基于文獻計量的土壤污染研究趨勢分析

周 顯，韓 毅，陳 霞，彭子凌

(1.長江科學院 材料與結構研究所，武漢 430010；2.安慶師范大學 資源環(huán)境學院，安徽 安慶 246133)

1 研究背景

污染一般指因人類活動，導致自然環(huán)境中混入了對人體有害的物質(zhì)。這些物質(zhì)并非特指人造物質(zhì)，一些“自然產(chǎn)生”的物質(zhì)，因人類活動(如采礦[1]等)而過度地暴露在生態(tài)圈中，導致其數(shù)量超出環(huán)境承載力，也會造成環(huán)境危害[2]。廣義的污染還包括能量消耗、熱、光、噪聲等污染，泛指一切改變了土壤物理、化學、生物等完整性的行為[3-4]。目前，因農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市化進程導致的土壤(和地下水)污染主要有營養(yǎng)物質(zhì)[5]、重金屬[6-7]、有機污染物[8]和放射性物質(zhì)[9-14]。土壤污染已經(jīng)成為全球面臨的問題，引起研究人員、各國政府的普遍關注和重視。各國紛紛投入大量人力和財力開展土壤修復技術研究。Singh等[15]總結了世界各國修復市場狀況和發(fā)展?jié)摿Γ瑲W洲、美國、拉美地區(qū)和中國是目前市場值最大的區(qū)域，中國和美國是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ牡貐^(qū)，歐洲的土壤修復市場估計占到GDP總量的0.5%～1.5%之間。

科學論文是科學研究成果最主要的載體，可以表征團體或區(qū)域的科學規(guī)模和生產(chǎn)力。目前，文獻計量學已經(jīng)在許多學科中得到廣泛應用，是情報學研究最活躍也是發(fā)展最迅速的專業(yè)領域之一[16-17]。采用文獻計量分析的方法可通過數(shù)學和統(tǒng)計的方法來描述、評價和預測土壤污染研究領域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本文以美國科學信息研究所Web of Science(WOS)核心合集數(shù)據(jù)庫中2000—2019年近20 a的文獻統(tǒng)計分析。該平臺是國際通用科學引文的檢索平臺，收錄了1900年以來自然科學、工程技術、生物醫(yī)學、社會科學等領域的最重要和最有影響力的文獻研究成果。利用土壤污染領域相關的主題詞(TS)進行檢索，各主題詞之間以OR鏈接，檢索格式如下：

TS =((contaminated sites or contaminated soil or contaminated land)and (Guidance Document or reference manual or ordinance or Guidelines or guide)and (protection or management or Environmental protection act)OR TS=(Soil Vapor Extraction and Soil)OR TS=(Thermal Desorption and Soil)OR TS =(Incineration and soil)OR TS =(In Situ Chemical Oxidation and soil)OR TS =(Electrokinetic Remediation and (heavy metal or organic))OR TS =(Bioremediation and soil and pollution)OR TS =((soil flushing or soil washing or soil leaching)and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((solidification or stabilization)and soil and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((phytoremediation and soil)and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((oxidation or deoxidization or reduction or redox)and heavy metal and soil)。

文獻數(shù)據(jù)下載后利用Microsoft Excel 2010、Origin、Ucinet、VOSviewer等工具對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析[18]。

3 數(shù)據(jù)分析和討論

3.1 論文產(chǎn)出分析

根據(jù)檢索結果，全球共有184國家/地區(qū)在土壤污染領域發(fā)表72 415篇論文，圖1顯示了發(fā)文數(shù)量居于前23的國家和地區(qū)。從圖1可以看出，美國和中國在該領域的發(fā)文數(shù)量領先于全球其他國家和地區(qū)，分別占發(fā)文總數(shù)的19.70%和18.93%。印度由于經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，污染和破壞較為嚴重，在土壤污染領域的研究也緊隨其后。歐盟27個成員國發(fā)文合計34 134篇，占總數(shù)的47.14%，表明歐洲進入后工業(yè)化時代后，在歷史遺留問題和生態(tài)環(huán)保理念雙重作用下，開展土壤污染的研究遠高于其他大洲。

