基于文獻計量分析土壤重金屬污染修復研究現(xiàn)狀

程涵宇 欒慧君 劉漢湖

（中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州 221000）

1 引言

土壤重金屬污染主要來源于礦業(yè)、冶煉業(yè)及其周邊產(chǎn)業(yè)，在國家實施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及去產(chǎn)能化的大背景下，資源枯竭礦山關閉，同時隨著國家工業(yè)化進程加快，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)型升級，遺留大量工業(yè)污染場地亟須治理修復。

隨著《土壤污染防治行動計劃》的頒布實施，土壤污染防治的法律規(guī)范、標準、政策相繼出臺完善。土壤污染防治修復工程大面積展開，但在治理與修復過程中存在理論與實踐相脫節(jié)的問題。

科研院校側(cè)重于污染機理理論的研究，而一線環(huán)境修復公司偏重于技術應用，“產(chǎn)、學、研”結(jié)合相對較差。土壤污染修復項目一般由政府牽頭主導，積極對場地進行修復，市場環(huán)境良好，但理論研究與技術應用結(jié)合不夠。

一方面，高校專精于污染機理和修復機理的研究，對場地修復一線遇到的難題缺乏認識。以發(fā)表論文為綱，常常出現(xiàn)忽視生產(chǎn)實踐問題的現(xiàn)象。另一方面，相關土壤修復技術公司目前雖在技術積累方面已逐漸成熟，卻缺乏理論知識鋪墊，科研投入片面追求專利數(shù)量堆積帶來的效益。

文獻計量分析是對各種類型文獻的數(shù)量、品質(zhì)、結(jié)構(gòu)和運用上的研究與分析，是研究學科結(jié)構(gòu)、預測學科發(fā)展趨勢最有效的理論方法之一［1］。近年來，土壤修復相關研究熱度高，也出現(xiàn)基于文獻計量分析方法研究發(fā)展趨勢的論文，但在土壤重金屬污染修復領域及細化領域，使用計量分析進行分析的研究報道較少［2］；另一方面，目前基于計量分析土壤修復領域的文獻大多把焦點集中在文獻發(fā)文量時間分布、研究領域分布、作者、單位等表層數(shù)據(jù)，而沒有進行數(shù)據(jù)深層發(fā)掘，如發(fā)文量增速、各領域關聯(lián)性、理論研究與技術應用一致性等方面的研究較少。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

本文所用數(shù)據(jù)基于在國家出版管理部門正式許可出版的、具有國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號的期刊上公開發(fā)表的論文，在中國知網(wǎng)（http：//www.cnki.net）使用關鍵詞“土壤重金屬污染修復”進行系統(tǒng)文件檢索，分別使用《中國學術期刊（網(wǎng)絡版）》《中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫》這2 個數(shù)據(jù)庫作為理論研究層面依據(jù)，《中國科技項目創(chuàng)新成果鑒定意見數(shù)據(jù)庫（知網(wǎng)版）》《中國專利全文數(shù)據(jù)庫（知網(wǎng)版）》作為技術應用層面依據(jù)［3］。

對所涉及的專利、成果、論文、報告分別檢索。其中，專利、成果數(shù)作為技術應用指標，論文、報告數(shù)作為理論研究指標［4］。對檢索結(jié)果使用“對全部檢索集進行分析”功能，總結(jié)各年度各修復技術方向的發(fā)文量。單擊各細分領域即可獲得各細分領域在近幾年的發(fā)文量趨勢（含數(shù)據(jù)）。

對論文發(fā)表數(shù)與專利申請數(shù)進行對比，描述研究現(xiàn)狀、各處理技術、各處理技術的技術創(chuàng)新與理論研究情況，以便科研工作者準確掌握該領域的研究現(xiàn)狀及前沿動態(tài)，了解該領域的整體情況，把握未來的研究方向［4］。

