基于Citespace的土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究文獻(xiàn)計(jì)量分析

黃偉華，王 萍

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東日照 276800)

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，土壤受到不同程度的重金屬污染。土壤重金屬具有難降解、潛伏期長和毒性大等特點(diǎn)，不僅使農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)下降，而且會(huì)通過攝入和皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，對(duì)人們的身體健康造成嚴(yán)重危害，引發(fā)癌癥或者其他疾病。在世界范圍內(nèi)，由于土壤重金屬污染集中爆發(fā)的社會(huì)群體性事件是普遍現(xiàn)象，如中國的“鎘大米”和“血鉛”事件、日本的“水俁病”和骨痛病事件以及羅馬尼亞境內(nèi)的污染多瑙河事件。重金屬污染事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響社會(huì)和諧穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展，各國各級(jí)政府高度重視土壤重金屬污染狀況排查與治理工作。丹麥、日本和美國等國家均較早地制定了一系列較為詳細(xì)且具備可操作性的土壤環(huán)境管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，近年來我國土壤污染防治工作的法律手段得到加強(qiáng)，人們土壤污染防治意識(shí)逐漸提高。中國生態(tài)環(huán)境部公布的《2019中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中鎘為首要污染物；十九屆五中全會(huì)提出“十四五”時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)要推動(dòng)綠色發(fā)展，持續(xù)減少主要污染物排放總量，改善生態(tài)環(huán)境。為管控土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，保障公眾健康，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)，國家相繼頒布了《中華人民共和國土壤污染防治法》《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)等一系列的法律法規(guī)，較為詳細(xì)地規(guī)定了土壤重金屬污染防治的具體措施和法律責(zé)任。

土壤重金屬污染已經(jīng)成為全球主要環(huán)境生態(tài)問題之一，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界也越來越多關(guān)注土壤重金屬污染評(píng)價(jià)或評(píng)估，如王信凱等分析蘇州市農(nóng)田土壤污染狀況，發(fā)現(xiàn)Cd和Hg污染較為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)是研究區(qū)土壤重金屬積累的主要原因；王昌宇等發(fā)現(xiàn)雄安新區(qū)某金屬冶煉廠土壤重金屬對(duì)兒童具有較高的健康風(fēng)險(xiǎn)，土壤污染來源主要是冶煉活動(dòng)和地下水灌溉；Kamani等分析伊朗扎黑丹市78份街道塵土，結(jié)果表明幾乎所有采樣的城市土地利用類型都富含重金屬，重金屬污染來源為人類活動(dòng)?；跀?shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的文獻(xiàn)計(jì)量方法，能夠定量化闡明具體時(shí)間范圍內(nèi)某一研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，在分析研究內(nèi)容、方法、熱點(diǎn)與趨勢(shì)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。鑒于此，筆者運(yùn)用Citespace可視化分析軟件，以“土壤重金屬污染評(píng)價(jià)”為主題詞檢索，通過處理大量有關(guān)文獻(xiàn)，獲得研究分析主題的知識(shí)圖譜，可視化地展示土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域知識(shí)，旨在使相關(guān)研究人員直觀地了解和把握該領(lǐng)域的研究態(tài)勢(shì)及未來發(fā)展趨勢(shì)，更好地完成未來有關(guān)的研究工作。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

該研究分析所用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于WOS核心數(shù)據(jù)庫和CNKI數(shù)據(jù)庫，均以主題詞為檢索項(xiàng)。在CNKI數(shù)據(jù)庫中，檢索條件以“土壤重金屬”AND“污染評(píng)估”O(jiān)R“污染評(píng)價(jià)”進(jìn)行高級(jí)檢索，發(fā)表時(shí)間設(shè)置為2002-01-01至2020-12-31，語言類型設(shè)置成中文，檢索獲得3 293篇文獻(xiàn)，刪去檢索結(jié)果中無作者文獻(xiàn)、書評(píng)、學(xué)術(shù)成果介紹、會(huì)議介紹及與主題不相關(guān)文獻(xiàn)，最后在CNKI數(shù)據(jù)庫篩選出相關(guān)文獻(xiàn)3 067篇；外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)選取自美國科學(xué)信息研究所WOS數(shù)據(jù)庫中核心合集，主題詞選擇“soil” AND “ Trace element*” OR“ heavy metal*”AND“pollution assessment”O(jiān)R“pollution evaluation”O(jiān)R“contamination evaluation”O(jiān)R“contamination assessment”，時(shí)間跨度為2002—2020年，去重后獲得4 964篇文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)下載日期是2021年5月17日。

