基于CiteSpace 的國內(nèi)外人工濕地研究動態(tài)與未來展望

侯耀鈞，陳啟斌，王朝旭，王永，李作臣，王亞煒，李亞男，崔建國*

1.太原理工大學環(huán)境科學與工程學院

2.中電建市政建設(shè)集團北方國際工程有限公司

3.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心

1953年，德國學者Seidel 在研究中發(fā)現(xiàn)蘆葦?shù)鼐哂兴|(zhì)凈化的功能，并構(gòu)建出人工濕地的雛形。1972年，德國學者Kichunth 在前者基礎(chǔ)上，提出根區(qū)法（the root-zone-method）理論，強調(diào)了高等植物在濕地污水處理系統(tǒng)中的去除污染物作用，之后人工濕地技術(shù)開始受到關(guān)注并在工程中得到了應(yīng)用[1]。20 世紀80年代，歐洲、北美洲等地區(qū)的國家，陸續(xù)在官方技術(shù)指南中將人工濕地確定為一種有效的污水處理技術(shù)[2]。1996年，在維也納召開的第4 屆人工濕地國際研討會，標志著人工濕地作為一種新型污水處理技術(shù)正式進入水污染控制領(lǐng)域[3]。2000年以來，人工濕地因其成本低、易管理、生態(tài)友好、脫氮除磷能力強和兼具景觀價值等優(yōu)點[4]，對水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)和景觀建設(shè)具有重要意義，已廣泛應(yīng)用于生活污水、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖場廢水和污水處理廠尾水等的處理。截至2006年，歐洲有1 萬多座人工濕地，北美洲有近2 萬座人工濕地[5]；截至2020年底，中國已建成人工濕地1 171 座[6]。

2000年至今，國內(nèi)外學者在人工濕地領(lǐng)域取得了重大研究進展，發(fā)表的相關(guān)文獻已有數(shù)萬篇，相關(guān)的總結(jié)和綜述也已超百篇，但目前對國內(nèi)外人工濕地領(lǐng)域的研究動態(tài)和演變進行全面梳理和述評的文獻較少。筆者通過文獻計量學方法，基于CiteSpace等軟件統(tǒng)計分析2000—2021年國內(nèi)外人工濕地領(lǐng)域的文獻，通過軟件導(dǎo)出的可視化知識圖譜，解析研究動態(tài)，預(yù)測未來發(fā)展趨勢，以期為國內(nèi)人工濕地的深入研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以2000年以來國內(nèi)外學者在人工濕地領(lǐng)域發(fā)表的核心數(shù)據(jù)庫期刊文獻為研究對象，文獻來源于中國知網(wǎng)（CNKI）核心期刊數(shù)據(jù)庫和Web of Science（WoS）核心合集數(shù)據(jù)庫，檢索時間為2000年1 月1 日—2021年12 月31 日。在CNKI 核心期刊數(shù)據(jù)庫中采用“主題”的檢索方式，檢索詞匯為“人工濕地”，文獻類別為學術(shù)期刊；在WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫中以檢索式“TS=("constructed wetland*")or TS=("artificial wetland*")”進行精準檢索，檢索式字段TS 表示主題，文獻類別選用論文、綜述和在線發(fā)表，文獻語言選擇English。通過人工閱讀去除無關(guān)文獻，最終確定了4 056 篇中文文獻和9 465 篇英文文獻。其中，英文文獻中有2 805 篇由中國學者發(fā)表，將其與中文文獻合并為國內(nèi)文獻（6 861 篇），剩余6 660 篇英文文獻為國外文獻。

1.2 研究方法

文獻計量分析采用CiteSpace 軟件v6.1.R3，設(shè)置年份切片為1年，分別對國內(nèi)外人工濕地領(lǐng)域文獻的發(fā)文作者、研究方向及研究熱點演化進行可視化分析并生成相應(yīng)的知識圖譜，將年發(fā)文量、發(fā)文國家、發(fā)文機構(gòu)、發(fā)文期刊、高被引文獻等計量結(jié)果繪制成相應(yīng)圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 年發(fā)文量