3 結(jié)果與分析

3.1 近10 年發(fā)文情況

2008—2018 年土壤重金屬污染修復領域發(fā)文情況見圖1。1999—2018 年發(fā)文總量為3 989 篇，其中，理論研究層面2 391 篇，技術應用層面1 598 篇。1999—2008 年10 年間發(fā)文量相對較少，環(huán)比增長率波動極大，缺乏參考價值，故未詳細列出。

圖1 2008—2018 年土壤重金屬污染修復領域發(fā)文情況

由圖1 可見，近10 年（2008—2018 年）以來土壤重金屬污染修復領域研究取得豐碩成果，發(fā)文量龐大，數(shù)據(jù)具有較好的參考意義。在理論研究層面，2008—2017 年整體呈增長趨勢，但2018 年相較于2017 年發(fā)文量有較大的下降，環(huán)比下降20%；其中，2009 年、2013 年、2016 年增長形勢較好，環(huán)比增長率都超過了20%。在技術應用層面，技術成果逐年增加，但環(huán)比增長率波動較大，說明增長速度有較強的周期性，如從圖1 可以明顯發(fā)現(xiàn)，技術成果環(huán)比增長率變化有較強的周期性，這可能與專利審核和技術成果認證的時間較長有一定關系，但整體上是不斷增長的，2012 年較上一年幾乎翻倍。從整體上看，2008—2017 年該領域的發(fā)文總量不斷增加，2018 年稍有下降，但技術成果占比持續(xù)上升，從2008 年的不足10%增長到2018 年的40%以上。土壤重金屬污染修復領域理論研究向技術應用的轉(zhuǎn)型溢出特征明顯，土壤重金屬污染修復領域產(chǎn)、學合一得到一定的體現(xiàn)［5］。

3.2 發(fā)文與研究階段

3.2.1 理論研究發(fā)文與研究階段

1999—2018 年土壤重金屬污染修復理論研究發(fā)文情況見圖2。

圖2 1999—2018 年土壤重金屬污染修復理論研究發(fā)文情況

土壤重金屬修復領域理論研究自1999 年以來可以分為以下幾個階段：

1999—2005 年為研究初始階段，該階段主要特征有：以植物修復為主要研究方向；對國外研究借鑒較多；研究主要集中在土壤重金屬污染對修復物種的毒害作用上［6］。在這一時間段國內(nèi)環(huán)境研究相對薄弱，引入他山之石是快速起步的有效途徑；該階段已經(jīng)出現(xiàn)關于生物有效性的較高水平論文，但并不是該階段的研究主流，研究主流是較為初始的修復方法，如植物修復、微生物修復、螯合劑修復，這其中又以植物修復相關研究占優(yōu)。這一階段我國重化工與重工業(yè)蓬勃發(fā)展，為土壤污染等環(huán)境問題埋下重大隱患。

2005—2010 年為研究深入階段，該階段的主要特征有：出現(xiàn)大量新的技術，在治理手段上百花齊放；對土壤重金屬污染機理研究深入，出現(xiàn)更多的生物有效性、去除率等方向的研究［7］；出現(xiàn)基于污染機理研究進步的新修復思路［8］。這段時間，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，環(huán)境問題開始顯現(xiàn)，但由于土壤污染有較強的滯后性［6］，且與重金屬污染關聯(lián)的相關重工業(yè)領域在這一時期給我國帶來巨大經(jīng)濟效益，因此在此期間該領域研究主要集中于污染物的機理研究，實踐較少，隨著機理研究的深入，不斷提出新的方法，但新方法只處于理論研究階段。

2010—2015 年為機理研究階段，該階段的主要特征有：出現(xiàn)大量以生物有效性與去除率為重點的研究；隨著對機理的深入研究，對單一修復方法的局限性有一定認識，開始出現(xiàn)聯(lián)合修復技術的研究［9］。

