱實驗），而缺乏對自然條件下農田土壤Cd下滲過程的長期監測。同時，關于極端天氣條件及農田干濕交替對Cd下滲遷移的影響研究仍顯不足。未來應重點關注田間Cd下滲過程的監測、下滲過程影響機制深化研究以及多尺度農田土壤重金屬Cd下滲輸出模型的建立。

關鍵詞：農田土壤；鎘；下滲通量；重金屬輸出；文獻計量學

中圖分類號：X53 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）11-2487-10 doi：10.11654/jaes.2024-0815

土壤重金屬下滲是指土壤中重金屬隨土壤水分運動而發生遷移的過程[1]，是農田土壤重金屬質量平衡的重要途徑。2014年環境保護部和國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國耕地點位鎘（Cd）污染超標率排在第一，高達7.0%。Cd在土壤中的累積不僅導致土壤質量退化，其還可能通過食物鏈對人體健康產生嚴重影響[2-3]。因此，開展土壤重金屬Cd在農田土壤中的下滲研究具有重要的科學和環境保護意義。土壤是Cd 的重要匯集和傳播媒介[4]，Cd在土壤中的下滲過程直接影響Cd在土壤中的分布和流動，進而影響到農作物對Cd的吸收以及Cd向地下水的傳遞。通過建立土壤重金屬Cd的下滲模型和監測體系，可以評估土壤中Cd的遷移和轉化情況，從而對土壤Cd污染及時預警并降低Cd污染的環境風險，保護生態環境和保障糧食安全具有重要意義。

近年來，諸多學者在農田土壤重金屬下滲領域開展了理論與實驗研究，但當前研究成果缺乏系統的可視化分析。本文基于中國知網（CNKI）數據庫和Webof Science（WoS）核心數據庫，采用CiteSpace 與VOS?viewer知識圖譜軟件，對國內外2003—2023年間農田土壤重金屬Cd下滲研究相關文獻進行可視化分析。本文通過繪制年發文量、關鍵詞共現及關鍵詞突現等知識圖譜，梳理和總結農田土壤重金屬Cd下滲研究的現狀與成果，深入挖掘研究的前沿動態與熱點領域，揭示該領域研究的發展軌跡和未來趨勢。

1 材料與方法

1.1 數據來源

中文文獻數據來源于CNKI，以“（主題：鎘+Cd+重金屬）AND（主題：下滲+入滲）AND（主題：土壤+農田）”進行檢索，時間范圍為2003年01月01日至2023年12月31日，共檢索到167篇文獻。英文文獻數據源于WoS，引文索引設為“SCI--EXPANDED”，并以“（（（TS=（agricultural））AND TS=（\"cadmium\" OR\"Cd\"））AND TS=（\"infiltration*\" OR \"flux*\"））AND TS=（soil*）”為主題詞進行檢索，時間范圍設定為2003年01月01日至2023年12月31日，檢索結果共計146篇。

1.2 研究方法

在眾多的知識圖譜工具中，CiteSpace[5]與VOS?viewer[6]兩款知識圖譜工具脫穎而出，Pan等[7]發現170篇使用文獻計量制圖軟件的論文中，83%的文章使用CiteSpace或VOSviewer軟件。CiteSpace可提供復雜的可視化工具和網絡分析功能，幫助研究人員更好地理解和分析大規模的文獻數據；而VOSviewer可提供網絡視圖、疊加視圖及密度視圖3種可視化方式，具有圖像美觀、解讀便捷的突出優點。本文基于CiteSpace（V6.1.R6，United States）和VOSviewer（V1.6.20，Nether?lands）軟件制作農田土壤重金屬Cd下滲領域的發文作者合作關系網絡和關鍵詞分析知識圖譜，旨在尋求該領域的研究熱點和未來研究趨勢。

2 結果與討論

2.1 發文機構及作者分析

對文獻進行發文機構及作者合作網絡分析，能夠獲知重金屬下滲領域的代表學者以及核心研究力量。圖1a顯示了多個我國高校和研究機構之間的合作關系，可以明顯看出，該領域的學術機構之間建立了緊密的合作關系，這種聯盟對相關學科的構建和發展起到了顯著的推動作用。其中，西安理工大學、太原理工大學、長安大學、吉林大學和中國地質大學的發文量占優，并且與其他機構有較多的合作關系。而在英文發文機構圖譜中，中國科學院大學的發文量（28篇）遠超于其他機構（圖1b）。

