基于CiteSpace的國(guó)外植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展*

沈葆菊 黃 婧 李 昊

西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院 西安 710055

植物修復(fù)是利用植物及根際微生物進(jìn)行環(huán)境凈化的生態(tài)修復(fù)技術(shù)[1]，在被污染的環(huán)境中，植物能利用其提取、降解、揮發(fā)、固定和過(guò)濾等機(jī)制凈化土壤、水體和空氣中的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物[2－3]。植物修復(fù)技術(shù)相較化學(xué)或物理修復(fù)方法成本較低，適用于污染面積較大且污染程度不高的場(chǎng)地[4]。在過(guò)去的30年間，植物修復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外工業(yè)廢棄地修復(fù)實(shí)踐方面被廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)是一項(xiàng)有效、低成本、環(huán)境友好、可持續(xù)的工程技術(shù)。國(guó)外研究學(xué)者從實(shí)踐需求中不斷探索，逐漸將植物修復(fù)技術(shù)理論化，形成了具有多學(xué)科交叉、多內(nèi)容層次、多視角拓展的研究成果。本文基于科學(xué)知識(shí)圖譜分析軟件CiteSpace，對(duì)近20年國(guó)外植物修復(fù)研究的文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析，客觀呈現(xiàn)國(guó)外植物修復(fù)理論研究的相關(guān)脈絡(luò)，明確研究基礎(chǔ)與熱點(diǎn)方向，為國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域提供科學(xué)、有價(jià)值、有前瞻性的研究參考。

1 數(shù)據(jù)提取與研究方法

植物修復(fù)技術(shù)于20世紀(jì)80年代在美國(guó)正式命名；20世紀(jì)90年代，“大量關(guān)于植物修復(fù)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果公開發(fā)表，但其結(jié)果不甚理想，部分人鼓吹植物修復(fù)技術(shù)是清除污染物的‘靈丹妙藥’，卻在田間應(yīng)用時(shí)以失敗告終，植物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了‘繁榮之后蕭條的戲劇轉(zhuǎn)變’”[5]。其后，直到21世紀(jì)相關(guān)研究才進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，學(xué)界對(duì)植物修復(fù)的認(rèn)知更加理性，對(duì)修復(fù)機(jī)制理解更加透徹。

本文選取2000至今的文獻(xiàn)作為分析研究對(duì)象。研究數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science核心合集數(shù)據(jù) 庫(kù)， 以主題為 “phytoremediation” 或“phytotechnology”進(jìn)行檢索，時(shí)間跨度為2000—2019年，最終獲取11 324篇文獻(xiàn)。從圖1可看出，國(guó)外植物修復(fù)研究文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量從2000年至今增長(zhǎng)了約10倍，整體呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其近3年文獻(xiàn)增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明該領(lǐng)域的關(guān)注度有了大范圍的提升。從目前的文獻(xiàn)總量看，總體處于較為成熟的研究階段。

圖1 國(guó)外植物修復(fù)研究文獻(xiàn)數(shù)量的年度變化

文獻(xiàn)分析運(yùn)用CiteSpace 5.1版本軟件，一方面結(jié)合文獻(xiàn)學(xué)科分布與共被引期刊分布數(shù)據(jù)分析國(guó)外植物修復(fù)研究的學(xué)科交叉情況、研究基礎(chǔ)和研究動(dòng)態(tài)變化；另一方面結(jié)合高被引文獻(xiàn)及關(guān)鍵詞聚類圖譜分析，聚焦當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