目前繪制知識(shí)圖譜的軟件有很多，如CiteSpace、UCINET和VOSviewer等，各個(gè)軟件都有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其中Citespace是美國德雷塞爾大學(xué)(Drexel University)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳超美教授聯(lián)合大連理工大學(xué)開發(fā)的一款基于Java程序的文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件，能夠清晰地呈現(xiàn)學(xué)科主題間的關(guān)系，在分析學(xué)科研究前沿及動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律上具有優(yōu)勢(shì)，且可以高效地處理大量數(shù)據(jù)。隨著Citespace算法和功能的不斷優(yōu)化，目前已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)等60多個(gè)領(lǐng)域。因此，該研究借助Citespace(5.7 R5版本)軟件，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘、科學(xué)計(jì)量和圖形繪制功能完成作者合作網(wǎng)絡(luò)分析、研究機(jī)構(gòu)分析及關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，分析國內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)估研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)領(lǐng)域及未來發(fā)展態(tài)勢(shì)。具體操作步驟如下：啟用5.7 R2版本的WOS和CNKI數(shù)據(jù)分析板塊，時(shí)間切割分區(qū)設(shè)置為1 a，設(shè)置時(shí)間跨度為2002—2020年，選擇每年出現(xiàn)頻次最高的前30個(gè)數(shù)據(jù)，其他為系統(tǒng)默認(rèn)，分別選擇“作者”“機(jī)構(gòu)”“關(guān)鍵詞”為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型，依次進(jìn)行作者合作網(wǎng)絡(luò)分析、機(jī)構(gòu)分析和關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，并生成可視化知識(shí)圖譜。

2 結(jié)果與分析

對(duì)2002—2020年土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究的中外文獻(xiàn)發(fā)文量的年變化進(jìn)行分析(圖1)，2014年以后，土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究的外文文獻(xiàn)年發(fā)文量增加態(tài)勢(shì)明顯，從2013年的254篇增加到2020年的955篇；中文文獻(xiàn)年發(fā)文量總體呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢(shì)，個(gè)別年份文獻(xiàn)數(shù)量有所下降，但仍高于200篇。整體數(shù)據(jù)表明，土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究越來越得到國際學(xué)術(shù)界重視，科研成果數(shù)量遞增。

圖1 2002—2020年土壤重金屬污染評(píng)估研究中外文文獻(xiàn)發(fā)文量Fig.1 Number of published articles on the evaluation of soil heavy metal pollution during 2002-2020

利用Citespace對(duì)研究對(duì)象的中外文文獻(xiàn)發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析(表1)，在WOS核心合集數(shù)據(jù)庫中，發(fā)文數(shù)量排名前10名的機(jī)構(gòu)中國研究機(jī)構(gòu)占8個(gè)，表明我國學(xué)者在國外發(fā)表文獻(xiàn)量龐大，在國際研究領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。其中，中國科學(xué)院中心度最高，是北京師范大學(xué)的11.25倍，表明其在土壤重金屬污染研究領(lǐng)域比較活躍，與國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)之間共被引關(guān)系較多，與國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)交流合作比較密切，研究成果的國際影響力較強(qiáng)。中國科學(xué)院也是國內(nèi)發(fā)文量最高的機(jī)構(gòu)，但是國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果較為離散，即中國科研機(jī)構(gòu)之間在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域交流合作較少，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在國內(nèi)形成濃厚學(xué)術(shù)合作氛圍。

表1 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究發(fā)文量前10位機(jī)構(gòu)排名

對(duì)外文作者進(jìn)行分析得到共引作者圖譜(圖2A)，圖中的節(jié)點(diǎn)越大表示作者發(fā)文數(shù)量越多，網(wǎng)絡(luò)密度越大，說明作者間交流合作更密切。圖譜共有662個(gè)節(jié)點(diǎn)，976個(gè)連接，網(wǎng)絡(luò)密度為0.004 5，說明外文作者間的學(xué)術(shù)交流合作較少。發(fā)文量最多的作者是卡菲爾-艾哈邁德(Kafeel Ahmad)和盧新衛(wèi)(XinWei Lu)，均為26篇，其次是扎法爾-伊克巴爾-汗(Zafar Iqbal Khan)、高博(Gao Bo)和曾光明(GuangMing Zeng)等，前10位作者發(fā)文次數(shù)在12次及以上，占到所有作者總發(fā)文次數(shù)的3.74%，表明土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域，作者集中度并不高。大部分學(xué)者之間有一定的聯(lián)系，形成了人數(shù)不多、較為固定的學(xué)術(shù)團(tuán)體，但是學(xué)術(shù)團(tuán)體間的連線整體上并不多，核心網(wǎng)絡(luò)大體形成但不顯著。

