基于文獻(xiàn)計量的銻對農(nóng)作物影響研究趨勢

劉連華,歐陽威,2*,何孟常,林春野,崔馨桐 (.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 00875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)前沿交叉研究院,廣東 珠海 59087)

銻(Sb)是環(huán)境中微量但普遍存在的極具生理毒性和致癌性的類金屬元素[1-2].雖然銻并不是動植物必需元素,但它能夠通過水土環(huán)境介質(zhì)被植物根系吸收進(jìn)入到植物體內(nèi),進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體,對人體肺、心臟、肝臟等器官產(chǎn)生危害,甚至引發(fā)癌癥[3-4].近年來,由于自然過程(如火山活動和風(fēng)化作用)和人類活動(如工業(yè)生產(chǎn)、礦山開采)等影響,大量銻元素進(jìn)入環(huán)境中,使它成為全球性分布、長距離遷移的新型污染物,并被歐盟巴塞爾公約和美國環(huán)保署(USEPA)列為全球優(yōu)先污染物之一,也逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的重視[5-10].我國銻產(chǎn)量約占世界總量的 80%,銻礦開采導(dǎo)致很多地區(qū)銻污染嚴(yán)重,特別是在湖南、廣西、貴州等南方地區(qū)[11-14].在我國湖南錫礦山銻礦區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),礦區(qū)周邊土壤銻的濃度為271～3640mg/kg,河水及地下水中銻的濃度分布為0.0053～309mg/L 和 0.01～22.98mg/L[15-16].礦區(qū)周圍土壤及水體中高銻含量必然影響植物尤其是農(nóng)作物的正常生長,甚至還會導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品銻含量超標(biāo),進(jìn)而通過食物攝入對人類健康造成危害[17-18].隨著銻在農(nóng)作物生長相關(guān)領(lǐng)域(例如農(nóng)作物體內(nèi)銻的吸收、代謝和轉(zhuǎn)化機制及其毒性機理等)文獻(xiàn)大量涌現(xiàn)[5,19-23],有必要對銻的農(nóng)作物影響研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理和總結(jié),從而了解農(nóng)作物銻污染的研究發(fā)展歷程并掌握其現(xiàn)階段發(fā)展熱點和未來發(fā)展趨勢.

文獻(xiàn)計量學(xué)是采用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法定量地分析各類學(xué)科發(fā)展中存在的數(shù)學(xué)規(guī)律,客觀有效地反映學(xué)科領(lǐng)域中的發(fā)展動態(tài)和發(fā)展趨勢[24-25].由美國德雷塞爾大學(xué)陳超美博士團隊開發(fā)的 CiteSpace可視化分析軟件可以較快的識別某一學(xué)科領(lǐng)域文獻(xiàn)的研究熱點、演變情況,具有定量化、客觀性和模型化的宏觀優(yōu)勢,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)學(xué)、食品安全等多個學(xué)科領(lǐng)域[26-28].目前,已有學(xué)者利用CiteSpace軟件對土壤重金屬遷移轉(zhuǎn)化、土壤重金屬形態(tài)分析、土壤重金屬污染防治、土壤重金屬風(fēng)險評價、重金屬生物可給性、重金屬時空污染等重金屬污染熱點前言進(jìn)行了分析[28-32].關(guān)于銻污染研究進(jìn)展的文獻(xiàn)計量學(xué)分析文章較少[33].雖然學(xué)者們針對銻對植物(特別是農(nóng)作物)的影響研究進(jìn)行了室內(nèi)試驗、現(xiàn)場監(jiān)測或綜述總結(jié)研究[34-38],仍然缺乏銻對農(nóng)作物生長影響領(lǐng)域的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、前言熱點和未來趨勢的細(xì)致分析.

因此,本文采用CiteSpace軟件對1991～2021年銻對作物生長影響領(lǐng)域的發(fā)文量、發(fā)文國家或地區(qū)、研究機構(gòu)、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、突顯關(guān)鍵詞、文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵文獻(xiàn)的知識圖譜進(jìn)行可視化分析,闡述該領(lǐng)域的發(fā)展歷程,探討該研究領(lǐng)域在研究內(nèi)容和研究方向等方面的發(fā)展趨勢,旨在掌握銻對農(nóng)作物生長影響領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究熱點,進(jìn)而提出該領(lǐng)域未來的研究趨勢和重點,以期為相關(guān)研究人員提供理論基礎(chǔ),為銻對農(nóng)作物污染的研究和防治提供參考.

