基于文献计量的土壤污染研究趋势分析

2021-12-16彭子凌

长江科学院院报 2021年12期

周显，韩毅，陈霞，彭子凌

(1.长江科学院材料与结构研究所，武汉 430010；2.安庆师范大学资源环境学院，安徽安庆 246133)

1 研究背景

污染一般指因人类活动，导致自然环境中混入了对人体有害的物质。这些物质并非特指人造物质，一些“自然产生”的物质，因人类活动(如采矿[1]等)而过度地暴露在生态圈中，导致其数量超出环境承载力，也会造成环境危害[2]。广义的污染还包括能量消耗、热、光、噪声等污染，泛指一切改变了土壤物理、化学、生物等完整性的行为[3-4]。目前，因农业、工业和城市化进程导致的土壤(和地下水)污染主要有营养物质[5]、重金属[6-7]、有机污染物[8]和放射性物质[9-14]。土壤污染已经成为全球面临的问题，引起研究人员、各国政府的普遍关注和重视。各国纷纷投入大量人力和财力开展土壤修复技术研究。Singh等[15]总结了世界各国修复市场状况和发展潜力，欧洲、美国、拉美地区和中国是目前市场值最大的区域，中国和美国是未来最具发展潜力的地区，欧洲的土壤修复市场估计占到GDP总量的0.5%～1.5%之间。

科学论文是科学研究成果最主要的载体，可以表征团体或区域的科学规模和生产力。目前，文献计量学已经在许多学科中得到广泛应用，是情报学研究最活跃也是发展最迅速的专业领域之一[16-17]。采用文献计量分析的方法可通过数学和统计的方法来描述、评价和预测土壤污染研究领域的现状与发展趋势。

2 数据来源及方法

本文以美国科学信息研究所Web of Science(WOS)核心合集数据库中2000—2019年近20 a的文献统计分析。该平台是国际通用科学引文的检索平台，收录了1900年以来自然科学、工程技术、生物医学、社会科学等领域的最重要和最有影响力的文献研究成果。利用土壤污染领域相关的主题词(TS)进行检索，各主题词之间以OR链接，检索格式如下：

TS =((contaminated sites or contaminated soil or contaminated land)and (Guidance Document or reference manual or ordinance or Guidelines or guide)and (protection or management or Environmental protection act)OR TS=(Soil Vapor Extraction and Soil)OR TS=(Thermal Desorption and Soil)OR TS =(Incineration and soil)OR TS =(In Situ Chemical Oxidation and soil)OR TS =(Electrokinetic Remediation and (heavy metal or organic))OR TS =(Bioremediation and soil and pollution)OR TS =((soil flushing or soil washing or soil leaching)and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((solidification or stabilization)and soil and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((phytoremediation and soil)and (heavy metal or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn))OR TS =((oxidation or deoxidization or reduction or redox)and heavy metal and soil)。

文献数据下载后利用Microsoft Excel 2010、Origin、Ucinet、VOSviewer等工具对数据统计分析[18]。

3 数据分析和讨论

3.1 论文产出分析

根据检索结果，全球共有184国家/地区在土壤污染领域发表72 415篇论文，图1显示了发文数量居于前23的国家和地区。从图1可以看出，美国和中国在该领域的发文数量领先于全球其他国家和地区，分别占发文总数的19.70%和18.93%。印度由于经济发展较为迅速，污染和破坏较为严重，在土壤污染领域的研究也紧随其后。欧盟27个成员国发文合计34 134篇，占总数的47.14%，表明欧洲进入后工业化时代后，在历史遗留问题和生态环保理念双重作用下，开展土壤污染的研究远高于其他大洲。

图1 2000—2019年WOS中土壤污染文献发文量居前23名的国家和地区Fig.1 Top 23 countries and regions in the number of soil pollution papers in WOS from 2000 to 2019

3.2 论文成长趋势分析

近20 a来，除个别年份，论文发表数量一直处于上升阶段，尤其是2010年之后，该领域的发文量增长速度明显加快，以每10 a增长约1倍的速度发展(图2)。

图2 2000—2019年WOS中土壤污染文献发文量时序变化Fig.2 Changes in the number of published papers of soil pollution from 2000 to 2019

按照文献类型来划分，研究论文52 192篇(72.07%)，会议论文8 766篇(12.11%)，综述论文3 831篇(5.29%)，出版书籍414部(0.57%)，该领域主要还是以研究型论文为主，技术有创新持续发展的趋势。表1是对2000—2019年土壤污染研究领域文章影响力的分析。从表1可以看出，文章参与的研究人员数量明显增加，每篇文章的平均作者数由2000年的3.7人/篇增加到2017年最高的5.9人/篇，表明该研究领域技术对人员合作的需求增加。文章的年均引用量也呈现增长趋势，表明该领域的影响力逐年增加。2018年和2019年刊登的文章由于被引年份过少或不足，所以会出现被引量减少的情况。