對(duì)國內(nèi)發(fā)文作者進(jìn)行分析得到作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜(圖2B)，圖譜中共有711個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 013個(gè)連接，網(wǎng)絡(luò)密度為0.004。大部分學(xué)者之間存在合作關(guān)系，從而形成了較為固定的群體結(jié)構(gòu)，比較集中的作者群有楊波、宋鳳敏、同延安和趙佐平團(tuán)隊(duì)以及何騰兵、林昌虎團(tuán)隊(duì)。從作者群體來看，呈現(xiàn)“總體分散，局部集中”的特征，作者群間學(xué)術(shù)聯(lián)系較弱，且研究團(tuán)隊(duì)一般由同一機(jī)構(gòu)內(nèi)成員構(gòu)成，缺乏作者個(gè)體之間、不同機(jī)構(gòu)之間的合作。

圖2 土壤重金屬污染評(píng)估研究中外文作者合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Cooperative networks of foreign language and Chinese authors on the evaluation of soil heavy metal pollution

關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)作者對(duì)于研究內(nèi)容的高度概括和凝練，是文章的核心所在。關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越高，表明相關(guān)的研究成果數(shù)越多，研究內(nèi)容的集中性也就越強(qiáng)。通過對(duì)某一領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞在不同時(shí)期的出現(xiàn)頻次分析，有助于反映相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展方向，探測(cè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

將可視化分析近19年來國內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)價(jià)領(lǐng)域中的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以期獲得2002—2020年時(shí)間段內(nèi)該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，并且明確重金屬污染評(píng)價(jià)方法和手段的演變過程。

外文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類分析。將WOS文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Citespace軟件中，該研究處理選擇為Title、Abstract、Author Keywords(DE)和Keywords Plus(ID)；節(jié)點(diǎn)類型為Keyword，提取每個(gè)時(shí)區(qū)中被引頻次最高的50個(gè)關(guān)鍵詞，剪切選擇Pathfinder、Pruning sliced networks和Pruning the merged network，剔除沒有實(shí)際意義的關(guān)鍵詞，結(jié)合關(guān)鍵詞不同時(shí)間段出現(xiàn)頻率的高低，將研究時(shí)間分為2002—2011、2012—2016、2017—2020年，最后形成外文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜(圖3)。每個(gè)圓形節(jié)點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大這個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次越多，表明其為土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。由圖3A可知，2002—2011年間關(guān)鍵詞共形成7個(gè)聚類，分別為“印度”“生物監(jiān)測(cè)”“多元統(tǒng)計(jì)”“可移動(dòng)性”“硫鐵礦”“基因毒性”和“連續(xù)提取”。多元統(tǒng)計(jì)分析方法，如污染指數(shù)法在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，汞(mercury)為出現(xiàn)頻率較高的重金屬元素，成為當(dāng)時(shí)的研究熱點(diǎn)，研究區(qū)域主要集中在城市、礦區(qū)和農(nóng)田；鑒于微量重金屬進(jìn)入生物體內(nèi)累積(bioaccumulation)即可對(duì)生物體基因造成損傷或者使毒性相關(guān)基因濃度發(fā)生變化，因此生物監(jiān)測(cè)受到研究者的廣泛重視，利用生物標(biāo)志物的敏感性評(píng)估重金屬元素早期環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究成果較多。圖3A還反映出與之前以重金屬總量評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量不同，相關(guān)研究領(lǐng)域的學(xué)者們對(duì)分級(jí)提取(sequential extraction)研究給予更多關(guān)注，與之相對(duì)應(yīng)的有分級(jí)(fractionation)、質(zhì)量(quality)等關(guān)鍵詞，這與研究人員對(duì)重金屬的形態(tài)影響重金屬的毒性以及環(huán)境行為的認(rèn)知密切相關(guān)，形態(tài)分析法的引入為重金屬污染評(píng)價(jià)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性提供了有力支撐。

