基于CiteSpace 的疏浚底泥全球研究態(tài)勢可視化分析

聶明建，張涵博，石德智，童海航，羅 丹，楊洪偉

（1. 重慶德潤環(huán)境有限公司，重慶 400042；2. 重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

底泥是黏土、泥沙、有機(jī)質(zhì)和各種礦物的混合物，經(jīng)長時間物理、化學(xué)和生物等作用及水體傳輸而沉積于水體底部所形成[1]。污染物匯聚到水體中,底泥能夠吸附水體中的大部分污染物，主要包括營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷和鉀等）、有毒重金屬和難降解有機(jī)污染物。當(dāng)水體的動力、化學(xué)等條件發(fā)生變化時，附著在底泥上的污染物會發(fā)生脫落，再次進(jìn)入水體中，造成二次污染[2]，間接對底棲生物或上覆水生物產(chǎn)生毒害作用，甚至通過生物富集過程進(jìn)入食物鏈影響人體健康[3]。因此底泥是一個潛在而又巨大的內(nèi)污染源，是水體整治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，底泥的疏浚已被廣泛應(yīng)用于世界各地的水體環(huán)境治理工程中[4]，也因此產(chǎn)生了大量具有環(huán)境風(fēng)險的疏浚底泥。

CiteSpace 作為一款可視化分析工具，可以分析某一科研領(lǐng)域研究內(nèi)容的熱點(diǎn)和研究趨勢的演替過程，了解該領(lǐng)域內(nèi)科研成果突出的作者、機(jī)構(gòu)，深入發(fā)掘微觀層面和宏觀層面之間的內(nèi)在聯(lián)系[5]。本研究旨在利用CiteSpace 軟件分析疏浚底泥在全球范圍內(nèi)相關(guān)研究，揭示近30 年來國際上對其的關(guān)注熱點(diǎn)以及研究動態(tài)，為科研工作者們了解疏浚底泥研究領(lǐng)域發(fā)展的總體情況、擬定相關(guān)研究目標(biāo)與發(fā)現(xiàn)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

ISI Web of Science 是全球最大、覆蓋學(xué)科最多的綜合性學(xué)術(shù)信息資源，國際上進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)與評價主要利用其相關(guān)的引文數(shù)據(jù)庫。本文的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)摘自Web of Science 核心合集。檢索式為：TS=((dredged sediment*) OR (dredged mud*) OR (dredged silt*) OR (dredged sludge)) NOT TS=((activated sludge*)AND (sewage sludge*))，限定語種僅為English，文獻(xiàn)類型為Article 和Review，檢索年限范圍為1994～2020 年，共獲得4 213 篇文獻(xiàn)信息。利用CiteSpace 軟件對其進(jìn)行可視化分析處理，基于文獻(xiàn)相關(guān)信息（包括關(guān)鍵詞、作者、作者對應(yīng)機(jī)構(gòu)和國家）和不同年份文獻(xiàn)相關(guān)信息出現(xiàn)的頻次等來構(gòu)建疏浚底泥研究的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)圖譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 文獻(xiàn)產(chǎn)出整體趨勢分析

對文獻(xiàn)產(chǎn)出按Article 和Review 統(tǒng)計(jì)分析，見圖1。

圖1 不同年份文獻(xiàn)產(chǎn)出結(jié)果

圖1 可知，Article 數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢且增幅很快，2020 年高達(dá)301 篇，反映了全球范圍內(nèi)對疏浚底泥具體研究的重視程度不斷加大。Review 數(shù)量相對較少，但發(fā)文數(shù)量總體也呈上升態(tài)勢，2020 年有16 篇綜述文章，也反映出對疏浚底泥研究的不斷歸納、逐步完善的過程。

2.2 科研合作網(wǎng)絡(luò)分析

CiteSpace 的科研合作網(wǎng)絡(luò)分析提供了從微觀到宏觀3 個層次的合作類型分析，分別為作者、機(jī)構(gòu)和國家的合作網(wǎng)絡(luò)分析，通過CiteSpace 對上述4 213 篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，可得到全球范圍內(nèi)對疏浚底泥研究在地域上的分布情況。

