基于文獻(xiàn)計(jì)量的土壤重金屬污染研究進(jìn)展

毛文軒，張 華

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 遼寧 大連 116029)

1 引言

重金屬元素是地殼的重要組成部分[1,2]。土壤重金屬污染是土壤中過量的砷(As)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鉻(Cr)和銅(Cu)等重金屬元素不能為土壤微生物所分解，而可為生物所富集，成為土壤中不斷積累的污染物[3]。土壤中的重金屬主要來源于母質(zhì)和人為污染兩個方面，一方面母質(zhì)的性質(zhì)和成土作用可以為土壤重金屬的積累創(chuàng)造條件，因此，母質(zhì)的風(fēng)化是一個影響土壤重金屬含量的自然過程[4,5]；另一方面，目前的人為污染主要源自交通運(yùn)輸、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]，例如工業(yè)生產(chǎn)中排放的污泥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉的污水等，都不同程度地含有生物難以降解的過量重金屬元素，導(dǎo)致土壤受到不同程度的重金屬污染。

重金屬元素在土壤中的積累、遷移不僅危害區(qū)域生態(tài)安全，影響動植物的生長發(fā)育，而且通過食物鏈進(jìn)入人體，危害暴露區(qū)的人體健康，導(dǎo)致一些慢性病的發(fā)生[7]。例如1955年日本富山通川流域的“骨痛病”系由糙米吸收了受污染土壤中的過量重金屬元素鎘而引起，1997年美國蒙大拿州的兩個農(nóng)業(yè)區(qū)也由于土壤重金屬污染使當(dāng)?shù)匦←湶荒苁秤?。根?jù)《2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[8]顯示，中國已有16.9%的土壤受到不同重金屬元素的污染，其中砷、鎘、汞、鉛、鋅、鉻和銅濃度超標(biāo)的土壤分別占2.7%、7.0%、1.6%、1.5%、0.9%、1.1%和2.1%，土壤重金屬污染防治已刻不容緩。

國際上有關(guān)土壤重金屬污染的事件最早在20世紀(jì)30年代的美國公共衛(wèi)生與國家衛(wèi)生雜志開始報(bào)道，但當(dāng)時對土壤污染的研究較為缺乏，相關(guān)研究并沒有深入。直到1973年《Heavymetal Pollution and Soil Enzymaticactivity》[9]與《Heavy-metal Pollution in Trondheimsfjorden and Hardangerfjorden Study Using Soil Analysis》[10]兩篇論文的發(fā)表，國際社會才逐漸重視對土壤重金屬污染的研究。我國有關(guān)土壤重金屬污染的研究最早可追溯到20世紀(jì)70年代，國內(nèi)學(xué)者在研究日本富山縣神通川流域的骨痛病過程中，將該地區(qū)土壤中的鎘污染作為研究對象，總結(jié)了鎘含量與病因的關(guān)系，提出鎘含量標(biāo)準(zhǔn)和土壤治理的建議[11]。近年來，國內(nèi)外土壤重金屬污染的研究逐漸趨向定量化研究。然而，對土壤中重金屬含量的分析缺乏客觀、準(zhǔn)確的評價(jià)方法[12～15]。因此，為了準(zhǔn)確評價(jià)土壤重金屬富集程度及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系，許多污染研究方法已逐漸在分析過程中被應(yīng)用[16,17]。時至今日，土壤重金屬污染研究已開展多年，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量也呈快速增長趨勢。文獻(xiàn)計(jì)量法以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，從定量分析出發(fā)，在文獻(xiàn)信息計(jì)量、科學(xué)評價(jià)方面具有廣泛應(yīng)用[18]?；诖耍疚倪x取2000～2021年土壤重金屬污染研究相關(guān)文獻(xiàn)，從發(fā)文量、研究熱點(diǎn)及研究趨勢、土壤重金屬元素關(guān)注度、研究方法四個方面梳理國內(nèi)外土壤重金屬污染研究發(fā)展態(tài)勢，旨在為土壤重金屬污染研究與土壤資源的可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究基于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫和CNKI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析，其中CNKI數(shù)據(jù)庫設(shè)定為中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫，兩個數(shù)據(jù)庫檢索的時間跨度均為2000年1月1日至2022年1月1日。Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫的檢索式為“主題=(soil heavy metal pollution)OR 主題=(soil heavy metal risk)”，共檢索到英文文獻(xiàn)366篇；CNKI數(shù)據(jù)庫的檢索式為“主題=(土壤重金屬污染)OR主題=(土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn))”，共檢索到中文文獻(xiàn)769篇。以兩個數(shù)據(jù)庫檢索到的1135篇文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)源，以兩個數(shù)據(jù)庫自帶發(fā)文量檢索功能進(jìn)行發(fā)文量及其增長率的分析；運(yùn)用ItgInsight軟件[19]繪制關(guān)鍵詞聚類圖和研究主題熱點(diǎn)圖，對研究熱點(diǎn)及研究趨勢進(jìn)行可視化分析；運(yùn)用Excel統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)中對土壤重金屬元素的研究頻次及不同研究方法的應(yīng)用頻次。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)文量變化態(tài)勢

