基于Web of Science的環(huán)境領(lǐng)域中海洋溢油污染事故相關(guān)研究熱點計量學(xué)分析

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.橙志（上海）環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 200444；3.上海城勘信息科技有限公司，上海 201206；4.華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200062）

石油是能源的重要組成部分，海上石油的開采、貯存和運輸，海岸石油產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工及其無序排放等，使得海洋溢油污染事故頻發(fā)，成為全球重大環(huán)境問題之一[1]。根據(jù)國際油輪船東防污染聯(lián)合會（International Tanker Owner Pollution Federation，ITOPF）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1970—2019年全球范圍內(nèi)發(fā)生中大型船舶溢油事故（溢油7噸以上）共計1843起[2]。突發(fā)性、偶然性和瞬時性是海洋溢油污染事件的顯著特點。除此之外，溢油擴散速度快，油污攔截、收集、處理難度大，極易于短時間內(nèi)在海面上遷移擴散等問題使得海洋溢油污染具有較高的危害性，且石油污染物成分復(fù)雜，進入海洋環(huán)境后難以去除[3-4]。由于海洋溢油事故頻發(fā)，石油已經(jīng)成為目前海洋的主要污染物之一，且具有較高毒性，不僅會影響海洋中的生物及生物多樣性，也會對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成破壞[5-6]。近年來，有關(guān)溢油事故的研究報道持續(xù)增加，本研究采用VOSviewer和Thomson Data Analyzer（TDA）軟件對溢油研究中環(huán)境領(lǐng)域的文獻進行計量學(xué)分析，便于相關(guān)研究者了解該領(lǐng)域的重要文獻、前沿動態(tài)、研究熱點及重點，明確未來的研究方向。

1 對象與方法

為探究與掌握溢油研究領(lǐng)域的總體情況，本研究基于美國科學(xué)信息研究所推出的回溯數(shù)據(jù)最深的Web of Science引文索引數(shù)據(jù)庫開展文獻計量學(xué)分析。采用“oil spill*”為主題詞，共獲得關(guān)于環(huán)境領(lǐng)域中溢油（oil spill）相關(guān)的研究論文9032篇（1982—2018年）。借助VOSviewer軟件[7]構(gòu)建溢油研究熱點主題的知識圖譜，結(jié)合傳統(tǒng)文獻計量學(xué)的共詞、引文分析方法以及數(shù)學(xué)、圖形學(xué)、信息可視化等技術(shù)，形象清晰地展示溢油相關(guān)研究熱點的結(jié)構(gòu)和發(fā)展。通過對熱門關(guān)鍵詞構(gòu)建矩陣，利用TDA軟件（加拿大Thomson Reuters公司）探究其相互之間的關(guān)系。

2 結(jié) 果

借助VOSviewer軟件構(gòu)建溢油研究熱點主題的知識圖譜（圖1），結(jié)合高頻關(guān)鍵詞分析，可知研究熱點主要涉及溢油數(shù)值模擬及模型預(yù)測（model），溢油暴露毒性及風(fēng)險評估（exposure、toxicity），溢油組分及源解析（property），溢油污染特性及處理處置（biodegradation）4個方面。

圖1 關(guān)于溢油研究熱點主題的知識圖譜Fig.1 Knowledge map of hotspots in oil spill research

通過TDA軟件對導(dǎo)出文獻的題目和摘要進行計量學(xué)分析，得到關(guān)鍵詞的頻次及其在各自的模塊中與其他關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)度，經(jīng)過近義詞合并，本文展示了頻次最多的20個關(guān)鍵詞（表1）。其中，溢油數(shù)值模擬及模型預(yù)測部分的關(guān)鍵詞有“模型”和“體系”，頻次分別為1673和1534次，且“模型”關(guān)聯(lián)度相對較高，說明模型是數(shù)值模擬和模型預(yù)測的核心；溢油暴露毒性及風(fēng)險評估部分的關(guān)鍵詞有“暴露”和“毒性”，頻次分別為1 033和599次；溢油組分及源解析部分的關(guān)鍵詞有“組分”和“性質(zhì)”，頻次分別為689和649次；溢油污染特性及處理處置部分的關(guān)鍵詞有“降解”“治理”和“生物降解”，頻次分別為820、778和775次，其中生物降解關(guān)聯(lián)度較高，說明溢油處理處置的研究熱點集中于生物降解。其他高頻關(guān)鍵詞還有沉積物、多環(huán)芳烴、土壤等。