2 國(guó)外植物修復(fù)研究的整體特征

2.1 學(xué)科交叉概況

使用CiteSpace對(duì)文獻(xiàn)的學(xué)科分布進(jìn)行學(xué)科方向的聚類分析(圖2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)環(huán)境科學(xué)(Environmental Sciences)、植物學(xué)(Plant Sciences)、環(huán)境工程(Engineering Environmental)是文獻(xiàn)量最多的3大學(xué)科，其次是生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)、土壤學(xué)等，說(shuō)明植物修復(fù)從本質(zhì)上是環(huán)境科學(xué)、植物學(xué)、環(huán)境工程的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。2)植物學(xué)的中心性為0.23，環(huán)境科學(xué)的中心性為0.22，中心性較高表明此學(xué)科在植物修復(fù)研究領(lǐng)域與其他學(xué)科的聯(lián)系密切，發(fā)揮多學(xué)科間的樞紐作用。3)工程學(xué)(Engineering)的中心性為0.2，但是當(dāng)前該學(xué)科研究主要停留在理論基礎(chǔ)深入挖掘與實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面，對(duì)工程應(yīng)用的研究則相對(duì)較少。

圖2 國(guó)外植物修復(fù)研究學(xué)科分布網(wǎng)絡(luò)圖譜

為了考察植物修復(fù)研究領(lǐng)域知識(shí)獲取的主要來(lái)源，利用CiteSpace對(duì)高被引期刊進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)(表1)，得到以下結(jié)果:1)主要涉及自然科學(xué)類期刊，以生態(tài)環(huán)境、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)工程等類型的期刊為主。2)Chemosphere與Environmental Pollution的被引頻次遠(yuǎn)大于其他刊物且影響因子較高，在一定程度上引領(lǐng)了國(guó)外植物修復(fù)研究的前沿。3)中心性排名前2的期刊為Plant And Soil和Current Opinion In Biotechnology，植物修復(fù)的大量研究都發(fā)表于這兩種期刊。

表1 國(guó)外植物修復(fù)研究高被引期刊一覽表

2.2 研究基礎(chǔ)

高頻被引文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容構(gòu)成知識(shí)基礎(chǔ)(表2)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容主要涉及3個(gè)方面:一是植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)。Hazrat Ali等[7]針對(duì)重金屬的植物修復(fù)提出相關(guān)概念和應(yīng)用，提出當(dāng)下需要篩選更多樣的超富集植物用于恢復(fù)重金屬污染的土地和水體，并通過(guò)植物提取開發(fā)新型高效的金屬超富集劑；分子工具被用來(lái)更好地理解植物對(duì)金屬的吸收、轉(zhuǎn)移、隔離和耐受機(jī)制。二是修復(fù)植物選擇。I.D.Pulford等[8]重點(diǎn)關(guān)注不同植物的修復(fù)差異，總結(jié)出喬木具有地上和地下的巨大生物量、樹根降低水土流失風(fēng)險(xiǎn)、落葉促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和土壤持水能力等優(yōu)勢(shì)，因此適用于植物修復(fù)。三是植物修復(fù)效率提升。Stéphane Compant[9]和Bernard R.Glick[10－11]等提出了細(xì)菌在促進(jìn)植物健康和生長(zhǎng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些細(xì)菌包括生物降解細(xì)菌、促進(jìn)植物生長(zhǎng)的細(xì)菌和通過(guò)其他方式促進(jìn)植物修復(fù)的細(xì)菌。

表2 國(guó)外植物修復(fù)研究的高頻文獻(xiàn)及作者統(tǒng)計(jì)表(前10篇)

2.3 研究動(dòng)態(tài)變化

高頻被引文獻(xiàn)按照時(shí)間線索可梳理出當(dāng)前植物修復(fù)技術(shù)研究的發(fā)展脈絡(luò)。植物修復(fù)技術(shù)并不是一項(xiàng)新興技術(shù)，植物修復(fù)研究首先緣于全球工業(yè)化產(chǎn)生的大量重金屬污染物，它是伴隨如何解決工業(yè)化帶來(lái)的環(huán)境威脅這一具體問(wèn)題而展開；其次是為了解決農(nóng)用化學(xué)品(肥料、殺蟲劑和除草劑等)使用過(guò)量導(dǎo)致的土壤污染[12]。