發(fā)文量在一定程度上反映了該研究領(lǐng)域受到關(guān)注的程度[20,21]。近22年來，中國有關(guān)土壤重金屬污染研究的發(fā)文量增長率為8300%，發(fā)文量呈逐年增長態(tài)勢(圖1)，大致可劃分為3個階段：第一階段在2000～2004年，為緩慢增長階段，該階段發(fā)文量少，發(fā)文量增長率為200%；第二階段在2005～2015年，為迅猛增長階段，在此期間我國開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查，發(fā)文量增長率為680%，表明在開展土壤污染調(diào)查后，我國對土壤重金屬污染研究的重視程度開始加強(qiáng)；第三階段在2016～2021年，為平穩(wěn)增長階段，該階段發(fā)文量多，發(fā)文量增長率為50%。近22年國外有關(guān)土壤重金屬污染研究的發(fā)文量增長率為7700%，發(fā)文量呈逐年增長態(tài)勢(圖2)，大致可以分為3個階段：第一階段在2000～2012年，為緩慢增長階段，該階段發(fā)文量少，發(fā)文量增長率為700%；第二階段在2013～2017年，為迅猛增長階段，發(fā)文量增長率為933%；第三階段在2018～2021年，為平穩(wěn)增長階段，該階段發(fā)文量多，發(fā)文量增長率為95%。

圖1 基于CNKI數(shù)據(jù)庫歷年發(fā)文量及其增長率變化態(tài)勢

圖2 基于Web of Science數(shù)據(jù)庫歷年發(fā)文量及其增長率變化態(tài)勢

3.2 研究熱點(diǎn)及研究趨勢

高頻關(guān)鍵詞是歸納該研究領(lǐng)域相關(guān)熱點(diǎn)問題的基礎(chǔ)[22～24]。從CNKI數(shù)據(jù)庫的相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類圖(圖3)可以看出，高頻關(guān)鍵詞有重金屬、污染評價(jià)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、空間分布特征、來源分析、地積累指數(shù)、GIS、土地利用類型等，反映出土壤重金屬污染研究熱點(diǎn)以污染研究方法及農(nóng)業(yè)用地、礦區(qū)土地、廠區(qū)用地三大土地利用類型的土壤重金屬污染研究為主。從研究熱點(diǎn)圖看(圖4)，土壤重金屬污染研究的熱點(diǎn)主要集中在重金屬元素分析、基于GIS空間分析技術(shù)的土壤重金屬空間分布格局與源解析，這與高頻關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果趨于一致。從總體研究趨勢看，CNKI數(shù)據(jù)庫土壤重金屬污染研究主要研究熱點(diǎn)變化趨勢如下：2000～2005年主要為農(nóng)產(chǎn)品、廢棄地、種植區(qū)、分析測試，研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)區(qū)，運(yùn)用分析測試的方法對土壤進(jìn)行測定；2006～2010年主要為工業(yè)區(qū)、冶煉廠、沉積物、環(huán)境質(zhì)量，研究區(qū)重點(diǎn)從農(nóng)業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)區(qū)，同時研究兼顧土壤環(huán)境質(zhì)量的檢測；2011～2015年主要為土壤環(huán)境、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)區(qū)、蔬菜基地、煤矸石，研究區(qū)以農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和礦區(qū)為主；2016～2021年主要為城市功能區(qū)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、尾礦庫、農(nóng)用地、農(nóng)產(chǎn)品、養(yǎng)殖場、農(nóng)作物，研究區(qū)以農(nóng)業(yè)區(qū)為主，同時尾礦庫、城市功能區(qū)也成為了部分研究的研究區(qū)域。