經統計，167篇中文文獻共來自215位作者，其中發文量超過2篇的作者有14位，如圖2a所示，作者之間的合作模式往往呈現出小團體化的特征，這種模式在學術出版物的合作網絡中尤為明顯。值得注意的是，167篇文獻中學位論文超過100篇，這可能反映了學科的發展趨勢和當前的研究熱點。146篇英文文獻共來自765位作者，其中發文量超過3篇的作者有19位，超過6篇的有3位，均為中國學者，分別是中國地質大學的侯青葉、楊忠芳和余濤（圖2b）。并且，146篇文獻中超過一半的發文單位均為中國（85篇），發文數量占優。中國學者們發表的研究成果很大程度上集中在英文期刊，反映了中國學術界與國際學術界的融合程度較高。

2.2 學科分布分析

中文CNKI 數據庫及英文WoS 核心數據庫中土壤重金屬下滲領域的學科分布情況見圖3。土壤重金屬下滲研究涉及的學科較為廣泛，且各學科之間的交互性較強。中文文獻涉及最多的學科為環境科學與資源利用，占比超過50%，建筑科學與工程、農業基礎科學和農藝學各占比10%。英文文獻中環境科學、工程環境學和土壤學三類學科數量較多，分別占比45%、8%和6%?？傮w而言，CNKI數據庫的研究相對集中于環境科學與資源利用，而WoS 數據庫則展現了更為多元的研究領域。這種差異或許反映了中英文學術界在研究主題選擇和資源分配上的不同趨向。

2.3 年度發文量分析

年度文獻發表量可一定程度反映研究領域的活躍度和學術成熟度。對CNKI 數據庫和WoS 核心數據庫中檢索出的文獻進行年度發文量分析，結果見圖4。從整體趨勢來看，2003—2023年國內外農田土壤重金屬下滲領域的發文數量呈現逐步上升趨勢，中、英文文獻發文趨勢線有多次交叉，且二者增長率基本保持一致，表明近年來學者們對農田土壤中重金屬下滲的研究更加深入。英文發文量在2018年之后呈現出快速增長的態勢，尤其是在2019年達到峰值，且相較于上一年增長了155%，這表明國際學術界對農田土壤重金屬下滲問題的關注度顯著提升。然而，該領域的中、英文年發文量頂峰值分別為19篇和23篇，與土壤溶質運移領域年發文量200篇相比，尚有較大差距[8]，還需要進行更多的研究工作。

2.4 國內外研究熱點知識圖譜

研究熱點是指在某個時段里特定領域或學科中備受關注并引起廣泛討論的課題或議題。論文的關鍵詞凝練了論文的核心內容，出現頻次較高的關鍵詞可一定程度上反映出該領域的研究熱點。圖5a 中CNKI數據庫中關鍵詞“重金屬”占據了中心位置，與其關聯的主要關鍵詞包括“數值模擬”、“遷移”、“土壤”等，研究主題集中在重金屬污染的遷移及模擬等方面。關鍵詞“污染土”、“海綿城市”、“生物滯留系統”等也顯示出一定的研究熱度，反映了國內在污染治理和城市水資源管理方面的關注。相比之下，WoS核心數據庫顯示了更為復雜和多樣的研究主題（圖5b）。高頻關鍵詞為“cadmium”、“agricultural soil”、“heavy metals”、“fluxes”等，側重農田土壤中重金屬Cd輸入輸出通量的研究。此外，關鍵詞“bioavailabili?ty”、“risk assessment”、“source apportionment”等也顯示出國際上對農業土壤重金屬污染源解析和風險評估的重視。

為了更清晰地把握領域研究熱點，運用VOS?viewer軟件獨特的密度視圖進行聚類分析。如圖6所示，中文文獻的關鍵詞可分為7類：聚類1主要為土壤入滲重金屬的遷移轉化以及健康風險評價；聚類2主要為重金屬遷移過程及數值模擬；聚類3主要為重金屬污染的來源及影響因素分析；聚類4主要為土壤中重金屬Cd的遷移污染情況；聚類5主要為海綿城市雨水入滲的研究；聚類6主要為土壤-地下水系統中下滲重金屬的遷移與污染；聚類7主要為沼液及生物滯留系統方面的研究。

英文文獻的關鍵詞則分為4類：聚類1主要為農田土壤重金屬Cd通量的管理和Cd生物可利用度的研究；聚類2主要為農田土壤中各類重金屬的污染情況及來源分析；聚類3主要為關于中國農田土壤重金屬Cd污染對農作物安全生產的影響分析；聚類4主要是農田土壤Cd輸入和輸出通量、來源和去向分析及人體健康風險評價。