2012—2016年該領(lǐng)域國際文章研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞聚類如圖3B所示，聚類分別為“環(huán)境監(jiān)測(cè)”“健康風(fēng)險(xiǎn)”“街道塵土”“目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)”“土壤污染”“背景水平”“因子分析”和“農(nóng)業(yè)土壤”。人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為本時(shí)間段主要評(píng)價(jià)方法，采用目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)(target hazard quotient)對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的應(yīng)用逐漸增加，表明土壤重金屬污染評(píng)價(jià)逐漸與人體健康相關(guān)聯(lián)，污染評(píng)價(jià)從重金屬含量超標(biāo)過渡到人體危害程度；除汞外，鉻(chromium)、銅(copper)2種金屬離子也受到研究者的廣泛重視；多元統(tǒng)計(jì)分析中的因子分析開始得到廣泛的應(yīng)用，結(jié)合污染指數(shù)(pollution index)較為全面地展現(xiàn)和描述重金屬污染特征和來源；與前10年相比，重金屬污染評(píng)估對(duì)象范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)土壤(agricultural soil)和街道塵土(street dust)形成相應(yīng)的聚類；背景值指未受或受人類活動(dòng)影響較小的土壤環(huán)境本身的化學(xué)元素的組成及其含量，土壤中重金屬背景水平(background levels)的測(cè)定是正確評(píng)價(jià)污染程度的關(guān)鍵，現(xiàn)有背景水平適宜性研究也已展開，其具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2017—2020年聚類結(jié)果如圖3C所示，聚類分別為“汞”“pm10”“土壤質(zhì)量”“富集因子”“氧化應(yīng)激”“環(huán)境評(píng)價(jià)”和“黃河三角洲”。富集因子(enrich factor)方法能夠評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)于土壤元素富集程度的影響，該聚類的出現(xiàn)一方面表明研究學(xué)者關(guān)注重金屬積累過程中人為輸入和自然形成的區(qū)分和判別，另一方面也說明隨著學(xué)科發(fā)展演進(jìn)，環(huán)境污染的評(píng)價(jià)手段逐漸多樣化；“pm10”在此階段形成聚類，與之相聯(lián)系為大氣污染(air pollution)和多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon)等關(guān)鍵詞，說明研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到大氣顆粒物沉降是土壤重金屬污染的重要源頭。人類活動(dòng)，如燃煤和和汽油排放，不僅會(huì)造成土壤重金屬過量，而且還會(huì)產(chǎn)生具有致癌性的多環(huán)芳烴(PAH)，嚴(yán)重威脅人類健康，因此重金屬和PAH共同研究和空間上的相互影響成為熱點(diǎn)；氧化應(yīng)激(oxidative stress)是生物體對(duì)重金屬毒性作用產(chǎn)生的一種以出現(xiàn)大量酶類和中間氧化產(chǎn)物為特征的反應(yīng)，其對(duì)金屬積累狀態(tài)的響應(yīng)為評(píng)估重金屬污染提供了一個(gè)相關(guān)工具。此外，聚類中還出現(xiàn)了之前較少的研究對(duì)象，作為中國最完整的河口濕地，黃河三角洲(Yellow River delta)面臨著由工業(yè)活動(dòng)帶來的重金屬污染壓力，得到研究人員的廣泛重視。

圖3 不同時(shí)間段國際該領(lǐng)域期刊論文關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系Fig.3 Keyword co-occurring networks of international articles in related fields of different time periods

中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類分析。借助CiteSpace 對(duì)CNKI的2002—2020年檢索結(jié)果進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，以明確中國學(xué)者在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方面的發(fā)展方向及不同時(shí)期的熱點(diǎn)主題，通過軟件聚類功能得到相應(yīng)圖譜(圖4)。

2002—2011年關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類結(jié)果如圖4A所示，形成“土壤污染”“重金屬污染”“單因子污染指數(shù)”“農(nóng)用地”“cd”和“冶煉廠”6個(gè)主要聚類圈。在圖中除關(guān)鍵詞土壤污染、重金屬污染、土壤環(huán)境質(zhì)量外，零星出現(xiàn)了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等評(píng)價(jià)方法，說明各污染評(píng)價(jià)方法在此時(shí)已經(jīng)得到運(yùn)用，但尚不成體系，也沒能形成主流方法，代表土壤重金屬含量超標(biāo)程度的單因子污染指數(shù)和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)成為本時(shí)間段主要評(píng)價(jià)方法；農(nóng)用地，尤其是農(nóng)田土壤和冶煉廠成為土壤重金屬污染評(píng)價(jià)的主要對(duì)象，重金屬元素Cd成為當(dāng)時(shí)研究熱點(diǎn)。此外，重金屬形態(tài)分析已引起中國學(xué)者的興趣，相關(guān)研究成果數(shù)量增加。

