基于文獻(xiàn)計量的重金屬污染土壤生物修復(fù)研究發(fā)展態(tài)勢分析

劉喜 肖勁光 陳偉

摘要 基于文獻(xiàn)計量和文獻(xiàn)調(diào)研的方法，使用Cite Space軟件，對重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究領(lǐng)域的論文數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索統(tǒng)計和定量分析，系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，分析了主要國家、研究機構(gòu)及學(xué)科分布情況，探索了潛在研究前沿及熱點問題。結(jié)果表明，高富集能力生物的篩選研究、現(xiàn)場試驗研究、修復(fù)效果持久性研究和典型污染物研究是該領(lǐng)域今后研究的主要熱點。

關(guān)鍵詞 土壤污染；重金屬；生物修復(fù)；文獻(xiàn)計量；Cite Space

中圖分類號 X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）13-0189-04

Development Trends of Bioremediation of Heavy Metal Contaminated Soils Based on Bibliometrics

LIU Xi1，XIAO Jinguang2，CHEN Wei1

（1.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014；2.Hunan Zhongnan Water and Environmental Protection Technlylogy Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014）

Abstract Relevant publications focusing on the research field of bioremediation of heavy metal contaminated soils were analyzed based on bibliometrics method and Cite Space software .The research trend of this field was overviewed systematically，the distribution of major research institutions，countries and subjects contributing to the publications were analyzed，and the research hotspots were explored.The analysis showed that screening of species possessing the ability to tolerate and accumulate heavy metals，field tests，persistent effects of bioremediation and typical pollutants research were the main research directions.

Key words Soil contamination；Heavy metal；Bioremediation；Bibliometrics；Cite Space

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，土壤污染問題尤其是土壤重金屬污染日漸凸顯。根據(jù)全國第1次土壤污染調(diào)查公報，我國土壤污染總體狀況不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，農(nóng)耕用地質(zhì)量堪憂，工礦業(yè)搬遷后土壤問題嚴(yán)重。全國土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，土壤污染類型以無機型（即重金屬污染）為主，無機型超標(biāo)點位數(shù)占全部超標(biāo)點位的82.8%[1]。

土壤中重金屬污染的來源廣泛，主要包括礦山開采、金屬加工冶煉、化工、電子垃圾、制革和染料等工業(yè)排放的“三廢”及汽車尾氣的排放、污水灌溉、農(nóng)藥和肥料的施用等[2-3]。土壤重金屬污染的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：影響植物生長；不能為土壤微生物所分解，易于積累，影響土壤生物群的變化及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；植物吸收并積累土壤中的重金屬，通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康；導(dǎo)致水體和大氣環(huán)境質(zhì)量下降。土壤重金屬污染具有隱蔽性、長期性和不易修復(fù)性的特點。因此，土壤重金屬污染的治理一直備受國內(nèi)外研究者廣泛關(guān)注。

重金屬污染土壤修復(fù)的方法分為物理、化學(xué)和生物三大類方法以及上述方式組合形成的復(fù)合方法。生物修復(fù)法一般是指利用某些微生物和植物等的代謝活動，去除、轉(zhuǎn)移、提取和固定土壤中的重金屬，使其恢復(fù)土壤系統(tǒng)正常生態(tài)功能的過程。生物修復(fù)法花費較少，操作簡單，對技術(shù)及設(shè)備要求不高，對環(huán)境擾動小，符合自然生態(tài)發(fā)展規(guī)律，可體現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的基本理念。因此，生物修復(fù)技術(shù)已成為土壤污染修復(fù)技術(shù)的熱點研究領(lǐng)域之一，同時具有廣闊的發(fā)展前景。

為了解土壤重金屬污染生物修復(fù)領(lǐng)域研究的發(fā)展變化過程，識別該領(lǐng)域現(xiàn)階段主要研究方向及重點，分析潛在的研究熱點問題，以ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用Cite Space數(shù)據(jù)可視化分析軟件分析論文的重要研究機構(gòu)、區(qū)域及國家分布情況，探討該領(lǐng)域國內(nèi)外研究差異和熱點等，以期為該領(lǐng)域的研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

