基于文献计量的塑料地膜研究发展态势分析

2020-09-15刘婷婷侯丽君刘佳茜王沛媛林雁冰党亚爱

中国农业大学学报 2020年9期

刘婷婷侯丽君刘佳茜王沛媛林雁冰党亚爱

(西北农林科技大学理学院/生命科学学院，陕西杨凌 712100)

地膜是中国农业生产常用的物质资料之一，2016年中国地膜覆盖面积达1.84×107hm2，已成为世界上覆膜栽培面积最大的国家[1]。在农业上，地膜覆盖的效应主要包括改良土壤温度、调节土壤的水热状况，也有一些地膜可以抑制杂草的生长、防止病虫害等。研究表明地膜覆盖可以促进作物对土壤中氮素的吸收，提高氮素利用率[2]。因此覆膜技术的广泛应用使大多数农作物普遍增产，为保障中国农产品产量做出巨大贡献[3]。

地膜在农业上应用广泛，也带来了严重的环境污染问题。残留在土壤中的薄膜碎片已成为土壤中一大污染。目前中国残留地膜总量近 2×106t，回收率不足 2/3，耕地土壤中地膜平均残留量为60 kg/hm2[4-5]。其中，西北干旱地区耕地农膜残留污染最为严重，如新疆地区农田地膜残留量平均为 255 kg/hm2[6]。传统地膜主要成分为聚乙烯，由于聚乙烯分子质量相对大、疏水性强、分子键理化性能稳定等特点，因而在自然条件下极难降解[7-9]，大量的农膜碎片残留在土壤中后会与土壤结合，形成残膜碎片障碍层，导致土壤水分和养分的转移受阻，影响作物的生长发育[10]。邻苯二甲酸酯(PAEs)类增塑剂是地膜的常见添加剂，该物质被怀疑对人体具有致癌和内分泌干扰作用[11]。残余地膜经过分解会形成微塑料，而生物对微塑料可能具有累积效应，经过食物链进入人体后，对人体健康具有一定威胁[12]。

使用生物降解地膜替代传统聚乙烯地膜已成为解决地膜碎片残留污染的有效措施之一[13]。生物降解地膜是指可通过微生物作用引起降解的塑料薄膜[14]。目前生物降解地膜正处于试验评估阶段，地膜产品需满足增温保墒、有利于作物生长，同时具有降解可控性，保证在发挥作用之前不破损，发挥完作用后及时降解，以满足农作物对地膜覆盖功能的要求[15-16]。

文献计量学是应用数学及统计学的方法对某领域的文献进行量化分析，已被广泛应用于各学科领域，能客观、定量地反映学科宏观发展态势，是探究学科发展的一种有效途径[17]。文献计量学对评估科研机构的竞争力也很重要，可以帮助科研机构进行科技评价、战略规划，制定决策，挖掘其潜在竞争力和需求[18]。近些年在塑料地膜领域的研究型论文及综述型文章越来越多，然而从文献计量角度分析其发展趋势的报道相对较少。哈斯图亚[19]曾于2017年应用文献计量的方法比较了国内外地膜覆盖技术的研究内容，但侧重于比较该领域的研究主题。因此，本研究基于 Web of Science数据库对塑料地膜的SCI论文进行计量学统计，拟分析该领域的研究内容，并且统计该领域发文量变化、国家科研实力、主要研究机构及高被引文章，并预测未来的研究热点，为全面了解该领域的研究现状、发展趋势等提供参考。

1 数据来源与统计方法

1.1 数据来源

本研究所用文献数据来源于汤森路透(Thomson Reuters Scientific) 的 Web of ScienceT数据库(http:∥apps.webofknowledge.com)。

1.2 统计方法

本研究以“mulching film” or “plastic mulching” or “plastic film mulching”为关键词进行搜索，检索 2000—2019年发表的塑料地膜研究领域相关论文。以所获得文献作为数据集，运用VOSviewer可视化软件绘制可视化图谱分析工具，并结合Microsoft Office Excel 2016对塑料地膜研究领域发文量的变化趋势、主要发文国家和机构、研究主题和研究前沿等进行分析。主要量化指标包括总发文量、总被引频次、篇均被引频次、H指数等。其中被引频次是评价科研机构竞争力的指标，次数越高代表所发表文献在业内影响力越大，即具有较高竞争力[20]。H指数是一个混合量化指标，由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学家赫希2005年提出的一种评价科研人员学术成就的方法：如果一位科学家发表的Np篇论文中有H篇，每篇至少被引H次，而其余Np-H篇论文每篇被引均小于或等于H次，那么此科学家的科研成就指数值即为H[21]。