2.2.1 作者的合作網(wǎng)絡(luò)分析 發(fā)文量位居前20 名的作者及其相關(guān)信息，見表1。

表1 發(fā)文量前20 的作者信息表

續(xù)表1

發(fā)文量排名靠前的作者合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，見圖2。其中每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)不同的作者，節(jié)點(diǎn)大小表示作者發(fā)文的多少，節(jié)點(diǎn)的顏色表示作者發(fā)文年代的先后，而節(jié)點(diǎn)之間的連線表示兩個不同的作者有著合作的關(guān)系，連線的粗細(xì)表示合作次數(shù)的多少，連線的顏色表示合作時間的先后。

圖2 作者合作網(wǎng)絡(luò)可視圖

圖2 可知，圖中具有多個合作子網(wǎng)絡(luò)。早期從1996 年始，比利時根特大學(xué)的TACK 研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研了不同地區(qū)的疏浚底泥的重金屬污染特征[6]，并且研究了通過植物修復(fù)技術(shù)對疏浚底泥進(jìn)行處置，發(fā)現(xiàn)種植過程中底泥重金屬均有向植株中轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，而有機(jī)污染物如多環(huán)芳烴發(fā)生降解[7-8]。從2003 年始，以CASADO-MARTINEZ et al[9]和DELVALLS et al[10]為核心的西班牙加的斯大學(xué)研究團(tuán)體，其團(tuán)體內(nèi)合作較為密切，且合作網(wǎng)絡(luò)廣。他們對西班牙不同地區(qū)河流底泥的污染情況進(jìn)行了評估，并編寫沉積物質(zhì)量指南、修訂了用于評估底泥質(zhì)量的測試及處置管理的相關(guān)指南，為日后管理提供指導(dǎo)。近年來，澳大利亞海洋科學(xué)研究所JONES研究團(tuán)隊(duì)研究了底泥疏浚過程產(chǎn)生的懸浮泥沙對珊瑚礁水質(zhì)的影響，以及對海水質(zhì)量在時間和空間上的影響[11]，并建立了相應(yīng)的模型[12]，擬定了疏浚區(qū)域的水質(zhì)閾值以及討論了多種因子對閾值的影響[13]。法國里爾-杜埃國立高等礦業(yè)電信大學(xué)ABRIAK 研究團(tuán)隊(duì)研究了海洋疏浚底泥作為道路建材的潛力，通過添加粘合劑如水泥或石灰以增加底泥的機(jī)械強(qiáng)度，經(jīng)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)測定發(fā)現(xiàn)處理后的底泥滿足用作道路施工中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其作為道路路基材料是可行的[14-15]。

中國也有中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所的范成新研究團(tuán)隊(duì)、香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程系的TSANG 研究團(tuán)隊(duì)，他們的研究偏向底泥的資源化利用，如通過向底泥中添加木質(zhì)廢物并制得生物質(zhì)炭，以強(qiáng)化對底泥中有機(jī)污染物和有毒物質(zhì)的穩(wěn)定化作用，并生產(chǎn)環(huán)保型建筑材料，如路基填料和路磚，實(shí)現(xiàn)了底泥資源化[16]；又如利用富鈣/低鈣工業(yè)副產(chǎn)物來實(shí)現(xiàn)了對底泥中污染物的固定并制作路磚，從而開發(fā)出了一種新的疏浚底泥綠色處置技術(shù)[17]?？偟膩碚f，不同作者及其團(tuán)體的研究側(cè)重點(diǎn)不同，早期的研究側(cè)重于底泥的風(fēng)險評估和穩(wěn)定化，后期則側(cè)重于資源化利用。

2.2.2 機(jī)構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)分析 發(fā)文量排前10 的機(jī)構(gòu)：中國科學(xué)院（124 篇）、路易斯安那州立大學(xué)（71 篇）、美國地質(zhì)調(diào)查局（60 篇）、河海大學(xué)（55 篇）、美國陸軍（52 篇）、代爾夫特理工大學(xué)（47 篇）、根特大學(xué)（46 篇）、英國環(huán)境、漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖科學(xué)中心（42 篇）、意大利國家委員會（38 篇）和西澳大學(xué)（37 篇）。機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析的可視化，見圖3。

圖3 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)可視圖

發(fā)文量靠前的機(jī)構(gòu)集中在中國、美國和歐洲部分國家，而圖中各節(jié)點(diǎn)顏色偏向藍(lán)紫色的為研究年份較早的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)量少于節(jié)點(diǎn)呈黃色的數(shù)量，說明全球范圍內(nèi)疏浚底泥的研究仍然處于較為熱門狀態(tài)。中國科學(xué)院發(fā)文時間多集中在近幾年，在該領(lǐng)域內(nèi)的研究越來越多；路易斯安那州立大學(xué)則是從早期到近幾年均有發(fā)文，說明該機(jī)構(gòu)一直在開展相關(guān)研究；而美國陸軍、根特大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究則集中在較早年份，說明目前他們研究力度已有所下降。