2000—2021年人工濕地領(lǐng)域年發(fā)文量變化如圖1 所示。國內(nèi)外人工濕地領(lǐng)域年發(fā)文量總體呈現(xiàn)出快速增長趨勢，表明人工濕地研究處于持續(xù)推進和快速發(fā)展中。從圖1 可以看出，國外文獻年際發(fā)文量變化曲線可以劃分為2 個區(qū)間：第一區(qū)間（2000—2015年）為總體較快增長區(qū)，其中2000年發(fā)文93 篇，2015年則增長至402 篇，發(fā)文量年際雖存在一定的波動，但總體上增長了3.3 倍；第二區(qū)間（2016—2021年）為加速增長區(qū)，人工濕地研究方向和內(nèi)容不斷拓展，包括印度、巴西等在內(nèi)的發(fā)展中國家也開始研究和應(yīng)用人工濕地，使國外英文文獻年發(fā)文量連續(xù)5年年平均增長率保持在11.4%，2021年發(fā)文量達到峰值（654 篇）。

國內(nèi)人工濕地研究起步較晚但發(fā)展迅速。2000年，國內(nèi)年發(fā)文總量（中文、英文文獻之和）相比國外差距較大；2001—2011年，國內(nèi)年發(fā)文總量進入快速增長階段，且以中文文獻為主，國內(nèi)年發(fā)文總量迅速增長與我國實施了國家水體污染控制與治理科技重大專項等項目密切相關(guān)，并且人工濕地高效去除污染物和低成本的優(yōu)點符合當時中國的國情，引發(fā)了國內(nèi)學者對人工濕地的持續(xù)深入研究[7]。2011年之后，國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域年發(fā)文總量的增長速率開始放緩，其中中文文獻年發(fā)文量達到峰值并開始小幅下降，并逐漸進入穩(wěn)定期；英文文獻年發(fā)文量從2008年開始一直在快速增長，并于2016年超過中文文獻，成為國內(nèi)人工濕地研究文獻的主要組成部分。分析其原因：深度研究導(dǎo)致試驗周期延長，進而引起國內(nèi)文獻發(fā)文量增長趨勢放緩；大部分學者優(yōu)先考慮在國際期刊投稿，導(dǎo)致近些年出現(xiàn)國內(nèi)英文文獻年發(fā)文量大于中文文獻的現(xiàn)象。

2.2 發(fā)文國家

2000—2021年WoS 中人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的國家的地理分布如圖2 所示。從發(fā)文量排名上，中國發(fā)文近3 000 篇，居世界首位；美國發(fā)文1 700 余篇，位列第2；其余國家的發(fā)文量遠少于中國和美國，僅有300～500 篇。從地理分布上，人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的國家中，除亞洲的中國和印度為發(fā)展中國家之外，其余均為發(fā)達國家；發(fā)文國家主要集中在歐洲，其中西班牙是歐洲地區(qū)發(fā)文量最多的國家；發(fā)文量排名前10 的國家沒有來自非洲和南美洲地區(qū)的，表明這些地區(qū)人工濕地研究熱度及應(yīng)用相對缺乏，這可能與當?shù)卣邔?dǎo)向、經(jīng)濟發(fā)展水平和氣候地理條件有關(guān)[8]。

圖2 2000—2021年WoS 中人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的國家地理分布Fig.2 Geographical distribution of the top 10 countries in terms of the quantity of published papers in the field of constructed wetlands of WoS from 2000 to 2021

2.3 發(fā)文機構(gòu)

