基于Web of Science的环境领域中海洋溢油污染事故相关研究热点计量学分析

（1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.橙志（上海）环保技术有限公司，上海 200444；3.上海城勘信息科技有限公司，上海 201206；4.华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200062）

石油是能源的重要组成部分，海上石油的开采、贮存和运输，海岸石油产品的生产、加工及其无序排放等，使得海洋溢油污染事故频发，成为全球重大环境问题之一[1]。根据国际油轮船东防污染联合会（International Tanker Owner Pollution Federation，ITOPF）数据统计，1970—2019年全球范围内发生中大型船舶溢油事故（溢油7吨以上）共计1843起[2]。突发性、偶然性和瞬时性是海洋溢油污染事件的显著特点。除此之外，溢油扩散速度快，油污拦截、收集、处理难度大，极易于短时间内在海面上迁移扩散等问题使得海洋溢油污染具有较高的危害性，且石油污染物成分复杂，进入海洋环境后难以去除[3-4]。由于海洋溢油事故频发，石油已经成为目前海洋的主要污染物之一，且具有较高毒性，不仅会影响海洋中的生物及生物多样性，也会对海洋生态系统造成破坏[5-6]。近年来，有关溢油事故的研究报道持续增加，本研究采用VOSviewer和Thomson Data Analyzer（TDA）软件对溢油研究中环境领域的文献进行计量学分析，便于相关研究者了解该领域的重要文献、前沿动态、研究热点及重点，明确未来的研究方向。

1 对象与方法

为探究与掌握溢油研究领域的总体情况，本研究基于美国科学信息研究所推出的回溯数据最深的Web of Science引文索引数据库开展文献计量学分析。采用“oil spill*”为主题词，共获得关于环境领域中溢油（oil spill）相关的研究论文9032篇（1982—2018年）。借助VOSviewer软件[7]构建溢油研究热点主题的知识图谱，结合传统文献计量学的共词、引文分析方法以及数学、图形学、信息可视化等技术，形象清晰地展示溢油相关研究热点的结构和发展。通过对热门关键词构建矩阵，利用TDA软件（加拿大Thomson Reuters公司）探究其相互之间的关系。

2 结 果

借助VOSviewer软件构建溢油研究热点主题的知识图谱（图1），结合高频关键词分析，可知研究热点主要涉及溢油数值模拟及模型预测（model），溢油暴露毒性及风险评估（exposure、toxicity），溢油组分及源解析（property），溢油污染特性及处理处置（biodegradation）4个方面。

图1 关于溢油研究热点主题的知识图谱Fig.1 Knowledge map of hotspots in oil spill research

通过TDA软件对导出文献的题目和摘要进行计量学分析，得到关键词的频次及其在各自的模块中与其他关键词之间的关联度，经过近义词合并，本文展示了频次最多的20个关键词（表1）。其中，溢油数值模拟及模型预测部分的关键词有“模型”和“体系”，频次分别为1673和1534次，且“模型”关联度相对较高，说明模型是数值模拟和模型预测的核心；溢油暴露毒性及风险评估部分的关键词有“暴露”和“毒性”，频次分别为1 033和599次；溢油组分及源解析部分的关键词有“组分”和“性质”，频次分别为689和649次；溢油污染特性及处理处置部分的关键词有“降解”“治理”和“生物降解”，频次分别为820、778和775次，其中生物降解关联度较高，说明溢油处理处置的研究热点集中于生物降解。其他高频关键词还有沉积物、多环芳烃、土壤等。

表1 关键词的频次及关联度Tab.1 Frequency and relevance of keywords

3 讨 论

3.1 溢油数值模拟及模型预测

溢油在海洋中的行为是一个复杂的过程，包括分布和归宿等，受多方面因素的影响，总体可分为水平物理扩散过程和垂向化学扩散过程，前者受环境动力因素如海风、海浪等影响，后者受风化过程如蒸发、溶解、乳化和生物降解等影响[8]。许多学者在深入研究了溢油的分布和归宿后，提出多种理论模型用于模拟溢油空间扩散过程[9-10]，除了采用传统数值计算之外，还结合了地理信息系统（geographic information system，GIS）、遥感（remote sensing，RS）、合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）等新技术[11-13]。由于不同环境因素的影响，溢油扩散过程具有一定的随机性，针对这些不确定性，学者们通过探索和创新研究尽可能完善和提升模型的可靠程度[14-15]。