2015 年至今為升華調(diào)整階段，該階段的主要特征有：在國家實施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及去產(chǎn)能化的大背景下，淘汰過剩產(chǎn)能的同時，出現(xiàn)大量污染場地可以進行修復；出現(xiàn)許多新技術但步伐放緩，較有代表性的是生物炭修復，生物炭是新材料，利用生物炭修復重金屬污染土壤既可以改進土壤肥分［9］，又可以改變土壤部分理化性質(zhì)，使土壤重金屬污染物的賦存形態(tài)發(fā)生有利變化［10］；出現(xiàn)阻隔等封存技術；出現(xiàn)綜述與計量分析等方式的研究［11］。近10 年，尤其是近幾年，隨著“土十條”的頒布，土壤污染修復成為當下熱門行業(yè)，各種修復公司如雨后春筍般涌現(xiàn)，前一階段的各種技術得以在此階段進行實踐，但許多方法效果并不如人意，尤其是針對重金屬污染土壤。因此業(yè)內(nèi)與學術界出現(xiàn)迷茫，而在這期間進行綜述、計量分析、開展學術探討顯得尤為重要。

3.2.2 技術應用發(fā)文與研究階段

1999—2018 年土壤重金屬污染修復技術應用發(fā)文情況見圖3。

圖3 1999—2018 年土壤重金屬污染修復技術應用發(fā)文情況

土壤重金屬污染修復領域技術應用自1999 年以來可以分為以下幾個階段：

1999—2005 年為技術遲滯階段，該階段主要特征有：未出現(xiàn)相關領域的技術應用層面發(fā)文，對應理論研究的初始階段，我國尚未形成對于該研究領域可應用的理論，技術應用更是無從談起。

2005—2010 年為簡單應用階段，該階段主要特征有：土壤重金屬修復技術應用主要以植物修復與微生物修復為主［12］；另一方面，隨著相關技術研究的發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)出電動力修復、淋洗修復等技術手段的應用。

2010—2015 年為技術應用快速轉(zhuǎn)化階段，該階段的主要特征有：技術應用類發(fā)文在該領域總發(fā)文量占據(jù)一定比例，并保持穩(wěn)定；修復技術逐漸多元化；與理論研究相同的是聯(lián)合修復技術應用在這一階段成為趨勢。

2015 年至今為技術應用爆發(fā)階段，該階段主要特征有：在國家實施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及去產(chǎn)能化的大背景下，淘汰過剩產(chǎn)能的同時，出現(xiàn)大量污染場地可以進行修復，在此期間技術應用發(fā)文量占總發(fā)文量的比值增速快；依托新材料的出現(xiàn)產(chǎn)生多種新興修復手段，并直接進行技術應用，如興起的生物炭修復，在理論研究開始后不久就進入技術應用，相關的技術應用發(fā)文在2015 年后激增；諸多傳統(tǒng)修復技術以外的重金屬污染土壤處理處置新技術涌現(xiàn)。

3.3 各研究方向最新動態(tài)

傳統(tǒng)的土壤重金屬污染修復研究主要分為兩類，一類重點在污染物遷移轉(zhuǎn)化機理及毒害效應，另一類側(cè)重污染物的去除效果。但近年，隨著土壤重金屬修復領域的不斷發(fā)展，有大量學者將這兩個方向結(jié)合起來，如北京市環(huán)境保護科學研究院姜林研究員、南京大學谷成教授、中國科學院南京土壤研究所宋靜研究員等提出基于重金屬污染物的生物毒性作用、生物有效性，對土壤重金屬污染物的篩選值、修復目標、風險評估模型等進行一定的修正，為修復行業(yè)的重點難題提出解決方案；在污染遷移轉(zhuǎn)化機理方面，北京大學朱東強教授、天津大學陳玖斌教授、廣東工業(yè)大學肖榮波教授等分別對土壤重金屬污染的運移反應機理、同位素示蹤技術及數(shù)值分析技術在源解析的應用方面有較多研究。