圖3 基于CNKI數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞聚類可視化圖譜

圖4 基于CNKI數(shù)據(jù)庫的研究主題熱點(diǎn)可視化圖譜

Web of Science數(shù)據(jù)庫的相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類圖(圖5)可以看出，高頻關(guān)鍵詞有重金屬、重金屬污染、空間分布、有毒元素、健康風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)評估、采礦活動、工業(yè)源、環(huán)境污染等，反映出土壤污染研究以空間分析與來源解析為主。從研究熱點(diǎn)圖看(圖6)，土壤重金屬污染研究的熱點(diǎn)主要集中在健康風(fēng)險(xiǎn)、有毒元素、基于GIS空間分析技術(shù)的土壤重金屬空間分布格局、源解析等，這與高頻關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果趨于一致。Web of Science數(shù)據(jù)庫的主要研究熱點(diǎn)隨年份的變化為： 2000～2005年主要為個體間來源、農(nóng)用地、暴露評估、關(guān)鍵成分、微量元素、檢出限、造紙污泥、污染區(qū)、總金屬通量，研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)區(qū)和造紙廠，研究以分析測試和人體健康風(fēng)險(xiǎn)測試為主；2006～2010年主要為池塘底泥、影響區(qū)、耕地、糧食作物、廢水灌溉土壤、快速城市化，研究區(qū)以池塘、農(nóng)田、城市為主，重點(diǎn)分析污水灌溉后的農(nóng)田土壤污染狀況及對人體健康的影響；2011～2015年主要為空間分布、健康風(fēng)險(xiǎn)、平均濃度、地表土壤、有機(jī)廢棄物、風(fēng)險(xiǎn)評估，研究區(qū)以工業(yè)區(qū)與農(nóng)田為主，研究方法為空間分析與風(fēng)險(xiǎn)評估；2016～2021年主要為人體健康、健康風(fēng)險(xiǎn)、致癌風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、有毒元素、重金屬污染，研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、礦區(qū)，研究多與人體健康風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系。不同數(shù)據(jù)庫下的關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果、研究熱點(diǎn)大致相同，二者都重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)業(yè)區(qū)土壤與礦區(qū)土壤的相關(guān)污染研究，基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的研究趨勢中出現(xiàn)了有毒元素、健康風(fēng)險(xiǎn)等與人體健康相關(guān)聯(lián)的詞，這表明國外的相關(guān)研究更加注重土壤重金屬污染對人體健康的相關(guān)影響。

圖5 基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞聚類可視化圖譜

圖6 基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的研究主題熱點(diǎn)可視化圖譜

3.3 土壤重金屬元素關(guān)注度

從研究頻次看(圖7)，土壤重金屬元素Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn的研究頻次在國內(nèi)、外分別高于400和200，其中Pb的研究關(guān)注度最高，分別為684與332；Hg的研究頻次在國內(nèi)、外分別為375、148，Ni的研究頻次在國內(nèi)、外分別為339、223，有一定研究關(guān)注度；V、Co、Mn、Fe等元素的研究頻次在國內(nèi)、外均低于100，表明Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg是土壤重金屬污染研究的重點(diǎn)。Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg主要來自大氣降塵、工業(yè)廢水污染灌溉、工廠排放、尾礦污染、汽油燃放、農(nóng)藥等。高研究頻次的重金屬元素可以反映出相關(guān)的重金屬元素污染越來越受到人們的重視，這些元素將逐漸成為科研工作者研究的重心。