2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10的研究機構(gòu)如表1 所示。由表1 可知，在國際人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的科研機構(gòu)中，美國占有3 席，且其發(fā)文量占全部發(fā)文量的30.9%，表明美國仍是世界科研實力最強的國家；中國包括2 家研究機構(gòu)，發(fā)文量占比為22.7%，且中國科學院大學是國際上發(fā)文量最多的研究機構(gòu)，其發(fā)文量占全部發(fā)文量的13.2%，表明中國作為唯一的發(fā)展中國家，科研實力在快速提升；美國農(nóng)業(yè)部和法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究院等屬于農(nóng)業(yè)類機構(gòu)，這些機構(gòu)開展的有關(guān)人工濕地研究與應(yīng)用領(lǐng)域更偏于農(nóng)業(yè)。

表1 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的研究機構(gòu)Table 1 Top 10 research institutions in terms of the quantity of published papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

我國國內(nèi)發(fā)文量排名前10 的研究機構(gòu)來自于高等院校（8 個）和研究院所（2 個），說明高等院校是國內(nèi)科研發(fā)文的主力軍，但基于國際科技發(fā)展的趨勢，應(yīng)持續(xù)加強高校、科研機構(gòu)和企業(yè)的科研合作[9]，不斷提升我國科技競爭力。中國科學院大學的中英文文獻發(fā)文量均居于首位，總發(fā)文量占國內(nèi)全部發(fā)文量的16%，表明其科教融合辦學特色較大地促進了該研究型大學科研水平的全面提升和快速發(fā)展[10]；同濟大學的中文文獻發(fā)文量和中國科學院大學的英文文獻發(fā)文量分別位列國內(nèi)第一，而英文文獻發(fā)文量占該機構(gòu)發(fā)文總量的比例最高的則是山東大學（近80%）。值得注意的是，與中國科學院大學同屬中國科學院院屬機構(gòu)的中國科學院水生生物研究所發(fā)文總量位列國內(nèi)第三，表明制度鄰近對科研產(chǎn)出和技術(shù)創(chuàng)新具有正向溢出效益，且制度鄰近水平越高，對技術(shù)創(chuàng)新效率的正向溢出效益越顯著[11]。

2.4 發(fā)文期刊

隨著研究人員對學術(shù)期刊質(zhì)量重視程度的提高，各種期刊影響力定量評價指標層出不窮[12]，但期刊的影響因子（IF）目前仍是期刊吸引高質(zhì)量文獻的重要條件和作者團隊選擇投稿期刊的參考[13]。2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前5 的期刊如表2 所示。Ecological Engineering（IF=4.379）是國際上發(fā)文量最高且唯一超1 000 篇的期刊，同時，Ecological Engineering不僅發(fā)文量遠遠超過其他4 個期刊，而且在全部英文文獻發(fā)文量的占比為17.6%。發(fā)文量位列第三、五的高發(fā)文期刊Science of the Total Environment（IF=10.754）和Bioresource Technology（IF=11.889）的國際學術(shù)影響力較大。

表2 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前5 的期刊Table 2 Top 5 journals in terms of the quantity of published papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)高發(fā)文期刊為《環(huán)境科學》（IF=3.936）、《生態(tài)學報》（IF=4.733）和《農(nóng)業(yè)工程學報》（IF=3.446）等，其中《環(huán)境科學》以150 篇的發(fā)文量位列首位。但需指出的是，與國際高發(fā)文期刊相比，國內(nèi)發(fā)文期刊呈現(xiàn)出刊物數(shù)量多、集中度和單刊發(fā)文量低的特點，這可能與期刊的辦刊宗旨和欄目設(shè)置有關(guān)。