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取Web of Science 平臺的WOS核心合集數(shù)據(jù)庫進(jìn)行銻對農(nóng)作物影響研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)檢索.因為本研究重點關(guān)注的對象是農(nóng)作物,小麥、水稻、玉米和大豆是全球四大糧食作物,蔬菜是主要的經(jīng)濟作物,因此本研究的檢索式設(shè)置為:TS=((crop OR wheat OR rice OR maize OR corn OR soybean OR vegetable) AND (antimony OR Sb)),檢索時間為2022年2月,時間段為1991～2021年,檢索后共得到4420條數(shù)據(jù).為聚焦研究,進(jìn)一步篩選環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)(ENVIRONMENTAL SCIENCES ECOLOGY)、農(nóng)業(yè)(AGRICULTURE)、植物科學(xué)(PLANT SCIENCES)研究方向文獻(xiàn)類型,最終選取2597篇文獻(xiàn)作為主要數(shù)據(jù)來源,分析了 1991～2021年全球銻對農(nóng)作物影響相關(guān)研究的總體趨勢.

1.2 分析方法

運用 CiteSpace(5.8.R3)軟件分析了 1991～2021年國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)銻對農(nóng)作物影響領(lǐng)域的研究進(jìn)展,包括發(fā)文國家、發(fā)文數(shù)量、發(fā)文機構(gòu)、H-index值、關(guān)鍵詞、突顯關(guān)鍵詞及關(guān)鍵文獻(xiàn)等,通過知識圖譜的可視化分析,獲取該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和研究熱點,并分析未來的發(fā)展態(tài)勢.

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)文量、發(fā)文國家或地區(qū)分析

全球年度文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量以及不同國家/地區(qū)發(fā)文數(shù)量可以從側(cè)面反映該研究領(lǐng)域的總體趨勢、研究熱度和發(fā)展速度以及科學(xué)界對某一研究領(lǐng)域的關(guān)注度[25,33].自 20世紀(jì) 90年代開始,年發(fā)文總量總體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢,2005年以后呈現(xiàn)指數(shù)型增長的趨勢,特別是自2010年后發(fā)文數(shù)量迅速增加(圖 1a).因此就年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量的增速而言,可將銻對農(nóng)作物影響研究分為3個階段:緩速增長期(2005年以前),總發(fā)文量438篇,年均發(fā)文量29篇;快速增長期(2006～2015),總發(fā)文量 995篇,年均發(fā)文量 100篇;急速增長期(2016～2021),總發(fā)文量 1164篇,年均發(fā)文量 194篇,表明該領(lǐng)域研究在近年來得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視.該領(lǐng)域的研究已在全球范圍內(nèi)廣泛開展,多個國家/地區(qū)的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究,學(xué)者主要分布在中國、美國、巴西、印度、意大利、西班牙、日本、澳大利亞等國家[39-44](圖 1b).美國地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,截至2019年末,中國、俄羅斯和玻利維亞三國的金屬銻儲量約為全球總儲量的 80%[45].作為銻儲量最多的國家,我國也是世界上銻產(chǎn)量最大的國家,銻礦業(yè)的大量開采導(dǎo)致周邊水體和土壤受到銻污染[46].因此,我國學(xué)者對銻礦區(qū)周邊農(nóng)作物對銻的吸收和富集等方向開展了大量研究,并且發(fā)文 H-index值較高,說明我國在該領(lǐng)域具有較強的影響力.

圖1 發(fā)文量(a)以及主要國家發(fā)文被引頻次和H-index(b)Fig.1 Total published literatures numbers(a), and citation volume and H-index of main countries(b)