圖1 2000—2019年WOS中土壤污染文獻發(fā)文量居前23名的國家和地區(qū)Fig.1 Top 23 countries and regions in the number of soil pollution papers in WOS from 2000 to 2019

3.2 論文成長趨勢分析

近20 a來，除個別年份，論文發(fā)表數(shù)量一直處于上升階段，尤其是2010年之后，該領域的發(fā)文量增長速度明顯加快，以每10 a增長約1倍的速度發(fā)展(圖2)。

圖2 2000—2019年WOS中土壤污染文獻發(fā)文量時序變化Fig.2 Changes in the number of published papers of soil pollution from 2000 to 2019

按照文獻類型來劃分，研究論文52 192篇(72.07%)，會議論文8 766篇(12.11%)，綜述論文3 831篇(5.29%)，出版書籍414部(0.57%)，該領域主要還是以研究型論文為主，技術有創(chuàng)新持續(xù)發(fā)展的趨勢。表1是對2000—2019年土壤污染研究領域文章影響力的分析。從表1可以看出，文章參與的研究人員數(shù)量明顯增加，每篇文章的平均作者數(shù)由2000年的3.7人/篇增加到2017年最高的5.9人/篇，表明該研究領域技術對人員合作的需求增加。文章的年均引用量也呈現(xiàn)增長趨勢，表明該領域的影響力逐年增加。2018年和2019年刊登的文章由于被引年份過少或不足，所以會出現(xiàn)被引量減少的情況。

表1 近20 a來文章影響力分析Table 1 Influence indicators of paper in the past two decades

3.3 研究機構分析

整個統(tǒng)計范圍內(nèi)共有34 112個機構參與土壤污染領域的研究，表2展示了前10位的科研機構。從表2可以看出，歐美等發(fā)達國家的國家科學院和高校系統(tǒng)是土壤污染研究領域的主力軍。與其他國家不同，美國的政府組成部門，如能源部、內(nèi)政部、農(nóng)業(yè)部、環(huán)保總署等單位下屬多家科研機構在該領域開展研究工作，如美國能源部薩凡納河國家實驗室和美國能源部薩凡納河生態(tài)實驗室。此外，美國聯(lián)邦各部門積極提供資金資助環(huán)境修復市場。根據(jù)《環(huán)境商業(yè)期刊》(EBJ)調(diào)查，美國能源部2018年資助的土壤修復資金達到20億美元，占整個修復市場的25%。

表2 2000—2019年土壤污染研究領域發(fā)文量排前10位的機構Table 2 Top ten affiliations of authors in the field of soil pollution research from 2000 to 2019

我國以中國科學院系統(tǒng)發(fā)文量最多，浙江大學以1 598篇位居第5。在世界前100的機構中，我國占據(jù)了24位，機構組成以中國科學院系統(tǒng)和高校為主。我國前10的機構分別是中國科學院、中國科學院大學、浙江大學、清華大學、南京農(nóng)業(yè)大學、中國地質(zhì)大學、同濟大學、中山大學、中國科學院土壤研究所和南京大學。

國際知名水利機構也紛紛進入土壤污染的研究領域(表3)，如英國自然環(huán)境研究理事會生態(tài)與水文研究中心(281篇)、澳大利亞英聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織土水實驗室(162篇)、美國能源部薩凡納河國家實驗室(132篇)、荷蘭三角洲研究院(117篇)、挪威水研究所(102篇)、美國能源部薩凡納河生態(tài)實驗室(76篇)、國際水管理研究院(24篇)等,說明水污染和土壤污染的綜合治理也是研究的發(fā)展趨勢。

表3 2000—2019年參與土壤污染研究領域的涉水機構Table 3 Water research institutions involved in soil pollution research from 2000 to 2019

3.4 研究領域分析

土壤污染成因的研究對象理化性質(zhì)多變[19](圖3)，空間復雜、自然災害響應時間范圍大。多尺度的耦合或者一個尺度上的信息如何在另一個尺度上實現(xiàn)，通常被稱為尺度的上推或下推(upscaling or downscaling)，是環(huán)境科學面臨的一個持續(xù)的挑戰(zhàn)，也是制約當前新型土壤修復技術從理論和微型試驗走向綜合示范和大規(guī)模應用的主要因素。

