污染农田土壤的重金属钝化技术研究——基于WebofScience 数据库的计量分析*

刘杏梅，赵 健，徐建明

（1. 浙江大学环境与资源与学院，杭州 310058；2. 浙江省农业资源与环境重点实验室，杭州 310058）

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础。近年随着工业化和城市化进程加快，人类在快速发展经济的同时忽略了环境保护，使得土壤重金属污染问题日益凸显，不仅制约着农业经济可持续发展，而且严重威胁到生态环境安全和人类自身健康[1-3]。目前，农田土壤重金属污染已成为世界上大多数地区的一个严重问题，尤其是发展中国家[4-5]。2014 年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤环境状况总体严峻，耕地土壤质量堪忧，点位超标率为19.4%；污染类型以无机型为主，无机污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8%[6]。因此，迫切需要开展农田土壤重金属污染修复工作，这对于我国农产品安全和生态文明建设具有至关重要意义。对于大面积的农田土壤重金属污染修复，目前主要运用化学钝化修复技术，通过向土壤中添加钝化剂调节pH、Eh 等理化性质来改变土壤中重金属的化学形态，从而降低重金属在土壤中的溶解性、迁移能力和生物有效性，使重金属固定/稳定化，减少生物体富集量，最终减轻重金属的危害作用[7-8]。

文献计量学（Bibliometrics）是以文献体系和文献计量特征为研究对象，被用于文献定量分析，进而评价某领域发展现状和水平，预测未来的发展趋势[9-10]。目前，文献计量已被广泛用于农业、林业、环境工程与科学、生态学、食品安全等领域，研究方法较为成熟[11-15]。为明确农田土壤重金属污染钝化修复领域研究布局和进展，本文通过评价Web of Science（WoS）核心合集数据库1990―2019 年农田土壤重金属污染钝化修复领域相关文献，利用WoS自带分析工具、HistCite 引文图谱分析软件和VOSviewer 可视化分析软件，从发文量及变化趋势、重要期刊和作者、主要发文国家和机构、高被引论文、研究热点等不同角度进行计量分析，对主要作者、研究机构和发文国家之间的合作关系进行了可视化分析，对TOP30 高被引论文之间的相互引用关系绘制引文编年图，以期为我国重金属受污染农田的安全利用提供理论依据，同时为未来该领域的研究人员提供参考方向。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究数据来源于科睿唯安（Clarivate Analytics）的WoS 核心合集数据库，该数据库是获取全球学术信息的重要数据库，收录了12 000 多种世界权威的、高影响力的学术期刊，内容涵盖自然科学、工程技术、生物医学、社会科学、艺术与人文等领域[16]。利用主题词（TS），TS=（（soil or agricultural or farmland or cropland）and（heavy metal*）and（amendment or immobilization or stabilization）not（phytoremediation or phytoextraction or bioremediation）），时间跨度为1990―2019 年（文献类型为Article 和Review，检索时间为2019 年9 月12 日），共检索出3 376 篇相关研究文献，导入HistCite 软件的文献共3 348 篇，涉及9 393 位作者，596 种期刊，82 568 篇参考文献。

1.2 研究方法

利用Web of Science 数据库自带的分析工具、HistCite 引文分析软件、VOSviewer 可视化分析软件、Excel 2016 以及Origin2019 绘图软件，对农田土壤重金属污染钝化修复领域的发文总量及趋势、主要发文期刊、国家、机构、作者，合作关系（作者、国家、机构）、研究热点及变化趋势等进行计量分析。运用HistCite 软件分析时重要参数有本地被引频次（Local Citation Score，LCS），表示这篇文章在当前数据集中被引用的次数或理解为这篇文章在其所属研究领域内的被引次数；全文被引频次（Global Citation Score，GCS），表示这篇文章被整个WoS 数据库中所有文献引用的次数；本地总被引频次（Total Local Citation Score，TLCS），是指在当前数据集中文献的被引频次之和；总被引频次（Total Global Citation Score，TGCS），是指在WoS 数据库中所有文献被引频次之和。其中，一篇文章的LCS越高代表该文献在该研究领域内的影响力越高，GCS 越高表示这篇文章被世界许多学者关注。VOSviewer 是由荷兰莱顿大学的Nees Jan van Eck和Ludo Waltman 共同开发的一款用来构建和查看文献计量图谱的免费的文献计量分析软件，可以用于生成多种基于文献计量关系的图谱：如作者或期刊的共引关系图，关键词共现关系图。其主要特点是图形化展现的方式较为丰富，显示清晰，使得文献计量学的分析结果易于解释，能够定量地分析某个领域或某个主题的研究现状和研究进展[17]。