表1 近20 a来文章影响力分析Table 1 Influence indicators of paper in the past two decades

3.3 研究机构分析

整个统计范围内共有34 112个机构参与土壤污染领域的研究，表2展示了前10位的科研机构。从表2可以看出，欧美等发达国家的国家科学院和高校系统是土壤污染研究领域的主力军。与其他国家不同，美国的政府组成部门，如能源部、内政部、农业部、环保总署等单位下属多家科研机构在该领域开展研究工作，如美国能源部萨凡纳河国家实验室和美国能源部萨凡纳河生态实验室。此外，美国联邦各部门积极提供资金资助环境修复市场。根据《环境商业期刊》(EBJ)调查，美国能源部2018年资助的土壤修复资金达到20亿美元，占整个修复市场的25%。

表2 2000—2019年土壤污染研究领域发文量排前10位的机构Table 2 Top ten affiliations of authors in the field of soil pollution research from 2000 to 2019

我国以中国科学院系统发文量最多，浙江大学以1 598篇位居第5。在世界前100的机构中，我国占据了24位，机构组成以中国科学院系统和高校为主。我国前10的机构分别是中国科学院、中国科学院大学、浙江大学、清华大学、南京农业大学、中国地质大学、同济大学、中山大学、中国科学院土壤研究所和南京大学。

国际知名水利机构也纷纷进入土壤污染的研究领域(表3)，如英国自然环境研究理事会生态与水文研究中心(281篇)、澳大利亚英联邦科学和工业研究组织土水实验室(162篇)、美国能源部萨凡纳河国家实验室(132篇)、荷兰三角洲研究院(117篇)、挪威水研究所(102篇)、美国能源部萨凡纳河生态实验室(76篇)、国际水管理研究院(24篇)等,说明水污染和土壤污染的综合治理也是研究的发展趋势。

表3 2000—2019年参与土壤污染研究领域的涉水机构Table 3 Water research institutions involved in soil pollution research from 2000 to 2019

3.4 研究领域分析

土壤污染成因的研究对象理化性质多变[19](图3)，空间复杂、自然灾害响应时间范围大。多尺度的耦合或者一个尺度上的信息如何在另一个尺度上实现，通常被称为尺度的上推或下推(upscaling or downscaling)，是环境科学面临的一个持续的挑战，也是制约当前新型土壤修复技术从理论和微型试验走向综合示范和大规模应用的主要因素。

图3 土壤中不同物质的粒径分布范围Fig.3 Particle size distribution of different substances in soil

因此，土壤污染研究所采用的方法必须跨学科交叉，如地球化学、水文学、土壤科学、地貌学、气象学、生态毒理学、空间统计学以及地理信息科学等。水文学家建立流体和溶质运移模型；土壤科学家和地球化学家评估土壤、地下水和地表水中污染物的归趋特征[20]；生态毒理学研究污染物的生物吸收与转化规律、生物富集及不同水平的生态毒理学效应；空间统计学能通过相关性检验污染物的空间变异性；地理信息系统能存储检索并显示环境污染的空间数据[21]。

图4是统计范围内不同学科的分布情况，可以看出生态环境学、公共卫生学、农学、毒理学和水资源学是土壤污染研究领域的前五大热点学科。Water Research、Journal of Soils and Sediments、Water Resources Research等是水资源和土壤科学领域的顶级期刊(表4)，表明土壤污染研究受到水资源领域专家的关注。

表4 2000—2019年发文量>100篇的涉水领域研究期刊Table 4 Journals in the field of water research with more than one hundred articles published from 2000 to 2019

图4 2000—2019年WOS中土壤污染研究学科分布Fig.4 Distribution of soil pollution research disciplines in WOS from 2000 to 2019

3.5 研究人员分析

统计范围内共有10万名研究人员在土壤污染研究领域发表过论文。文章被引量居前20的研究人员见表5(表中数值表示文章数量)。从表5可以看出，尽管美国在其他方面领先，但在论文影响力方面，中国和澳大利亚位居前列。华人研究者高被引的论文在世界范围内最多，前20名中有11名。

表5 文章被引用量位居前20的研究人员Table 5 Top 20 most-cited researchers

其中有3位来自于湖南大学，且3位研究人员年龄有梯度分布，表明我国土壤污染研究领域团队已经形成。从平均发文年度可以看出，多位研究者的热点文章都是近5 a发表的，表明该领域的研究正持续受到关注。

