基于文献计量学的农村饮用水现状研究

李红娜，田云龙，马金莲，李斌绪，朱昌雄

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

基于文献计量学的农村饮用水现状研究

李红娜，田云龙，马金莲，李斌绪，朱昌雄

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

以Science Citation Index Expanded (SCI-E)在线数据库为基础，研究了1993—2012年来全球范围内有关农村饮用水的文献报道，并对研究的内容、趋势以及主题进行了系统的分析和评价。自1991年开始，与农村饮用水相关的文献报道迅速增加，这表明大众对水质安全的关注度逐渐提升。对作者关键词(author keywords)、附加关键词(keywords plus)、题目(title)及摘要(abstract)的统筹分析表明，砷和硝酸盐是当前农村饮用水中研究最多的污染物，且在未来10年内依然是持续关注的对象。印度及孟加拉国的饮用水中砷浓度严重超标，因此也成为农村饮用水研究最热门的区域。根据文献计量分析的结果，风险评价、水处理以及水体污染是当前的研究热点，消毒和吸附是当前研究最多的处理方法。

农村饮用水；文献计量学；砷；硝酸盐；研究趋势

饮水安全，特别是农村饮用水的水质和安全一直是人们关注的问题[1-2]。根据世界银行的统计，全球有80%的农村人口没有安全的饮用水源；在低收入国家中大约有11亿人缺乏完善的饮水处理系统[3]。每年有数百万的人死于由病原体微生物、有毒有害的有机无机污染物、重金属所带来的疾病，因此，农村地区的饮水安全工作任重道远[4-5]。水质分析、风险评估以及末端水治理等措施的重要性也逐渐显现出来。在印度、孟加拉以及其他发展中国家，饮水安全已经成为非常重要的国家发展战略[6]。与农村饮用水相关的研究逐渐得到了越来越多的关注。

虽然与农村饮用水相关的文献数量很多，但是鲜有对全球研究数据分析的报道。为了深入了解目前农村饮用水的研究现状，及时把握其发展动向及前沿，以获得最有价值的信息，本文采用文献计量学的方法[7]，通过对文献标题、作者关键词(author keywords)、附加关键词(keywords plus)、题目(title)及摘要(abstract)的综合分析，评价了1993—2012年间全球有关农村饮用水的研究及趋势。有关发现可以帮助科研人员更好地了解与饮用水相关的研究现状以及未来的发展方向。

1 数据来源与分析方法

科学引文索引(Science Citation Index Expanded，SCI-E)是美国科学信息研究所的网络科学数据库，是文献计量学分析中最常用和最重要的源数据库。本文以SCI-E数据库为基础，检索式为“drink*water”amp;“rural or countryside or village or agricultur*”，以2012年12月31日为节点共查到3 627 篇文献。这些文献同时包含了与“drinking water”, “drinking waters”, “drinkable water”, and “drinkable waters”及“rural”, “countryside” or “village” or “agriculture” or “agricultural”等有关的内容，下载的内容涵盖了所有文献的作者名称、通讯地址、标题、发表年份、作者关键词、附加关键词、摘要、web of science分类以及发表期刊的名称等信息。利用Excel、SPSS等软件研究论文的年度发表数量变化、类别分布、研究机构及作者的分布；利用词组聚类分析法[7]对作者关键词及附加关键词进行分隔确定，之后按照4个阶段(1993—1997、1998—2002、2003—2007、2008—2012)统计主要关键词的出现频次并排序；最后，将作者关键词、附加关键词、论文题目、摘要等信息作为一个整体统计主要关键词的出现频次及排序，以评价当前的研究热点以及未来的研究趋势。其中，具有相同或相近含义的词或词组统一合并成为一个关键词，比如，“drinking water*”包括“drinking water”, “drinking waters”, “drinking-water”;“groundwater*”代表“groundwater”, “groundwaters”, “ground water”, “ground waters”及 “ground-water”等(*代表单数和复数形式)。

