基于文献计量分析土壤重金属污染修复研究现状

2020-11-04程涵宇栾慧君刘汉湖

环境保护与循环经济 2020年9期

关键词：发文重金属方向

程涵宇栾慧君刘汉湖

（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221000）

1 引言

土壤重金属污染主要来源于矿业、冶炼业及其周边产业，在国家实施供给侧结构性改革及去产能化的大背景下，资源枯竭矿山关闭，同时随着国家工业化进程加快，经济发达地区产业结构调整转型升级，遗留大量工业污染场地亟须治理修复。

随着《土壤污染防治行动计划》的颁布实施，土壤污染防治的法律规范、标准、政策相继出台完善。土壤污染防治修复工程大面积展开，但在治理与修复过程中存在理论与实践相脱节的问题。

科研院校侧重于污染机理理论的研究，而一线环境修复公司偏重于技术应用，“产、学、研”结合相对较差。土壤污染修复项目一般由政府牵头主导，积极对场地进行修复，市场环境良好，但理论研究与技术应用结合不够。

一方面，高校专精于污染机理和修复机理的研究，对场地修复一线遇到的难题缺乏认识。以发表论文为纲，常常出现忽视生产实践问题的现象。另一方面，相关土壤修复技术公司目前虽在技术积累方面已逐渐成熟，却缺乏理论知识铺垫，科研投入片面追求专利数量堆积带来的效益。

文献计量分析是对各种类型文献的数量、品质、结构和运用上的研究与分析，是研究学科结构、预测学科发展趋势最有效的理论方法之一［1］。近年来，土壤修复相关研究热度高，也出现基于文献计量分析方法研究发展趋势的论文，但在土壤重金属污染修复领域及细化领域，使用计量分析进行分析的研究报道较少［2］；另一方面，目前基于计量分析土壤修复领域的文献大多把焦点集中在文献发文量时间分布、研究领域分布、作者、单位等表层数据，而没有进行数据深层发掘，如发文量增速、各领域关联性、理论研究与技术应用一致性等方面的研究较少。

2 数据来源与方法

本文所用数据基于在国家出版管理部门正式许可出版的、具有国内统一连续出版物号的期刊上公开发表的论文，在中国知网（http：//www.cnki.net）使用关键词“土壤重金属污染修复”进行系统文件检索，分别使用《中国学术期刊（网络版）》《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》这2 个数据库作为理论研究层面依据，《中国科技项目创新成果鉴定意见数据库（知网版）》《中国专利全文数据库（知网版）》作为技术应用层面依据［3］。

对所涉及的专利、成果、论文、报告分别检索。其中，专利、成果数作为技术应用指标，论文、报告数作为理论研究指标［4］。对检索结果使用“对全部检索集进行分析”功能，总结各年度各修复技术方向的发文量。单击各细分领域即可获得各细分领域在近几年的发文量趋势（含数据）。

对论文发表数与专利申请数进行对比，描述研究现状、各处理技术、各处理技术的技术创新与理论研究情况，以便科研工作者准确掌握该领域的研究现状及前沿动态，了解该领域的整体情况，把握未来的研究方向［4］。

3 结果与分析

3.1 近10 年发文情况

2008—2018 年土壤重金属污染修复领域发文情况见图1。1999—2018 年发文总量为3 989 篇，其中，理论研究层面2 391 篇，技术应用层面1 598 篇。1999—2008 年10 年间发文量相对较少，环比增长率波动极大，缺乏参考价值，故未详细列出。