2.2 研究機構(gòu)分析

利用 CiteSpace軟件中的“Institution”分析功能對發(fā)文研究機構(gòu)進(jìn)行分析(圖2).1991～2021年,發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量最多的機構(gòu)是中國科學(xué)院(CAS)202篇,其次為美國農(nóng)業(yè)部(USDA)106篇、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院(CAAS)70篇、歐洲研究型大學(xué)聯(lián)盟(LERU)55篇、印度農(nóng)業(yè)研究委員會(ICAR)48篇、圣保羅州立大學(xué)(UNESP)46篇、最高科研理事會(CSIC)38篇、圣保羅大學(xué)(USP)35篇.文獻(xiàn)數(shù)量前 10位機構(gòu)發(fā)文量占總發(fā)文量的 25.7%,中國研究機構(gòu)發(fā)文量占 10.5%,說明中國在該領(lǐng)域具有一定權(quán)威性和影響力.除中國科學(xué)院和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院外,浙江大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)等國內(nèi)研究機構(gòu)也在該領(lǐng)域與國內(nèi)外機構(gòu)合作密切.從研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖來看,近年來中國科學(xué)院的年輪最大、出現(xiàn)的頻次最高,并且與國內(nèi)外研究機構(gòu)保持一定的合作,說明在該領(lǐng)域研究方面具有強大的科研攻關(guān)力量.

圖2 國內(nèi)外研究機構(gòu)合作知識圖譜Fig.2 Global research institutions collaboration networks

2.3 關(guān)鍵詞分析

在進(jìn)行某個領(lǐng)域的前沿分析時,關(guān)鍵詞一般被視為文章的精髓,是全文內(nèi)容的高度提煉和概括,因此高頻關(guān)鍵詞可以體現(xiàn)研究主題的演變過程,為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員預(yù)測該主題未來的發(fā)展趨勢提供依據(jù)[47-48].基于 CiteSpace軟件中“Keyword”分析功能,對檢索結(jié)果的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析,快速掌握該領(lǐng)域的研究熱點和動態(tài)變化趨勢(圖3).除了與檢索主題詞一致的“antimony”外,“heavy metal”、“trace element”、“plant”、“water”、“soil”、“sediment”、“environment”、“identification”、“performance”、“speciation”、“availability”是高頻次關(guān)鍵詞,表明銻在作物、土壤、水體、沉積物等環(huán)境中的識別、特征、形態(tài)和生物可利用性是研究核心[6,49].在污染物方面,除了銻外,涉及鉛、鋅、鎘等其他重金屬、氮以及有機質(zhì)等元素的研究逐步出現(xiàn)[50-51],說明銻污染的發(fā)生伴隨著其他重金屬污染和養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化的過程也是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點之一.另外,學(xué)者們對地球化學(xué)環(huán)境中銻的提取、遷移、毒性、去除、環(huán)境風(fēng)險的關(guān)注度也穩(wěn)步提高[52-54].

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析Fig.3 Analysis of keywords co-occurrence network

20世紀(jì)90年代的關(guān)鍵詞主要為“plant growth”、“protein”、“wheat”,近年來“agricultural soil”、“soil property”、“particle size”、“microbial community”等關(guān)鍵詞的共現(xiàn),表明銻對農(nóng)作物的影響研究由過去的農(nóng)作物對銻的吸收代謝、植物生長和作物產(chǎn)量影響的研究逐步轉(zhuǎn)向環(huán)境中特別是土壤中銻對微生物活性的影響微觀機理研究[37,55-58].而且,近年來“environment”、“contamination”、“health risk”、“ecological risk”、“toxicity”、“dietary intake”等關(guān)鍵詞共現(xiàn)表明,銻污染排放通過土壤、水體、沉積物等不同環(huán)境介質(zhì)進(jìn)入人類飲食從而可能產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)、生物效應(yīng)和健康風(fēng)險評估也逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的焦點和熱點[32,59-61].整體來說,銻對農(nóng)作物的影響研究從主要考慮農(nóng)作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究發(fā)展到考慮農(nóng)作物、土壤、水體、沉積物等環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化機制研究,特別是微生物活性對土壤系統(tǒng)中銻的吸附及氧化還原變化的影響也是近年來的研究熱點[57-58,62-63].

相對于傳統(tǒng)高頻主題詞,突顯詞可以更明確表明學(xué)科的變化趨勢和新興方向,突顯詞分析的基本原理是根據(jù)檢索文獻(xiàn)的標(biāo)題、摘要及關(guān)鍵詞的增長頻率來確定該領(lǐng)域熱點詞匯[24].本文利用 CiteSpace軟件中“Burstness”功能對關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)詞分析,識別研究領(lǐng)域發(fā)展中研究熱點的改變趨勢(圖4).