技術應用方面，傳統(tǒng)的研究熱點發(fā)文占比逐漸下降，新出現(xiàn)的熱點較多集中于綠色可持續(xù)修復、修復列車多技術組合、水土共治、成本控制等更貼近產(chǎn)業(yè)實踐的方向。如生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院張紅振研究員提出從管理-工程-技術等方面協(xié)同突破；北京市勘察設計研究院康敏娟提出在修復過程中借鑒固廢標準體系，對被修復土壤進行分級后采取不同的手段分別進行修復；中國環(huán)境科學研究院王興潤研究員對涉鉻污染場地修復進行分析后，提出鉻污染土壤修復應同時關注場地地下水污染的觀點。

3.4 發(fā)文基本情況

3.4.1 發(fā)文機構(gòu)概況

基于中國知網(wǎng)的檢索，該研究領域發(fā)文機構(gòu)較多，其中發(fā)文較為集中的前10 位機構(gòu)見表1。

表1 發(fā)文機構(gòu)統(tǒng)計

由表1 可見，中國科學院南京土壤研究所的發(fā)文量占比最高，以74 篇的總發(fā)文量占總發(fā)文量的10.44%，其后為湖南農(nóng)業(yè)大學與中國科學院大學，發(fā)文量最高的前3 所機構(gòu)都是科研院所。第4 位為陜西省土地工程建設集團，是發(fā)文量最高的企業(yè)，該企業(yè)為陜西省國資委下屬國企。綜合上述可發(fā)現(xiàn)，科研院所在該領域研究中占據(jù)主導地位，企業(yè)進行相關研究也逐漸成為趨勢，尤其國企作為我國國民經(jīng)濟的重要力量正在引領土壤重金屬污染修復產(chǎn)業(yè)技術研究的發(fā)展。

3.4.2 發(fā)文作者分析

核心作者是科學研究的主導力量，他們的研究一般具有先驅(qū)性和綜述性，拜讀他們的文章是科研愛好者與初學者較快了解掌握特定領域研究現(xiàn)狀的重要途徑。

從文獻計量的角度，核心作者的判定依靠普萊斯模型：

式中，Nmax為單作者最大發(fā)文量（30 篇）；Nmin為核心作者最小發(fā)文量（11 篇）。

估計出核心作者有駱永明（30 篇）、吳龍華（29篇）、周靜（21 篇）、滕應（12 篇）等。

土壤重金屬污染修復領域發(fā)文作者及機構(gòu)概況見圖4。

圖4 土壤重金屬污染修復領域發(fā)文作者及機構(gòu)概況

3.5 發(fā)文領域分析

3.5.1 理論研究發(fā)文領域分析

1999—2018 年土壤重金屬污染修復理論研究層面發(fā)文總量為2 391 篇。各方向累計發(fā)文占比見圖5。

圖5 1999—2018 年土壤重金屬污染修復理論研究各方向累計發(fā)文占比

由圖5 可發(fā)現(xiàn)，1999—2018 年間土壤重金屬污染修復理論研究中，占比重較大的研究方向是植物修復方向研究，其次是微生物修復方向研究，這兩種修復的研究占論文發(fā)表總量的50%以上。生物修復方向研究在理論研究層面占據(jù)主導地位。

螯合劑方向的研究約占論文發(fā)表量的10%，出現(xiàn)較晚的生物炭修復與出現(xiàn)較早的淋洗修復、固化穩(wěn)定化技術、阻隔技術占比依次遞減但相差不大，都為6%左右。

聯(lián)合修復發(fā)文占比相對較少，約為4%，電動力修復發(fā)文占比最少，不足1%。土壤是導電體，電動力修復必然伴隨巨大的能耗，在應用可行性方面有突出的問題。但電動力修復的修復機理研究目前相對成熟，因此這項技術也在不斷的改進當中，在解決電能耗散的問題后，電動力修復仍具有較好的發(fā)展前景。