采用Drexel University陳超美博士開發(fā)的基于Java語言的Cite Space軟件（5.1.R8.SE.版本）。Cite Space軟件可對領(lǐng)域檢索文獻(xiàn)的發(fā)表和引用情況進(jìn)行分時段分析，將檢索時間段內(nèi)的文獻(xiàn)信息以網(wǎng)絡(luò)圖譜的形式展示，從而反映該領(lǐng)域在一定時期內(nèi)的研究基礎(chǔ)及發(fā)展趨勢。近年來在信息學(xué)、生命科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、管理學(xué)等領(lǐng)域被廣泛使用[4-6]。

以Web of Science數(shù)據(jù)庫為檢索工具，設(shè)定文獻(xiàn)檢索式：TS=（bioremediation OR phytoremediation） AND TS=（soil AND "heavy metal"），語種：English；文獻(xiàn)類型：Article；檢索時間：1997—2016年。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cite Space軟件，并采用數(shù)據(jù)去重功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，對該領(lǐng)域領(lǐng)先研究國家、機構(gòu)和關(guān)鍵詞等進(jìn)行分析。時間閾值：1997—2016年；節(jié)點類型：Country、Institution或Keyword；節(jié)點閾值：Top 50；無網(wǎng)絡(luò)修剪；其余選項均為默認(rèn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域近年來論文總量變化

重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)相關(guān)中英文論文發(fā)表的檢索結(jié)果見圖1。由圖1可知，近10年來，重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的研究基本呈快速增加趨勢。SCI發(fā)文總量由1997年的4篇增長至2016年的194篇，表明世界各國對重金屬污染土壤生物修復(fù)的關(guān)注度持續(xù)增加。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，搜索年限范圍內(nèi)最早的SCI論文發(fā)表于2003年，但總體發(fā)展速度較快（特別是近4年）。其中，我國學(xué)者的SCI論文數(shù)由2003年的7篇增長至2016年的66篇，在SCI發(fā)文總量中的占比不斷增加（從2003年的約19%上升至2016年的約34%）。

2.2 重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域研究力量分布

利用Cite Space對不同國家和機構(gòu)于1997—2016年在重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域的論文發(fā)表量進(jìn)行對比分析，形成的網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖2）直觀地展現(xiàn)該領(lǐng)域的研究情況。網(wǎng)絡(luò)圖譜的形式為年環(huán)圖[7]。年環(huán)圖以顏色區(qū)分發(fā)表時間，以厚度區(qū)分發(fā)文數(shù)量，以一個同心圓代表一個國家或機構(gòu)，以連線表示共被引。年環(huán)和連線從藍(lán)色至紅色，分別對應(yīng)從1997年至2016年。

圖2a為不同國家重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域的SCI論文發(fā)表量的網(wǎng)絡(luò)圖譜。由圖2可知，該領(lǐng)域研究論文發(fā)表量較高的國家依次為中國、美國、印度、西班牙、意大利等，表明這些國家為該研究領(lǐng)域的領(lǐng)先國家。其中，我國是發(fā)表

SCI論文量最多的國家，說明我國在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)達(dá)到一定水平。從文獻(xiàn)被引頻次看，我國發(fā)表的SCI論文的篇均被引頻次（根據(jù) Web of Science 引文報告結(jié)果）為14.90次，略高于該領(lǐng)域的篇均被引頻次（14.03次），但在發(fā)文量排名前5位的國家中，稍低于西班牙（18.91次）、美國（15.9次），說明國內(nèi)外研究差別正逐漸縮小，但我國該領(lǐng)域的研究與技術(shù)先進(jìn)國家相比仍存在一定差距。