2 结果与讨论

2.1 发文量及年度变化分析

发文量表征科学界对本领域的关注程度，一定程度上反映该领域的发展速度和发展程度[22]。通过检索，在Web of Science核心合集中收录的塑料地膜相关研究论文共1 895 篇，第一篇文章发表于1992年。发文量总体呈上升趋势，2000—2013年为文章低发期，年度发文数量不足100 篇。从2014年起，塑料地膜研究领域发文量明显上升，且2019年年度发文量高达265 篇，为2000年发文量的8.8 倍。2014—2019年6年间累积发文量为1 043 篇，占20年总发文量的55%，说明近年来该领域的受关注程度和研究热度有明显提高(图1)。

图1 塑料地膜研究领域发文量的年度趋势Fig.1 Annual trend of mulching film research publications

2.2 主要国家研究实力分析

一个国家发文量的多少可在一定程度上反映该国在某领域研究的活跃程度[23]。检索结果显示93个国家和地区涉及塑料地膜领域的研究。发文量排名前10的国家见表1。由表1可知：中国发文量位居世界第1，共发表了710篇文章，占总文章数的37.5%；美国总发文量位居第2，文章数量为549篇，占总文章数的29%；其他国家发文总量均在100篇以下。从被引频次上看：中国的总被引频次最高，为10 720次，而篇均被引频次仅为15.1次，排名第6；澳大利亚虽然发文量不高(68篇)，但文章篇均被引频次高达26.66次，位居第1，且文章总被引频次为1 813次，排名第4；美国文章的总被引频次和篇均被引频次分别排名第2位和第7位。从H指数来看：中国的H指数高达51；美国排名第2(40)；意大利、加拿大、西班牙、澳大利亚4个国家的H指数均在20以上。

将2000—2019年划分为4个时间段，对总发文量前10 名的国家分别进行统计，比较得出不同时间段各国家的发文量趋势图(图2)。如图2所示：2000—2004年、2005—2009年2 个时间段中，美国的发文量最高，分别是中国发文量的4 倍及2.5 倍；自2011年开始，中国发文量有所提升，与美国基本持平，2012年超过美国后，发文量继续上升，且远超于其他国家；2015—2019年的5年间，中国的发文量高达506篇，是美国发文量的2.4倍，是排名第三的意大利发文量的14.5倍。出现该趋势的主要原因分析如下：中国的地膜覆盖栽培技术引进时间较晚(1978年左右)，1980年农膜覆盖面积仅为1 700 hm2，1981年发展到1.5万hm2，2013年全国农用地膜使用量达到136.2万t，地膜覆盖面积高达17 657万hm2，成为世界上地膜使用量最多的国家[24]。由此在塑料地膜领域的研究力度也逐渐增大，研究成果逐年上升，成为该领域发文数量最多的国家。

由于各国家农业生产的差异性，塑料地膜的使用量和应用面积都不相同，若国家对于塑料地膜的需求量大，使用面积广，则在该领域的科研投入也会成比例的增加，文章数量相应增加。据国家统计局公布的数据显示，中国作为农业大国，农用塑料地膜覆盖面积位居世界第一，因而文章数量最多，但是这并不能说明中国在该领域的文章质量最高，科研实力最强，还需综合其他指标。文章的被引频次和H指数更能反映文章质量，间接的反映出国家的科研实力。综合2 个指标可以看出，中国、意大利、加拿大、澳大利亚及美国在该领域的科研实力均较强。

表1 塑料地膜研究领域发文量前10 名的国家Table 1 Top 10 countries based on the number of papers on mulching film

图2 发文量前10 名国家2000—2019年发文量变化Fig.2 Changes in the number of papers issued by the top 10 countries from 2000 to 2019