2012—2016年聚類結(jié)果如圖4B所示，聚類分別為“形態(tài)”“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”“耕地土壤”“污染評(píng)價(jià)”和“潛在生態(tài)危害指數(shù)法”?；趯?duì)重金屬形態(tài)結(jié)構(gòu)影響其在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)換和生物利用有效性這一認(rèn)識(shí)，研究人員尤其關(guān)注重金屬形態(tài)相關(guān)研究；該階段各種污染評(píng)價(jià)方法應(yīng)用普遍，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)成為主要研究方法，表明土壤重金屬污染評(píng)價(jià)具有與人體健康及生態(tài)效應(yīng)相結(jié)合的趨勢(shì)，“來源分析”這一關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率較高，說明土壤污染評(píng)價(jià)手段逐漸豐富，有助于全面、有效地進(jìn)行土壤污染評(píng)價(jià)和管控；“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”形成一個(gè)重要的聚類，與此相關(guān)的關(guān)鍵詞為“空間分布”和“tucker3模型”，反映出依托于地理信息系統(tǒng)的土壤重金屬污染空間分布規(guī)律成為重要的研究方向，另外城市土壤和農(nóng)田土壤等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形成也說明研究對(duì)象土地利用類型的分化成為此時(shí)間段研究熱點(diǎn)。

圖4 不同時(shí)間段國內(nèi)該領(lǐng)域期刊論文關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系Fig.4 Keyword co-occurring networks of internal articles in related fields of different time periods

2017—2020年聚類結(jié)果如圖4C所示，分別為“土壤”“灰塵”“重金屬污染”“污染評(píng)價(jià)”“水稻土”和“土壤養(yǎng)分”。該階段重金屬污染空間分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有所降低，“富集因子”“pmf”等評(píng)價(jià)方法在污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用增多，這2種方法起初用于描述大氣顆粒物中元素富集程度和解析污染源，之后在土壤重金屬污染評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，說明為了學(xué)科研究取得更大的進(jìn)展和豐富研究內(nèi)容，除了積極創(chuàng)新技術(shù)和方法外，各個(gè)學(xué)科間技術(shù)的相互滲透與融合是必然的趨勢(shì)；“功能區(qū)”“水稻土”等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)表明重金屬污染評(píng)價(jià)對(duì)象在城市和農(nóng)田土壤的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分化，同時(shí)也意味著土壤污染研究向縱深化和精細(xì)化方向發(fā)展演進(jìn)；土壤養(yǎng)分與土壤重金屬元素均影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，因此將兩者結(jié)合進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分以改善土壤肥力狀況和防治重金屬污染的研究受到學(xué)者們的重視。除關(guān)鍵詞聚類外，“灰塵”聚類的形成表明含有重金屬元素的顆粒物沉降是土壤污染的重要來源。

中外文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析。突變?cè)~語的偵測(cè)是Citespace 軟件的核心功能之一，即通過檢測(cè)研究相關(guān)詞頻變動(dòng)趨勢(shì)顯著的主題詞確定和分析學(xué)科研究的時(shí)間變化趨勢(shì)以及前沿領(lǐng)域，從而使研究人員明確學(xué)科研究的最新動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)研究發(fā)展走向，確定未來亟待解決的問題。國內(nèi)外土壤重金屬評(píng)價(jià)研究突現(xiàn)詞信息如圖5所示。