（1）溢油扩展。溢油事故发生后，重力、黏性力、惯性力和表面张力会共同作用于溢油，令油膜在扩展过程中表面积增大[16-17]。自由面上油膜扩展的数学模型由BLOKKER[18]于1964年建立，该模型从质量守恒出发，对油在重力作用下的惯性扩展机制进行了简明扼要的阐释。1969年，FAY[19]提出了包括惯性力、黏性力和表面张力共同作用的油膜扩展的三阶段理论。FAY的三阶段理论提出后，诸多学者对其进行了优化和改进[20-22]。随着溢油扩展模型的改进与发展，蒙特卡罗模型也被逐渐引入溢油扩散领域[23-24]。

（2）溢油迁移。溢油在海洋环境动力要素的作用下移动被称为溢油迁移，包括水面上的平流和湍流的扩散、漂移以及垂直方向的分散等[25]。典型的溢油迁移动态模型有WEBB等（1970年）建立的Navy模型，用于预测邮轮及溢油漂移运动，WILLIAMS等（1975年）研发的利用风、海流叠加预测油膜漂移的SEADOCK模型，以及MILLER等（1977年）提出的偏重于风的重力作用的Coast Guard模型等[26]。基于蒙特卡罗方法的溢油扩散与漂移轨迹预测模型中的油粒子模型也备受研究者的关注[24，27]。

（3）溢油风化。溢油在海洋中扩散和迁移的同时还伴有分散、蒸发、溶解和乳化等风化过程[28-29]。溢油风化过程的模拟主要包括：选取不同的油品，模拟原油泄漏的风化实验，对石油风化程度和风化过程中的成分进行研究[30-31]；通过模拟石油轨迹和风化情况，考察石油泄漏的时间和空间分布等[32]。挪威的IKU模型、美国的ADIOS模型和英国的OSIS模型等[33]可用于定量考察石油风化过程中溢油的成分、性质和内部机制。

3.2 溢油暴露毒性及风险评估

（1）暴露评价。暴露评价是通过污染物暴露类型、污染物评价及污染物毒物评价共同表征污染物对受体的暴露水平。研究石油在介质中的迁移转化与归宿[34-35]及石油暴露方式，确定其暴露途径，并结合污染物的毒性分析、风险识别和生态影响表征，即为溢油污染的生态风险评价（ecological risk assessment，ERA）。学者们对受海洋溢油事故影响的海域进行了大量短期或中长期的生态风险评价，其中包括受墨西哥湾溢油事件、“Exxon Valdez”号等重大溢油事故影响的墨西哥湾、阿拉斯加威廉王子湾等区域[36-38]。生境等价分析法（habitat equivalency analysis，HEA）也被广泛应用于溢油生态环境损害评估[39-40]。

（2）暴露途径与受体。目前，溢油污染评价多以鸟类、海獭、鱼类及贝类为主要暴露受体。溢油事故发生后，石油会残留在沉积物或海水中，其对海洋生物造成的暴露和影响是持续的[41]。鱼类和龟类的暴露途径有：通过鳃的呼吸作用或者嘴的吸入，接触混合或漂浮在水中的石油；通过捕食受石油污染的猎物或者误食类似猎物的焦油，摄入溢油分子；通过体表渗透作用被迫摄入溢油分子等[42-43]。海鸟的暴露途径有潜水、整理被油污覆盖的羽毛、捕食等[44]。通过觅食摄入石油是生物受到溢油影响的主要途径[45-46]。

（3）暴露毒性。不同生物不同组织器官中石油的蓄积效应受生物种类和季节变化的影响[47-48]。对海鸟而言，覆盖于羽毛上的石油会破坏其羽毛的完整性，使其出现潜水或飞行障碍，从而无法正常觅食与迁徙[49-50]，而海鸟体内的石油对体内影响是多方面的，包括肠道、肺、肝、肾和盐腺的病变[44]。当鱼类、牡蛎的胚胎或仔鱼暴露于石油中时，石油烃会进入组织，然后在发育阶段缓慢释放，从而延长暴露时间，形成慢性毒害作用，而溢油污染对中国明对虾、日本囊对虾仔虾和马粪海胆有急性毒害效应[51-54]。

3.3 溢油组分及源解析

（1）溢油组分。来自不同地区的石油的组成差别较大，一般是由烷烃、环烷烃、芳香烃和非烃类化合物组成，其中烷烃、环烷烃以及芳香烃等组分占比较高，占石油含量的50%～98%，简称为石油烃，其余为含氧、含硫及含氮等非烃类[55-56]。溢油组分的含量不仅取决于溶解分散、吸附和凝聚作用，还受沉积、光氧化、生物化学作用等的影响[57]。溢油组分中标志性化合物主要包括类异戊二烯烷烃、正构烷烃、甾烷、萜烷类化合物和多环芳烃。正构烷烃和类异戊二烯烷烃是未风化原油中有用的指标化合物[58]；n-C17与姥鲛烷和n-C18与植烷的比值变化可作为风化程度较低时的溢油指标[59]；风化程度大时，油种间萜烷和甾烷及其比值参数差异较大，不适合作为溢油指示物，但其受风化影响小时，可作为溢油指示物[60-61]。