2.3 来源期刊分析

分析某研究领域的文献来源期刊有助于为该领域的科研人员提供文献查找、文章发表等方面的情报资源[25]。在本研究检索范围内，刊发关于塑料地膜研究SCI文章的期刊共429 个，发文量前15 名的期刊如表2所示。塑料地膜研究领域发文量前4 名的期刊分别是AgriculturalWaterManagement(137篇)、Hortscience(113篇)、FieldCropsResearch(73篇)和Horttechnology(69篇)，其他期刊发文量均在50 篇以下。从各期刊JCR分区来看，8 种期刊属于农学类，3 种属于园艺学类期刊，2 种高分子材料类期刊以及1 种环境科学类期刊。在农学类期刊中，AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch2种期刊的发文量及被引频次均位于前列，且都属于一区期刊；园艺学类期刊中，ScientiaHorticulturae属于一区期刊，且篇均被引频次最高，Hortscience的总发文量在所有期刊中排名第2，总被引频次较高；高分子材料类期刊中，PolymerDegradationandStability虽然发文量较低，但篇均被引频次在所有期刊中排名第1，高达41.76，总被引频次排名第4，且属于一区期刊；环境科学类期刊只有ScienceoftheTotalEnvironment一种，发文量虽然不高，但篇均被引频次较高，且从期刊影响因子及JCR分区来看，该期刊质量较好。

表2 2000—2019年塑料地膜研究领域发文量排名前15 位的期刊Table 2 Top 15 journals published in the field of plastic film research from 2000 to 2019

综合以上各项参考指标可知，在塑料地膜研究领域，农学类期刊占比最高，AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch2种期刊更受本领域研究者的关注；园艺学类期刊中，ScientiaHorticulturae和Hortscience2种期刊关注度更高；PolymerDegradationandStability、ScienceoftheTotalEnvironment在高分子材料类及环境科学类期刊中更受关注。塑料地膜的最大作用是保护农产品的生长，其次也用于园艺作物的培育，因而农学类、园艺学类方向研究文章较多，但随着地膜的大量使用，其不可降解、残余地膜污染环境等问题也逐渐浮现，从而在高分子材料及环境科学领域的研究文章也逐渐增多。

2.4 重要研究机构分析

发表论文的机构以第一作者和通信作者所属机构为准。2000—2019年在世界范围内塑料地膜研究领域发文量排名前10的研究机构如表3所示，其中；6所属于中国；另外4 所属于美国。排名第1的机构为西北农林科技大学，发文量达178篇；位居第2和第3的机构分别为中国的中国科学院和中国农业大学；美国的佛罗里达州立大学、佛罗里达大学及美国农业部分别位居第4、5、6名。其中，排名前5位的研究机构SCI文章数量均在100以上，其他机构20年来在塑料地膜研究领域的总发文量都不足100篇。从篇均被引频次上看，兰州大学所发文章的篇均被引频次最高，达32.72次，且总被引频次也较高，位居第3。以上结果从一定程度上说明该机构的文章质量较好，研究实力较高。

在检索的时间范围内，中国在2012年之前，年均发文量均不及美国，自2012年之后，中国在该领域发文量明显上升，SCI论文数量快速增长，特别是西北农林科技大学和中国科学院，近年来的SCI论文数量一直位于前列，成为该领域的领军研究机构。西北地区是中国重要的旱作农业产区，然而该地区常年干旱缺水，能被作物利用的降雨量不足，因此使用覆膜栽培技术将雨量储存在土壤中是该地区常用的农业调节方式。西北农林科技大学属于西部农业类高校之一，在该领域发文量持续增长，为中国农业科学研究作出巨大贡献。

表3 2000—2019年塑料地膜研究领域发文量排名前10 位的科研机构Table 3 Top 10 scientific research institutions in the field of plastic film research from 2000 to 2019

