基于Citespace可视化的土壤重金属形态分析

苟俊莉， 张清东*， 李文梦， 张思林， 王立东

(1.西南科技大学 环境与资源学院， 四川 绵阳 621000； 2.绵阳市农畜产品质量安全检验检测中心， 四川 绵阳 621000)

随着城市化和工业化的快速发展，越来越多的环境问题出现。土壤环境作为自然生态系统的重要组成部分，也面临着前所未有的挑战。中国是全球土壤污染最严重的国家之一，环保部生态司司长庄国泰曾坦言：“我们的大气和水污染治理已经走了将近40年的历程，但是土壤污染治理与修复几乎还没有动”。土壤污染的常见类型有有机污染、重金属污染、病原微生物污染、放射性元素污染，其中，重金属污染危害最大。重金属在土壤中主要通过沉淀溶解、氧化还原、吸附解吸、胶体等一系列物理化学过程进行迁移和转化，最终以一种或多种形态长期驻留在环境中。

研究表明，土壤重金属形态具有重要的环境学意义，影响其形态分布的因素主要包括土壤内因和人为活动外因两方面[1]。重金属总量仅仅反映其在土壤中的富集程度，环境中重金属的迁移转化、毒性及其在自然界中的循环很大程度上取决于其赋存形态[2-4]。张建云等[5]添加生物炭到污染土壤中，结果显著降低了土壤重金属的有效态，减少了重金属在环境介质中的迁移性；刘盼盼等[6]通过对重金属全量和形态分布分析，采用风险评价编码(RAC)法及次生相与原生相分布比值(RSP)法对元素生物有效性和环境风险进行评价。

土壤重金属形态研究已引起广泛关注，由于土壤重金属形态研究的文献太多，通过综述很难清晰地梳理出研究的热点。而科学计量学分析可以通过共现网络发现相同或相似主题的潜在关系，最终找出科学活动的规律性[7]。目前，进行可视化分析的软件较多，有Sci2Tool、BibExcel、Histcite、Ucinet、SCIMAT、VOSviewer、Pajek和CiteSpace。不同软件都有自己的优势，BibExcel和Ucinet专注于共现分析，SCIMAT专注于进化趋势检测，而VOSviewer专注于可视化，CiteSpace则集成了所有功能，为科学计量学分析提供了一站式的方法[8]。为此，笔者等利用CiteSpace软件分析 2014—2018年我国土壤重金属形态领域的研究核心方向及研究热点，以期为我国土壤重金属的深入研究提供参考。

1资料与方法

1.1数据来源

研究所使用的数据来源于中国学术期刊出版网络总库(中国知网)，数据检索时间为 2019年7月1日，检索条件以“主题=‘土壤重金属’并含‘形态’”进行检索，时间限定为 2014年1月1日至2018年12月31日，共获取1 487条记录。对检索结果进行去重，剔除会议稿件、书评、征稿等无效条目，最终获得1 445篇有效文献。在导出数据时选择可以被 Citespace软件识别的 Ref Work 格式，并将其命名为“download.txt”，以保证运行效果。

1.2方法

采用CiteSpace 软件(5.2.R2 SE 版本)进行研究。利用机构作者合作图谱、关键词共现图谱等可视化分析2014—2018年间土壤重金属形态研究领域的发展特点、研究热点、合作关系等。

作者合作图谱反映作者在该学科中的活动及合作程度，可科学评价研究者的学术影响力。在软件参数设置上，时间阈值为2014—2018，时间切割设置为1年；节点类型设置为“Author”；节点阈值为Top 50，无网络修剪，其余选项均为默认。

机构合作图谱可反映某一研究领域的核心机构及其合作强度。在软件参数设置上，节点类型设置为“ Institution”，其余选项均同上。

研究对象的分布和演化可直观地反映不同时间序列中热点区域、分析视角和研究方法的变化。关键词作为学术论文研究主题的精细表达，在一定程度上揭示学科领域知识的内在关系[9]。在软件参数设置上，选择“Keyword”作为节点类型，时间片设置为1年，阈值选择Top50，网络修剪方式选择 Pathfinder和Pruning the merged networks；其余选项均为默认[10]。

2结果与分析

2.1文献刊发量的可视化

发文量随时间变化的分布情况可反映该领域研究热度变化。从图1可看出，2014—2018年间，年均发文量在200篇以上，发文量总体呈上升趋势。但2018年发文量有所下降，仅占5年中总发文量的15.68%，而2016年发文量最多，占24.18%。