圖7 文獻(xiàn)中主要土壤重金屬元素研究頻次

3.4 土壤重金屬污染研究方法

從應(yīng)用頻次看(圖8)，國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的研究方法[25]為單因子污染指數(shù)法，應(yīng)用頻次在中國和國外研究中分別為592、262，單因子污染指數(shù)法可反映每一個評價(jià)因子的污染程度，便于各污染因子之間的比較分析[26]，從而可以快速判斷出土壤環(huán)境的主要污染因子。在CNKI數(shù)據(jù)庫中使用較多的研究方法為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，應(yīng)用頻次為517，潛在生態(tài)危害指數(shù)法、地積累指數(shù)法、GIS空間分析技術(shù)[27～31]應(yīng)用頻次分別為243、147、269，內(nèi)梅羅污染指數(shù)是一種通過單因子污染指數(shù)得出的綜合性污染指數(shù)，該方法兼顧單個元素污染指數(shù)平均值和最大值，反映了多種污染物質(zhì)對土壤的作用，同時突出了高濃度污染物對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[32,33]。在Web of Science數(shù)據(jù)庫中，潛在生態(tài)危害指數(shù)法、地積累指數(shù)法、GIS空間分析技術(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法、人體健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法應(yīng)用頻次為232、169、210、150、59。人體健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法在國外研究中多次應(yīng)用，其內(nèi)容主要包括估算污染物進(jìn)入人體的數(shù)量、評估計(jì)量與負(fù)面健康效應(yīng)之間的關(guān)系。這種結(jié)果說明國外的土壤重金屬污染研究對于研究方法的選擇更加多樣并重視人體健康與土壤重金屬污染的關(guān)系[34,35]。

圖8 文獻(xiàn)中土壤重金屬污染研究方法的應(yīng)用頻次

4 結(jié)論與展望

從土壤重金屬污染研究發(fā)文量看，近22年國內(nèi)外有關(guān)土壤重金屬污染研究的發(fā)文量呈逐年增長態(tài)勢，增長率在7700%～8300%間。

從土壤重金屬污染研究熱點(diǎn)看，土壤重金屬的空間分布特征與源解析是當(dāng)前國內(nèi)外土壤重金屬污染研究熱點(diǎn)，國外研究更加注重土壤重金屬污染與人體健康的關(guān)系。

從土壤重金屬元素關(guān)注度看，國內(nèi)外主要研究重金屬元素為Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Hg和Ni，各個元素在國內(nèi)外研究總頻次超過500，其他重金屬元素研究較少。

從土壤重金屬污染研究方法看，單因子污染指數(shù)法是國內(nèi)外污染研究的主要選擇。此外，基于CNKI數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)主要應(yīng)用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法；基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)主要應(yīng)用潛在生態(tài)危害指數(shù)法、地積累指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)法等，在人體健康與土壤重金屬污染研究中則更多采用人體健康風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法。

土壤對人類的生存和發(fā)展意義重大，但過度的人類干擾會導(dǎo)致土壤重金屬累積到有毒水平，從而對人體健康造成巨大風(fēng)險(xiǎn)，最終影響區(qū)域自然資源的可持續(xù)利用?，F(xiàn)階段的研究對單種土壤重金屬元素污染的評價(jià)研究方法較成熟，而多種土壤重金屬對土壤協(xié)同污染評價(jià)研究方法研究；此外，國內(nèi)研究較缺乏重金屬對人體健康的評價(jià)，未來應(yīng)逐步增加污染土壤的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，更多關(guān)注重金屬的毒性效應(yīng)和致癌機(jī)理，有效指導(dǎo)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評估工作。

社會對土壤重金屬污染認(rèn)識逐漸深入以及人們環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，對預(yù)防土壤污染以及土壤污染治理的工作也就提出了更高的要求。未來政府需完善廢水排放、礦產(chǎn)開采等活動的監(jiān)察工作，確保土壤不受到污染或只受到最低程度的污染；學(xué)術(shù)界要加強(qiáng)土壤污染治理的研究工作，開創(chuàng)治理效率高且副作用小的污染治理方法；社會各界應(yīng)繼續(xù)強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)的意識，減少工作、生活對土壤的污染，提高土壤質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對土壤的合理利用與保護(hù)。