2.5 高引用文章统计

被引频次是衡量论文质量的最直接指标，同时也能反映科研人员的科研水平和学术影响力[22]。本研究整理了塑料地膜研究领域的15 篇高引用文章(表4)。其中：被引频次最高的是Mathieu研究团队[26]于2012年发表的名为《Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications: A review》的综述型文章，总被引次数达到了250次，文章总结了传统聚乙烯地膜和生物可降解地膜在农业应用上的优缺点；居于第2位的是兰州大学的李凤民研究团队[27]于2009年所发的名为《How two ridges and the furrow mulched with plastic film affect soil water, soil temperature and yield of maize on the semiarid Loess Plateau of China》的研究型文章，总被引频次达249次，研究的是地膜覆盖及双垄双沟对土壤水分、土壤温度和玉米产量的影响。排名第3位的仍然是李凤民研究团队[28]于2009年发表的《Effects of plastic film mulch and tillage on maize productivity and soil parameters》的研究型文章，被引频次高达180次。

前15篇高引用文章中，有9篇来自中国，研究主题均围绕塑料地膜在农业方面的应用，如“覆膜对农产品产量、土壤保水性的影响”等。塑料地膜虽然具有增温保水、促进农作物生长等作用，但难降解、易污染等环境问题也逐渐浮现。前15篇文章中，有4篇文章都在讨论塑料地膜的环境污染问题，且发文时间都在近5年内。其中被引频次最高的是德国Gabriele研究团队[3]于2016年发表的《Plastic mulching in agriculture. Trading short-term agronomic benefits for long-term soil degradation》综述型论文，引用次数高达139次，从一定程度上可以说明塑料地膜的环境污染问题近年来逐渐得到研究者的重视。

表4 2000—2019年塑料地膜领域前15 篇高被引频次论文Table 4 Top 15 literature information in the high-cited literature in the field of plastic mulch film from 2000 to 2019

表4(续)

2.6 研究热点及研究前沿分析

2.6.1研究热点分析

本研究利用信息可视化软件 VOSviewer进行可视化图谱分析。在图谱中，一个圆圈和标签代表一个元素，圆圈大小代表该词出现次数的高低[29]。图3是根据塑料地膜研究领域文献关键词而绘制的研究热点知识图谱，通过对整个领域文献高频关键词的分析可以得出2000—2019年的研究热点：

1)热点词为塑料地膜、中国、粮食产量、蒸发蒸腾作用、土壤水分含量、垄沟、玉米、杂草、水果产量等。该聚类热点词的研究内容主要是塑料地膜在农业上的应用。中国自1978年从日本引进地膜覆盖技术后，地膜使用量及覆盖面积呈持续增长状态，根据2019—2025年中国农用塑料薄膜市场现状调研分析及发展前景报告显示，中国农用地膜使用量及覆盖面积均位居世界之首。覆膜栽培的效应主要包括如下：首先，一种效应为增温，例如提高土层温度、作物冠层气温等[27]，而不同颜色地膜增温效果不同，其中无色地膜增温效果最好；其次为水分调节效应。通过形成的物理屏障改变膜内外水分运动规律，形成2 种水分调节效应：一是保墒抗旱，降低土壤水分的蒸腾作用，提高作物的水分利用效率，促进农作物生长[30]；二是阻雨防渍，使膜外的雨水难以进入膜内，防止了中国南方地区长期阴雨引起的渍害[31]。覆盖栽培还可以抑制杂草的生长，防止病虫害，特别是黑色地膜能够有效抑制花生田杂草的生长[32-33]。另有研究表明覆膜栽培可以提高作物品质，如：George等[34]发现使用黄色和黑色覆盖物会导致胡萝卜中酚类化合物浓度更高；Kasperbauer等[35]发现，改变塑料覆盖物的颜色可以改变毛豆中花青素的含量。覆膜与垄作相结合更是农业措施上的一大进步，既可以达到增温保温、聚水保墒的效果，又能聚土增肥、改善土壤结构，以使多种作物达到增产效果，在世界各地得到广泛应用[36]。目前使用地膜覆盖栽培的农产品主要包括玉米、小麦、棉花、土豆等[37-39]，此外还包括多种蔬菜的栽培，如甜椒、甜瓜、番茄、西葫芦等[26]。覆膜栽培技术结合多种农业管理措施已使得多种作物达到增产效果，世界范围内的多位研究者都在努力探究地膜的农业应用，为世界农业科学研究做出巨大贡献。

