基于文獻計量的小麥玉米重金屬污染農田修復治理技術及效果分析

王娟，蘇德純

（中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，農田土壤污染防控與修復北京市重點實驗室，北京 100193）

近年來農田土壤重金屬污染問題日益凸顯，作物生長在污染農田上所收獲的農產品能否安全食用成為了人們關注的焦點。據中國科學院最新研究結果顯示，中國糧食主產區(qū)耕地土壤重金屬點位超標率達到21.49%[1]，較2014年《全國土壤污染狀況調查公報》中19.4%的點位超標率，僅4年就增長了兩個百分點，重金屬污染仍然形勢嚴峻。農田土壤中重金屬的過量富集會導致土壤重金屬污染的發(fā)生[2]，從而影響種植的農作物的產量及品質安全[3]，然后再通過食物鏈進入人體，會對人體健康造成嚴重危害[4]。土壤重金屬污染問題具有區(qū)域差異性、累積危害性、治理難度大等特點[5]。而農田土壤污染與農產品安全關系密切，與其他土壤污染不同，農田土壤修復的核心重點在于使重金屬污染農田土壤上生長出安全的農作物[6]，保障人體健康。同時小麥、玉米是我國第二、三大糧食作物，其重要地位僅次于水稻。但我國小麥、玉米主產區(qū)土壤在不同程度上受到重金屬污染威脅，有不少區(qū)域甚至達到嚴重污染[7]。目前針對稻田重金屬污染修復研究較多，而有關小麥、玉米農田修復治理的研究較少。因此，了解小麥、玉米農田土壤重金屬污染修復與治理領域的研究與進展，總結有效的修復治理技術對于保障我國的糧食質量安全非常必要。

重金屬污染農田土壤修復一般從降低土壤重金屬活性與減少土壤中重金屬含量方面入手，如何在污染農田土壤上生產出安全農產品是我國目前的研究重點。重金屬低吸收作物品種應用是保證農產品安全性的有效措施之一[8-9]。各種鈍化/改良劑可鈍化土壤中有效態(tài)重金屬，減少吸收，但效果存在差異，且取決于所用類型[10-11]。利用離子拮抗機理，施用葉面阻控劑同樣是當前污染修復的發(fā)展方向[12-13]。同時聯合各種技術能得到更好的效果[14]。

利用文獻計量學理論和方法來對科學研究領域的發(fā)展現狀與趨勢進行探究，已被國內外眾多研究學者廣泛應用于文獻情報分析，其以數理統(tǒng)計分析為基礎，主要研究文獻外部特征，是了解學科領域的有力工具[15]。本研究以中國知網的期刊全文數據庫（CNKI）和Web of Science 核心合集數據庫（WOS）為文獻檢索來源，檢索對象定為旱地作物小麥、玉米重金屬污染農田，研究重金屬污染農田修復及治理技術領域的相關文獻，利用數據篩選軟件進行統(tǒng)計分析，研究比較國內外小麥、玉米重金屬污染農田修復治理領域的研究熱點，包括污染類型和特征、治理技術類型和效果，并針對田間條件下重金屬鎘污染農田土壤修復治理技術的效果進行深層次分析，為我國小麥、玉米重金屬污染農田修復研究與應用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究的中文文獻數據來自于中國知網CNKI的期刊全文數據庫（不包括學位論文及會議報告）。采用高級檢索功能，將文獻發(fā)表時間定為2000—2018年，將檢索條件的關鍵主題詞定為“土壤重金屬”并“小麥”或“玉米”，共得到相關文獻1 357篇，再以此為基礎利用“修復”“鈍化”“改良”“調理”“穩(wěn)定固化”“降低”等主題詞繼續(xù)檢索，篩選并剔除重復或不相關的文獻，最后匯總出符合的中文文獻共205篇。

本研究的英文文獻數據來自于Web of Science 核心合集數據庫（WOS），該數據檢索平臺在世界范圍上的自然科學領域擁有一定權威性[16]。以小麥、玉米農田重金屬修復相關文獻為目標，采用高級檢索功能，以主題“TS=（（"corn field*" or wheat or maize or corn or"agricultural soil*"）and（"heavy metal*"or cadmium or lead or plumbum or mercury or hydrargyrum or quicksilver or chromium or chrome or arsenic or copper or zinc or nickel）and（removal or decontaminal or stabilizat* or phytoremediat* or phytostabilizat* or remediat*or bioremediat* or co-remediat* or hyperaccumulate or repair or restore* or control or localizat* or amendment or Immobiliz* or fix* or accumulat*）not rice）”為檢索策略，文獻發(fā)表時間范圍為2000—2018 年，文獻限定為“Article”和“Review”兩種類型，并利用 HistCite 軟件中“Cite Reference”功能將未收錄的遺失文獻進行補充，逐條整理并篩選，排查重復出現或不相關的文獻，最后匯總出符合的英文文獻共202篇。