2 结果与讨论

2.1 论文发表数量、方向、机构及作者分析

近几十年来有关农村饮用水的研究极速增加，从1927年的1篇增加到2012年的337篇(图1)。1927年Lara[8]描述了菲律宾农村地区由饮水污染引起的霍乱暴发，并由此向全世界发出了对水质安全的警告，这是与农村饮用水相关的第一篇文献。自1991年起，与农村饮水相关的文献数量显著增多，单篇文献的被引次数最多的分别在1984、1998和2002年，研究重点在硝酸盐[9]、氮磷[10]以及有机污染物[11]。1984年Dorsch等[9]研究了南奥地利农村地区的先天畸形病例与饮用水源水质的相关关系，并推测这可能与硝酸盐诱导的畸形病变有关。Carpenter等[10]指出水生态系统中的氮磷主要来自于农业生产和城市活动，如果按照当前的排放情况，流域水体的面源污染状况一定会发生恶化。Kolpin等[11]提供了美国第一份全国范围内有关天然水体中药物、激素及其他污染物的分布及浓度清单，并且指出它们对人体健康存在重大的安全隐患。

图1 “农村饮用水”主题逐年发文量及篇均被引次数(SCI-E，1970—2012年)

根据期刊引文报告JCR发布的研究方向分类，在1927—2012年间，与农村饮用水相关的文献分布于143个SCI主题类别中。其中，数量分布最多的3个主题类型分别为环境科学(1401, 22.2%)、水资源(902, 14.3%)、公众、环境与职业健康(637, 10.1%)。文献计量分析的结果表明，所研究时间范围内农村饮用水相关的文献分布于337个不同的期刊中，其中，WaterScienceandTechnology的发文量最多(106, 3.1%)，其次是EnvironmentalMonitoringandAssessment(86，2.5%)、Desalination(77, 2.3%)及ScienceoftheTotalEnvironment(77, 2.3%)。

在1927—2012年间，来自瑞典卡罗林斯卡研究院的Marie Vahter就农村饮用水发表的SCI文章数最多(30, 0.89%)；来自“台北中央研究院”的Chen Chien-Jen发文量次之(26, 0.77%)；哥伦比亚大学的Alexander van Geen(26，0.77%)、印度贾达普大学的Dipankar Chakraborti(23, 0.68%)以及孟加拉国夏加拉尔科技大学的Mahfuzar Rahman(21, 0.62%)依次位列第3～5名。在所有作者中，有 9 379 位(总作者数的84.55%)在1927—2012年间仅发表了一篇文章。

进一步，通过通信作者的信息来分析不同机构的贡献。在1927—2012年间有关农村饮用水的文献中，有3 222篇文献含有通信作者的信息，包含了1 768家机构。在这些机构中，有1 247家机构(38.7%)仅发表过一篇文章。发文量最多的机构是美国加州大学(68, 2.1%)，其次依次为美国农业部(64, 2.0%)、中国科学院(59, 1.8%)、伦敦大学(56, 1.7%)以及哥伦比亚大学(47, 1.5%)。

2.2 作者关键词分析

近一两年内有关文献计量的文章不断增多，但是有关研究趋势的报道还比较缺乏。在1993—2012年有关农村饮用水的3 238篇文献中，有2 485篇(76.7%)含有作者关键词。以此为基础，每5年作为一个阶段，对其中的作者关键词进行计数、排序(表1)。使用最频繁的关键词包括地下水(groundwater*)、砷(arsenic)、水质(water quality)、硝酸盐(nitrate*)、水体污染(water pollution)和农药(pesticide*)。尽管地球上的地下水仅占全球水资源的0.6%，但是它却是农村地区和城市地区最主要也是优先选用的饮用水源，特别是在像印度之类的发展中国家。已有的调查表明，印度农村地区80%的饮水需求和50%的农业需水均来自地下水[12]。然而，随着由于城市化和工业化的发展，地下水的污染越来越严重[13-14]。

经分析，砷、硝酸盐和农药是饮用水中普遍存在的污染物；此外，氟化物、重金属以及大肠杆菌(E.coli*)等也是出现次数较多的作者关键词。在第一个5年阶段(1993—1997年)中，前25个最频繁使用的作者关键词中没有出现孟加拉(Bangladesh)，但是之后有关孟加拉农村饮水的研究越来越多(表1)。作者关键词的分析表明，“砷”(arsenic)、“硝酸盐”(nitrate*)、“农药”(pesticide*)、“氟化物”(fluoride*)、“重金属”(heavy metal*)及“大肠杆菌”(E.coli*)是农村地区最普遍存在的污染物质。