從外文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)分析可以看出，2006—2015年期間，“地球化學(xué)(geochemistry)”和“連續(xù)提取法(sequential extraction procedure)”突現(xiàn)詞大量出現(xiàn)，表明在土壤重金屬評(píng)價(jià)研究的初期，多利用地球化學(xué)指數(shù)研究重金屬元素在地殼中的總含量以及土壤中重金屬元素的形態(tài)，總量法是最早被用于評(píng)估土壤重金屬環(huán)境影響的方法，但由于重金屬元素環(huán)境效應(yīng)和生物效應(yīng)主要由其化學(xué)活性來決定，所以總量法結(jié)果描述土壤重金屬污染程度并不準(zhǔn)確；化學(xué)形態(tài)分析法依靠萃取劑獲取樣品中重金屬元素不同形態(tài)，進(jìn)而確定其生物可利用性，說明重金屬環(huán)境效應(yīng)研究中形態(tài)分析得到了重視，但在污染評(píng)價(jià)中如何將總量和形態(tài)結(jié)合起來進(jìn)行評(píng)價(jià)是一個(gè)需要進(jìn)一步解決的問題；2010—2015年期間，突現(xiàn)度較高的關(guān)鍵詞是“hong kong”和“marine sediment”，表明該時(shí)期研究前沿凝聚在沿海城市和海洋沉積物，地累積指數(shù)及富集因子指數(shù)成為該時(shí)期土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究的主要研究手段和方向，兩者被廣泛地用于評(píng)價(jià)研究區(qū)域土壤污染程度，其優(yōu)點(diǎn)在于既能考慮到自然過程對(duì)地殼元素含量的影響，也關(guān)注了人類活動(dòng)對(duì)重金屬污染的影響；2016—2018年期間，“China”呈現(xiàn)出較高突現(xiàn)度，說明中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化帶來的生態(tài)環(huán)境問題受到關(guān)注。今后，礦區(qū)的土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及污染源的確定仍會(huì)是重要的研究方向。

中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析結(jié)果顯示，國內(nèi)重金屬污染評(píng)價(jià)領(lǐng)域研究方向與國外有所不同，我國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，土壤重金屬污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)污染的重要一環(huán)。早期我國沒有重視農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全問題，化肥和農(nóng)藥的大量投入、污水灌溉等致使農(nóng)業(yè)土壤中重金屬元素富集，一方面經(jīng)由“土壤—作物—人體”途徑進(jìn)入人體產(chǎn)生不良影響，另一方面通過“土壤—作物”途徑對(duì)我國糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅?！安藞@土壤”突現(xiàn)度較高，原因是2007—2009年是“菜籃子工程”快速發(fā)展階段，國內(nèi)相關(guān)研究主題集中在菜園土壤環(huán)境質(zhì)量，其本質(zhì)也是糧食作物安全問題。2016年5月公布的“土十條”要求以農(nóng)用地為重點(diǎn)，開展土壤污染狀況調(diào)查，并提出到2050年全面提高土壤環(huán)境質(zhì)量，國家越來越重視農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境保護(hù)和治理工作，因此將農(nóng)產(chǎn)品和土壤綜合考慮評(píng)價(jià)農(nóng)用地土壤重金屬污染特征、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及來源解析仍舊是未來土壤重金屬污染領(lǐng)域的研究方向。

圖5 中外文文獻(xiàn)前15關(guān)鍵詞突現(xiàn)信息圖Fig.5 Top 15 Keywords with the strongest citation bursts about foreign language and Chinese articles

3 研究熱點(diǎn)展望

礦產(chǎn)資源開發(fā)給國家提供重要的戰(zhàn)略資源，為人們的生產(chǎn)和生活提供基本保障，但礦區(qū)土壤環(huán)境問題日益突出，選礦及冶煉過程中產(chǎn)生大量的尾礦、廢渣和廢水等，其中含有較多的重金屬元素通過風(fēng)化、淋洗等方式向周邊或地下遷移，造成礦區(qū)及周圍大面積的土壤退化、耕地面積減少和嚴(yán)重的地下水污染。不合理的礦產(chǎn)開采使環(huán)境質(zhì)量顯著降低，人們的生活與健康受到嚴(yán)重威脅，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可持續(xù)，礦區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究仍是今后的研究重點(diǎn)。

農(nóng)用地污染源主要是農(nóng)藥、污水灌溉、大氣沉降和采礦廢渣等，農(nóng)用地重金屬污染對(duì)于生態(tài)環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及人體健康均構(gòu)成嚴(yán)重威脅，制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。國際社會(huì)高度重視農(nóng)業(yè)用地土壤環(huán)境質(zhì)量，尤其是中國、印度和伊朗此類人口眾多的發(fā)展中國家，相關(guān)學(xué)術(shù)研究成果較多。我國耕地土壤受污染面積比率呈逐年上升趨勢(shì)，受污染面積呈擴(kuò)大之勢(shì)，據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》調(diào)查結(jié)果顯示，中國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，其點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，且污染類型以無機(jī)物為主。2020年的中央一號(hào)文件中提出了“穩(wěn)步推進(jìn)農(nóng)用地土壤污染管控和修復(fù)利用”，2021年的中央一號(hào)文件中提出“推進(jìn)土壤污染防治”，因此通過對(duì)農(nóng)用地土壤重金屬污染進(jìn)行調(diào)查與評(píng)價(jià)，有針對(duì)性地提出農(nóng)用地土壤治理措施并制定防治土壤污染政策是今后研究的重要方向。