2.5 國內外研究熱點變化分析

突現關鍵詞是某一時段出現頻率突增的關鍵詞，能有效揭示某一研究領域內關鍵詞的出現頻率和變化趨勢，從而反映出研究熱點的演變過程及發展軌跡[9]。突現強度是衡量關鍵詞在其突現時段內出現頻次的重要指標，其值越大表示研究熱度增長越快。關鍵詞突現開始至結束時間表示研究熱度的持續時段。通常，選擇突現強度高且突現年份較近的關鍵詞作為某一領域的研究前沿，其研究持續時間則反映了相應領域的深度及研究價值[10]。

關鍵詞突現圖譜如圖7 所示。中文文獻中“入滲”、“煤矸石山”、“灌溉”、“再生水”在21世紀初期具有較高的突現強度。礦業污染區具有明顯的環境影響和研究價值，成為早期重金屬Cd下滲研究的重點區域。礦區土壤在雨水淋洗作用下促使重金屬溶解下滲，同時還可能通過地表徑流運移至礦區周邊農田。Li等[11]模擬研究降雨條件下重金屬的下滲行為，發現采礦活動是導致周邊水稻土中Cu和Cd含量升高的主要原因。此外，煤礦區與酸雨之間存在密切聯系，在酸雨作用下，重金屬的遷移、下滲能力和生物活性明顯增強[12]。

關鍵詞“重金屬”與“土壤膠體”成為近年的研究熱點。這一變化表明，重金屬下滲研究領域正逐步從單純的過程描述轉向深入探討重金屬在土壤中遷移和固定的關鍵影響因素。膠體顆粒具有較大的比表面積和豐富的表面反應位點，能夠通過吸附、沉淀和絡合等方式有效固定緩慢下滲的重金屬離子。在徑流下滲過程中，土壤受到水動力學和物理化學條件的影響，會釋放大量可移動的膠體（粒徑范圍10-3～10μm）[13]，這些可移動膠體能夠與土壤中原本蓄積的重金屬結合后遷移，并在適當條件下再釋放，從而成為污染土壤和地下水的重大隱患[14]。研究表明徑流中的膠體對Cd離子具有較強的吸附能力，可顯著促進Cd離子下滲遷移，且膠體粒徑越小越容易攜帶重金屬遷移[15]。向土壤中添加具有良好表面性能的材料，可以降低重金屬下滲浸出的風險。Zhang等[16]模擬酸雨條件，分別向土壤中加入羥基磷灰石、海泡石和生物炭，3種方式均獲得了較高的Cd固定化效率（大于20%）。此外，蚯蚓和糞肥聯合施用可使Cd在土壤團聚體中重新分布[17]，促進可溶性Cd轉化為沉淀形式，從而減少Cd在土壤中的遷移。

英文文獻中，關鍵詞突現集中在2017—2021年。其中，“大氣沉降”、“來源分配”、“風險評估”和“健康風險”等關鍵詞具有較高的突現強度。土壤中Cd的主要輸入途徑包括灌溉水、磷肥施用及大氣沉降[18]。對湖南漣源市Cd大氣沉降的研究表明[19]，人類活動排放到大氣中的Cd在30年內會逐漸沉積到排放源周邊土壤中，這勢必會增加土壤Cd 含量，從而影響Cd的下滲通量。但目前多種介質下人類健康風險估算結果表明[20]，盡管大氣沉降帶來的土壤Cd輸入通量高于其他途徑，但其對人類健康沒有直接風險。土壤中不同形態Cd的植物有效性不同，Cai等[21]確定了小麥中的Cd主要來自土壤中的可交換態、腐植酸結合態和殘留態Cd，其占總遷移量的58.11%。

2.6 重金屬Cd下滲過程及其影響因素

Cd污染是我國農田污染中一個關鍵的問題，急需移除農田系統中殘留的Cd。農田土壤重金屬Cd有多種輸出途徑，包括下滲、地表徑流和作物移除等[22]。土壤重金屬Cd下滲是一個復雜的物理化學過程，下滲過程示意圖見圖8。重金屬Cd進入土壤后，在水流梯度和濃度差的作用下，會與土壤組分發生吸附或解吸反應。Cd能以溶解態或與土壤膠體結合的形式隨下滲水遷移。其中，溶解態Cd的遷移性更強，能夠穿透耕作層土壤，甚至滲入地下水。重金屬Cd的下滲過程受到土壤中Cd含量和其溶解度的影響，而重金屬的溶解度又受到土壤理化性質的控制，包括土壤質地、pH值和有機質含量等因素[23-24]。