2.5 發(fā)文作者

某一領(lǐng)域的主要發(fā)文作者對該領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)、研究熱點及趨勢具有較精準的把握，持續(xù)跟蹤主要發(fā)文作者及其團隊的最新研究成果，可以實時了解到主流的研究方向。2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的作者如表3 所示。在國際上，發(fā)文量最多的作者是西班牙加泰羅尼亞理工大學的Garcia J，發(fā)表了86 篇英文文獻；捷克布拉格生命科學大學的Vymazal J 和西安理工大學的趙亞乾均發(fā)表83 篇英文文獻，并列第二。發(fā)文量排名前10 的作者中，有3 位作者（趙亞乾、張建和吳振斌）來自中國的高?；蚩蒲性核?。2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外作者合作圖譜如圖3 所示，發(fā)文作者之間的合作包括：加泰羅尼亞理工大學的Garcia J、Becares E 等的團隊，主要開展強化人工濕地對新型污染物和藥物成分（如抗生素）去除的研究；丹麥奧胡思大學的Brix H 和Arias C A 等的團隊，主要開展比較人工濕地性能以及對病原微生物去除的研究。

表3 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域發(fā)文量排名前10 的作者Table 3 Top 10 authors in terms of the quantity of published papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

圖3 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外作者合作圖譜Fig.3 Collaborative map of the foreign authors in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

根據(jù)表3 所示，2000—2021年國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域發(fā)文總量最多的作者是中國科學院水生生物研究所的吳振斌，共發(fā)表155 篇文獻，其中中文文獻103 篇，英文文獻52 篇，并且吳振斌還是發(fā)表中文文獻最多的作者；西安理工大學的趙亞乾是發(fā)表英文文獻最多的作者。2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)作者合作圖譜如圖4 所示。發(fā)文作者之間的合作有：中國科學院水生生物研究所的吳振斌、賀鋒、成水平、徐棟、付貴萍等的團隊，目前主要開展有關(guān)人工濕地基質(zhì)堵塞[14]、低溫環(huán)境下的除污效果強化[15]和設(shè)計地方性示范工程[16]等偏應(yīng)用類研究；山東大學的張建、胡振、吳海明、謝慧君、梁爽等的團隊，目前主要開展人工濕地新型耦合工藝效果、新興污染物去除等前沿研究。

圖4 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)作者合作圖譜Fig.4 Collaborative map of the domestic authors in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

2.6 高被引文獻

文獻的被引次數(shù)在一定程度上可以反映出其在某領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流影響力的大小，被引用的次數(shù)越多，得到業(yè)內(nèi)同行的關(guān)注度就越高，其學術(shù)影響力就越大。高被引文獻往往表現(xiàn)為該文獻抓住了某一研究階段該領(lǐng)域的研究主題和熱點，引領(lǐng)了該領(lǐng)域的相關(guān)學術(shù)前沿[17]。2000—2021年國際人工濕地領(lǐng)域被引次數(shù)排名前5 的文獻如表4 所示。在WoS 數(shù)據(jù)庫中被引次數(shù)最高的文獻是捷克布拉格生命科學大學Vymazal J 發(fā)表的Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[18]，被引次數(shù)達到了1 701 次，該文獻闡明了人工濕地中氮、磷轉(zhuǎn)化的路徑及去除機理，并分析了不同復(fù)合人工濕地在氮、磷高效去除方面的優(yōu)勢；其次是Stottmeister U 等發(fā)表的Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment[19]，被引用了847 次，位列第二，該文獻深入探討了濕地植物和根區(qū)微生物去除污染物的機理，并指出未來人工濕地發(fā)展需重點關(guān)注的幾個方面。在文獻計量學中，評價和認定核心作者的有發(fā)文量和被引次數(shù)2 個指標[20]。由表3 和表4 可知，Vymazal J 既是高發(fā)文作者，同時也是高被引作者。因此，Vymazal J可以被認為是國際上人工濕地領(lǐng)域的核心作者，具有廣泛和較高的學術(shù)影響力。

表4 2000—2021年國際人工濕地領(lǐng)域被引次數(shù)排名前5 的文獻Table 4 Top 5 cited papers in the international field of constructed wetlands from 2000 to 2021