1983年，RL Chaney[13]首次提出利用超富集植物清除土壤重金屬污染以實(shí)現(xiàn)消除或降低污染程度，從而修復(fù)環(huán)境。2010年以前，植物修復(fù)技術(shù)在對(duì)污染物的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解的機(jī)理有了實(shí)質(zhì)性認(rèn)知，并建立了針對(duì)清除不同類型污染物的植物物種的在線數(shù)據(jù)庫(kù)[14]；同時(shí)，學(xué)界了解到這項(xiàng)技術(shù)也受限于場(chǎng)地環(huán)境條件、修復(fù)時(shí)長(zhǎng)和植物耐受性等因素[15]。2010年以后，植物修復(fù)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向如何提高修復(fù)效率以及培養(yǎng)篩選高耐受力植物等方向。近年來(lái)，隨著植物修復(fù)的理論研究不斷深入，植物修復(fù)與景觀設(shè)計(jì)的結(jié)合勢(shì)在必行，主要以哈佛大學(xué)Niall Kirkwood教授為代表，主要研究工業(yè)廢棄地再利用以及植物修復(fù)與景觀設(shè)計(jì)的結(jié)合。

3 國(guó)外植物修復(fù)研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)核心內(nèi)容的提煉，高頻關(guān)鍵詞可反映研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。對(duì)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行知識(shí)圖譜繪制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除phytoremediation以外，出現(xiàn)頻 率 較 高 的 關(guān) 鍵 詞 是 heavy metal，plant，accumulation，contaminated soil，phytoextraction等，且此類關(guān)鍵詞的中心性較高。從關(guān)鍵詞分布的時(shí)間維度上看，相關(guān)研究從早期關(guān)注特定環(huán)境中的污染物去除，到對(duì)超富集植物種類的深入挖掘，再到通過(guò)生物工程技術(shù)提高植物修復(fù)效率，直到近些年這項(xiàng)研究逐漸走出實(shí)驗(yàn)室關(guān)注真實(shí)的空間環(huán)境中植物生長(zhǎng)的周期性變化對(duì)修復(fù)的效果影響，以上構(gòu)成了當(dāng)前植物修復(fù)研究的熱點(diǎn)(圖3)。按照學(xué)科可將這些研究熱點(diǎn)整合為3個(gè)方向，即“基于生物工程的植物修復(fù)效率優(yōu)化”“基于植物學(xué)的修復(fù)植物類型拓展”和“基于環(huán)境工程的植物修復(fù)應(yīng)用”(表3)。

表3 國(guó)外植物修復(fù)研究高頻關(guān)鍵詞聚類信息表

圖3 國(guó)外植物修復(fù)研究熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

3.1 基于生物工程的植物修復(fù)效率優(yōu)化

一般情況下，植物修復(fù)技術(shù)由于其自身的局限性缺乏大規(guī)模的應(yīng)用。這些局限性包括修復(fù)周期過(guò)長(zhǎng)、地上生物量低而不利于污染物提??；此外，植物長(zhǎng)勢(shì)還受土壤、水、光照等基礎(chǔ)條件的影響[16]。這些限制促使研究人員嘗試通過(guò)調(diào)整植物本體基因及其生境來(lái)提高修復(fù)效率。

1)植物基因改良在植物修復(fù)中的應(yīng)用。植物對(duì)某種污染物的超富集特性與遺傳背景相關(guān)。來(lái)自微生物、植物和動(dòng)物的基因被成功地用于增強(qiáng)植物對(duì)污染物的耐受、去除和降解能力，通過(guò)基因工程可定向培育出具有高生物量的超積累或抗性強(qiáng)的植物[17]。提高植物修復(fù)效果的一個(gè)直接方法就是在植物中過(guò)度表達(dá)與特定污染物的代謝、吸收或運(yùn)輸有關(guān)的基因，Amna Ijaz[18]的研究結(jié)果表明:含有降解、積累和代謝基因的轉(zhuǎn)基因物種對(duì)土壤和水中的有機(jī)污染物或重金屬污染有強(qiáng)化修復(fù)的作用。