1.2 研究方法

利用Excel數據處理軟件對檢索出的中文文獻進行整理統(tǒng)計，對于英文文獻，通過WOS 數據庫本身的分析功能并結合HistCite 引文分析軟件，導入全記錄文本，再選取不同研究參數作為后續(xù)分析指標。其中重要參數指標包括TGCS（Total global citation score，為在整個WOS 數據庫中的總被引用次數）和TLCS（Total local citation score，為在本地導入的文獻分析庫的總被引用次數）。相比之下，TLCS更能反映文獻對某一領域的影響程度，TLCS 值越高，關注度越高，說明文獻越重要[17]。本文從國內外年度發(fā)文量、文獻來源、關鍵詞、國內外研究機構、研究類別及熱點等方面入手，對2000—2018 年期間的有關小麥、玉米農田重金屬污染修復技術的文獻進行統(tǒng)計分析，從而把握國內外該研究領域的現狀和發(fā)展特點。

從得到的379 篇中英文文獻中再次篩選出針對重金屬鎘的田間試驗條件下小麥、玉米農田土壤污染修復技術的文獻，并根據不同類別修復技術將文獻中可用數據提取出來并進行整理統(tǒng)計。對于各農田鎘污染修復技術的效果，從土壤pH升高幅度、土壤中鎘有效性降低率、作物籽粒中鎘量降低率及產量變化等方面來統(tǒng)計分析，并按類別對比分析。

2 結果與討論

2.1 年度及國家發(fā)文量分析

通過發(fā)文量的時間變化趨勢，可了解到該科學領域的研究熱度及各階段的發(fā)展速度[18]。相關文獻年度發(fā)文量如圖1 所示，整體來看，國內外發(fā)文量均呈曲折增勢，2000—2010 年世界范圍內發(fā)文量呈現出正負變化率交替發(fā)展，尚處于起步階段，從最開始的零星幾篇至逐步增加。2010 年之后，發(fā)文量增勢凸顯，證明小麥、玉米農田土壤重金屬污染修復研究日趨受到關注與重視，從2008 年開始持續(xù)上升；國外發(fā)文量于2015 年出現增長率達80%的高速增長期，并在2018 年達到頂峰，約是2010 年發(fā)文量的7 倍。國內外年度發(fā)文趨勢線存在多次交叉，與國外相比，國內在前期階段研究熱度不足，后期基本持平甚至超越，這與近些年國家出臺政策法規(guī)有關。對比杜志鵬等[19]對稻田重金屬修復領域的研究發(fā)現，旱作作物小麥、玉米重金屬污染農田修復研究關注度明顯低于水稻，但也正逐漸成為學者的熱點研究對象。

由各國發(fā)文量分析可以在一定程度上看出該國對某科學領域的研究熱度。針對小麥、玉米重金屬污染農田修復的研究，全世界范圍的發(fā)文國家/地區(qū)主要分布在中國、巴基斯坦、美國等20 多個國家/地區(qū)。發(fā)文量排名如表1 所示，中國發(fā)文64 篇，占比約1/3，并明顯高于其他國家，表明我國在該研究領域的重要貢獻及領先地位；被引次數可以反映出該國家/地區(qū)在該領域研究成果的水平以及影響力[20]，我國在發(fā)文量上存在優(yōu)勢，研究熱度雖高，但不管從本地被引次數（TLCS）還是總被引次數（TGCS）來看，排名均較落后，研究成果影響力不夠，仍需提高研究水平及深度。而瑞典雖發(fā)文量較低，但在兩個被引次數方面均居第一，證明其在該領域具有較強的國際學術影響力，由于該國相關的農業(yè)政策及一定的重視程度使其在該領域的起步較早，發(fā)現了研究的創(chuàng)新點，其成果對其他國家具有借鑒價值，研究重點主要圍繞有關生物炭及其他有機改良方法的發(fā)展。