2)热点词为薄膜、聚乙烯、分析、可降解型塑料、机械性质、聚合物、农业土壤、降解等。该聚类的热点词可能涉及传统塑料地膜的降解、污染及生物降解型地膜的研发。传统地膜主要由石油基材料制成，如聚乙烯、聚氯乙烯等，而这类材料在土壤中很难降解。目前已有多位研究者在探讨聚乙烯薄膜的生物降解性，也取得了一定成果。统计发现对聚乙烯薄膜具有降解能力的微生物有几十种，分别属于细菌中的20 个属和真菌中的12 个属[8]。中国科学家杨军2014年从蜡虫肠道内分离出2株细菌(阿氏肠杆菌Enterobacterasburiae、芽孢杆菌Bacillussp.)对聚乙烯有较好的降解能力，在培养28 d后，聚乙烯薄膜表面有明显的坑洞形成[40]；西班牙Federica等[41]在2017年发现蜡螟(Galleriamellonella)的幼虫能够对聚乙烯进行快速的生物降解，消化后产生出来的是乙二醇。然而塑料垃圾的数量之大，利用这些幼虫进行垃圾处理的效率有待解决。综合看来，生物对聚乙烯地膜虽有一定降解作用，但速度缓慢。Ohtake等[42]推算60 μm厚度的聚乙烯薄膜在田间土壤填埋条件下实现完全降解需要大概300年，如何加速聚乙烯地膜的降解是当前农业生产待解决的问题。目前农田覆盖的塑料地膜使用后常得不到有效的回收，导致大量的地膜碎片残留在土壤中，形成农田“白色污染”，并且经过长时间降解，地膜碎片会进一步分解成微塑料甚至纳米塑料[43]，对土壤结构影响很大，例如阻碍土壤毛管水和自然水的渗透, 降低土壤孔隙度、通透性，影响土壤微生物活动和土壤正常结构的形成，最终导致土壤肥力下降[10]。由于传统地膜所造成的环境污染问题严重，研发不同类型的生物降解型地膜得以开展。生物降解地膜是指在自然环境下通过微生物的生命活动能很快降解并代谢，最终生成二氧化碳、水、甲烷等无毒无害小分子的高分子材料。主要包括：化学合成降解塑料，如聚乳酸(PLA)，聚羟基烷酸酯(PHA)，丁二酸丁二酯(PBS)等[44-45]；天然高分子降解塑料，如淀粉基、纤维素基、甲壳质基生物降解型塑料[46]。然而由于其价格较高，大部分性能不如石油基塑料，并且在土壤中降解不完全则形成微塑料，对土壤的伤害更大，因而生物降解型塑料地膜尚未大范围推广[47]。保证生物降解型地膜既能在覆膜期间抗拉、不破碎，又能在进入土壤中后及时降解，并且价格低廉、大范围推广，是当前农业亟待解决的问题。