2 结果与讨论

2.1 发文量及年度变化趋势

发文数量可以反映科研人员对本领域的重视程度，某种程度上表示土壤重金属钝化修复领域的发展速度和发展程度。通过对土壤污染钝化修复领域1990―2019 年间SCI 论文进行计量分析发现（图1），发文量随时间整体上呈增加趋势，2018 年达到405篇。特别注意的是从2015 年开始发文量呈快速增长态势，主要原因可能在于全球对于生态环境质量的高度重视。例如中国：2013 年党的十八大将生态文明建设列入“五位一体”总体战略布局，2014 年4月17 日环境保护部和国土资源部联合发布《全国土壤污染状况调查公报》及4 月24 日新环保法颁布，2016 年5 月国务院发布《土壤污染防治行动计划》，2018 年《土壤污染防治法》出台等，国家颁布的一系列利好政策，有效推动了该领域科研人员研究的积极性，加快了该领域的快速发展。

图1 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复领域年度发文量Fig. 1 Quantity of publications on immobilized remediation of heavy metals contaminated soil from 1990-2019

2.2 重要期刊来源

对某一领域发文量和被引频次的期刊分析，可以帮助研究人员把握该研究领域核心期刊。影响因子是衡量期刊质量和影响力的重要指标，通常而言影响因子越高，期刊的影响力越大。其计算方法是期刊前两年发表的论文在统计年的被引用总次数与该期刊前两年内发表的论文总数之比[18]。该领域共有596 种期刊，根据期刊的发文量从高到低进行排序，发文量 TOP10 期刊如表1 所示。发文量前四的期刊依次为 Environmental Science and Pollution Research 、 Chemosphere 、 Science of the Total Environment、Journal of Hazardous Materials，分别占所检索文献总数的5.95%、4.59%、4.35%、4.27%，表明这些期刊是研究人员的潜在投稿期刊。Environmental Science and Pollution Research 期刊的发文量虽然最高但其被引频次较低， 而Chemosphere、Journal of Hazardous Materials 和Environmental Pollution 期刊的本地被引频次位居前三名，表明这些期刊在重金属污染土壤钝化修复领域影响力相对较大。在发文量排名前十的期刊中，2018年影响因子最高的是Journalof Hazardous Materials，影响因子为7.650，TCLS 位居第二（1406 次）。然而，同样认可度和影响力相对较高的期刊Environment International 、 Soil Biology& Biochemistry 、Environmental Science & Technology 发文量和本地被引频次均未进入前十，处于11～30 之间的位次，一定程度上表明这些期刊在土壤重金属污染钝化修复研究领域的关注程度相对有限，可能更加偏向其他侧重点。

表1 土壤重金属污染钝化修复领域发文量排名前10 的期刊Table1 Top 10 journals of publications on immobilization of heavy metal contaminated soils

2.3 主要研究力量

2.3.1 发文国家分析 SCI 收录论文的数量和被引频次可在一定程度上映射出一个国家的整体科研水平和影响力[19-20]。中国、美国、西班牙、澳大利亚等101 个国家发表了有关农田土壤重金属钝化修复的研究论文。论文发表数量前十位的国家是中国、美国、西班牙、澳大利亚、韩国、英国、印度、意大利、巴基斯坦、法国，这十个国家的发文量之和为2890 篇，占总量的86.32%。其中中国的发文量排名第一，共964 篇，远远领先于其他国家，占发文量的28.79%（表2），突出了我国在农田土壤重金属污染钝化修复领域的重要地位，同时也暴露出我国农田土壤重金属污染问题的严峻。总体来看，中国的文献在数量、TLCS 排序中均居于首位且远超其他国家，其在农田土壤重金属的钝化修复领域研究较为活跃且处于优势地位。有研究发现，我国土壤重金属污染修复研究发文量最高，但总被引频次远低于美国且均篇被引频次低于该领域全球平均水平[21]。这说明我国的科研人员近几年来不仅重视发文数量，同时更加注重论文的质量。图2 是土壤重金属污染钝化修复领域重要发文国家及相互间合作关系图，图中圆圈大小表示某个国家发文量，连线距离表示国家间的合作密切程度，距离越小，表示合作越密切。从图看出48 个国家间合作密切共同致力于该领域研究发展，其中中国与世界上36 个国家间有密切合作。