圖4 關(guān)鍵詞突顯圖Fig.4 Keywords with the strongest citation bursts

根據(jù)前25位突顯詞分析發(fā)現(xiàn),緩慢增長期(2005年以前)的突現(xiàn)關(guān)鍵詞主要為“protein”、“trace element”、“growth”、“identification”等,表明該時期主要集中在農(nóng)作物對銻等微量元素代謝吸收及植物生長影響的識別研究[5,37,64].快速增長期 (2006～2015)的研究重點主要集中在植物對銻的抗性和吸收特征研究,以及污染土壤中有機質(zhì)等土壤理化性質(zhì)變化條件下銻的含量、穩(wěn)定性和提取等遷移轉(zhuǎn)化機制方向的研究[51,65].急速增長期(2016～2022)的研究重點為農(nóng)田土壤中銻的生物可利用性和作物生長響應(yīng),特別是稻田土壤中微生物群落活性的動態(tài)變化以及銻的健康風(fēng)險評價研究[22,57].

2.4 關(guān)鍵文獻(xiàn)分析

文獻(xiàn)共被引分析可以反映被引文獻(xiàn)作為知識基礎(chǔ)對當(dāng)前研究的影響,高引用率的文獻(xiàn)代表了該領(lǐng)域的重要研究成果[28].基于 Citespace軟件中“Reference”分析功能,對檢索結(jié)果進(jìn)行文獻(xiàn)共被引分析(圖5).文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)是指由兩篇文獻(xiàn)組成的知識網(wǎng)絡(luò)同時被其他文章引用,其中連線代表共被引的關(guān)系,節(jié)點表示收集到的文章被引情況,中介中心性高的節(jié)點是在不同領(lǐng)域進(jìn)行連接的關(guān)鍵樞紐文獻(xiàn).

圖5 文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Literature co-citation network

該研究領(lǐng)域內(nèi)8篇關(guān)鍵文獻(xiàn)中有6篇為綜述性文章(表1).綜述是學(xué)者們高度凝練總結(jié)該領(lǐng)域某些方向現(xiàn)狀趨勢的文獻(xiàn),為未來研究提供理論支撐和研究思路.學(xué)者們從銻的來源、銻在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過程、農(nóng)作物對銻的吸收和生物累積、銻的微生物地球化學(xué)過程、以及銻對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康影響等方面進(jìn)行了綜述[5-6,20,46,49,56].銻主要來源于含銻礦物的風(fēng)化、溶解和顆粒態(tài)遷移,其形態(tài)及氧化還原轉(zhuǎn)化是決定銻地球化學(xué)特征的主要因素[6].由自然活動或人類活動產(chǎn)生的銻可以在有機或無機復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)上吸附并發(fā)生氧化還原反應(yīng),發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化,從而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性影響[46].水分管理、銻的形態(tài)和土壤中的共存離子等是影響植物吸收銻的關(guān)鍵因素[5].此外,微生物是影響銻的氧化還原、吸附和甲基化過程的重要因素,在銻的地球化學(xué)循環(huán)中起著重要的作用[56].另外 2篇關(guān)鍵文獻(xiàn)對典型銻礦區(qū)中國湖南錫礦山礦區(qū)土壤和作物中銻的分布、形態(tài)和遷移進(jìn)行了研究[3],利用水培試驗深入探究了水稻對銻的吸收代謝機制[21].

表1 研究領(lǐng)域關(guān)鍵文獻(xiàn)Table 1 Key literatures in research field

2.5 未來研究趨勢分析

通過分析銻對農(nóng)作物影響領(lǐng)域的關(guān)鍵詞和突顯詞,結(jié)合關(guān)鍵文獻(xiàn)的閱讀,歸納總結(jié)出該領(lǐng)域的未來研究熱點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