在所有發(fā)表的論文中，約有3.54%進行生物有效性的研究，機理研究方向的研究相對較少，這與研究難度有一定關聯(lián)。

對去除率的研究相對更少，20 年間共發(fā)文不足10 篇，這與土壤重金屬污染的特點有關。重金屬存在于土壤中并不是單一的一種形態(tài)，而是有多種賦存形態(tài)，有些形態(tài)具有較強的遷移性與生物毒性易遷移態(tài)，有些卻是難遷移、生物難應用的穩(wěn)定態(tài)［13］。對于重金屬污染土壤修復并不能以單純的去除率來區(qū)分修復水平，重金屬污染物完全去除其成本難以估量，應更多關注于重金屬污染的賦存形態(tài)，減少或消除可遷移態(tài)與生物毒性較大的價態(tài)，使重金屬污染物以難遷移態(tài)固定于被修復土壤中即可［14］。

3.5.2 技術應用發(fā)文領域分析

1999—2018 年土壤重金屬污染修復技術應用層面發(fā)文總量為1 598 篇。各方向累計發(fā)文占比見圖6。

圖6 1999—2018 年土壤重金屬污染修復技術應用各方向累計發(fā)文占比

由圖6 可發(fā)現(xiàn)，1999—2018 年間土壤重金屬污染修復技術應用中，微生物修復方向技術應用占比最高，為52.55%，占發(fā)文總量的半數(shù)以上，微生物修復是土壤重金屬污染修復技術應用的主流。

淋洗修復技術在技術應用層面累計發(fā)文量占比在10%以上，僅次于微生物修復，高于植物修復的9.38%。雖然植物修復具有較多的優(yōu)勢，但作為一種發(fā)展時間較早、技術難度較低的修復方式，植物修復在技術上可創(chuàng)新點相對較少。而淋洗修復人工干預較多，有專業(yè)設備，有較多的環(huán)保設備公司將此技術作為研究的重點，因此技術應用發(fā)文占比較高。同理可以解釋電動力修復技術應用層面累計發(fā)文量占比相對該方向在理論研究層面發(fā)文占比較高的現(xiàn)象。

由圖6 可見，固化穩(wěn)定化方向在技術應用各方向累計發(fā)文量占比最少，為2.79%，這與其工藝簡單且發(fā)展較晚有關，固化穩(wěn)定化技術會導致受污染物總量的增加，固化穩(wěn)定化后的廢物處置問題限制了該技術的發(fā)展。

值得關注的是，阻隔技術目前在技術應用層面尚無成果，有待進一步應用完善。

4 研究領域分類

土壤重金屬污染修復領域各方向聚類分析見圖7。

圖7 土壤重金屬污染修復領域各方向聚類分析

由圖7 可發(fā)現(xiàn)，將土壤重金屬污染修復領域各個方向分為四大類較合適，這四大類依次是：植物修復研究（Ⅰ類）；生物修復技術（Ⅱ類）；生物修復研究、植物修復技術、微生物修復研究等（Ⅲ類）；聯(lián)合修復研究、電動力修復技術、螯合劑修復技術等（Ⅳ類）。結(jié)合業(yè)界當前情況，可以認為Ⅰ類屬于發(fā)展較好、較成熟的研究發(fā)展方向；Ⅱ類屬于研究基礎較好，還有一定發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较颍虎箢愌芯繀^(qū)塊技術成熟，但長期的觀察研究仍在持續(xù)；Ⅳ類表示較新的研究方向和新技術。

5 結(jié)論

我國的土壤重金屬污染修復領域研究始于1999 年，于2011 年后快速發(fā)展。技術應用層面發(fā)文占比近10 年來逐年穩(wěn)步提高，目前基本達到50%的水平。說明土壤重金屬污染修復領域的理論研究不斷溢出于技術應用，“產(chǎn)、學、研”協(xié)同發(fā)展的趨勢逐漸明朗。

雖然土壤重金屬污染修復的研究主流是植物修復與微生物修復，但其他的修復方法、技術也在不斷發(fā)展與完善；阻隔技術目前僅出現(xiàn)在理論研究層面，在技術應用層面尚未出現(xiàn)相關報道，可以進一步研究探討。

土壤重金屬污染修復機理研究相對薄弱，但研究的方法體系完整，有待與具體的修復手段結(jié)合起來進行研究分析。