2.2 期刊來源分析及研究機構分析

對文獻期刊來源進行分析，可為快速查找該領域的研究文獻提供依據[21]。從中文研究分析數據（表2）來看，中文期刊發(fā)文居前二的是《農業(yè)環(huán)境科學學報》和《生態(tài)環(huán)境學報》，發(fā)文分別32篇和11篇，二者相差較大，共占21%；其他期刊發(fā)文量較為平均，其中《生態(tài)學報》與《環(huán)境科學》的復合影響因子及均篇被引次數高于其他，處于領先地位，在該領域擁有一定的期刊影響力及較高的研究水平[22-23]。文獻來源共包含73 種英文期刊，發(fā)文量排名前10 的如表3 所示，排名第一為Chemosphere，相關文獻共14 篇，其次是Environmental Pollution，共12 篇，二者共占14.5%。影響因子是評估期刊在某一領域的重要程度的指標，近5年平均影響因子最高的期刊為Journal of Hazardous Materials，其影響因子為7.336，其中Communications in Soil Science and Plant Analysis的影響因子及本地被引頻次均較低，屬于Q4分區(qū)，可見期刊發(fā)文量與影響力并不具有一定的相關性。結合影響因子與本地均篇被引次數，Journal of Hazardous Materials、Science ofthe Total Environment和Chemosphere為居前位的具有重要影響地位的期刊。

研究機構主要包括高等院校以及科研機構或單位，可以反映出該領域的重點研究區(qū)域的分布情況[24]。針對2000—2018 年小麥、玉米農田重金屬修復領域，國內研究機構位列前位的均為高等院校，華南農業(yè)大學居首位，發(fā)文21 篇，占10.24%，其次為云南農業(yè)大學、廣西大學、河南農業(yè)大學以及中國農業(yè)大學，對比來看，我國南方高校研究占比較大，但某種程度上也顯示出，目前該領域缺乏核心研究機構及相互間的交流合作，深度不夠，范圍也不夠廣泛，未成統(tǒng)一整體性體系。

2.3 研究熱點分析

農田重金屬污染是全世界范圍的關注問題，不同種類重金屬的污染程度也存在著差異。某種重金屬發(fā)文量的高低與其污染程度和研究熱度是相關的。對2000—2018 年中文文獻中小麥、玉米重金屬污染農田修復類別進行分析（圖2），鎘居第一位，鉛排第二位，發(fā)文量分別達138 篇和79 篇，分別占比67.3%和38.5%；在英文發(fā)文方面（圖3），同樣是鎘排第一（143 篇），鉛次之，足以看出全世界范圍對小麥、玉米農田鎘與鉛的重視程度遠高于其他，從側面也凸顯其污染嚴重性。同時國內外重點研究的重金屬類別前4 位保持一致，分別為鎘、鉛、鋅、銅，而對比發(fā)現稻田砷污染的熱度較之更明顯。綜合發(fā)現，農田復合重金屬污染修復的發(fā)文量呈現增多趨勢，研究關注點逐漸從單一重金屬污染變得復雜多樣[25]。

表2 2000—2018年小麥、玉米農田重金屬污染修復中文發(fā)文量Top10期刊Table 2 Top10 Chinese journal in volume of publications in the field of remediation of heavy metals contaminated wheat and maize fields from 2000 to 2018

而對于兩種作物的研究同樣存在差異，小麥、玉米均為我國重要的旱作糧食作物，從發(fā)文量統(tǒng)計來看，小麥農田重金屬污染修復的研究發(fā)文量為223篇，玉米為183 篇，對于小麥農田重金屬修復的研究熱度高于玉米，這與玉米作物本身具有某些重金屬耐受性有關。有學者對比發(fā)現，小麥的重金屬富集系數普遍大于玉米的富集系數，表明小麥對這些重金屬比玉米更敏感，富集能力更強[26]。玉米吸收重金屬后主要被留于根部，極少量轉移至莖葉及籽粒，且其生物量大，種植范圍廣，通過文獻篩選發(fā)現，不少研究將某些重金屬低積累玉米品種用于修復重金屬污染農田的研究，某種程度上可作為一種修復利用的典型植物，具有一定修復利用潛力[27]。

從技術類型統(tǒng)計結果來看（圖4），主要包括施用鈍化劑/改良劑、生物修復技術、低累積品種篩選、葉面阻控劑、農藝措施以及聯合修復技術，其中施用鈍化劑/改良劑占比最大（48.4%），研究熱度遠超過其他，為該修復領域的研究重點，修復效果可能更佳，這同杜志鵬等[19]對稻田修復的研究結果一致。鈍化劑/改良劑包括有機和無機類等，還可細分為石灰礦物、生物炭及農家肥等[28]，而不同鈍化/改良劑的效果不同。生物修復研究成果也較多，其發(fā)展前景十分可觀[29]?？傮w來看，植物修復逐漸受到關注，但發(fā)展尚不成熟，以超累積植物修復研究為主[30]；動物修復較少，以蚯蚓為主[31]，微生物中叢枝菌根真菌的受關注度較高，與玉米耐受性有關[32]。另外，國內外對葉面阻控劑的研究均未凸顯，該技術用于小麥、玉米農田重金屬污染修復研究正處于起步階段，常用的有硅肥、硒肥及鋅肥等，來抑制重金屬轉移到作物可食部位[33]，對比稻田修復熱度明顯不足，但可以此為參考進行未來研究。由于重金屬污染情況復雜，僅靠單項修復治理技術可能很難達到目的，將多種可行的修復技術進行組合，因地制宜做到優(yōu)勢互補，也是重金屬污染農田修復今后的趨勢所在。