2.2.3 國家的合作網(wǎng)絡(luò)分析 全球范圍內(nèi)發(fā)文量排名前10 的國家：美國（1 063 篇）、中國（470 篇）、法國（373 篇）、英格蘭（313 篇）、意大利（272 篇）、澳大利亞（243 篇）、荷蘭（228 篇）、西班牙（205 篇）、德國（189 篇）和加拿大（174 篇）。各國合作網(wǎng)絡(luò)可視化結(jié)果，見圖4。

圖4 國家合作網(wǎng)絡(luò)可視圖

從各節(jié)點(diǎn)之間的連線上來看，各國之間的合作多呈現(xiàn)出以洲為范圍的合作，歐洲國家如英格蘭、荷蘭、葡萄牙和西班牙之間的合作，亞洲國家如中國、日本、印度和韓國之間的合作，這可能與疏浚底泥的地域性有關(guān)。其中，發(fā)文量排名前5 名國家的每年發(fā)文量，見圖5。

圖5 發(fā)文量排名前五的國家每年發(fā)文量

美國、法國和意大利發(fā)文量總體呈較為平緩的上升趨勢。我國底泥研究起步于1999 年，晚于其他4 國，總體發(fā)文數(shù)量落后美國居第二，但整體上升趨勢迅速，特別是2015 年以后，2019 和2020 年的發(fā)文量均已超過美國，2020 年更是高達(dá)80 篇。隨著國內(nèi)對疏浚底泥領(lǐng)域不斷深入、系統(tǒng)地研究，我國在該領(lǐng)域內(nèi)的國際影響力也將不斷擴(kuò)大。

2.3 關(guān)鍵詞共詞分析

關(guān)鍵詞能夠反映文章的內(nèi)容與主題，是對文章高度精煉的概括，也是進(jìn)行文獻(xiàn)主題及領(lǐng)域發(fā)展分析時可信度高的指標(biāo)。關(guān)鍵詞的共現(xiàn)分析是對數(shù)據(jù)集的作者提供的關(guān)鍵詞進(jìn)行共詞分析。共詞分析是對一組詞（往往提取關(guān)鍵詞）兩兩統(tǒng)計(jì)它們在同一組文獻(xiàn)中出現(xiàn)的次數(shù)，通過這種共現(xiàn)次數(shù)不僅能測度他們之間的親疏關(guān)系，也能反映各自出現(xiàn)的頻次[18]。前者反映出所選取的文獻(xiàn)集的各關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，關(guān)系相對緊密的關(guān)鍵詞具有較強(qiáng)的聯(lián)系，可進(jìn)行歸納總結(jié)，得出相應(yīng)主題，即聚類；后者可以通過出現(xiàn)次數(shù)從一定程度上反映出該領(lǐng)域的研究動向和熱點(diǎn)。因此，通過共詞分析對所研究領(lǐng)域進(jìn)行包括學(xué)科的熱點(diǎn)內(nèi)容、主題分布以及學(xué)科結(jié)構(gòu)等問題的探討。

2.3.1 復(fù)現(xiàn)頻次統(tǒng)計(jì) 對所提取的文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞分析，得到各關(guān)鍵詞的復(fù)現(xiàn)頻次，其中排名前20 的關(guān)鍵詞，見表2。除了主題檢索詞或與主題檢索詞相似的詞（如sediment、dredging 等）外，其他關(guān)鍵詞如污染、重金屬、多環(huán)芳烴、修復(fù)和沉積物運(yùn)送等都成為復(fù)現(xiàn)頻次高的關(guān)鍵詞，近20 年排名均未跌出前15 名，是歷來研究的熱點(diǎn)。