图1 2008—2018 年土壤重金属污染修复领域发文情况

由图1 可见，近10 年（2008—2018 年）以来土壤重金属污染修复领域研究取得丰硕成果，发文量庞大，数据具有较好的参考意义。在理论研究层面，2008—2017 年整体呈增长趋势，但2018 年相较于2017 年发文量有较大的下降，环比下降20%；其中，2009 年、2013 年、2016 年增长形势较好，环比增长率都超过了20%。在技术应用层面，技术成果逐年增加，但环比增长率波动较大，说明增长速度有较强的周期性，如从图1 可以明显发现，技术成果环比增长率变化有较强的周期性，这可能与专利审核和技术成果认证的时间较长有一定关系，但整体上是不断增长的，2012 年较上一年几乎翻倍。从整体上看，2008—2017 年该领域的发文总量不断增加，2018 年稍有下降，但技术成果占比持续上升，从2008 年的不足10%增长到2018 年的40%以上。土壤重金属污染修复领域理论研究向技术应用的转型溢出特征明显，土壤重金属污染修复领域产、学合一得到一定的体现［5］。

3.2 发文与研究阶段

3.2.1 理论研究发文与研究阶段

1999—2018 年土壤重金属污染修复理论研究发文情况见图2。

图2 1999—2018 年土壤重金属污染修复理论研究发文情况

土壤重金属修复领域理论研究自1999 年以来可以分为以下几个阶段：

1999—2005 年为研究初始阶段，该阶段主要特征有：以植物修复为主要研究方向；对国外研究借鉴较多；研究主要集中在土壤重金属污染对修复物种的毒害作用上［6］。在这一时间段国内环境研究相对薄弱，引入他山之石是快速起步的有效途径；该阶段已经出现关于生物有效性的较高水平论文，但并不是该阶段的研究主流，研究主流是较为初始的修复方法，如植物修复、微生物修复、螯合剂修复，这其中又以植物修复相关研究占优。这一阶段我国重化工与重工业蓬勃发展，为土壤污染等环境问题埋下重大隐患。

2005—2010 年为研究深入阶段，该阶段的主要特征有：出现大量新的技术，在治理手段上百花齐放；对土壤重金属污染机理研究深入，出现更多的生物有效性、去除率等方向的研究［7］；出现基于污染机理研究进步的新修复思路［8］。这段时间，我国经济飞速发展，环境问题开始显现，但由于土壤污染有较强的滞后性［6］，且与重金属污染关联的相关重工业领域在这一时期给我国带来巨大经济效益，因此在此期间该领域研究主要集中于污染物的机理研究，实践较少，随着机理研究的深入，不断提出新的方法，但新方法只处于理论研究阶段。

2010—2015 年为机理研究阶段，该阶段的主要特征有：出现大量以生物有效性与去除率为重点的研究；随着对机理的深入研究，对单一修复方法的局限性有一定认识，开始出现联合修复技术的研究［9］。

2015 年至今为升华调整阶段，该阶段的主要特征有：在国家实施供给侧结构性改革及去产能化的大背景下，淘汰过剩产能的同时，出现大量污染场地可以进行修复；出现许多新技术但步伐放缓，较有代表性的是生物炭修复，生物炭是新材料，利用生物炭修复重金属污染土壤既可以改进土壤肥分［9］，又可以改变土壤部分理化性质，使土壤重金属污染物的赋存形态发生有利变化［10］；出现阻隔等封存技术；出现综述与计量分析等方式的研究［11］。近10 年，尤其是近几年，随着“土十条”的颁布，土壤污染修复成为当下热门行业，各种修复公司如雨后春笋般涌现，前一阶段的各种技术得以在此阶段进行实践，但许多方法效果并不如人意，尤其是针对重金属污染土壤。因此业内与学术界出现迷茫，而在这期间进行综述、计量分析、开展学术探讨显得尤为重要。

3.2.2 技术应用发文与研究阶段

1999—2018 年土壤重金属污染修复技术应用发文情况见图3。

图3 1999—2018 年土壤重金属污染修复技术应用发文情况

土壤重金属污染修复领域技术应用自1999 年以来可以分为以下几个阶段：

1999—2005 年为技术迟滞阶段，该阶段主要特征有：未出现相关领域的技术应用层面发文，对应理论研究的初始阶段，我国尚未形成对于该研究领域可应用的理论，技术应用更是无从谈起。