2000—2021年國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域被引次數(shù)排名前5 的文獻如表5 所示。楊永興發(fā)表的《國際濕地科學研究的主要特點、進展和展望》[21]被引次數(shù)最高，在CNKI 數(shù)據(jù)庫中被引用1 022 次，該文獻在總結(jié)國際濕地最新進展的基礎(chǔ)上，指出人工濕地構(gòu)建已成為21 世紀科學研究的重點，為國內(nèi)濕地科學的發(fā)展指明了方向；其次是夏漢平發(fā)表的《人工濕地處理污水的機理與效率》[22]，在CNKI 數(shù)據(jù)庫中被引用了845 次，該文獻對人工濕地的概念進行了定義，總結(jié)出人工濕地與天然濕地的不同特征，同時全面闡述了系統(tǒng)中基質(zhì)、微生物和植物的除污機理及耦合作用。值得注意的是，吳海明等在2015年發(fā)表的A review on the sustainability of constructed wetlands for wastewater treatment: design and operation[23]，不僅是WoS 數(shù)據(jù)庫中被引次數(shù)最高的國內(nèi)英文文獻，而且在5 篇高被引文獻中是發(fā)表時間最短的文獻。該文獻在回顧人工濕地應(yīng)用的基礎(chǔ)上，總結(jié)了濕地系統(tǒng)可持續(xù)運行的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，并指出未來應(yīng)加強提高濕地系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性的研究，該文獻對于國內(nèi)人工濕地的設(shè)計與運營具有較大的參考價值。

表5 2000—2021年國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域被引次數(shù)排名前5 的文獻Table 5 Top 5 cited papers in the domestic field of constructed wetlands from 2000 to 2021

對人工濕地領(lǐng)域國際和國內(nèi)高被引文獻的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，綜述類文獻的受關(guān)注程度和被引用的幾率要高于一般研究類文獻[24]，高被引文獻多為綜述，其主題集中于濕地中基質(zhì)、微生物和動植物的耦合作用及除污過程，對有機物、氮磷、重金屬的去除機理，不同類型人工濕地的除污效率等。另外，越早發(fā)表的文獻，其被引次數(shù)往往越高。

2.7 研究方向

借助CiteSpace 對國內(nèi)外人工濕地領(lǐng)域文獻的高頻關(guān)鍵詞進行提取并聚類，通過聚類主題可以反映出2000年以來國內(nèi)外學者在人工濕地領(lǐng)域的主要研究方向。

2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外文獻關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖5 所示。國際人工濕地領(lǐng)域的研究方向在關(guān)注“domestic wastewater treatment”（生活污水處理）和常規(guī)污染物“heavy metal”（重金屬）去除的同時，對包括“personal care product”（個人護理品）在內(nèi)的新興污染物、“methane emission”（甲烷排放）和“wetland-microbial fuel cell”（濕地-微生物燃料電池）耦合技術(shù)等方面的研究關(guān)注度也較高。隨著人們生活水平的提高，個人護理品被大量使用，使得污水中出現(xiàn)很多新興污染物，如持久性有機污染物、內(nèi)分泌干擾物和微塑料等[25-28]，目前國外學者正在開展人工濕地對新型污染物的去除機理、效果和穩(wěn)定性的相關(guān)研究。從早期碳足跡研究到現(xiàn)在的碳減排目標，國外學者們對人工濕地的溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）排放研究進一步加深，目前人工濕地在溫室氣體排放方面多表現(xiàn)為碳源或弱碳匯，強化碳匯型人工濕地的碳捕捉、碳封存能力[29-30]，將人工濕地應(yīng)用于溫室氣體控制，是該方向的主要研究內(nèi)容。人工濕地-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)在凈化污水的同時可產(chǎn)出少量電能，目前研究主要還是集中于如何提高該系統(tǒng)的產(chǎn)電效能和回收效率，尚未應(yīng)用于實際工程中[31]。