2)根際微生物強(qiáng)化在植物修復(fù)中的應(yīng)用。土壤微生物幾乎參與土壤環(huán)境的一切生理生化活動(dòng)，利用土壤—微生物—植物的共存關(guān)系，充分發(fā)揮植物與微生物的各自優(yōu)勢(shì)可提高土壤污染物的修復(fù)效率[19－20]。在微生物—植物共生系統(tǒng)中，植物根系分泌物為微生物提供充足的營(yíng)養(yǎng)，而此類微生物分泌的激素可促進(jìn)植物生長(zhǎng)或增強(qiáng)植物抗逆性[21]。目前，根際微生物通?？梢苑譃楦鼍?、叢枝菌根真菌、溶磷微生物和內(nèi)生細(xì)菌等。有關(guān)污染土壤的植物—微生物聯(lián)合修復(fù)形式主要有植物與專性菌株的聯(lián)合修復(fù)(如將土壤芽孢桿菌與油菜結(jié)合修復(fù)鉛污染土壤)、植物與菌根的聯(lián)合修復(fù)(如外生菌根真菌對(duì)Cu、Cd有很強(qiáng)的吸收積累能力)。

3.2 基于植物學(xué)的修復(fù)植物類型拓展

植物作為環(huán)境修復(fù)的主體，篩選適宜植物種類是污染環(huán)境修復(fù)成功的關(guān)鍵。修復(fù)植物的篩選主要基于植物的生長(zhǎng)速率與根系長(zhǎng)度、污染物和土壤性質(zhì)、區(qū)域氣候條件、當(dāng)?shù)刂参锲贩N等自身因素，并且需要同時(shí)考慮各類植物景觀搭配的協(xié)調(diào)性。在污染對(duì)象中，最嚴(yán)重的一類就是重金屬，重金屬因其不可降解性，在環(huán)境中日益積累深重污染整個(gè)食物鏈，危害巨大。基于植物學(xué)的研究往往聚焦在篩選與培育超富集植物上，即挑選出對(duì)重金屬的耐受力和富集力強(qiáng)、生物量大和生長(zhǎng)周期短的植物品種。Nicoletta[22]指出“超富集植物是指對(duì)重金屬的吸收累積量超過(guò)一般植物100~1000倍以上的植物，且重金屬不再停留在根部，而是轉(zhuǎn)移并積累到地上器官，特別是葉片中”。目前確認(rèn)的超富集植物有700多種(廣泛分布于植物界的45個(gè)科中)，分為3大類:第一類為生長(zhǎng)周期短、生物量大的蕨類草本植物，這類植物生長(zhǎng)速度快、生物量大，大多數(shù)對(duì)As具有良好的富集作用，代表性的植物為蜈蚣草(Pteris vittata)、粉葉蕨(Pityrogramma calomelanos)等。第二類為具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用或食用的草本植物或農(nóng)作物，如印度芥菜對(duì)Cd，Zn，Pb，Cu均有較高的耐受性和吸收能力，遏藍(lán)菜是Zn和Cd的超富集植物且目前被研究最多的植物。第三類為木本植物，這類植物生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，但形成一定規(guī)模后，對(duì)修復(fù)重金屬污染土壤和生態(tài)恢復(fù)的效果與可持續(xù)性良好。

3.3 基于環(huán)境工程的植物修復(fù)應(yīng)用

1)針對(duì)土壤污染的植物修復(fù)技術(shù)。修復(fù)往往是在土壤條件較差的場(chǎng)地進(jìn)行，土壤的肥力水平較低。因此，根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的生理需要，需要對(duì)植被修復(fù)過(guò)程的土壤條件進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，如調(diào)整土壤pH，施用或添加螯合劑、生物菌肥等，建立合適的水肥條件，促進(jìn)修復(fù)植物生長(zhǎng)，增強(qiáng)植物的抗逆性[23]。針對(duì)土壤的植物修復(fù)還必須考慮植物的根深長(zhǎng)度，大多數(shù)草本植物的最大根系深度為0.6 m，直根系喬木則可達(dá)3 m。植物修復(fù)最為有效的深度范圍為0.9 m內(nèi)，最大不超過(guò)3 m。