表3 2000—2018年小麥、玉米農田重金屬污染修復英文發(fā)文量Top10期刊Table 3 Top10 English journal in volume of publications in the field of remediation of heavy metals contaminated wheat and maize fields from 2000 to 2018

2.4 小麥、玉米農田鎘污染修復技術效果分析

從小麥、玉米重金屬污染農田修復類別研究可知，國內外將鎘污染作為研究重點，其污染形勢最為嚴峻，對此針對鎘污染進行分析比較。由于采取盆栽試驗手段存在一定局限性，從相關的379 篇文獻中再篩選出田間條件下農田鎘污染修復的文獻，提取信息并對土壤條件、試驗用量及修復效果等進行綜合分析。統(tǒng)計出的主要大田技術包括無機類（石灰及工業(yè)副產品類、磷酸鹽類、金屬氧化物類、黏土礦物類和無機復合類）、有機類（生物肥及有機物料、生物炭改良）、無機+有機復合類、葉面阻控劑、品種篩選、植物修復及聯合修復等，每類包含樣本量不同。

由表4 可知，試驗土壤pH 值在 6～8，包括酸性到堿性范圍的農田土壤，土壤鎘含量的范圍在超出《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）的風險篩選值1～8 倍。其中品種篩選樣本最多，以籽粒降鎘率作為主要指標評價。無機復合類對土壤pH升高最多，提升1.84個單位；其次是黏土礦物類。采用聯合修復后土壤鎘生物有效性降低率效果最為明顯（49.20%）；其次是無機+有機復合；石灰及工業(yè)副產品類與植物修復的能力較弱。從保障農作物食用安全看，低積累鎘小麥、玉米品種的應用使籽粒降鎘率達57.73%，效果最佳，其次是無機+有機及無機復合類鈍化，而其他技術也在不同程度上降低了作物鎘量，但葉面阻控效果相對較差（23.26%），可能與樣本數量有限有關。對于產量提升最為顯著的是生物肥及有機物料和磷酸鹽類及金屬氧化物類?？傮w來看，在降低土壤及作物鎘量上，無機+有機復合類鈍化修復技術是最有效的。僅靠一種鈍化方式修復可能難以達到效果，未來可從復合鈍化劑研發(fā)及配施進行努力。另外，小麥、玉米重金屬污染農田修復技術及效果與稻田存在差異，由于稻田土壤條件為酸性且淹水，多數修復技術偏向于堿性鈍化材料，同時結合水分管理等技術，而小麥、玉米為旱作作物，土壤環(huán)境不同，鈍化劑種類范圍也更大。綜上，低積累鎘品種的選用對稻田及小麥、玉米重金屬污染農田的降鎘效果均最強，值得重點研究。

3 結論

國內外對小麥、玉米重金屬污染農田修復的研究起步較緩，在2010 年之后增速加大，但研究熱度明顯低于稻田。研究熱點同稻田一致，均以鎘污染修復最多，不同類別的農田修復技術中，施用鈍化劑/改良劑的研究受關注度最高，但所用鈍化劑種類及效果與稻田不同。小麥、玉米重金屬污染農田修復領域發(fā)文的主要來源期刊有：Journal of Hazardous Materials、Science of the Total Environment、Chemosphere、《農業(yè)環(huán)境科學學報》及《生態(tài)環(huán)境學報》。

表4 小麥、玉米農田土壤鎘污染修復技術效果Table 4 Effects of remediation technology of Cd pollution in wheat and maize farmland soil

田間試驗條件下小麥、玉米鎘污染農田修復效果的統(tǒng)計表明，低積累鎘小麥、玉米品種的應用在降低作物籽粒中鎘的效果最佳，降鎘率達57.73%，其次是無機+有機復合類鈍化修復技術，籽粒的降鎘率達53.51%。無機-有機復合類修復材料和低積累品種選用是小麥、玉米重金屬污染農田修復利用的有效技術和發(fā)展方向。