2014—2018年发文量的变化可能有以下原因： 1) 农业地位的重要性。农业作为第一产业，是其他产业的基础，是自然经济和社会经济相互交织的产物。根据粮农组织2014年的信息和数据，超过8.05亿人面临饥饿和营养不良，人口增长将需要粮食产量增加约60%。因此保持土壤健康和生产力十分重要。土壤污染一直是人们关注的焦点，土壤重金属污染相关研究也相应越来越多。2) 全球政治背景趋势的变化。2013年6月，世界粮农组织大会通过了将每年的12月5日作为世界土壤日的决议，此后，来自世界各地的土壤专家、政治家和高级官员逐渐强调土壤的重要性，土壤重金属形态这一研究也越来越进入大众视野。3) 国家系列政策的实施。环境保护部和国土资源部于2014年4月联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》[11]显示，土壤污染率达16.1%，重金属污染尤为突出，使国内土壤重金属方面的研究逐渐白热化。而在2016年5月28日，由国务院印发实施的《土壤污染防治行动计划》是我国土壤保护的纲领性文件，该文件提出了预防为主、保护优先、风险管控的总体思路。由于有了更多的新的研究方向，使土壤重金属方面的研究逐渐弱化，重金属形态这一分支也受其影响，重金属形态理论的研究逐渐趋于饱合，后期关于实践性的研究尚待与理论融合，致使2018年的论文产出量较前几年有所下降。

图1 2014—2018年土壤重金属形态研究发文量

Fig.1 Number of publications on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.2作者合作网络

从图 2可知，土壤重金属形态研究的作者合作网络有节点368个，连线535条。其中，南忠仁创下了8篇相关文章的记录；其次是胡红青，发表论文7篇，武文飞、王厚成、肖瑞和陈寻峰均分别发表论文6篇。我国土壤重金属形态研究存在明显的作者合作群体，主要是以南忠仁和陈寻峰为主的2个群体间作者合作最为密切。通过查阅文献发现，南忠仁所在的作者合作群体主要是通过土壤-植物体系来研究其生物有效性[12-14]，而陈寻峰所在的作者合作群体侧重于土壤重金属的固化研究[15-16]。除此之外，部分其他作者之间也存在合作，但合作强度不大，未能形成群体，还有部分作者独立进行研究。总的来说，研究人员之间还处于相对独立的研究状态，未能形成大范围的群体合作研究。

图22014—2018年土壤重金属形态研究的作者合作网络图谱

Fig.2 The map of author cooperation network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.3机构合作网络

节点大小表示机构在该领域研究论文中出现频次高低，节点之间的连线越多表明合作越多，节点间连线粗细代表机构间合作强度高低。从图3可知，土壤重金属形态研究机构的合作图谱有节点128个，连线64条。其中，土壤重金属形态研究较多的机构包括中国科学院大学、湖南农业大学、云南农业大学、环境保护部华南环境科学研究所、广西大学、西北农林科技大学、华中农业大学、河海大学、湖南大学和西南大学。其中，西北农林科技大学与其他机构的合作最为广泛，其次是环境保护部华南环境科学研究所。部分机构由于所处地理位置相近，相互之间也有合作，但大部分的机构与高校都是独立研究。总的来说，对于土壤重金属形态研究较多的机构主要集中于资源与环境类院校和科研机构；各大机构之间的合作相对缺乏，独立性较强。

图32014—2018年土壤重金属形态研究的机构合作网络图谱

Fig.3 The map of institution cooperation network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.4关键词共现网络

2.4.1研究热点从图4可知，关键词共现网络有节点127个，连线145条。通过关键词共现图谱内容可以确定国内土壤重金属形态研究领域的主要热点。其中，高频关键词为在所有分析文献的关键词中出现频率较高的部分，一定程度反映了研究的热门。排除“土壤”、“重金属”、“形态”这三个检索主题限定词后，关键词共现频率最高的是“生物有效性”，其次是“形态分析”、“化学形态”和“生物炭”。排除“形态分析”、“化学形态”等检索相关限定词，同时结合图谱中其他主要关键词统计结果发现，土壤重金属形态的研究热点内容集中在以下方面： 1) 生物有效性。关键词“生物有效性”出现频次最高，为113次。在土壤重金属形态研究中，形态与生物有效性紧密关联。兰翔等[17]从污染土壤中筛选了耐铅镉真菌，结果使土壤中铅镉的生物有效性和小白菜体内铅镉含量和累积量显著降低，为铅铬污染土壤微生物修复的应用提供了理论依据；宋文恩等[18]采用不同土壤酸化方式研究土壤中Cu的形态及生物有效性的变化，发现降低pH可导致土壤中重金属的活化，生物有效性增强；龙灵芝等[19]探究了水分管理方式和磷酸盐对水稻土中Cd生物有效性的影响发现，磷酸盐施用与水分管理对有效态Cd的影响存在交互作用，且水分管理是控制水稻土中Cd生物有效性降低的主要影响因素。2) 生物炭。生物炭因具有较大的比表面积和孔隙结构，强的离子交换能力和丰富的表面含氧官能团对重金属具有很强的吸附能力与吸附容量，生物炭研究的热点主要集中于土壤钝化修复。周贵宇等[20]研究了3种有机物料在设施菜田土壤重金属污染条件下对重金属生物有效态等赋存形态的影响，结果表明，3种有机物料可以通过改变设施菜田土壤pH和对重金属的吸附、络合等固定作用降低土壤中重金属活性；郁倩文等[21]构建微生物/生物炭盆栽试验系统修复重金属污染土壤，修复后的土壤重金属浸出毒性均远小于毒性鉴别标准，对土壤修复具有一定指导参考意义。3) 重金属污染。通过检测特定区域土壤或植物中重金属浓度分析其污染分布特征和污染程度，从而对该地区进行生态风险评估和健康风险评价是近年来的研究热点之一。刘俊等[22]通过测定沉积物中重金属的总量、形态及生物有效性，利用地积累指数法和单因子指数法分析其污染程度与等级来研究沉积物中重金属的污染特征及生态风险；吴青等[23]使用生物可降解螯合剂谷氨酸N,N-二乙酸四钠萃取污泥中重金属具有良好的萃取效果；林文杰等[24]使用改良剂对矿区污染耕地土壤进行基质改良，研究改良剂对土壤金属形态及其在土壤-农作物界面迁移的影响，结果表明，改良剂能有效的将重金属固化在土壤中。重金属污染与生物有效性和生物炭两大研究热点具有一定的关联性，许多情况下这三大热点的研究是在土壤修复这一大背景下进行的。