表1 關(guān)鍵詞的頻次及關(guān)聯(lián)度Tab.1 Frequency and relevance of keywords

3 討 論

3.1 溢油數(shù)值模擬及模型預(yù)測

溢油在海洋中的行為是一個復(fù)雜的過程，包括分布和歸宿等，受多方面因素的影響，總體可分為水平物理擴散過程和垂向化學(xué)擴散過程，前者受環(huán)境動力因素如海風(fēng)、海浪等影響，后者受風(fēng)化過程如蒸發(fā)、溶解、乳化和生物降解等影響[8]。許多學(xué)者在深入研究了溢油的分布和歸宿后，提出多種理論模型用于模擬溢油空間擴散過程[9-10]，除了采用傳統(tǒng)數(shù)值計算之外，還結(jié)合了地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）、遙感（remote sensing，RS）、合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）等新技術(shù)[11-13]。由于不同環(huán)境因素的影響，溢油擴散過程具有一定的隨機性，針對這些不確定性，學(xué)者們通過探索和創(chuàng)新研究盡可能完善和提升模型的可靠程度[14-15]。

（1）溢油擴展。溢油事故發(fā)生后，重力、黏性力、慣性力和表面張力會共同作用于溢油，令油膜在擴展過程中表面積增大[16-17]。自由面上油膜擴展的數(shù)學(xué)模型由BLOKKER[18]于1964年建立，該模型從質(zhì)量守恒出發(fā)，對油在重力作用下的慣性擴展機制進行了簡明扼要的闡釋。1969年，F(xiàn)AY[19]提出了包括慣性力、黏性力和表面張力共同作用的油膜擴展的三階段理論。FAY的三階段理論提出后，諸多學(xué)者對其進行了優(yōu)化和改進[20-22]。隨著溢油擴展模型的改進與發(fā)展，蒙特卡羅模型也被逐漸引入溢油擴散領(lǐng)域[23-24]。

（2）溢油遷移。溢油在海洋環(huán)境動力要素的作用下移動被稱為溢油遷移，包括水面上的平流和湍流的擴散、漂移以及垂直方向的分散等[25]。典型的溢油遷移動態(tài)模型有WEBB等（1970年）建立的Navy模型，用于預(yù)測郵輪及溢油漂移運動，WILLIAMS等（1975年）研發(fā)的利用風(fēng)、海流疊加預(yù)測油膜漂移的SEADOCK模型，以及MILLER等（1977年）提出的偏重于風(fēng)的重力作用的Coast Guard模型等[26]?；诿商乜_方法的溢油擴散與漂移軌跡預(yù)測模型中的油粒子模型也備受研究者的關(guān)注[24，27]。

（3）溢油風(fēng)化。溢油在海洋中擴散和遷移的同時還伴有分散、蒸發(fā)、溶解和乳化等風(fēng)化過程[28-29]。溢油風(fēng)化過程的模擬主要包括：選取不同的油品，模擬原油泄漏的風(fēng)化實驗，對石油風(fēng)化程度和風(fēng)化過程中的成分進行研究[30-31]；通過模擬石油軌跡和風(fēng)化情況，考察石油泄漏的時間和空間分布等[32]。挪威的IKU模型、美國的ADIOS模型和英國的OSIS模型等[33]可用于定量考察石油風(fēng)化過程中溢油的成分、性質(zhì)和內(nèi)部機制。