土壤鎘、汞、砷與鉛和鉻并稱“五毒元素”，鎘又被稱為“五毒之首”，是當(dāng)今土壤重金屬污染中危害程度最大，也是污染面積最廣的重金屬元素。1955年日本富山縣神通川流域居民因長期飲用含鎘河水以及食用含鎘稻米出現(xiàn)“痛痛病”，對(duì)人們的生命產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，自此土壤鎘元素含量也成為該領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。汞是廣泛存在的工業(yè)污染物，土壤中的汞通過食物鏈進(jìn)入人體并進(jìn)行累積，低含量的鉛對(duì)人體的損害也是致命的，因土壤中的重金屬元素汞造成的社會(huì)食品安全事件不在少數(shù)。土壤As污染是全球性的環(huán)境問題，當(dāng)重金屬積累到一定量后即會(huì)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴(yán)重的危害，最終導(dǎo)致農(nóng)作物枯萎死亡，間接對(duì)周邊環(huán)境和人們健康構(gòu)成威脅。

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是指人類正在進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、歷史遺留的污染場地或者未來活動(dòng)所能引發(fā)的一系列對(duì)人身安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)系統(tǒng)可能造成的影響和損失進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策和管理的過程，重金屬污染因自身毒性、不易分解、生物積累性及由此導(dǎo)致的對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生的一系列損害而備受關(guān)注，土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究能夠有效預(yù)防污染場地對(duì)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生的潛在危害，促進(jìn)土壤資源的合理利用和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

目前，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，在土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面應(yīng)用較多的研究方法主要是綜合污染指數(shù)法、地累積指數(shù)法、富集因子分析與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是瑞典科學(xué)家Hakanson提出的評(píng)定湖泊重金屬污染狀況的方法，該生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法在重金屬污染評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而直接使用該方法用于土壤污染評(píng)價(jià)的適宜性仍有待商榷。首先，重金屬潛在生態(tài)危害的參比值為現(xiàn)代工業(yè)化前沉積物中重金屬含量的最高背景值。其次，該方法中重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)來自對(duì)湖泊沉積物的分析，土壤的理化性質(zhì)和空間分異規(guī)律與沉積物不同，而現(xiàn)在大多數(shù)文獻(xiàn)并沒有對(duì)重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)進(jìn)行修正，且已有研究表明，重金屬的生物毒性與其形態(tài)結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，因此應(yīng)用重金屬總量確定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果偏高等。已有學(xué)者計(jì)算Sb和Be的毒性系數(shù)，擴(kuò)大了該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具的潛在應(yīng)用范圍，還有部分學(xué)者構(gòu)建了新的方法體系?？傊?，建立合理、有針對(duì)性的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法仍需要進(jìn)一步的探索，如對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本構(gòu)成元素深入分析，結(jié)合我國實(shí)際建立本土污染物生態(tài)毒性數(shù)據(jù)庫建設(shè)，逐步增加污染土壤監(jiān)測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)、加強(qiáng)運(yùn)用重金屬可利用形態(tài)評(píng)價(jià)重金屬污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的不確定性分析，建立多層級(jí)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范體系。