表1 在1993—2012年间引用频次最高的前25个作者关键词(5年为一个阶段)

注：PT为总文章数；R为排序；P为在所有附加关键词中出现的百分比；N/A表示无相关报道。

2.3 附加关键词分析

附加关键词是从施引文献的题目及备注等信息中挖掘的关键词，对原始的题目关键词与作者关键词提供补充和完善的作用。在1993—2012年间发表的3 228篇与农村饮用水相关的文献中，有2 610篇(80.6%)含附加关键词。除了本文的检索词“饮用水”(drinking water*)外，“地下水”(groundwater*)和“水体污染”(water pollution)是使用最频繁的前两个附加关键词(表2)。含有“印度”(India)、“孟加拉邦”(West-Bengal)及“孟加拉国”(Bangladesh)的文献数量的排序和占比分别从1993—1997年的第26 (1.7%)、0、第56 (1.1%)上升到2008—2012年的第7 (5.1%)、第9 (4.5%) 、第11 (4.0%)，表明这些地区的农村饮水问题吸引了越来越多的关注。另外，最频繁使用的附加关键词还包括了“exposure”, “quality”, “risk”和“health”。地下水的砷污染对全球的公众健康造成了极大的影响，砷污染的地下水已经造成全球特别是孟加拉共和国、印度孟加拉邦等地区砷中毒相关的疾病问题[5]。据不完全统计，在中国有43.2%的疾病以及23.7%的婴儿死亡与地下水的氟污染相关[15]。在乌拉圭的很多农村地区，饮用水中含异常高浓度的硝酸盐(lt; 200 mg/L) 和氟化物 (lt; 5 mg/L)，除了口感(苦咸水)、感官(色度)等问题外，更严重的是对饮用者的身体健康存在极大的健康风险[13]。因此，从这些关键词在5个阶段的变化趋势可以看出安全饮水的关注度正在逐渐提升。在第1个阶段中没有出现“disease”和“removal”，但之后它们的排序和百分比持续上升，在2008—2012年间分别达到第26(2.5%)、第21(2.9%)，表明有关疾病和去除率的问题也逐渐得到了重视。

2.4 研究热点分析

如前所述，为了使得热点分析更全面可靠，将文章标题、作者关键词、附加关键词、摘要综合起来进行聚类分析[7]。之后，将含义相似或相近的单词、短语合并成一个词组，并进行分组和排序。图2中所列出的词语包含了它们的单复数形式、简称、其他时态格式以及含义相近的词语。

与2.2中的分析结果相同，砷、硝酸盐、氟化物、重金属和大肠杆菌是饮用水相关研究中最受关注的污染物(表2)。天然水体中超过安全阈值的砷是当前全球范围内困扰饮用水安全的一个问题。已有的研究表明，水源水中无机态的砷被检测到的概率最高[16]。长期饮用含砷的水引起皮肤、肺部、膀胱、肾脏相关的癌症以及色素改变等多种疾病[5,14]。如Mohan等[17]所述，砷被当作是毒性的同义词，是20世纪和21世纪的灾难。第1篇有关砷作为农村饮用水中的污染物的文献发表于2001年，报道了越南红河道冲积平原农村地区的砷污染，自此吸引了越来越多的关注[18]。研究结果表明，在污染严重的农村地区，直接作为饮用水源的地下水中砷的平均质量浓度为430 μg/L，远远高于50 μg/L的标准值；全球有数百万人口正在饮用这类未处理的地下水，面临着慢性砷中毒的风险。因此，切实可行的砷污染治理措施急需建立[2]。硝酸盐在适度浓度范围内对人体是无害的，但是由于它具有高流动性而容易渗透进入地下水，含高浓度硝酸盐的饮用水会导致人畜特别是新生儿患高铁血红蛋白症[19-20]，因此，有关硝酸盐的农村饮用水研究在整个阶段都保持高增长趋势。Zhang等[20]于1996年的研究表明，中国的华北地区自20世纪80年代开始急速增长的氮肥施用加重了地下水氮污染的风险，地下水和饮用水中的硝酸盐质量浓度达到300 mg/L，远超于饮用水标准规定的50 mg/L，这篇文章是农村饮用水中硝酸盐污染研究中引用频次最高的。同样，在美国[19]、非洲[13]以及其他国家和地区也存在硝酸盐过量的问题。最近的研究报道表明在美国加利福尼亚州一个拥有密集农业的圣华金河谷地区，有44%的井水中硝酸盐浓度没有达到美国EPA对饮用水的标准；地下水的深度、井的深度与井水中硝酸盐的量密切相关[21]。基于这些调查与分析，可以从采用氮肥的最佳管理措施、提高大众的环境意识等方面着手改善农村地区饮用水硝酸盐的超标问题。农药、氟化物以及重金属都是农村饮用水中普遍存在的污染物。农药在作物病虫害的预防和缓解中被广泛使用，美国EPA农业行业销售与使用报告指出，全球大约使用了52亿磅的农药，其中除草剂占到了40%，其次为杀虫剂(17%)及杀真菌(10%)。近年来越来越多的研究指向了农药对人体的破坏性危害[22-24]，如在湄公河三角洲，人们通常是从运河或河流取水仅经絮凝煮沸后饮用，这些措施不足以消除其中大量存在的农药，这种长期慢性暴露与该区域的动植物和村民所表现出的疾病具有很高的相关性[24]。从图2可以看出，近年来与氟化物相关的文献数量逐渐增加。已有的研究表明，高浓度的氟化物浓度会造成神经毒害效应，会影响儿童的智力和正常生长[25]。在印度，受氟中毒影响的人群超过6600 万人，其中有600万14岁以下的儿童[3]；氟中毒已经成为印度分布最广的地球化学疾病，在农村地区，即使饮用水氟化物的质量浓度低至0.5 mg/L，依然会出现氟骨症、牙齿疾病等[12]。在孟加拉国、中国等地也有相似的情况[26-27]。