圖2b為不同機構(gòu)重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域的SCI論文發(fā)表量圖譜。該領(lǐng)域發(fā)文量較高的研究機構(gòu)主要為中國科學(xué)院、西班牙國家研究委員會、浙江大學(xué)、中山大學(xué)和伊朗伊斯蘭阿薩德大學(xué)等。我國該領(lǐng)域SCI發(fā)文量領(lǐng)先機構(gòu)主要有中國科學(xué)院、浙江大學(xué)、中山大學(xué)等，以中國科學(xué)院最為突出，且近3年來發(fā)文數(shù)量較高。

該領(lǐng)域研究內(nèi)容涉及土壤、污染、環(huán)境、植物學(xué)、微生物等多個方向，因此發(fā)文期刊種類較多，代表性SCI期刊主要有International Journal of Phytoremediation、Environmental Science and Pollution Research、Chemosphere、Journal of Hazardous Materials、Water Air and Soil Pollution等。該領(lǐng)域高被引文獻(xiàn)作者主要為ZHOU Q X、LUO Y M、WEI S H、BERNAL M P和WU L H等。

2.3 重金屬污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域主要研究方向及研究前沿?zé)狳c分析

2.3.1 主要涉及學(xué)科領(lǐng)域。梳理與重金屬污染土壤生物修復(fù)研究有關(guān)的主要學(xué)科領(lǐng)域，并分析各個學(xué)科領(lǐng)域論文占總SCI論文的百分比情況結(jié)果見圖3。由圖3可知，該研究領(lǐng)

域涉及的學(xué)科主要有環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、工程學(xué)、植物科學(xué)、生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)、水資源、化學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)和毒理學(xué)等。國際研究中，論文

占比均超過10%的領(lǐng)域有環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)（61%）、農(nóng)業(yè)科學(xué)（14%）、工程學(xué)（12%）和植物科學(xué)（10%），體現(xiàn)出重金屬污染土壤生物修復(fù)研究與這4個學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系十分密切。我國重金屬污染土壤生物修復(fù)研究與國際研究的主要領(lǐng)域相似，但更集中于在環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)（72%）、工程學(xué)（15%）、農(nóng)業(yè)科學(xué)（13%），但在植物科學(xué)（7%）方面的研究相對薄弱，低于國際10%的水平。

2.3.2 主要研究熱點方向。

關(guān)鍵詞（Key Words）可表達(dá)論文主題，關(guān)鍵詞被引用頻次能在一定程度上反映某領(lǐng)域研究者對各研究方向的重視程度。關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖譜見圖4。由圖4可見，SCI論文以“phytoremediation”為中心，高被引關(guān)鍵詞主要有heavy metal、cadmium、soil、phytoextraction、zinc等（表1）。

根據(jù)對全部關(guān)鍵詞的分析，可以看出該領(lǐng)域目前主要研究方向為重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)和修復(fù)機理及其他方向的交叉和集合。

其中，修復(fù)技術(shù)的研究重點為植物富集、植物提取、聯(lián)合螯合劑生物修復(fù)技術(shù)等。許多研究者開展高富集能力植物的篩選和富集能力的試驗。目前已發(fā)現(xiàn)近600種超富集植物，多為十字花科植物[8]。Ebbs等[9]采用模擬重金屬污染土壤的水培介質(zhì)種植植物的方法，篩選出3種能富集鋅和鉻的芥菜型油菜（Brassica spp），進(jìn)一步研究表明，通過農(nóng)藝措施提高植物地上生物量生產(chǎn)和（或）增加根際土壤中重金屬的生物有效性可改善植物對重金屬的富集能力。Ebbs等[10]利用水培篩選能富集重金屬的草本植物，用盆栽試驗對比研究草本植物和之前發(fā)現(xiàn)的印度芥菜（Brassica juncea）的鋅富集能力，結(jié)果表明大麥的重金屬富集能力和耐受性均不弱于之前發(fā)現(xiàn)的印度芥菜，具有良好的土壤修復(fù)潛力。