3.2 溢油暴露毒性及風(fēng)險評估

（1）暴露評價。暴露評價是通過污染物暴露類型、污染物評價及污染物毒物評價共同表征污染物對受體的暴露水平。研究石油在介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化與歸宿[34-35]及石油暴露方式，確定其暴露途徑，并結(jié)合污染物的毒性分析、風(fēng)險識別和生態(tài)影響表征，即為溢油污染的生態(tài)風(fēng)險評價（ecological risk assessment，ERA）。學(xué)者們對受海洋溢油事故影響的海域進行了大量短期或中長期的生態(tài)風(fēng)險評價，其中包括受墨西哥灣溢油事件、“Exxon Valdez”號等重大溢油事故影響的墨西哥灣、阿拉斯加威廉王子灣等區(qū)域[36-38]。生境等價分析法（habitat equivalency analysis，HEA）也被廣泛應(yīng)用于溢油生態(tài)環(huán)境損害評估[39-40]。

（2）暴露途徑與受體。目前，溢油污染評價多以鳥類、海獺、魚類及貝類為主要暴露受體。溢油事故發(fā)生后，石油會殘留在沉積物或海水中，其對海洋生物造成的暴露和影響是持續(xù)的[41]。魚類和龜類的暴露途徑有：通過鰓的呼吸作用或者嘴的吸入，接觸混合或漂浮在水中的石油；通過捕食受石油污染的獵物或者誤食類似獵物的焦油，攝入溢油分子；通過體表滲透作用被迫攝入溢油分子等[42-43]。海鳥的暴露途徑有潛水、整理被油污覆蓋的羽毛、捕食等[44]。通過覓食攝入石油是生物受到溢油影響的主要途徑[45-46]。

（3）暴露毒性。不同生物不同組織器官中石油的蓄積效應(yīng)受生物種類和季節(jié)變化的影響[47-48]。對海鳥而言，覆蓋于羽毛上的石油會破壞其羽毛的完整性，使其出現(xiàn)潛水或飛行障礙，從而無法正常覓食與遷徙[49-50]，而海鳥體內(nèi)的石油對體內(nèi)影響是多方面的，包括腸道、肺、肝、腎和鹽腺的病變[44]。當魚類、牡蠣的胚胎或仔魚暴露于石油中時，石油烴會進入組織，然后在發(fā)育階段緩慢釋放，從而延長暴露時間，形成慢性毒害作用，而溢油污染對中國明對蝦、日本囊對蝦仔蝦和馬糞海膽有急性毒害效應(yīng)[51-54]。

3.3 溢油組分及源解析

（1）溢油組分。來自不同地區(qū)的石油的組成差別較大，一般是由烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和非烴類化合物組成，其中烷烴、環(huán)烷烴以及芳香烴等組分占比較高，占石油含量的50%～98%，簡稱為石油烴，其余為含氧、含硫及含氮等非烴類[55-56]。溢油組分的含量不僅取決于溶解分散、吸附和凝聚作用，還受沉積、光氧化、生物化學(xué)作用等的影響[57]。溢油組分中標志性化合物主要包括類異戊二烯烷烴、正構(gòu)烷烴、甾烷、萜烷類化合物和多環(huán)芳烴。正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴是未風(fēng)化原油中有用的指標化合物[58]；n-C17與姥鮫烷和n-C18與植烷的比值變化可作為風(fēng)化程度較低時的溢油指標[59]；風(fēng)化程度大時，油種間萜烷和甾烷及其比值參數(shù)差異較大，不適合作為溢油指示物，但其受風(fēng)化影響小時，可作為溢油指示物[60-61]。

（2）溢油源解析。海洋環(huán)境中石油污染物的來源復(fù)雜，最直接的有海上石油開采泄漏的原油以及船舶碰撞、觸礁泄漏的燃料油，而溢油污染訴訟取證困難，使得源解析成為溢油損害評估中至關(guān)重要的一環(huán)[62]。化學(xué)油紋指示是目前溢油源解析的主要方法之一，通過氣相色譜-質(zhì)譜法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和氣相色譜-氫火焰離子化檢測法（gas chromatography-flame ionization detector，GCFID）獲取石油特征組分信息，而后通過石油組分的特征比值，如植烷/姥鮫烷、熒蒽/（熒蒽+芘）與蒽/（蒽+菲）等解析溢油來源[59，63-65]。近年來，碳同位素分析技術(shù)已經(jīng)比較成熟，被廣泛用于定性識別植被、土壤、沉積物以及環(huán)境空氣顆粒物中石油組分的來源[66-67]。穩(wěn)定同位素分析包括可以獲得樣品全碳的穩(wěn)定同位素比值的元素分析-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜法（element analyser-stable isotope ratio mass spectrometry，EASIRMS）和可以分析單體烴類化合物分子的碳同位素的氣相色譜-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜法（gas chromatography-stable isotope ratio mass spectrometry，GCSIRMS），碳穩(wěn)定同位素法與特征比值法結(jié)合能更有效地區(qū)分不同種類原油，為原油種類鑒別和溯源提供有效支撐[68-70]。