銻在農(nóng)作物體內(nèi)的吸收代謝途徑和器官之間的遷移、存在形態(tài)、生物有效性及毒性.雖然國內(nèi)外學(xué)者在這一方面已逐步開展了大量研究,但仍然需要從植物生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等多學(xué)科角度繼續(xù)深入研究農(nóng)作物中銻的吸收、轉(zhuǎn)運、代謝及毒害作用機理[37,66].該方向的研究將豐富和充實有關(guān)銻的植物生理學(xué)、植物化學(xué)等方面的理論基礎(chǔ),為系統(tǒng)研究銻超富集植物的富集機制提供科學(xué)依據(jù).特別是水稻作為世界上主要的糧食作物之一,比其他糧食作物更易吸收和富集銻[67],水稻生長過程中的水分管理導(dǎo)致稻田存在干濕交替環(huán)境,好氧和厭氧條件交替變化和氧化還原電位的變化將影響水稻體內(nèi)銻的吸收、轉(zhuǎn)運和代謝[68].因此,應(yīng)高度重視不同水分管理條件下,稻田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)銻的遷移轉(zhuǎn)化機理研究.

銻的環(huán)境地球化學(xué)循環(huán)及環(huán)境風(fēng)險評價研究.在礦區(qū)周邊及周邊農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),土壤、農(nóng)作物、水體以及河流沉積物中銻的濃度較高,甚至有些區(qū)域水體中銻含量遠(yuǎn)超過世界各國飲用水銻含量的上限值,增加了生態(tài)系統(tǒng)和人類暴露健康風(fēng)險[46,69].系統(tǒng)了解銻的來源及分布特征,大氣、水體、土壤、作物、沉積物等環(huán)境介質(zhì)中銻的地球化學(xué)循環(huán)機理對于深入認(rèn)識銻污染對環(huán)境及人體健康風(fēng)險具有重要意義.此外,不同環(huán)境介質(zhì)和生物群(包括植物和動物)、飲食來源及人體系統(tǒng)中銻含量閾值的研究較為缺乏.此類方向研究將充實有關(guān)銻的環(huán)境與生物地球化學(xué)理論,豐富有毒元素與人體健康風(fēng)險關(guān)系的知識體系[70].

銻的微生物生態(tài)效應(yīng)及微生物對銻的代謝機制研究.銻和微生物的相互作用可以影響地球化學(xué)環(huán)境中兩者的存在量及存在形式.微生物群落結(jié)構(gòu)通過影響銻的溶解、氧化、還原、甲基化和生物累積,從而影響環(huán)境中銻的遷移轉(zhuǎn)化過程[71-72].銻也可以對微生物群落產(chǎn)生生態(tài)效應(yīng),對微生物生物量、酶活性、基本呼吸速率、群落結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)過程產(chǎn)生重要影響[46].在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),銻的吸收、轉(zhuǎn)運、代謝及生物可利用性與土壤中微生物群落密切相關(guān),因此不同環(huán)境條件下銻和微生物群落的相關(guān)作用研究將是未來持續(xù)的研究趨勢和熱點.

3 結(jié)論

3.1 銻對農(nóng)作物影響研究的發(fā)文數(shù)量呈快速增長態(tài)勢,2016～2021年發(fā)文量為194篇/年,表明國內(nèi)外學(xué)者對該領(lǐng)域研究的關(guān)注度不斷提高.我國是發(fā)文量最多的國家,其次為美國、巴西、印度、意大利、西班牙等國家,且我國發(fā)文的被引頻次和 H-index值也位居前列,表明我國在該領(lǐng)域的研究較為活躍.

3.2 通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及突顯詞分析發(fā)現(xiàn),本研究領(lǐng)域發(fā)展的緩慢增長期(2005年以前)研究主題側(cè)重于農(nóng)作物對銻的代謝吸收及植物生長影響研究;快速增長期(2006～2015)的研究主題側(cè)重于植物對銻的抗性和吸收特征以及土壤理化性質(zhì)變化條件下銻的含量和穩(wěn)定性等方向的研究;急速增長期(2016～2022)的研究主題側(cè)重于考慮到土壤、作物、水體、沉積物等環(huán)境中銻的遷移轉(zhuǎn)化機制的研究,特別是土壤系統(tǒng)(如稻田土壤)中微生物群落活性的動態(tài)變化以及對人類健康的風(fēng)險評價研究.

3.3 未來該領(lǐng)域的研究可能主要集中于水體—土壤—農(nóng)作物系統(tǒng)中銻元素遷移轉(zhuǎn)化過程的影響因子及影響機制研究、銻的微生物生態(tài)效應(yīng)及微生物活性對農(nóng)作物銻吸收、富集、生物可利用性的響應(yīng)機理研究等方面.