图2 1993—2012年间热点污染物的研究趋势

在研究热点区域中，有关印度的发文量最多，其次为孟加拉、中国、美国和非洲(图3)。超过20个国家的地下水中检测到高浓度的砷[17]；在堪称最严重砷灾难的印度孟加拉邦，有3 000万村民每天饮用着高浓度砷污染的饮用水[27]。在孟加拉国，有42个地区的地下水中砷浓度高于WHO的最高允许浓度50 μg/L，当地的村民饱受砷性皮肤病的摧残[6,14]。

图3 1993—2012年间热门区域的研究趋势

关键词分析的结果表明，农村饮用水领域的研究热点话题包括风险评估(risk assessment)、水处理(water treatment)、水体污染(water pollution)、儿童(children)和公众健康(public health)(图4)。其中，风险评价具有极高的出现频率，总共有881篇文章做了相关研究，仅2010年和2011年就有超过90篇。正是由于当前严峻的“水体污染”形势以及由此必须开展的“水处理”对策使得“风险评价”在整个研究期间都是热门话题。全球有10亿多人的安全饮水问题得不到保障，其中大多数在发展中国家；不安全的饮水和卫生状况给环境和人体，尤其是农村地区，带来了多种潜在的健康风险，如砷污染[17]、细菌污染[29]、病毒污染[30]、腹泻[4,31]及农药暴露等[32]。因此通过建立完善的风险管理框架来解决农村地区水源水的处理问题迫在眉睫。儿童(children)也是一个研究热点，已有的报道表明，儿童对农药、氟化物及其他有毒物质的致癌效应可能尤其敏感[3,33]。此外，现有的未采取保护措施的小水域可能存在更高的健康隐患[34]。因此，水质管理和风险控制工作都应加强。

图4 1993—2012年间热点话题的研究趋势

农村饮用水处理的方法有很多种，其中消毒是去除、灭活病原体微生物以保障饮水入口安全的最后一道工序[35]，被认为是21世纪饮用水处理领域最大的挑战。通常使用的消毒方法包括煮沸[36]、加氯[37]、电化学氧化[38]、臭氧氧化[39]等。此外，吸附(adsorption)也是当前的一个热点，特别是对于全球范围内出现的越来越严重的砷污染治理。在2007年以前，砷的去除方式多以氧化、沉淀、絮凝、膜分离等为主，直到Mohan等[17]的文章发表，吸附逐渐成为高效去除砷的焦点。