表2 土壤重金属污染钝化修复研究发文量排名TOP10 的国家Table2 Top10 countries in volume of publications on immobilization of heavy metal contaminated soils

图2 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复领域重要发文国家及相互间合作关系图谱Fig. 2 Collaborative relationships between important countries in the field of immobilization of heavy metal contaminated soils from 1990 to 2019

2.3.2 重要研究机构分析 通过Histcite 引文分析，该领域研究论文共涉及2 653 个研究机构，发文量TOP10 的研究机构如表3 所示。我国有中国科学院、浙江大学、中国科学院大学、农业农村部（原农业部）四所单位进入TOP10 研究机构，其中中国科学院以绝对优势位居第一，本地总被引频次1 276次，发文量224 篇，占总发文量的6.69%，远远高于排名第二的西班牙高等科学研究委员会（84 篇），可见中国科学院在土壤重金属污染钝化修复领域做出的突出贡献。图3 表示该领域1990―2019 年间重要研究机构的合作关系图，中国科学院与浙江大学、佛罗里达大学、香港理工大学、江原国立大学、西北农林科技大学、华中农业大学、维戈大学等国内外49 个研究机构均有合作，表明中国科学院在土壤重金属钝化修复领域具有举足轻重的地位和影响力，而国内其他高校和研究院所特别是目前国内外合作交流偏少的应该主动参加相关领域的学术会议和活动，提高活跃程度和影响力。

表3 土壤重金属污染钝化修复领域发文量排名TOP10 的研究机构Table3 Top10 institutes in volume of publications on immobilization of heavy metal contaminated soils

图3 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复领域重要研究机构及相互间合作关系图谱Fig. 3 Collaborative relationships between important institutions in the field of immobilization of heavy metal contaminated soils from 1990 to 2019

2.3.3 重要作者分析 作者在一领域论文的TLCS 和发文量能够在某种程度上反映对其领域的影响程度。重金属污染土壤钝化修复领域共涉及9 393 位作者，结合发文量和TLCS 两项指标，可以确定重金属污染土壤钝化修复领域的重要作者（表4）。韩国高丽大学环境科学与生态工程学院Ok Yong Sik 教授的发文量（65 篇）和TLCS 次数（1 022次）均为最高，是该领域的引领人物。在TLCS 排名前十的作者中，中国有两位学者（曹心德和王海龙），分别位于第五位和第七位。H 指数于2005 年由Hirsch 提出，它综合考虑了作者发文量和文章被引量两个要素，是衡量学术影响力的重要指标[22]。按H 指数排序，澳大利亚学者Bolan N 和韩国学者Ok YS 位于前两名，其H 值分别为57 和54。图4可以清楚看出各个学者之间的合作关系，不同颜色代表不同群组，共有14 个群组。从图中来看，韩国学者OkYong Sik 与国内外其他众多学者的相互合作最为密切，而中国学者与国外研究者合作关系有限，未来可以加强国际交流与合作，进一步增强中国的影响力。

表4 土壤重金属污染钝化修复领域TLCS 排名前10 的作者Table4 Top10 authors of total local citation score on immobilization of heavy metal contaminated soils

图4 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复研究重要作者及其之间合作关系图谱Fig. 4 Collaborative relationships between important authors in the field of immobilizationof heavy metal contaminated soils from 1990 to 2019