（2）溢油源解析。海洋环境中石油污染物的来源复杂，最直接的有海上石油开采泄漏的原油以及船舶碰撞、触礁泄漏的燃料油，而溢油污染诉讼取证困难，使得源解析成为溢油损害评估中至关重要的一环[62]。化学油纹指示是目前溢油源解析的主要方法之一，通过气相色谱-质谱法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和气相色谱-氢火焰离子化检测法（gas chromatography-flame ionization detector，GCFID）获取石油特征组分信息，而后通过石油组分的特征比值，如植烷/姥鲛烷、荧蒽/（荧蒽+芘）与蒽/（蒽+菲）等解析溢油来源[59，63-65]。近年来，碳同位素分析技术已经比较成熟，被广泛用于定性识别植被、土壤、沉积物以及环境空气颗粒物中石油组分的来源[66-67]。稳定同位素分析包括可以获得样品全碳的稳定同位素比值的元素分析-稳定同位素比值质谱法（element analyser-stable isotope ratio mass spectrometry，EASIRMS）和可以分析单体烃类化合物分子的碳同位素的气相色谱-稳定同位素比值质谱法（gas chromatography-stable isotope ratio mass spectrometry，GCSIRMS），碳稳定同位素法与特征比值法结合能更有效地区分不同种类原油，为原油种类鉴别和溯源提供有效支撑[68-70]。

3.4 溢油污染特性及处理处置

（1）溢油污染特性。溢油事故会对海洋生物生长、繁殖及群落结构等产生严重的损害，底栖生物群落的稳定性与油品化学性质及沉积物污染具有显著相关性，高组分芳香化合物含量越高，对水生生物造成的影响越显著[45，71]。海洋生物会因石油产生暴露胁迫，其他受石油影响的指标还有沉积物或水体中的有机质含量、交换性阳离子浓度及氮磷浓度等[72-74]。石油组分的吸附-解吸相对速率会影响其在水体和沉积物中的浓度，而这又与水体扰动程度以及沉积物粒径有关[75]。沉积物物理力学性质也会因石油污染而明显改变，包括会随之降低强度、渗透系数和重度[76]。沉积物深度越深，溢油污染物越难被自然降解，残留时间可达几十年[77-78]。

（2）溢油污染的处理处置方法。溢油处理处置的方法主要包括设置油障来隔离海面溢油，用撇油机、吸油带清除油膜，投入吸附材料吸附油污等物理修复方法[79-80]，物理及机械方法是消除海面和海岸沿线石油污染最有效的方法，但不适用于乳化油的去除。还可用药剂清除溢油，如用消油剂分散溢油、凝油剂包裹溢油、集油剂聚集溢油等化学处理方法[81-82]。吸附剂或消油剂是在实际应用中使用最多的溢油处置剂。消油剂的主要成分为具有强渗透性的溶剂和表面活性剂，能使海面油膜乳化，将破碎的油膜分散于水中，从而达到保护水生生物的目的[83]。吸附剂可以使水油分离，其原理是通过物理吸附作用吸附油膜于自身表面。相较于消油剂，吸附剂的优点在于可回收、成本低等。因此，天然吸附剂以及天然吸附剂的改性技术受到了广泛关注和研究[84-85]。而同样具有良好吸附性的化学吸附剂[86]，由于可能造成二次污染等问题，研究相对较少。化学处理法操作相对简单，但易造成二次污染，危害底栖生物的健康。生物处理法指筛选、培育、改良能降解石油烃的微生物，投放到受污染海域，从而达到污染降解的效果[87-88]。近年来，生物降解已成为研究热点，特别是微生物降解。溢油生物降解技术主要包括生物强化技术、生物刺激技术和酶制剂技术等[89-90]。

3.5 结语

本文以环境领域中溢油研究文献计量数据为基础，利用VOSviewer和TDA软件对1982—2018年Web of Science数据库中收录的相关文献进行计量学分析，得出目前海洋溢油研究有四大热点，分别为溢油数值模拟及模型预测，溢油暴露毒性及风险评估，溢油组分及源解析，溢油污染特性及处理处置。分析海洋溢油事故相关研究及进展，为进一步理解溢油发生、迁移、转化机制，实施溢油治理修复，以及更精确地开展生态环境损害评估提供了科学基础。