基于WOS 的重金屬污染土壤鈍化修復研究文獻計量分析

李 瑞 丁茂文 費維新 張付貴 朱宗河 周可金 余 燕

（1安徽農業(yè)大學農學院，安徽合肥 230036；2安徽省農業(yè)科學院作物科學研究所，安徽合肥 230031）

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源，當前土壤重金屬污染已成為制約作物產量和品質、人類健康和生態(tài)安全的關鍵因素之一。其中工農業(yè)活動是土壤重金屬污染的主要污染源之一[1]。重金屬進入土壤后具有隱匿性、持久性、難降解性和生物累積特性，危害性大且治理困難[2]。研究發(fā)現，重金屬污染不僅會通過改變土壤微生物群落的結構與活性導致土壤退化[3]，還會通過阻礙養(yǎng)分吸收、干擾植物代謝過程及破壞細胞結構等抑制植物生長，最終導致作物減產[4]。研究發(fā)現，重金屬可通過食物鏈富集進入人體可能引發(fā)各種疾病，威脅人類健康[5]。因此，污染土壤修復技術的研發(fā)和應用尤為迫切。

目前，用于重金屬污染土壤的修復技術較多，其中鈍化修復技術作為一種經濟高效的原位修復技術備受關注[6]。鈍化修復的原理主要是通過向土壤中添加鈍化劑，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，降低其生物有效性和生物毒性，最終減少作物中重金屬的積累，從而保障糧食安全[7-9]。該項技術因成本低、操作簡單、無破壞性且效果顯著得到廣泛研究?；诮y(tǒng)計學和數學的文獻計量學理論和方法，可定量化分析具體學科領域的研究內容、特點、方法與熱點，探究其發(fā)展現狀與趨勢。因此，本文運用可視化分析軟件CiteSpace、VOSviewer 及Web of Science（WOS）自帶分析工具，以“Heavy metal contaminated soil passivation”為主題詞，基于2000—2021 年WOS核心庫中土壤重金屬污染鈍化修復相關的文獻進行知識圖譜分析，旨在直觀清晰地展示該領域的研究態(tài)勢與趨勢，為今后相關研究提供視角，為科學利用鈍化劑進行污染農田修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究對土壤重金屬鈍化相關文獻進行分析。數據庫選擇Web of Science核心合集，引文索引選擇Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED），主題詞為（soil or agricultural or farmland or cropland）and（heavy metal）and（amendment or immobilization or stabilization）not（phytoremediation or phytoextraction or bioremediation），時間跨度為2000 年1 月1 日至2021年12月31日，文獻類型選擇“論文”，語種選擇“English”，選取與主題密切相關的4 845篇文獻進行分析，每篇文獻包含題目、作者、研究機構、關鍵詞、發(fā)表年份和發(fā)表期刊等。

1.2 研究方法

利用WOS 自帶分析軟件、Citespace 以及WPS Office 軟件對檢索出的文獻進行整理統(tǒng)計，利用Origin2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 發(fā)文數量

由圖1 可知，2000—2021 年該領域發(fā)文數量整體表現為明顯的上升趨勢。年發(fā)文數量變化情況大致可分為2個階段：（1）2000—2013年土壤重金屬鈍化研究領域相關文獻發(fā)表量總體呈緩慢上升趨勢，個別年份出現小幅波動，總發(fā)文量1 412篇；（2）2014—2021年該領域年發(fā)文數量快速上升，2021年達到最高的709 篇，這一階段發(fā)文數量占總發(fā)文量的70.86%。

圖1 土壤重金屬鈍化領域年發(fā)文數量趨勢

2.2 文獻來源分布

由表1可看出，前5種期刊的發(fā)文量為1 259篇，占發(fā)文總量的26.99%，發(fā)文量超過200 篇的期刊有Environmental Science and Pollution Research、Chemo-sphere、Journal of Hazadous Materials和Science of the Total Environment，發(fā)文量依次為304、268、264 和258篇，遠高于其他期刊，處于領先地位。對上述期刊多加關注，可快速了解全球土壤重金屬鈍化領域的研究發(fā)展方向。

表1 土壤重金屬鈍化領域發(fā)文數量前十的期刊

2.3 論文基金資助來源

基于Web of Science 數據庫檢索到的有效文獻均有基金項目支撐。論文基金資助項目主要有國家自然科學基金、國家重點研究與發(fā)展計劃和中央高校基礎研究經費等（表2）。排名前十的基金資助項目均為國家級基金項目，表明國家級基金資助項目是土壤重金屬鈍化領域研究的主要資助來源之一。其中，國家自然科學基金資助的論文總數為1 062 篇，論文數量遠超其他基金資助，相關數據也反映出重金屬污染是土壤健康的主要限制因素之一，受到了高度重視。

表2 土壤重金屬鈍化領域論文基金資助前十的項目

2.4 發(fā)文國家分布

從表3可看出，中國、美國、西班牙、印度、巴基斯坦、韓國、澳大利亞、意大利、波蘭以及英國在該領域的發(fā)文量居前10 位，其中中國發(fā)文量為1 930 篇，表明中國在土壤重金屬鈍化領域研究占據重要地位。