表2 關(guān)鍵詞復(fù)線頻次排名（所占比例/%）前20 統(tǒng)計(jì)表

2.3.2 關(guān)鍵詞聚類分析 根據(jù)關(guān)鍵詞聯(lián)系的強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)，得到關(guān)鍵詞聚類圖，見圖6。其中，不同聚類用不同顏色顯示，聚類標(biāo)簽中的順序數(shù)字越小的，表示聚類中包含的關(guān)鍵詞越多，但與關(guān)鍵詞的復(fù)現(xiàn)頻次并無直接的關(guān)系。每個聚類是關(guān)系緊密的關(guān)鍵詞所組成的，總結(jié)得到：富營養(yǎng)化、底泥疏浚工程、底棲生物、多氯聯(lián)苯、底泥轉(zhuǎn)移運(yùn)輸、重金屬、疏浚底泥和毒性等16 個聚類，其中各聚類中含有關(guān)鍵詞的數(shù)量以及復(fù)現(xiàn)頻次排名前20 的關(guān)鍵詞的數(shù)量，見表3。

表3 聚類與關(guān)鍵詞關(guān)系統(tǒng)計(jì)

圖6 關(guān)鍵詞共詞聚類分析可視圖

復(fù)現(xiàn)頻次排名前20 的關(guān)鍵詞基本平均分布在每個聚類中，從聚類的標(biāo)簽來看，對于底泥的研究熱點(diǎn)集中在對底泥理化性質(zhì)的研究、底泥的處置以及與底泥有聯(lián)系的環(huán)境和生物群落，其中，對底泥的理化性質(zhì)研究較多。

2.4 研究熱點(diǎn)分析

綜合出現(xiàn)頻次較高的熱門關(guān)鍵詞以及聚類統(tǒng)計(jì)結(jié)果，研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個方面。

2.4.1 底泥污染背景研究 底泥污染，即自然或人為的破壞，向底泥中添加某種物質(zhì)而超過環(huán)境的自我凈化能力而產(chǎn)生危害的行為。具體而言，自然與人為的破壞因素主要包括[19]：大氣沉降、侵蝕、城市污染物排放、農(nóng)業(yè)物料的使用、采礦以及焚燒和工業(yè)排放。CHAPMAN et al[20]認(rèn)為，毒性是危害的度量，通過毒性測試以了解底泥污染的性質(zhì)以及危害程度，并利用它進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評估、指導(dǎo)疏浚底泥的管理與決策。文獻(xiàn)[21]通過測定底泥中各種污染物質(zhì)的含量，進(jìn)行污染物的分布以及生態(tài)風(fēng)險評估，并得到了底泥中污染物的來源，其中部分污染物質(zhì)主要（如Cu、Hg 等）為人為因素輸入，而Fe、Zn 等則來源于沉積巖的風(fēng)化作用。

2.4.2 重金屬修復(fù) 重金屬（Heavy Metal）難以被生物降解，且具有生物富集效應(yīng)。疏浚底泥中含有多種重金屬，因此底泥中的重金屬以及修復(fù)一直都受到研究者的關(guān)注。MULLIGAN et al[22]歸納了一系列針對疏浚底泥中重金屬的評估和處置方法，如連續(xù)萃取、玻璃化、熱處理和生物處理等。MEERS et al[23-24]研究了利用植物從疏浚底泥中吸取重金屬，并向底泥中加入土壤改良劑如EDTA 等物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)一定量的重金屬已轉(zhuǎn)移到植物體中。KIM et al[25]探討了電動萃取法從海洋疏浚底泥種萃取重金屬的適用性，發(fā)現(xiàn)HCl 對重金屬的萃取效果優(yōu)于HNO3，這是由于氯離子更能與金屬離子形成沉淀或者絡(luò)合物，促進(jìn)了底泥顆粒表面的解吸作用，提升了重金屬的萃取效果。

2.4.3 有機(jī)污染物修復(fù) 底泥中的有機(jī)物往往包括一些致癌性很強(qiáng)的持久性有機(jī)污染物（POPs），如多環(huán)芳烴（PAHs）、多氯聯(lián)苯（PCBs）。PERELO[26]綜述了有機(jī)污染的種類、來源及其在底泥中的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程。LOWRY et al[27]采用納米零價鐵以及KRUMINS et al[28]通過微生物對底泥中多氯聯(lián)苯（PCBs）進(jìn)行原位脫氯，COLACICCO et al[29]與AMMAMI et al[30]采用強(qiáng)化電動工藝降解多環(huán)芳烴（PAHs），DONI et al[31]研究了植物修復(fù)技術(shù)對底泥總石油烴（TPH）的去除效果。