圖5 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外文獻關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.5 Keyword clustering mapping of foreign papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)文獻關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖6 所示。國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域的主要研究方向可歸納為以下4 類：1）人工濕地去除污染物機理研究?！皾竦刂参铩薄盎|(zhì)”“functional gene（功能性基因）”3 個研究方向均與人工濕地的除污機理有關(guān)，即利用植物、基質(zhì)及微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用凈化污水。在人工濕地領(lǐng)域關(guān)于植物方面的研究內(nèi)容有濕地植物的篩選與搭配等[32]，關(guān)于基質(zhì)方面的研究內(nèi)容有開發(fā)新型基質(zhì)等[33]，由于微生物在人工濕地凈化中起主導(dǎo)作用，所以微生物也是國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域的主要研究方向之一，已開展了有關(guān)amoA和anammox等功能性基因[34]、微生物群落結(jié)構(gòu)組成及多樣性的研究[35]。2）提升人工濕地除污效能研究。利用人工濕地技術(shù)進行多種“污（廢）水處理”并保證其高效穩(wěn)定的凈化效果，是本領(lǐng)域最主要的研究方向[23]，相關(guān)研究內(nèi)容涉及提升人工濕地在低溫、低碳氮比、高負荷等復(fù)雜工況下的凈化效果[36]。3）人工濕地去除污染物對象研究。從早期去除人工濕地中有機物、氮磷營養(yǎng)鹽/脫氮（nutrient removal）和重金屬（heavy metal）等常規(guī)污染物，到之后新興污染物抗生素抗性基因（antibiotic resistance gene）去除等，除污對象的范圍一直在增加。4）人工濕地應(yīng)用研究。目前人工濕地技術(shù)在處理常規(guī)污水方面已經(jīng)成熟，國內(nèi)相關(guān)學者開始嘗試將人工濕地用來處理低污染負荷的水體，例如城市尾水處理（municipal tailwater treatment），解決硝化缺氧、反硝化缺碳源等問題[37]，是該方向的主要研究內(nèi)容；人工濕地作為一種接近自然的處理技術(shù)，在治理水體富營養(yǎng)化的同時，也為動物提供棲息地和恢復(fù)自然景觀等，起到了生態(tài)修復(fù)的作用，因此得到了廣泛應(yīng)用。

圖6 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)文獻關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.6 Keyword clustering mapping of domestic papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

2.8 研究熱點演化

關(guān)鍵詞突現(xiàn)性指一定時期內(nèi)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率的快速增加，反映該時段的研究熱點或新的研究趨勢，通過對國內(nèi)外文獻的突現(xiàn)詞追蹤，可以掌握領(lǐng)域內(nèi)研究熱點的演化動態(tài)，進而預(yù)測發(fā)展趨勢。

2.8.1 國外研究熱點演化

通過對國外英文文獻進行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析，得到不同時期突現(xiàn)強度最高的10 個關(guān)鍵詞。2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外文獻研究熱點演化如表6 所示。研究熱點從時間上大致可以分為以下2 個階段：1）2000—2014年。該階段共有7 個突現(xiàn)的研究熱點，其中沉積物、水和廢水處理3 個研究熱點從2000年出現(xiàn)，并在之后持續(xù)了5～10年。國外學者在該階段關(guān)注到了沉積物問題，人工濕地利用沉淀、過濾和吸附等物理作用形成大量沉積物，如果發(fā)生擾動很可能使沉積物再懸浮或釋放污染物[38]，因此對人工濕地中沉積物的控制是國外的一個研究熱點。國外學者在人工濕地研究中還關(guān)注到了有關(guān)大型植物的研究，通過研究大型植物的習性特點、篩選合適物種和優(yōu)化種植搭配，以提升污水處理效果和達到自然景觀作用。此外，國外一些國家的人工濕地研究由農(nóng)業(yè)類研究機構(gòu)主導(dǎo)，開展了大量利用人工濕地治理農(nóng)業(yè)面源污染的研究，其中包括利用人工濕地降解阿特拉津等農(nóng)藥[39]。2）2015—2021年。國外結(jié)合分子生物學等技術(shù)對人工濕地開展了深入的研究，并且著重開展有關(guān)抗生素抗性基因的研究，目前主要集中于人工濕地在去除抗生素的同時避免誘導(dǎo)抗生素抗性基因的產(chǎn)生[28]方面。此外，近些年能源緊張問題凸顯，國外學者開始研究利用人工濕地對能源進行回收再利用，例如提高微生物燃料電池濕地系統(tǒng)中電能的回收。在應(yīng)用方面，國內(nèi)外學者都將人工濕地視為解決水生態(tài)破壞問題和生物棲息地喪失問題的重要手段，主要應(yīng)用于環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)等方面。