图3 塑料地膜研究领域热点分析Fig.3 Hot spot analysis of plastic film research field

2.6.2研究前沿预测

将2000—2019年按照时间段划分，对各个时间段进行塑料地膜研究领域文献关键词搜索，可以得出不同时间段的研究热点，结果如表5所示。从时间上来看：在2000—2004年，塑料地膜研究领域的关键词主要是应用、产量、水分、聚乙烯薄膜、杂草控制、作物产量等，说明在此阶段，研究方向主要以农业应用为主；在2004—2008年，主体关键词仍是与农业相关，但同时出现了生物降解、降解等关键词，结合该阶段的文献得知生物降解地膜在此阶段得以大量研发，并且传统塑料地膜的降解问题得到重视；2009—2014年，出现的热点词与前5年大致相同，研究主体仍以农业为主，同时关于塑料降解类关键词的词频有所上升；2015—2019年，高频热点词中出现了几个新的热点词，例如微塑料、邻苯二甲酸酯(PAEs)、农业土壤等。邻苯二甲酸酯(PAEs)又称酞酸酯，是一类重要的环境毒性有机化合物，被广泛应用于塑料、农药、润滑剂等行业，其中用量最大的是作为塑料增塑剂以提高塑料的可塑性和强度[48]。在20世纪80年代，美国环境保护部门通过试验发现，邻苯二甲酸酯类增塑剂会引发肝组织癌变，扰乱内分泌，对人体健康有很大危害[49]。地膜材料中存在的邻苯二甲酸酯类增塑剂，由于与塑料基质间非化学键相连，使其保持独立的化学性质因而极易直接污染种植的作物，或通过土壤、大气以及水体的迁移对作物造成间接污染，从而威胁人体健康[50]。结合该阶段的文献可知，近年来探讨地膜中存在的邻苯二甲酸酯类增塑剂对生态及土壤环境影响的研究日益增多，但尚处于起步阶段。此外，残留地膜在土壤中会分解形成塑料碎片甚至微塑料。通常认为微塑料是指直径<5 mm的塑料碎片和颗粒。目前微塑料污染的研究主要集中在海洋领域，关于陆地中微塑料污染的研究较少[51]。然而有研究显示，陆地中存在的微塑料丰度可能是海洋的 4～23倍，农田中每年向土壤中输入的微塑料就远超于向全球海洋中的输入量[52]。目前在陆地生态系统中对微塑料的研究点及空白区主要包括：1)微塑料暴露的生物积累与毒性效应。该方向的研究才刚刚起步，所研究的生物种类有限，研究较多的生物包括蚯蚓、跳虫等[12]，微塑料对于陆地上大多数生物的累积与毒性效应尚未可知；2)微塑料对于土壤物理化学性质、微生物群落结构、植物生长状况的影响[53-54]，以及微塑料能否进入植物体内，对人体健康产生潜在威胁等[55];3)微塑料的分析、分离技术。由于从土壤中分离微塑料存在一定难度，当前所有技术都有一定局限性，导致无法准确定量土壤中微塑料的具体含量，更无法估算地膜碎片转化成微塑料的含量，因而急需建立和完善土壤中微塑料的分离和分析方法，并且系统认识微塑料污染对土壤功能影响，发展源头管控和环境降解修复技术至关重要[12]。近5年的主体关键词仍与农业有关，包括中国、玉米、水分利用效率、粮食产量等。此外，还包括生物降解型地膜、降解等词汇，说明近年来的研究领域仍包括生物降解地膜的研究与应用、传统塑料地膜的降解等研究方向。

综上所述，在塑料地膜研究领域，今后的前沿热点方向可能仍会以农业应用为主，如何保证生物降解型地膜的耐用、易降解，同时又能降低成本，得以普及和推广，是当前农业生产亟待解决的问题。传统的塑料残膜对生态环境、土壤质量的影响也会受到更多关注，特别是塑料残膜中的增塑剂、部分降解后生成的微塑料对土壤食物链安全、生态系统和人体健康的风险值得进一步探究。

3 结论

文献计量学方法可以从文献的数量、质量上对特定领域内研究的发展情况提供较为全面的评估[56]。本研究以Web of Science数据库为数据来源，统计分析了20年来塑料地膜领域的研究情况。分析结果显示：该领域在2013年以前发文量较低，年均发文量不足100 篇，2013年之后发文数量有明显上升趋势，2019年已达到265 篇，说明该领域的关注度越来越高；从主要国家研究实力上来看，欧美发达国家在该领域的研究基础较好，较早关注了塑料地膜的研究，如美国、意大利等。中国在2012年之前发文量不及美国，但自2012年以来，在塑料地膜领域研究力度加强，发文量明显上升，且超过美国，成为该领域发文量最高的国家。西北农林科技大学、中国科学院、中国农业大学、兰州大学为该领域领先的研究机构；从来源期刊上来看，AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch在农学类期刊中较受关注，园艺学类期刊中，ScientiaHorticulturae和Hortscience2种期刊关注度更高，PolymerDegradationandStability、ScienceoftheTotalEnvironment在高分子材料类及环境科学类期刊中更值得本领域学者的关注。从研究热点可知，塑料地膜的农业应用为该领域最热门的研究内容，然而近年来传统塑料地膜的环境污染问题逐渐得以重视，特别是关于增塑剂及微塑料方面的研究内容较新颖，对食物链安全、生态系统和人体健康的风险还未可知，值得进一步探究。同时研发替代塑料地膜的生物降解型地膜、解决如今的残余地膜污染问题至关重要。