2005—2010 年为简单应用阶段，该阶段主要特征有：土壤重金属修复技术应用主要以植物修复与微生物修复为主［12］；另一方面，随着相关技术研究的发展，逐渐涌现出电动力修复、淋洗修复等技术手段的应用。

2010—2015 年为技术应用快速转化阶段，该阶段的主要特征有：技术应用类发文在该领域总发文量占据一定比例，并保持稳定；修复技术逐渐多元化；与理论研究相同的是联合修复技术应用在这一阶段成为趋势。

2015 年至今为技术应用爆发阶段，该阶段主要特征有：在国家实施供给侧结构性改革及去产能化的大背景下，淘汰过剩产能的同时，出现大量污染场地可以进行修复，在此期间技术应用发文量占总发文量的比值增速快；依托新材料的出现产生多种新兴修复手段，并直接进行技术应用，如兴起的生物炭修复，在理论研究开始后不久就进入技术应用，相关的技术应用发文在2015 年后激增；诸多传统修复技术以外的重金属污染土壤处理处置新技术涌现。

3.3 各研究方向最新动态

传统的土壤重金属污染修复研究主要分为两类，一类重点在污染物迁移转化机理及毒害效应，另一类侧重污染物的去除效果。但近年，随着土壤重金属修复领域的不断发展，有大量学者将这两个方向结合起来，如北京市环境保护科学研究院姜林研究员、南京大学谷成教授、中国科学院南京土壤研究所宋静研究员等提出基于重金属污染物的生物毒性作用、生物有效性，对土壤重金属污染物的筛选值、修复目标、风险评估模型等进行一定的修正，为修复行业的重点难题提出解决方案；在污染迁移转化机理方面，北京大学朱东强教授、天津大学陈玖斌教授、广东工业大学肖荣波教授等分别对土壤重金属污染的运移反应机理、同位素示踪技术及数值分析技术在源解析的应用方面有较多研究。

技术应用方面，传统的研究热点发文占比逐渐下降，新出现的热点较多集中于绿色可持续修复、修复列车多技术组合、水土共治、成本控制等更贴近产业实践的方向。如生态环境部环境规划院张红振研究员提出从管理-工程-技术等方面协同突破；北京市勘察设计研究院康敏娟提出在修复过程中借鉴固废标准体系，对被修复土壤进行分级后采取不同的手段分别进行修复；中国环境科学研究院王兴润研究员对涉铬污染场地修复进行分析后，提出铬污染土壤修复应同时关注场地地下水污染的观点。

3.4 发文基本情况

3.4.1 发文机构概况

基于中国知网的检索，该研究领域发文机构较多，其中发文较为集中的前10 位机构见表1。

表1 发文机构统计

由表1 可见，中国科学院南京土壤研究所的发文量占比最高，以74 篇的总发文量占总发文量的10.44%，其后为湖南农业大学与中国科学院大学，发文量最高的前3 所机构都是科研院所。第4 位为陕西省土地工程建设集团，是发文量最高的企业，该企业为陕西省国资委下属国企。综合上述可发现，科研院所在该领域研究中占据主导地位，企业进行相关研究也逐渐成为趋势，尤其国企作为我国国民经济的重要力量正在引领土壤重金属污染修复产业技术研究的发展。

3.4.2 发文作者分析

核心作者是科学研究的主导力量，他们的研究一般具有先驱性和综述性，拜读他们的文章是科研爱好者与初学者较快了解掌握特定领域研究现状的重要途径。

从文献计量的角度，核心作者的判定依靠普莱斯模型：

式中，Nmax为单作者最大发文量（30 篇）；Nmin为核心作者最小发文量（11 篇）。

估计出核心作者有骆永明（30 篇）、吴龙华（29篇）、周静（21 篇）、滕应（12 篇）等。

土壤重金属污染修复领域发文作者及机构概况见图4。

图4 土壤重金属污染修复领域发文作者及机构概况

3.5 发文领域分析

3.5.1 理论研究发文领域分析

1999—2018 年土壤重金属污染修复理论研究层面发文总量为2 391 篇。各方向累计发文占比见图5。

图5 1999—2018 年土壤重金属污染修复理论研究各方向累计发文占比

由图5 可发现，1999—2018 年间土壤重金属污染修复理论研究中，占比重较大的研究方向是植物修复方向研究，其次是微生物修复方向研究，这两种修复的研究占论文发表总量的50%以上。生物修复方向研究在理论研究层面占据主导地位。