圖3 土壤中不同物質(zhì)的粒徑分布范圍Fig.3 Particle size distribution of different substances in soil

因此，土壤污染研究所采用的方法必須跨學科交叉，如地球化學、水文學、土壤科學、地貌學、氣象學、生態(tài)毒理學、空間統(tǒng)計學以及地理信息科學等。水文學家建立流體和溶質(zhì)運移模型；土壤科學家和地球化學家評估土壤、地下水和地表水中污染物的歸趨特征[20]；生態(tài)毒理學研究污染物的生物吸收與轉(zhuǎn)化規(guī)律、生物富集及不同水平的生態(tài)毒理學效應；空間統(tǒng)計學能通過相關性檢驗污染物的空間變異性；地理信息系統(tǒng)能存儲檢索并顯示環(huán)境污染的空間數(shù)據(jù)[21]。

圖4是統(tǒng)計范圍內(nèi)不同學科的分布情況，可以看出生態(tài)環(huán)境學、公共衛(wèi)生學、農(nóng)學、毒理學和水資源學是土壤污染研究領域的前五大熱點學科。Water Research、Journal of Soils and Sediments、Water Resources Research等是水資源和土壤科學領域的頂級期刊(表4)，表明土壤污染研究受到水資源領域?qū)＜业年P注。

表4 2000—2019年發(fā)文量>100篇的涉水領域研究期刊Table 4 Journals in the field of water research with more than one hundred articles published from 2000 to 2019

圖4 2000—2019年WOS中土壤污染研究學科分布Fig.4 Distribution of soil pollution research disciplines in WOS from 2000 to 2019

3.5 研究人員分析

統(tǒng)計范圍內(nèi)共有10萬名研究人員在土壤污染研究領域發(fā)表過論文。文章被引量居前20的研究人員見表5(表中數(shù)值表示文章數(shù)量)。從表5可以看出，盡管美國在其他方面領先，但在論文影響力方面，中國和澳大利亞位居前列。華人研究者高被引的論文在世界范圍內(nèi)最多，前20名中有11名。

表5 文章被引用量位居前20的研究人員Table 5 Top 20 most-cited researchers

其中有3位來自于湖南大學，且3位研究人員年齡有梯度分布，表明我國土壤污染研究領域團隊已經(jīng)形成。從平均發(fā)文年度可以看出，多位研究者的熱點文章都是近5 a發(fā)表的，表明該領域的研究正持續(xù)受到關注。

3.6 研究關鍵詞分析

關鍵詞能夠準確地表達文章的主旨，把握某一研究領域的熱點以及未來的研究道路方向的重要手段之一是統(tǒng)計分析關鍵詞[22-23]。通過使用可視化分析軟件 VOSviewer，針對 2000—2019年有關土壤污染研究領域的相關文獻標題的關鍵詞分析[24]，進行其知識圖譜的構建(圖5)。

圖5 2000—2019年土壤污染關鍵詞熱點研究分布Fig.5 Distribution of research hotspots in the field of soil pollution from 2000 to 2019

分析發(fā)現(xiàn)，土壤污染研究主要圍繞重金屬，針對重金屬的去除，研究熱點關鍵詞大致可以分為3類：第一類是以生物修復為代表的研究領域，從植物選擇、根系、葉的吸收等方面開展；第二類是針對生物修復伴生的相關問題展開研究，表現(xiàn)在管理策略、氮元素循環(huán)、作物利用等方面，此類研究與第一類之間關系緊密，研究熱點相互關聯(lián)；最后一類可以歸結為無機非金屬材料為主的重金屬固化穩(wěn)定化技術研究，包括礦物晶格對重金屬的穩(wěn)定作用，產(chǎn)物的強度等。生物炭、石灰、沸石及海泡石等都是常見的修復材料[25]。在此過程中，化學藥劑可能會作為輔助材料強化修復效果。總體來看，未來土壤修復熱點將集中在生物和無機礦物修復方面，注重修復效率、土壤質(zhì)量、作物可利用性等。