2)針對(duì)水體污染的植物修復(fù)技術(shù)。水體污染對(duì)自然環(huán)境、人的生產(chǎn)生活有著嚴(yán)重的危害。目前，采用人工濕地的方式進(jìn)行水體修復(fù)為主要修復(fù)方式。在以植物為核心搭建的濕地系統(tǒng)中，通常采用生物量較大的水生植被，通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、降解、鈍化和離子交換等過(guò)程，通過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程相互作用、協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)凈化水體的目的。常用于人工濕地的水生植物有挺水植物和沉水植物兩大類:海芋(Alocasia macrorrhiza)、蘆葦(Phragmites australis)、香蒲(Typhaangustifolia)、 風(fēng) 車 草 (Clinopodium urticifolium)等挺水植物易于存活且更新能力強(qiáng)，對(duì)污水凈化效果明顯且具有景觀美化作用，目前被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物和富營(yíng)養(yǎng)化污染的河流生態(tài)修復(fù)區(qū)[24]；苦草 (Vallisneria natans)、金魚藻(Ceratophyllum demersum)、狐尾藻(Myriophyllum spicatumL)和黑藻(Hydrilla verticillata)為常見(jiàn)的沉水植物，能夠降低水體富營(yíng)養(yǎng)化因子和提高水體透明度[25]。目前經(jīng)常應(yīng)用的水質(zhì)凈化植物種類不到50種[26]，未來(lái)還需不斷篩選凈化能力強(qiáng)、具有一定抗逆性、適應(yīng)性強(qiáng)的植物。在實(shí)踐應(yīng)用中，被污染的水體將被開發(fā)為人工活動(dòng)的景觀區(qū)域，因此，植物修復(fù)方案除了要考慮水體凈化的效果之外，還需考慮整體植物群落的觀賞性。

4 展望

本文通過(guò)對(duì)近20年國(guó)外植物修復(fù)相關(guān)文獻(xiàn)分析可知，針對(duì)植物修復(fù)的研究是多學(xué)科交叉研究，運(yùn)用植物對(duì)環(huán)境的積極影響促進(jìn)良好的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提升符合當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)的相關(guān)議題。一直以來(lái)，植物修復(fù)技術(shù)由于其自身局限性，缺乏大規(guī)模應(yīng)用，但植物修復(fù)所提供的生態(tài)回報(bào)為其廣泛研究提供了驅(qū)動(dòng)力。以下3個(gè)方向可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用:

1)針對(duì)工業(yè)污染場(chǎng)景的工程應(yīng)用。植物對(duì)工業(yè)產(chǎn)生的各類無(wú)機(jī)污染物與有機(jī)污染物有明顯的修復(fù)效果，可應(yīng)用于城市工業(yè)區(qū)修復(fù)、礦區(qū)修復(fù)、垃圾填埋場(chǎng)修復(fù)、河流濕地修復(fù)等。隨著修復(fù)技術(shù)和對(duì)自然修復(fù)過(guò)程認(rèn)知的不斷提升，植物修復(fù)以其美觀和低成本的優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于城市既有工業(yè)區(qū)存量更新與環(huán)境提升項(xiàng)目中。

2)植物的生態(tài)修復(fù)作用與景觀效應(yīng)相結(jié)合。隨著植物開發(fā)與修復(fù)技術(shù)的不斷成熟，植物修復(fù)技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于棕地修復(fù)的最后一步，使其作為一種良好的種植景觀長(zhǎng)期為棕地提供可持續(xù)的生態(tài)修復(fù)與景觀效應(yīng)。

3)具有修復(fù)潛力植物物種的進(jìn)一步開發(fā)。土壤與水體通常受到多種污染源的復(fù)合污染，因此具有復(fù)合功能的植物篩選有待進(jìn)一步開發(fā)，同時(shí)兼?zhèn)鋬煞N以上修復(fù)能力的物種對(duì)修復(fù)環(huán)境起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，應(yīng)開展多種植物聯(lián)合修復(fù)，如喬、灌、草植物群落優(yōu)化搭配，修復(fù)植物和農(nóng)作物通過(guò)農(nóng)業(yè)種植措施合理配置，構(gòu)建高效的植被生態(tài)修復(fù)群落等。