表6 2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國外文獻研究熱點演化Table 6 Evolution of research hotspots of foreign papers in the field of constructed wetlands from 2000 to 2021

2.8.2 國內(nèi)研究熱點演化

2000—2021年人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)文獻研究熱點演化如表7 所示。通過對國內(nèi)文獻關(guān)鍵詞進行突現(xiàn)分析，共得到突現(xiàn)強度最高的16 個關(guān)鍵詞，從時間上大致可以分為3 個階段：1）2000—2011年，快速發(fā)展階段。該階段突現(xiàn)的關(guān)鍵詞比其他階段多，主要包括污（廢）水處理、潛流人工濕地、富營養(yǎng)化、蘆葦和復(fù)合垂直流等，研究熱點集中于人工濕地去除污染物機理和潛流人工濕地、復(fù)合垂直流人工濕地技術(shù)強化除污效果的深入研究，以及將人工濕地技術(shù)應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體的綜合防治。通過對比表6 可以看出，國外關(guān)于人工濕地處理污水的研究從2000年前延續(xù)到2004年，而國內(nèi)相關(guān)研究熱點出現(xiàn)在2003—2006年，說明國外在早期應(yīng)用方面略早于國內(nèi)。在該階段中，因處理要求進一步提高，而單一的濕地結(jié)構(gòu)很難滿足需求，所以由多個不同濕地單元組成的復(fù)合型人工濕地系統(tǒng)受到學者的關(guān)注[40]，其相關(guān)研究主要集中在對生活污水、污水處理廠尾水和養(yǎng)殖廢水等污水處理的研究，碳、氧調(diào)控下濕地脫氮效果的研究，濕地系統(tǒng)反應(yīng)動力學及水流流態(tài)研究[41]。2）2012—2016年，工藝強化和廣泛應(yīng)用階段。該階段突現(xiàn)關(guān)鍵詞包含潮汐流、去除率和農(nóng)村生活污水。該階段研究熱點中出現(xiàn)了新的人工濕地類型，潮汐流人工濕地采用間歇性快速進水排水的方式增加內(nèi)部環(huán)境的溶解氧[42]，加強了微生物的代謝能力，進而提高除污效率[43]，表明在該階段國內(nèi)學者已基本了解人工濕地的除污機理主要在于微生物[7]，并基于這些理論著重研究提升微生物的代謝能力。此外，學者們還通過開發(fā)高性能填料和耦合新工藝等方法來提升人工濕地對污染物的去除率。人工濕地在應(yīng)用范圍上也進一步擴大，如在農(nóng)村等偏遠地區(qū)應(yīng)用人工濕地處理污水等[44]。3）2017—2021年，成熟發(fā)展和新方向涌現(xiàn)階段。人工濕地在深入研究水力停留時間的同時，開始與其他領(lǐng)域產(chǎn)生交叉，新興研究熱點在該階段突增。人工濕地領(lǐng)域新增了研究手段——微生物群落（即利用基因測序等技術(shù)從微觀角度展開對微生物的相關(guān)研究）、基質(zhì)材料——生物炭、去除對象——重金屬、應(yīng)用領(lǐng)域——海綿城市和污水處理廠尾水。人工濕地目前已進入成熟階段，但占地面積大仍是該技術(shù)在推廣中遇到的主要問題，優(yōu)化水力停留時間不僅可以提高人工濕地的凈化效果、水力負荷和污染物負荷，而且還能減少占地面積，有利于人工濕地的進一步推廣[45]。隨著微生物學和基因組學等學科的快速發(fā)展，學者們通過研究菌群的結(jié)構(gòu)、代謝特性和功能多樣性等，從微觀角度完善除污機理并強化除污效率。生物炭相比傳統(tǒng)基質(zhì)具有更好的吸附污染物能力和更多附著的微生物[46]，因此學者們開展了大量關(guān)于生物炭基質(zhì)對人工濕地處理效果、微生物群落代謝和溫室氣體排放影響的研究[47]。長期的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，人工濕地在處理污水的同時，還可以滿足海綿城市的四類控制目標，但雨水徑流控制還需區(qū)別于污水處理，目前學者們正在研究如何依據(jù)側(cè)重點設(shè)計適合海綿城市的人工濕地[48]。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，2000年以來人工濕地技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸深入，未來國內(nèi)人工濕地將廣泛用作城市污水處理廠尾水進入自然河道前的生態(tài)緩沖。人工濕地研究經(jīng)歷了從探索除污機理到強化除污效果的階段，目前國內(nèi)外學者結(jié)合分子生物學等領(lǐng)域來優(yōu)化研究手段，從微觀角度進一步完善除污機理，并研究基于新的除污機理強化人工濕地對傳統(tǒng)污染物和新興污染物的去除效果。微生物群落、微生物燃料電池分別是國內(nèi)、國外現(xiàn)階段突現(xiàn)強度最高的關(guān)鍵詞，未來幾年將持續(xù)成為人工濕地領(lǐng)域的研究熱點。人工濕地技術(shù)目前已與多個領(lǐng)域交叉產(chǎn)生新的研究熱點，未來有望與更多領(lǐng)域結(jié)合，例如結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)手段建立數(shù)字預(yù)測模型[49]。