3.7 土壤污染研究趨勢分析

根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》調(diào)查結果，我國部分地區(qū)土壤污染較重，耕地及工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題嚴重。造成土壤污染或超標的主要原因是部分地區(qū)土壤環(huán)境背景值高，工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等人為活動等。土壤污染可分為重金屬和有機物兩大類，重金屬污染修復技術逐漸成為熱點。一方面是由于重金屬污染場地已經(jīng)成為我國主要的場地污染物；另一方面由于有機污染自然降解導致輕度污染場地治理必要性降低。持久性有機污染物的問題依舊突出。

目前，土壤修復技術可分為物理修復、化學修復和生物修復技術，主要技術特點見表6。

表6 主要土壤修復技術特點Table 6 Characteristics of major soil remediation techniques

從科學原理上來說，物理技術占有比重減少，化學生物技術及協(xié)同技術比重增加；生物修復是研究領域的前沿，在超富集植物的篩選上，我國在一定程度上引領國際前沿研究方向，已經(jīng)篩選45個被子植物科(Angiospermiaceae)的超過450種重金屬超富集植物[28]。此外，針對適宜生長的非超富集植物，已經(jīng)逐漸開發(fā)出絡合誘導強化修復、不同植物套作聯(lián)合修復、修復后植物處理處置的成套集成技術，使得植物修復在農(nóng)田、礦山等污染場地中的修復應用得到大大增強，采用生物炭絡合強化植物修復技術逐漸成為植物修復發(fā)展的新方向之一。

化學淋洗和固化穩(wěn)定化是實際工程應用中最為廣泛的技術。近13 a來，固化穩(wěn)定化技術相關的中文論文發(fā)文量遠高于英文。有兩位中國學者論文位列TOP10高被引，6個中國科研機構進入TOP10發(fā)文研究機構[25]。在修復材料開發(fā)方面，修復材料和修復設備的開發(fā)成為技術實際應用的主要制約因素，為應對多種污染物，復合材料成為研究熱點。

從需求上看，農(nóng)田修復、工業(yè)場地修復和礦區(qū)修復技術需求同時增加，但側(cè)重點各有不同：農(nóng)田修復由于資金制約因素較大，首要需求是安全低成本的原位修復技術，國內(nèi)外農(nóng)田污染土壤修復技術仍處于實驗室研究階段，輔以小規(guī)模田間實驗，尚未進入產(chǎn)業(yè)化階段[29]，普遍存在成熟度低、技術實用性差、成本較高等問題。工業(yè)場地修復主要需求是快速可再利用的物理/化學修復技術。礦區(qū)修復的主要需求是控制水土流失和潛在污染物擴散的生態(tài)修復技術。

從技術應用上看，修復裝備和修復材料的發(fā)展是制約我國技術發(fā)展的核心。我國土壤修復的國際專利數(shù)量相對較少，較多專利是針對國外已成熟產(chǎn)業(yè)化技術的二次開發(fā)或適用性開發(fā)。在有機物污染土壤修復方面，熱脫附及相關熱處理技術的專利較多[30]；在重金屬污染土壤方面，固化穩(wěn)定化技術專利數(shù)量最多，達到929項，主要集中在藥劑的開發(fā)上(821項)，有關修復機理(1項)和設備工藝(82項)的專利則相對較少[25]。這表明我國相關技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還有待加強。具有針對性的污染物阻隔、捕集、降解、吸附、淋洗材料的開發(fā)，高效富集植物、降解菌株的篩選等成為修復材料的主要發(fā)展方向，大型修復設備的研發(fā)也成為解決場地修復問題的關鍵因素。

4 結 論

(1)根據(jù)土壤污染研究領域文獻計量分析結果，歐美發(fā)達國家和中國科研機構為主力軍，在世界發(fā)文量前100的機構中，我國占據(jù)了24位，其中中國科學院位居第一。華人研究者高被引的論文在世界范圍內(nèi)最多，前20名中有11名，其中有3位來自于湖南大學。跨學科交叉研究成為土壤研究的發(fā)展方向。

(2)土壤污染可分為重金屬和有機物兩大類，重金屬污染場地已經(jīng)成為主要的場地污染物。生物修復是研究領域的前沿，而化學淋洗和固化穩(wěn)定化是實際工程應用中最為廣泛的技術。復合技術和原位修復技術是該領域的發(fā)展趨勢。修復材料和修復設備的開發(fā)成為技術實際應用的主要制約因素。