2.4 经典文献分析

文章的被引频次在一定程度上作为衡量论文质量和重要性的关键指标，通过对文章被引频次的分析可以确定该领域的经典论文。以LCS 为标准对文献进行排序，该领域前10 篇经典文献见表5。被引频次TOP10 的文献发表年份集中在2004―2014 年，Beesley L 作者有三篇文章位列前十。被引频次较高的原因之一在于综述性文献，综述为高度凝练总结前期大量研究成果的文献，文章不仅总结全面而且质量较高，通常给之后的研究人员提供理论支撑和研究思路。如瑞典作者 Kumpiene J 发表的“Stabilization of As，Cr，Cu，Pb and Zn in soil using amendments - A review”（被引频次最高），总结分析了固定/稳定化修复技术中不同钝化剂对土壤As、Cr、Cu、Pb 和 Zn 污染的应用、机制与原理，对前人的研究成果进行了高度的概括和总结。这10 篇高被引论文有5 篇来自Environmental Pollution 期刊，可见该期刊在该学术领域具有非常重要地位和影响力。文献引文编年图是HistCite 的特色功能。利用软件中Graph Maker 功能，可通过图示展示某一领域文献之间的关系，绘制出一个领域的发展历史（引文编年图），定位出该领域的关键文献。以LCS count为条件，设置节点数为30，可绘制出土壤重金属污染钝化修复研究文献的引文编年图，从而探寻该领域的发展历程和演进路径。图5 显示该领域影响力最高的30 篇文献的发表时间、发展历程和互引关系。编号767 的文献被引次数最高，其次是编号1233、编号1635 和编号1059。

图5 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复研究领域TOP30 高被引论文之间的关系图谱Fig. 5 Top30 highly cited papers in the field of immobilization of heavy metal contaminated soils from 1990 to 2019

表5 农田土壤重金属污染钝化修复经典文献按LCS 排序前10 篇Table5 Top10 highly cited papers in the field of immobilization of heavy metal contaminated soils

2.5 关键词共现网络

对关键词的分析可以反映该领域的研究热点和方向。关键词共现网络表明，关键词出现的频次和网络之间的联系强度具有一致性。圆圈大小表示该关键词所占的权重，即关键词出现次数的直观表现，颜色表示该关键词所属的聚类。从图6 可以看出，重金属作为本研究的主题词，在关键词共现网络中占有非常重要地位。除了重金属（Heavy-metals or heavy metals）外，排名前10 位的关键词依次是immobilization、Cadmium、lead、bioavailablity、amendments、soil、remediation、swage-sludge、zinc、contaminated soils ， 形 成 了“heavy-metals” 、“immobilization”、“biochar”、“lead”、remediation、zinc、cadmium 等交互作用、紧密关联的5 大聚类。近年来国内外科研人员普遍关注重金属 Cd（cadmium）、Pb（lead）、Cu（copper）、Zn（zinc）、As（arsenic）。同时土壤重金属污染固化/稳定化修复（stabilization/immobilization）常用的钝化剂有堆肥、生物质炭、污泥、有机质、赤泥、粉煤灰等，值得注意的是（生物/植物）有效性、移动性、溶解性、吸附/解吸、植物吸收/累积/生长等词高频出现，表明近30 年来在重金属污染土壤钝化修复领域科研人员会重点关注重金属的有效性和植物体内吸收累积情况，这与钝化修复的机理完全吻合。

图6 1990―2019 年土壤重金属污染钝化修复研究热点分布Fig. 6 Distribution of hot spots in the field of immobilization of heavy mental contaminated soil from 1990 to 2019

3 结 论

全球范围内对土壤重金属污染重视程度日益增高，1990―2019 年在农田土壤重金属污染钝化修复领域的发文量呈现稳步增长趋势，中国、美国、西班牙、澳大利亚、韩国、英国、印度等在土壤重金属污染钝化修复领域发文量较多。中国的发文量和本地被引频次均为第一，美国紧随在后。土壤重金属污染钝化修复领域的论文主要发表在Environmental Science and Pollution Research、Chemosphere、Science of the Total Environment、Journal of Hazardous Materials 和 Environmental Pollution 期刊上，其中被引频次TOP10 文章中有5篇均来源于Environmental Pollution 期刊，充分说明该期刊在该领域内具有广泛的认可度。重要的研究机构有中国科学院、西班牙高等科学研究委员会、佛罗里达大学和浙江大学等，其中中国科学院的发文量和被引频次均为最高，远远领先其他研究机构，在该领域具有极高的学术水平和国际影响力。TLCS排名前十的作者中，国内学者有两位（曹心德和王海龙），韩国Ok Yong Sik 学者的发文量和TLCS 次数均为最高。根据研究热点分布图可知，应用较多的钝化剂主要是污泥、生物质炭、赤泥、堆肥、磷酸盐、石灰、废弃物等，修复的重点集中在钝化剂对重金属的生物有效性和植物吸收累积的影响这一主题上。研究的重金属以镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和类重金属砷（As）等为主，其中镉（Cd）的研究最为普遍，是科研人员重点关注的对象。