图42014—2018年土壤重金属形态研究的关键词共现网络图谱

Fig.4 The map of keywords co-occurrence network on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

2.4.2研究前沿研究前沿的识别与追踪能为研究者提供学科研究的最新演化动态，预测研究领域的发展，识别需要进一步探索的问题。CiteSpac软件具有突发性的词汇检测功能，而突现的主题则代表了学科发展的新型趋势和突然变化。研究在上述关键词共现分析的同时，利用软件自带的突现检测算法，整理得到土壤重金属形态研究领域的突现词信息(表1)。

表12014—2018年土壤重金属形态研究的突现词信息

Table 1 Information about keywords with the strongest citation bursts on heavy metal speciation in soil research from 2014 to 2018

关键词Key words强度Strength起始Begin终止End2014—2018年中介中心性Centrality频次Frequency迁移 Migration4.578 920142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.0614edta4.249 820142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.3513超声波 Ultrasonic3.264 320142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.2710镉形态 Cd form2.663 520162018▂ ▂ ▃ ▃ ▃0.3612油菜 Rape2.609 020142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.388cu2.281 720142015▃ ▃ ▂ ▂ ▂0.307污染特征 Pollution characferistics1.994 920162018▂ ▂ ▃ ▃ ▃0.039

注：▃为在2014—2018年中关键词突现的年份。

Note:▃ is the year in which keywords with the strongest citation bursts from 2014 to 2018.

从关键词突现强度看，“迁移”的突现强度最大，为4.578 9。土壤重金属形态研究热点之一的生物有效性就主要研究重金属的迁移富集，表明在土壤重金属形态研究早期“迁移”受到广泛关注，并成为具有影响的研究前沿热点。同时，“edta”和“超声波”的强度也较大，分别为4.249 8和3.264 3，是土壤重金属形态研究的重要前沿领域。总体来看，土壤重金属形态研究呈现出从单一到多元、从宏观到微观的变化趋势。

从关键词突现时间来看，2014—2018年关键词突现可分为两个阶段。2014—2015年为第一阶段，突现词有“迁移”“edta”“超声波”“油菜”和“cu”，突现时间跨度均为2年，这可能与环境保护部和国土资源部于2014年4月联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》有关。2016—2018年为第二阶段，在2016年，出现了“镉形态”和“污染特征”两个突现词，这可能与2016年国务院印发实施的《土壤污染防治行动计划》有关，致使2016年的两个突现词成为延续至今的最新研究前沿。

关键词的中介中心性在很大程度上代表其在整个关键词共现网络中的重要性，指代一定时期内热门的研究主题。从突现词中介中心性和频次来看，“油菜”为中介中心性最大的突现词，为0.38，表明“油菜”是研究的热点主题，学术影响力较高，尽管其出现的频次较少；而“迁移”和“污染特征”的中介中心性在7个突现词中偏小，仅为0.06和0.03，说明该突现词在整体关键词共现网络中的连接作用较小，但其出现频次分别为14次和9次，比中介中心性最大的“油菜”的频次高，表明关键词出现的频次不决定研究前沿的影响力。

3结论

利用 CiteSpace 软件研究2014—2018年间土壤重金属形态研究领域的文献量、合作关系、研究热点、研究前沿等。结果表明， 2014—2018年间发文量总体呈现上升趋势，这与国内外政策息息相关。此外，有关土壤重金属形态研究的作者间存在明显的作者合作群体，主要是以南忠仁和陈寻峰为主的两个群体间作者合作最为密切；在研究机构中，中国科学院大学、湖南农业大学、云南农业大学、环境保护部华南环境科学研究所等为土壤重金属形态研究重点机构，研究机构之间大多都是处于独立研究状态，未形成研究合力。目前，土壤重金属形态研究主要集中在生物有效性、生物炭和土壤污染三方面，镉形态和污染特征为最新的研究前沿，是未来几年该领域集中的主要研究方向。