3 結(jié)論

（1）2000—2021年國外人工濕地領(lǐng)域的年發(fā)文量呈快速增長趨勢，國內(nèi)人工濕地研究起步晚但發(fā)展迅速，目前在WoS 核心合集數(shù)據(jù)庫中，中國學者發(fā)表的英文文獻數(shù)量已居世界首位。

（2）中國科學院大學是人工濕地領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)文量最多的研究機構(gòu)。國外人工濕地領(lǐng)域發(fā)文最多的期刊是Ecological Engineering，國內(nèi)發(fā)文最多的期刊是《環(huán)境科學》。國外發(fā)表有關(guān)人工濕地研究文獻最多的作者是Garcia J，國內(nèi)發(fā)文最多的作者是吳振斌。

（3）國外人工濕地領(lǐng)域的主要研究方向在傳統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上還關(guān)注到了耦合微生物燃料電池技術(shù)與個人護理品等新興污染物的去除等；國內(nèi)人工濕地領(lǐng)域的主要研究方向圍繞除污機理、除污效能、除污對象及其應(yīng)用等方面展開。

（4）人工濕地技術(shù)已進入成熟階段，應(yīng)用范圍進一步擴寬，并與多領(lǐng)域產(chǎn)生交叉。未來人工濕地將廣泛應(yīng)用于包括城鎮(zhèn)污水處理廠尾水在內(nèi)的低污染水處理，利用基因測序技術(shù)從微觀角度研究人工濕地和人工濕地-微生物燃料電池耦合技術(shù)將是未來幾年人工濕地領(lǐng)域的研究熱點，未來人工濕地有望與更多新興領(lǐng)域結(jié)合。