2.4.4 營養(yǎng)鹽修復(fù) 農(nóng)業(yè)、工業(yè)等活動排放的氮和磷含量較高，大量營養(yǎng)鹽輸入水體中，造成水體富營養(yǎng)化。營養(yǎng)鹽的修復(fù)往往需要對內(nèi)外環(huán)境的治理同時進(jìn)行。LARDICCI et al[32]提到，為解決地中海西部最大的湖泊之一奧貝蒂洛湖嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題，采取了包括打撈海藻、排空湖內(nèi)所有廢水、進(jìn)行底泥疏浚和擴(kuò)大航道等措施。OENEMA et al[33]建議，為改善地表水的富營養(yǎng)化狀況，應(yīng)將減少農(nóng)業(yè)中氮、磷的排放與疏浚底泥、沖洗溝渠以及減少其他營養(yǎng)鹽來源等多種手段結(jié)合。HICKEY et al[34]認(rèn)為，要減輕富營養(yǎng)化，需采取綜合辦法，減少內(nèi)外部的營養(yǎng)負(fù)荷。其中，內(nèi)部營養(yǎng)負(fù)荷是產(chǎn)磷的主因，可通過疏浚、曝氣等方法減少底泥中的磷釋放到水體中。

2.4.5 底泥的資源化利用 底泥的資源化利用一方面能解決底泥的處置問題，另一方面充分利用了底泥的自然資源的屬性，并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價值。底泥的資源化在探索和實(shí)踐中不斷多樣化，常見的包括土地、建筑和能源利用。

底泥中往往富含一定的有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)元素，將底泥進(jìn)行土地利用，可為植物、作物提供生長所需的多種元素，并改善栽培基質(zhì)的理化性質(zhì)。MATTEI et al[35]將疏浚底泥和園林廢物進(jìn)行共堆肥，堆肥產(chǎn)品可用作栽培基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了底泥的資源化利用。BRAGA et al[36]利用水庫中的富營養(yǎng)底泥對玉米進(jìn)行栽培，相較于傳統(tǒng)施肥，利用底泥中的營養(yǎng)元素作為作物氮素來源可節(jié)省約25%的經(jīng)濟(jì)成本。

底泥是一種沉積物，含有豐富的礦物元素，可進(jìn)行建筑利用。WANG et al[37]利用疏浚底泥與硅改性氧化鎂水泥制得具有良好力學(xué)性能與污染物固化效果的建筑填充材料。MITAOUI et al[38]利用疏浚底泥與鋼渣按照不同配比混合制的道路材料，根據(jù)混合料的堆積密度確定最佳配比。研究表明，該材料具有一定穩(wěn)定性，符合標(biāo)準(zhǔn)，可用于道路施工。此外，國內(nèi)也有利用底泥進(jìn)行制備陶粒的例子[39]，制備的陶粒具有保溫性能，可用于建筑材料。

由于底泥自身的性質(zhì)，還可用于能源利用。底泥中含有大量微生物，構(gòu)筑微生物燃料電池不僅可以對底泥中的有機(jī)物進(jìn)行降解，還能回收電能[40]。BARDAROV et al[41]利用保加利亞布拉格弗格斯附近收集的底泥制備沉積物微生物燃料電池，具有一定的產(chǎn)電性能、效率和穩(wěn)定性，可為低功耗用戶供電。ZHU et al[42]構(gòu)建了濕地植物-底泥-微生物燃料電池系統(tǒng)（PSMFC）和濕地-底泥-微生物燃料電池系統(tǒng)（SMFC），研究了它們的發(fā)電性能以及底泥和上覆水中重金屬的轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明，在電池系統(tǒng)產(chǎn)電時，底泥中重金屬的生物有效性降低，并減少了這些金屬向上覆水的遷移。

3 結(jié)語

通過CiteSpace 可視化研究工具對1994～2020 年全球范圍內(nèi)疏浚底泥領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，介紹了該領(lǐng)域內(nèi)較為核心的研究者以及機(jī)構(gòu)，總結(jié)了疏浚底泥的研究熱點(diǎn)以及研究趨勢。底泥作為潛在的內(nèi)污染源，在愈發(fā)重視環(huán)境友好型發(fā)展的國際大背景下，其研究熱度也愈來愈高。底泥的最終處置愈來愈多元化，從較早期的穩(wěn)定化（如針對單一污染物的脫除、植物修復(fù)技術(shù)和電動等）到近年來較為熱門的資源化利用（如底泥制磚、路基材料、栽培基質(zhì)等），這也體現(xiàn)了廢物再利用的可持續(xù)發(fā)展精神，實(shí)現(xiàn)底泥乃至更廣范圍的廢棄物的資源化利用，將是相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)的研究方向。