2.5 高被引论文分析

文章的影响力可以通过每年的被引次数来追踪和评价[7]。表3列出了截至2012年为止引用次数最多的10篇文章，其中2篇发表于Environmental Science amp; Technology (影响因子IF= 5.257， 2012)，其余8篇分别发表于Ecological Applications (IF= 3.815，2012)、Science of the Total Environment (IF=3.258，2012)、Journal of Hazardous Materials (IF= 3.925，2012)、Neurology (IF= 8.249，2012)、Analyst (IF=3.969，2012)、Environmental Health Perspectives (IF=7.26，2012)、Ann Intern Med (IF=13.976，2012)以及Field Crop Res (IF=2.474，2012)。其中，“Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in US streams, 1999—2000: a national reconnaissance”发表于2002年的Environmental Science amp; Technology(Kolpin, 2002)，被引用次数最多，截至2012年底已经达到 2 539 次。该文章报道了[11]由美国地质调查局USGS开展的第一个全国范围内水资源中药物、激素及其他有机污染物(organic wastewater contaminants，OWCs)的全面普查，结果表明80%以上的溪流中都检测到了多种OWCs，其中很多没有列在饮用水水质标准中；多种OWCs共存可能带来的协作/拮抗作用使得其潜在的健康风险难以评估。此外，该文还提出了中间代谢产物研究对于OWCs在水文系统中的归趋和传输以及最终对人体健康和环境安全的影响的重要性。这10篇文章历年的被引用频次情况如图5所示。

表3 1927—2012年间被引频次最高的10篇论文统计

(a) 前5篇

(b) 后5篇

Kolpin[11]、Carpenter等[10]、Mohan等[17]所发表的文章在2012年的被引次数分别达到338、182和146次，表明研究人员对农村饮用水中的有机污染物、氮磷营养成分的修复、合适的砷吸附剂的筛选等问题的关注。在表3的10篇文章中，有4篇与砷污染调查或控制相关。有2篇来自印度的贾达普大学，其余8篇的通讯单位分别为美国地质调查局、美国威斯康星大学、德国水资源研究与技术学院、美国密西西比州立大学、瑞士环境科学与技术联邦研究院、台湾“国立”大学医学院、美国疾控中心以及澳大利亚的联邦科学与工业研究组织。

3 结 语

以SCI-E数据库为基础，主要分析了1993—2012年间与农村饮用水研究相关的发文量、文章分类、分布期刊、研究机构、国家、研究主题以及未来的研究趋势。有关农村饮用水的文章近年来迅速增多，表明公众对安全合格的饮用水源的关注和重视。砷和硝酸盐是当前农村饮用水研究中最关注的污染物，也是未来十年内研究的重点。农村饮用水问题较严重的印度和孟加拉是研究的重点区域，风险评估、水处理和水体污染是主要的研究方向。此外，文献计量学的分析结果表明，消毒和吸附是农村饮用水研究最多的处理方式。

致谢：

台湾亚洲大学的何玉山老师在本文数据处理中给予了指导和帮助，在此表示感谢。

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Studyoncurrentstatusofruraldrinkingwaterbasedonbibliometrics

LIHongna,TIANYunlong,MAJinlian,LIBinxu,ZHUChangxiong

(InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgricuturalSciences,Beijing100081,China)

Based on the online database of Science Citation Index Expanded, this paper has studied the worldwide literature report about rural drinking water over from 1993 to 2012. The content, trend and theme of the research in this regard were systematically analyzed and evaluated. Since 1991, the related literature about rural drinking water has increased rapidly, which indicates that the public’s attention to water quality is gradually increasing. After synthetic analysis of author keywords, keywords plus, titles and abstracts, arsenic and nitrate are concluded to be the most frequently studied pollutants in rural drinking water at present and will continue to be the focus of attention for the next decade. Arsenic concentrations in drinking water in India and Bangladesh are seriously exceeded, which has become the most popular area for drinking water research in rural areas. According to the results of bibliometric analysis, risk assessment, water treatment and water pollution are the current research hotspots. Disinfection and adsorption are the most studied methods at present.

rural drinking water; bibliometrics; arsenic; nitrate; research trend

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.10

国家自然科学基金(51308537)

李红娜(1986—)，女，助理研究员，主要从事环境修复、水体深度处理技术等研究。E-mail：lihongna828@163.com

X52

A

1004-6933(2017)06-0065-09

2017-03-20 编辑：徐 娟)