3.6 研究关键词分析

关键词能够准确地表达文章的主旨，把握某一研究领域的热点以及未来的研究道路方向的重要手段之一是统计分析关键词[22-23]。通过使用可视化分析软件 VOSviewer，针对 2000—2019年有关土壤污染研究领域的相关文献标题的关键词分析[24]，进行其知识图谱的构建(图5)。

图5 2000—2019年土壤污染关键词热点研究分布Fig.5 Distribution of research hotspots in the field of soil pollution from 2000 to 2019

分析发现，土壤污染研究主要围绕重金属，针对重金属的去除，研究热点关键词大致可以分为3类：第一类是以生物修复为代表的研究领域，从植物选择、根系、叶的吸收等方面开展；第二类是针对生物修复伴生的相关问题展开研究，表现在管理策略、氮元素循环、作物利用等方面，此类研究与第一类之间关系紧密，研究热点相互关联；最后一类可以归结为无机非金属材料为主的重金属固化稳定化技术研究，包括矿物晶格对重金属的稳定作用，产物的强度等。生物炭、石灰、沸石及海泡石等都是常见的修复材料[25]。在此过程中，化学药剂可能会作为辅助材料强化修复效果。总体来看，未来土壤修复热点将集中在生物和无机矿物修复方面，注重修复效率、土壤质量、作物可利用性等。

3.7 土壤污染研究趋势分析

根据《全国土壤污染状况调查公报》调查结果，我国部分地区土壤污染较重，耕地及工矿业废弃地土壤环境问题严重。造成土壤污染或超标的主要原因是部分地区土壤环境背景值高，工矿业、农业等人为活动等。土壤污染可分为重金属和有机物两大类，重金属污染修复技术逐渐成为热点。一方面是由于重金属污染场地已经成为我国主要的场地污染物；另一方面由于有机污染自然降解导致轻度污染场地治理必要性降低。持久性有机污染物的问题依旧突出。

目前，土壤修复技术可分为物理修复、化学修复和生物修复技术，主要技术特点见表6。

表6 主要土壤修复技术特点Table 6 Characteristics of major soil remediation techniques

从科学原理上来说，物理技术占有比重减少，化学生物技术及协同技术比重增加；生物修复是研究领域的前沿，在超富集植物的筛选上，我国在一定程度上引领国际前沿研究方向，已经筛选45个被子植物科(Angiospermiaceae)的超过450种重金属超富集植物[28]。此外，针对适宜生长的非超富集植物，已经逐渐开发出络合诱导强化修复、不同植物套作联合修复、修复后植物处理处置的成套集成技术，使得植物修复在农田、矿山等污染场地中的修复应用得到大大增强，采用生物炭络合强化植物修复技术逐渐成为植物修复发展的新方向之一。

化学淋洗和固化稳定化是实际工程应用中最为广泛的技术。近13 a来，固化稳定化技术相关的中文论文发文量远高于英文。有两位中国学者论文位列TOP10高被引，6个中国科研机构进入TOP10发文研究机构[25]。在修复材料开发方面，修复材料和修复设备的开发成为技术实际应用的主要制约因素，为应对多种污染物，复合材料成为研究热点。

从需求上看，农田修复、工业场地修复和矿区修复技术需求同时增加，但侧重点各有不同：农田修复由于资金制约因素较大，首要需求是安全低成本的原位修复技术，国内外农田污染土壤修复技术仍处于实验室研究阶段，辅以小规模田间实验，尚未进入产业化阶段[29]，普遍存在成熟度低、技术实用性差、成本较高等问题。工业场地修复主要需求是快速可再利用的物理/化学修复技术。矿区修复的主要需求是控制水土流失和潜在污染物扩散的生态修复技术。

从技术应用上看，修复装备和修复材料的发展是制约我国技术发展的核心。我国土壤修复的国际专利数量相对较少，较多专利是针对国外已成熟产业化技术的二次开发或适用性开发。在有机物污染土壤修复方面，热脱附及相关热处理技术的专利较多[30]；在重金属污染土壤方面，固化稳定化技术专利数量最多，达到929项，主要集中在药剂的开发上(821项)，有关修复机理(1项)和设备工艺(82项)的专利则相对较少[25]。这表明我国相关技术的产业化发展还有待加强。具有针对性的污染物阻隔、捕集、降解、吸附、淋洗材料的开发，高效富集植物、降解菌株的筛选等成为修复材料的主要发展方向，大型修复设备的研发也成为解决场地修复问题的关键因素。