在土壤剖面中，Cd的移動性與其在土壤顆粒上的吸附和解吸平衡密切相關。土壤中的黏土礦物和有機質提供的大量的吸附位點可以固定Cd離子，減少其遷移。吳文勇[25]在模擬灌溉研究中發現，土壤對Cd的吸附隨深度的增加而降低。然而，這種吸附并非永久性的，淋溶作用下環境條件的變化（如pH、離子強度）可能導致吸附的Cd再次進入土壤溶液，增加其下滲風險。其中土壤pH值是決定Cd移動性的最關鍵因素。在低pH值（酸性條件）下，土壤中H+濃度高，會競爭性地取代土壤膠體上的Cd離子，使Cd更容易從吸附位點解吸進入土壤溶液，增加其移動性。相反，在堿性條件下，Cd更傾向于形成難溶的氫氧化物或碳酸鹽沉淀，減少其下滲風險。同時，在高離子強度或存在競爭性離子的條件下，Cd的吸附能力可能降低。

降雨或灌溉是驅動重金屬Cd下滲的重要動力，同時也是農田土壤Cd 污染的重要來源。有學者發現[26]，雨水輸入土壤中的Cd通量大于下滲水的Cd輸出通量，這表明降雨可能導致Cd 在土壤中的積累。此外，降雨強度直接影響重金屬的下滲速率。在模擬降雨實驗中[27]，強降雨條件下的Cd下滲量是正常降雨條件下的2.12倍，高強度的降雨可增加土壤中的滲透水量，加速Cd的垂直遷移。極端天氣條件下土壤飽和度高，滲濾作用增強，Cd的下滲風險顯著提高，然而極端氣候事件在研究中往往容易被忽視。除降雨外，農田灌溉是土壤中Cd下滲的另一關鍵驅動力，由灌溉導致的表層土壤（0～0.10 m）中Cd的平均流失率約為2.3 g·hm-2·a-1[28]。旱地土壤長期處于氧化條件（高氧化還原電位），Cd主要以陽離子形態存在，移動性較強，并且旱地土壤的孔隙結構和滲透性通常較高，Cd 更容易隨下滲水向下遷移。但是，相較于旱地，灌溉對水田重金屬Cd下滲的影響更為顯著。水田長期處于淹水狀態，形成還原性環境（低氧化還原電位），Cd的化學形態發生變化。在還原條件下，Cd易與硫化物結合形成不溶性的硫化鎘（CdS），CdS被固定于土壤固相，阻礙了Cd下滲。此外，水田土壤通常有較高的有機質含量，Cd可以被有機質吸附或絡合，降低其移動性，進而降低下滲量。相反，水田土壤在水稻生育期內通常存在1～2次干濕交替，干濕交替的過程會導致土壤中Cd含量的變化。在淹水時，Cd的溶解度顯著降低，下滲遷移受到抑制；稻田烤田排干后，Cd的有效性迅速增加，更容易隨土壤溶液遷移下滲[29]。因此，對于稻田土壤而言，干濕交替過程是重金屬Cd下滲的關鍵時期。

2.7 重金屬Cd下滲通量研究

目前，研究者計算農田土壤重金屬Cd下滲通量的方法有兩種，一種是基于吸附模型結合研究區土壤理化性質計算[30]，另一種是基于估算[31]或實測[32]的重金屬濃度計算。然而，下滲通量實測較為困難，大部分研究集中在室內模擬條件下進行，無法完全反映自然條件下的復雜性和動態變化。與此同時，土壤中Cd下滲過程的研究多為短期實驗，缺乏長期觀測分析數據。

為了準確量化農業土壤中重金屬的質量平衡，重金屬輸入和輸出清單的概念被提出。在早期農田土壤重金屬Cd質量平衡的研究中，往往忽略了下滲輸出途徑[33]。研究表明，盡管與進入土壤的重金屬總量相比，下滲輸出通量通常較小[34]，但現實情況卻更加復雜，現有的觀測數據呈現出顯著的時空差異。表1列舉了不同地區的農田土壤Cd下滲通量實測數據及其占比情況。從數據上不難發現，不同地區的Cd下滲通量差異顯著，如湖南省（0.001～0.209 g·hm-2·a-1）和云南省中北部（3.03 g·hm-2·a-1）。不同地區下滲通量大小占總輸出比例同樣存在差異，在我國長江三角洲地區[35]，農田土壤中重金屬下滲通量通常大于作物移除通量，下滲輸出占重金屬總輸出的32%～98%；四川省[36]Cd 下滲年輸出通量僅占總輸出的0～70%；而湖南省[37]Cd 下滲年輸出通量僅占總輸出的0～25%。不同地區的Cd下滲通量時空差異，不僅與觀測點土壤的理化性質、耕作方式、地理氣候等因素相關，還與通量監測、計算的方法有關。因此，制定農田重金屬下滲通量監測和計算規范尤為重要，對農田土壤重金屬輸入和輸出的質量平衡研究有重要意義。