表3 土壤重金屬鈍化領域發(fā)文量前十的國家

2.5 土壤重金屬鈍化研究熱點

從表4 中可以看出，高頻關鍵詞分別是重金屬（heavy-metals）、固定（immobilization）、鎘（cadmium）、改良劑（amendments）、修復（remediation）、有效（lead）、土壤（soil）、生物利用度（bioavailability）、生物炭（biochar）和吸附（absorption）。研究熱度最高是鎘，其次是鋅、鉛等重金屬[10-12]。目前常用修復方式是在土壤中施入諸如生物炭之類的鈍化劑來降低重金屬的生物有效性，將其固定在土壤中減少作物的吸收積累[13]。中心度較高的關鍵詞之間存在交叉關系，表明土壤重金屬領域研究需要不同學科之間的相互配合。

表4 土壤重金屬鈍化領域出現次數前十的關鍵詞

2.6 發(fā)文作者分布

由表5可知，發(fā)文量超過40篇的作者共有4位，分別是Ok Y、Wang L、Wang Y和Tsang D。

表5 土壤重金屬鈍化研究領域發(fā)文量排名前十的作者

2.7 發(fā)文機構分布

從發(fā)文機構來看（表6），中國科學院為發(fā)文量最多的研究機構，其次為中國農業(yè)科學院農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所和中國科學院大學，表明高校及科研院所是現階段土壤重金屬鈍化研究的主力并且取得了較為豐碩的成果，在跨機構研究方面，少數研究機構間需要加強相關知識與科研成果的共享。

表6 土壤重金屬鈍化研究領域發(fā)文量排名前十的機構

2.8 重金屬鈍化研究前沿演進

從表7 可看出，2000—2015 年期間，“溶解度（solubility）”“羥磷灰石（hydroxyapatite）”“提取性（extractability）”以及“生物固體（biosolid）”突現詞大量出現，表明2000—2015年的研究主要利用礦物殘渣或其合成產物，特別是羥磷灰石進行污染土壤重金屬鈍化處理，其機制主要是降低土壤中重金屬的溶解度，減少作物的吸收，降低生物毒性。評價鈍化劑的重要標準之一是調控重金屬提取性的能力[14-16]。研究表明，一些修復能力強的鈍化劑，如羥磷灰石等存在抑制作物生長、合成純化物難和成本高等不足，需要尋求成本低、環(huán)境友好的新型鈍化劑[17-18]。生物固體堆肥也被納入新型鈍化劑的范疇之中，其在降低金屬的生物有效性的同時增加土壤養(yǎng)分含量，保障作物的正常生長[19]。2016—2018 年期間，“China”關鍵詞突現度高，表明我國科研工作者在該領域取得了豐碩的科研成果。2019—2021 年期間，“生物炭（biochar）”和“納米零價鐵（zero valent iron）”表現出較高的突現度。生物炭來源廣泛且成本低，可直接絡合重金屬離子，有效改善土壤團粒結構，增加微生物群落結構的豐度和功能性微生物的數量來應對土壤重金屬脅迫[20]。納米零價鐵存在易氧化、電子選擇性差等缺點，難以大規(guī)模應用[21]，一般作為裝載物用于凹凸棒石以及生物炭等材料的改性。其根據氧化還原電位吸附或者絡合沉淀重金屬離子，甚至可阻斷作物根尖細胞對重金屬的吸收[22]。

表7 土壤重金屬鈍化研究突現節(jié)點詞匯

3 結論與討論

重金屬是影響土壤健康與作物生長的重要因素，本文以重金屬污染土壤鈍化修復領域文獻計量數據為基礎，利用文獻計量軟件CiteSpace 和VOS-viewer 對2000—2021 年間相關文獻進行可視化分析，主要得出如下結論。

（1）2000—2021 年土壤重金屬鈍化全球發(fā)文量呈現上升趨勢，科研機構及研究人員是相關研究的主要力量，其研究成果被國際權威期刊認可。目前重金屬土壤鈍化修復的重點之一在于不斷探索新型鈍化劑的修復效果及機理。

（2）目前土壤重金屬鈍化研究主要集中在鎘、鋅和鉛等金屬的修復，鈍化劑的選擇以及鈍化機理的研究等方面。關于鈍化材料對多重土壤重金屬污染的修復效果研究較少，生產中污染土壤多為多種重金屬綜合污染且修復效果易受土壤理化性質以及其他環(huán)境因素的影響，需繼續(xù)探索廣譜性鈍化新材料。

（3）全球土壤重金屬鈍化領域論文整體受資助情況良好，國家級基金是土壤重金屬鈍化研究領域的主要資助來源之一，其中，中國國家級基金資助占比最高，表明我國高度重視土壤重金屬污染治理研究，投入較多的資金用于研究加強修復污染土壤等，以保障農業(yè)生產安全。