螯合剂方向的研究约占论文发表量的10%，出现较晚的生物炭修复与出现较早的淋洗修复、固化稳定化技术、阻隔技术占比依次递减但相差不大，都为6%左右。

联合修复发文占比相对较少，约为4%，电动力修复发文占比最少，不足1%。土壤是导电体，电动力修复必然伴随巨大的能耗，在应用可行性方面有突出的问题。但电动力修复的修复机理研究目前相对成熟，因此这项技术也在不断的改进当中，在解决电能耗散的问题后，电动力修复仍具有较好的发展前景。

在所有发表的论文中，约有3.54%进行生物有效性的研究，机理研究方向的研究相对较少，这与研究难度有一定关联。

对去除率的研究相对更少，20 年间共发文不足10 篇，这与土壤重金属污染的特点有关。重金属存在于土壤中并不是单一的一种形态，而是有多种赋存形态，有些形态具有较强的迁移性与生物毒性易迁移态，有些却是难迁移、生物难应用的稳定态［13］。对于重金属污染土壤修复并不能以单纯的去除率来区分修复水平，重金属污染物完全去除其成本难以估量，应更多关注于重金属污染的赋存形态，减少或消除可迁移态与生物毒性较大的价态，使重金属污染物以难迁移态固定于被修复土壤中即可［14］。

3.5.2 技术应用发文领域分析

1999—2018 年土壤重金属污染修复技术应用层面发文总量为1 598 篇。各方向累计发文占比见图6。

图6 1999—2018 年土壤重金属污染修复技术应用各方向累计发文占比

由图6 可发现，1999—2018 年间土壤重金属污染修复技术应用中，微生物修复方向技术应用占比最高，为52.55%，占发文总量的半数以上，微生物修复是土壤重金属污染修复技术应用的主流。

淋洗修复技术在技术应用层面累计发文量占比在10%以上，仅次于微生物修复，高于植物修复的9.38%。虽然植物修复具有较多的优势，但作为一种发展时间较早、技术难度较低的修复方式，植物修复在技术上可创新点相对较少。而淋洗修复人工干预较多，有专业设备，有较多的环保设备公司将此技术作为研究的重点，因此技术应用发文占比较高。同理可以解释电动力修复技术应用层面累计发文量占比相对该方向在理论研究层面发文占比较高的现象。

由图6 可见，固化稳定化方向在技术应用各方向累计发文量占比最少，为2.79%，这与其工艺简单且发展较晚有关，固化稳定化技术会导致受污染物总量的增加，固化稳定化后的废物处置问题限制了该技术的发展。

值得关注的是，阻隔技术目前在技术应用层面尚无成果，有待进一步应用完善。

4 研究领域分类

土壤重金属污染修复领域各方向聚类分析见图7。

图7 土壤重金属污染修复领域各方向聚类分析

由图7 可发现，将土壤重金属污染修复领域各个方向分为四大类较合适，这四大类依次是：植物修复研究（Ⅰ类）；生物修复技术（Ⅱ类）；生物修复研究、植物修复技术、微生物修复研究等（Ⅲ类）；联合修复研究、电动力修复技术、螯合剂修复技术等（Ⅳ类）。结合业界当前情况，可以认为Ⅰ类属于发展较好、较成熟的研究发展方向；Ⅱ类属于研究基础较好，还有一定发展潜力的研究方向；Ⅲ类研究区块技术成熟，但长期的观察研究仍在持续；Ⅳ类表示较新的研究方向和新技术。