2.8 重金屬Cd下滲模型研究

數學模型和數值模擬為預測Cd 在土壤中的遷移、轉化和吸附等過程提供了強有力的數學工具。目前，研究者采用了多種模型和方法來研究重金屬在土壤中的下滲遷移，包括垂直遷移中的經驗模型、面分離模型和整體模型，以及數值模型HYDRUS[38]。Freundlich 吸附等溫模型是一種常用的經驗模型[30]，能夠基于部分土壤參數模擬并計算土壤固相和土壤溶液中重金屬的含量。Gray等[39]開發的土壤-液體分配系數模型則專注于重金屬的解吸過程，利用常規土壤參數預測土壤溶液中的Cd濃度，并估算其在土壤中的輸出通量。該模型通過對新西蘭農田土壤重金屬浸出數據的實地測量得到了驗證，證明其在預測Cd 下滲輸出方面的有效性[40]。此外，Jalali 等[41]開發了一個用于解釋腐植酸和方解石對Cd的表面絡合反應以及離子交換過程的模型，該模型能夠成功預測土壤中Cd的下滲遷移。溫煥君[42]利用一維HYDRUS模型模擬了重金屬Cd在層狀土壤中的下滲過程，并探究了其運移特征。柳山等[43]則通過一維HYDRUS模型模擬研究了酸雨對耕作層土壤中重金屬Cd含量、Cd存在形態及含量變化的影響，發現酸雨淋濾后土壤上層Cd含量下降，而下層Cd含量上升，且Cd遷移含量曲線與實測值在趨勢上保持一致。

現有的重金屬Cd 遷移模型雖然提供了土壤Cd預測能力，但仍然存在局限性。許多模型基于簡化的假設，如均勻的土壤特性和穩態條件，這使得模型在實際應用中可能無法準確捕捉到土壤環境的復雜性。例如，隨著時間的推移，土壤中Cd的吸附和解吸過程會受到多種環境因素（如pH、離子強度等）的影響，還需考慮土壤孔隙水的流動，這種動態變化常被簡單模型所忽視。同時，這些模型在地理和環境差異顯著的地區面臨挑戰，表現出對不同地區和土壤條件的非普遍適用性，并且缺乏從微觀到宏觀的多尺度研究，包括田間尺度動態、區域和全球模型。因此，為了建立一個適應不同土壤類型和環境條件的多尺度通用模型，并準確揭示各種因素對Cd下滲過程的影響程度，需要開展系統的數據采集工作。例如，對不同地區土壤及土壤溶液進行多點位、長時間序列的實際觀測與分析，以獲取更加豐富和可靠的實測數據。

3 結論與展望

本文利用文獻計量軟件CiteSpace與VOSviewer，對2003—2023 年間收錄于CNKI 數據庫和WoS 核心數據庫中有關農田土壤Cd下滲領域的文獻進行可視化分析，并嘗試對相關領域的研究現狀和未來發展趨勢進行解析。盡管目前開展了關于土壤Cd下滲遷移過程及影響因素的研究，但多數研究均為室內模擬實驗，缺乏自然條件下Cd在農田土壤下滲過程的長期田間數據，因此難以構建適應不同場景下農田土壤Cd的下滲輸出模型。未來的研究重點包含：

（1）開展長時間、區域尺度的田間實驗，捕捉Cd下滲的時空變化特征，并基于多樣本的實測數據開發更為精確的區域性農田土壤Cd下滲遷移模型。應重點關注不同土壤類型、水分管理條件或種植模式下農田土壤中Cd的下滲規律，建立輸出模型。

（2）關注極端氣候事件對Cd下滲的影響，可以通過設置不同的降雨強度和頻率，結合干旱和洪水的模擬來評估Cd的遷移行為，以制定有效的土壤管理和重金屬污染治理策略。

（3）結合機器學習等技術，加強不同空間和時間尺度下農田土壤重金屬Cd下滲輸出模型的集成，建立多尺度土壤Cd下滲輸出模型，評估和預測Cd下滲輸出對土壤Cd含量的影響。

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