螯合劑理論上能促進(jìn)土壤固相中重金屬的釋放，提高修復(fù)的效率。但添加螯合劑增大了土壤總?cè)芙饨饘贊舛?，改變了植物吸收重金屬的途徑。螯合劑能否促進(jìn)土壤重金屬植物修復(fù)，取決于重金屬種類、植物吸收重金屬的方式。土壤中添加螯合劑勢必會造成重金屬的溶出，甚至可能造成地下水污染。因此，螯合劑強化植物修復(fù)作用有限，并對使用場所要求較高[11]。Lombi等[12]研究土壤中施加乙二胺四乙酸（EDTA）對重金屬污染植物修復(fù)的影響，結(jié)果表明EDTA處理后，土壤孔隙水中的可溶性重金屬主要為金屬EDTA絡(luò)合物，植物富集的重金屬有所減少，并可能造成地下水污染的環(huán)境風(fēng)險。Wu等[13]通過溫室盆栽試驗和實驗室柱浸試驗研究螯合劑增強重金屬移動性和植物修復(fù)的潛在作用，結(jié)果表明EDTA可顯著增強土壤Cu和Pb的遷移率，造成地下水污染的風(fēng)險，雖然印度芥菜地上部分Cu和Pb濃度有所提高，但去除率有所降低；在土壤中添加草酸、檸檬酸或蘋果酸等螯合劑對印度芥菜的重金屬吸收幾乎無影響。Meers等[14]研究表明可生物降解的螯合劑乙二胺鹽（EDDS）比EDTA更能提高向日葵（Helianthus annuus）修復(fù)的效果，并推測螯合劑的施用時機對修復(fù)結(jié)果有所影響。

機理研究主要集中在開展重金屬形態(tài)分布和植物毒理方面。Francesconi等[15]研究一種泰國南部的粉葉蕨（Pityrogramma calomelanos）富集去除土壤中砷的情況和機理，發(fā)現(xiàn)該種植物每年能去除土壤中約2%砷，植物體內(nèi)的砷大部分可以用水溶液進(jìn)行提取。Ebbs等[16]開展鋅、銅對3種蕓薹屬（Brassica species）植物根莖干重、側(cè)根伸長等生長參數(shù)的毒性作用，結(jié)果表明重金屬抑制鐵和錳積累可能是其負(fù)面影響植物生長的一個重要因素。Yang等[17]研究不同濃度鎘對東南景天草（Sedum alfredii Hance）生長的影響，在植株不同部位的分布，對微量元素攝取的影響。

利用Cite Space根據(jù)原始網(wǎng)絡(luò)（圖譜）計算確定聚類，該領(lǐng)域突變術(shù)語聚類網(wǎng)絡(luò)圖譜見圖5。每個灰色多邊形為一個聚類，代表一組有聯(lián)系的施引文獻(xiàn)的集合。根據(jù)LLR算法計算得到聚類標(biāo)簽，聚類標(biāo)簽序號越小表示該聚類文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量以及被引頻次越高。

由圖5可知，該研究領(lǐng)域目前的國際前沿?zé)狳c問題，大致可以歸為4類：第一類為高富集能力生物的篩選研究，如高粱、油菜和植物內(nèi)生細(xì)菌[18-19]；第二類為現(xiàn)場試驗研究[20-21]；第三類為修復(fù)效果持久性研究[22]；第四類為典型污染物，如鉛[23]。

3 結(jié)論

1997—2016年世界各國對重金屬污染土壤生物修復(fù)的關(guān)注度持續(xù)增加，該領(lǐng)域的研究呈快速增加趨勢。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，發(fā)表的論文數(shù)量增長速度較快，說明我國研究力度不斷加大，但篇均被引頻次與技術(shù)先進(jìn)國家相比仍存在一定差距。

該領(lǐng)域國內(nèi)外目前的主要研究方向為重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)、典型污染物、修復(fù)機理及其他方向的交叉和集合。高富集能力生物的篩選研究、現(xiàn)場試驗研究、修復(fù)效果持久性研究和典型污染物研究是該領(lǐng)域今后研發(fā)的主要熱點和發(fā)展趨勢。

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