已有的土壤重金屬污染研究忽視了土壤重金屬污染對(duì)人體的危害，加之受到重金屬污染復(fù)雜性及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法加權(quán)主觀性的影響，目前土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域的學(xué)者們往往傾向于在對(duì)土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方法，評(píng)價(jià)方法更加多元化，評(píng)價(jià)內(nèi)容從污染程度和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)向人體健康風(fēng)險(xiǎn)，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效率、可靠性和對(duì)環(huán)境威脅的預(yù)測(cè)能力，而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估人員受限于評(píng)估數(shù)據(jù)缺少導(dǎo)致的數(shù)據(jù)效用不足，從而難以支持風(fēng)險(xiǎn)決策，因此下一步的重點(diǎn)是在獲得詳盡的重金屬和受體的暴露-效應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以完善人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型為重點(diǎn)，結(jié)合空間分析開展土壤重金屬污染的生物效應(yīng)(或者人體健康風(fēng)險(xiǎn))的空間分布與熱點(diǎn)研究，對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在完成對(duì)重金屬污染程度及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的背景下，為使研究成果更全面、準(zhǔn)確地指導(dǎo)土壤污染修復(fù)和管控工作，土壤重金屬污染的來源以及污染源的貢獻(xiàn)比例成為科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前判定土壤重金屬污染源常用的方法有同位素分析技術(shù)、多元統(tǒng)計(jì)分析、定量源受體模型和空間分析技術(shù)。地球化學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典的研究方法——同位素分析技術(shù)利用穩(wěn)定同位素的分餾原理區(qū)分土壤重金屬的來源，確定土壤地球化學(xué)領(lǐng)域污染物的自然和人為來源，雖然這種方法具有精確度高、計(jì)算簡單等優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)榉治龀杀靖?，在?shí)際應(yīng)用中受到諸多限制；多元統(tǒng)計(jì)分析和空間分析技術(shù)有助于分析和解釋重金屬含量異常的原因，并對(duì)污染源進(jìn)行定量解釋，但并不能獲得準(zhǔn)確的源成分譜數(shù)據(jù)，能夠鑒別出的污染源因子有限且對(duì)樣品需求量大；受體模型可以通過分析受體中重金屬含量對(duì)污染源及貢獻(xiàn)率定量判定，但需要排放源數(shù)量。每種確源方法都具有一定的使用條件，這就要求研究人員根據(jù)區(qū)域土壤背景值、面積、研究目的等確定適合的方法，面對(duì)越來越復(fù)雜的土壤重金屬污染問題，單一的源解析法可能無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)彼此驗(yàn)證，從而彌補(bǔ)單一方法的局限性。陳錦芳等同時(shí)使用主成分分析、PMF模型和鉛同位素3種源解析方法，闡明九龍江中下游沿岸農(nóng)田土壤重金屬來源，所得結(jié)果吻合，可以構(gòu)成互補(bǔ)的多元源解析體系。Fei等運(yùn)用PMF與地理探測(cè)器模型，有效解析了農(nóng)業(yè)土壤中重金屬的來源?；裘髦榈壤玫亟y(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合受體模型(APCS-MLR)分析湘潭縣農(nóng)田土壤，定量解析出重金屬污染來源及源貢獻(xiàn)率。近年來將不同源解析方法結(jié)合使用的研究成果呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，因此多種確源方法的綜合使用是必然趨勢(shì)。目前，雖然不少國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤重金屬污染源進(jìn)行了解析分析，但尚未建立一個(gè)完善、系統(tǒng)的土壤重金屬源解析方法體系，該體系的構(gòu)建將有利于研究人員選擇更加合適的污染源成分譜，制定適用于不同污染情況的源解析模型和方法。

4 結(jié)論

該研究采用文獻(xiàn)計(jì)量軟件CiteSpace對(duì)2002—2020年國內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，客觀呈現(xiàn)發(fā)文量、研究作者、合作機(jī)構(gòu)及研究熱點(diǎn)與前沿，為未來我國學(xué)者對(duì)土壤重金屬污染綜合性研究提供了借鑒。主要結(jié)論如下：

(1)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究國內(nèi)外的發(fā)文量均呈現(xiàn)增長的態(tài)勢(shì)，中國科學(xué)院發(fā)文量最高，成為國內(nèi)外土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域的主要力量。從作者群體、發(fā)文機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜可以看出，國際上該領(lǐng)域相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及科研團(tuán)隊(duì)之間的交流合作并不密切，尤其是國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)之間的交流合作亟待加強(qiáng)。

(2)鎘、汞、砷等重金屬元素在土壤中的累積、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及確源分析是土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究熱點(diǎn)。

(3)未來土壤重金屬污染研究對(duì)象涉及礦區(qū)、農(nóng)用地等多個(gè)方面，鑒于當(dāng)代土壤污染呈現(xiàn)多源性和復(fù)合性的特征，單一的源解析技術(shù)已不能滿足研究需要，多種源解析技術(shù)綜合應(yīng)用于污染場地研究是目前研究的熱點(diǎn)，也是未來土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法運(yùn)用的必然選擇；構(gòu)建污染源成分譜數(shù)據(jù)庫，根據(jù)污染情況的差異選擇合適的源解析模型和方法，完善環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系是今后需要繼續(xù)努力的方向。