3.4 溢油污染特性及處理處置

（1）溢油污染特性。溢油事故會對海洋生物生長、繁殖及群落結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生嚴重的損害，底棲生物群落的穩(wěn)定性與油品化學(xué)性質(zhì)及沉積物污染具有顯著相關(guān)性，高組分芳香化合物含量越高，對水生生物造成的影響越顯著[45，71]。海洋生物會因石油產(chǎn)生暴露脅迫，其他受石油影響的指標還有沉積物或水體中的有機質(zhì)含量、交換性陽離子濃度及氮磷濃度等[72-74]。石油組分的吸附-解吸相對速率會影響其在水體和沉積物中的濃度，而這又與水體擾動程度以及沉積物粒徑有關(guān)[75]。沉積物物理力學(xué)性質(zhì)也會因石油污染而明顯改變，包括會隨之降低強度、滲透系數(shù)和重度[76]。沉積物深度越深，溢油污染物越難被自然降解，殘留時間可達幾十年[77-78]。

（2）溢油污染的處理處置方法。溢油處理處置的方法主要包括設(shè)置油障來隔離海面溢油，用撇油機、吸油帶清除油膜，投入吸附材料吸附油污等物理修復(fù)方法[79-80]，物理及機械方法是消除海面和海岸沿線石油污染最有效的方法，但不適用于乳化油的去除。還可用藥劑清除溢油，如用消油劑分散溢油、凝油劑包裹溢油、集油劑聚集溢油等化學(xué)處理方法[81-82]。吸附劑或消油劑是在實際應(yīng)用中使用最多的溢油處置劑。消油劑的主要成分為具有強滲透性的溶劑和表面活性劑，能使海面油膜乳化，將破碎的油膜分散于水中，從而達到保護水生生物的目的[83]。吸附劑可以使水油分離，其原理是通過物理吸附作用吸附油膜于自身表面。相較于消油劑，吸附劑的優(yōu)點在于可回收、成本低等。因此，天然吸附劑以及天然吸附劑的改性技術(shù)受到了廣泛關(guān)注和研究[84-85]。而同樣具有良好吸附性的化學(xué)吸附劑[86]，由于可能造成二次污染等問題，研究相對較少。化學(xué)處理法操作相對簡單，但易造成二次污染，危害底棲生物的健康。生物處理法指篩選、培育、改良能降解石油烴的微生物，投放到受污染海域，從而達到污染降解的效果[87-88]。近年來，生物降解已成為研究熱點，特別是微生物降解。溢油生物降解技術(shù)主要包括生物強化技術(shù)、生物刺激技術(shù)和酶制劑技術(shù)等[89-90]。

3.5 結(jié)語

本文以環(huán)境領(lǐng)域中溢油研究文獻計量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用VOSviewer和TDA軟件對1982—2018年Web of Science數(shù)據(jù)庫中收錄的相關(guān)文獻進行計量學(xué)分析，得出目前海洋溢油研究有四大熱點，分別為溢油數(shù)值模擬及模型預(yù)測，溢油暴露毒性及風(fēng)險評估，溢油組分及源解析，溢油污染特性及處理處置。分析海洋溢油事故相關(guān)研究及進展，為進一步理解溢油發(fā)生、遷移、轉(zhuǎn)化機制，實施溢油治理修復(fù)，以及更精確地開展生態(tài)環(huán)境損害評估提供了科學(xué)基礎(chǔ)。