基于CiteSpace的国外植物修复技术研究进展*

沈葆菊 黄 婧 李 昊

西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055

植物修复是利用植物及根际微生物进行环境净化的生态修复技术[1]，在被污染的环境中，植物能利用其提取、降解、挥发、固定和过滤等机制净化土壤、水体和空气中的无机和有机污染物[2－3]。植物修复技术相较化学或物理修复方法成本较低，适用于污染面积较大且污染程度不高的场地[4]。在过去的30年间，植物修复技术在国内外工业废弃地修复实践方面被广泛应用，被公认是一项有效、低成本、环境友好、可持续的工程技术。国外研究学者从实践需求中不断探索，逐渐将植物修复技术理论化，形成了具有多学科交叉、多内容层次、多视角拓展的研究成果。本文基于科学知识图谱分析软件CiteSpace，对近20年国外植物修复研究的文献进行综合分析，客观呈现国外植物修复理论研究的相关脉络，明确研究基础与热点方向，为国内相关领域提供科学、有价值、有前瞻性的研究参考。

1 数据提取与研究方法

植物修复技术于20世纪80年代在美国正式命名；20世纪90年代，“大量关于植物修复技术的实验室成果公开发表，但其结果不甚理想，部分人鼓吹植物修复技术是清除污染物的‘灵丹妙药’，却在田间应用时以失败告终，植物修复技术的发展经历了‘繁荣之后萧条的戏剧转变’”[5]。其后，直到21世纪相关研究才进入稳定增长阶段，学界对植物修复的认知更加理性，对修复机制理解更加透彻。

本文选取2000至今的文献作为分析研究对象。研究数据来源于Web of Science核心合集数据 库， 以主题为 “phytoremediation” 或“phytotechnology”进行检索，时间跨度为2000—2019年，最终获取11 324篇文献。从图1可看出，国外植物修复研究文献的发表数量从2000年至今增长了约10倍，整体呈现持续增长趋势，尤其近3年文献增长幅度较大，说明该领域的关注度有了大范围的提升。从目前的文献总量看，总体处于较为成熟的研究阶段。

图1 国外植物修复研究文献数量的年度变化

文献分析运用CiteSpace 5.1版本软件，一方面结合文献学科分布与共被引期刊分布数据分析国外植物修复研究的学科交叉情况、研究基础和研究动态变化；另一方面结合高被引文献及关键词聚类图谱分析，聚焦当下的研究热点。

2 国外植物修复研究的整体特征

2.1 学科交叉概况

使用CiteSpace对文献的学科分布进行学科方向的聚类分析(图2)，结果发现:1)环境科学(Environmental Sciences)、植物学(Plant Sciences)、环境工程(Engineering Environmental)是文献量最多的3大学科，其次是生物技术与应用微生物学、土壤学等，说明植物修复从本质上是环境科学、植物学、环境工程的跨学科研究领域。2)植物学的中心性为0.23，环境科学的中心性为0.22，中心性较高表明此学科在植物修复研究领域与其他学科的联系密切，发挥多学科间的枢纽作用。3)工程学(Engineering)的中心性为0.2，但是当前该学科研究主要停留在理论基础深入挖掘与实验模拟方面，对工程应用的研究则相对较少。

图2 国外植物修复研究学科分布网络图谱

为了考察植物修复研究领域知识获取的主要来源，利用CiteSpace对高被引期刊进行分析统计(表1)，得到以下结果:1)主要涉及自然科学类期刊，以生态环境、环境科学、生态工程等类型的期刊为主。2)Chemosphere与Environmental Pollution的被引频次远大于其他刊物且影响因子较高，在一定程度上引领了国外植物修复研究的前沿。3)中心性排名前2的期刊为Plant And Soil和Current Opinion In Biotechnology，植物修复的大量研究都发表于这两种期刊。

表1 国外植物修复研究高被引期刊一览表

2.2 研究基础

高频被引文献的研究内容构成知识基础(表2)。相关研究内容主要涉及3个方面:一是植物对重金属污染的修复。Hazrat Ali等[7]针对重金属的植物修复提出相关概念和应用，提出当下需要筛选更多样的超富集植物用于恢复重金属污染的土地和水体，并通过植物提取开发新型高效的金属超富集剂；分子工具被用来更好地理解植物对金属的吸收、转移、隔离和耐受机制。二是修复植物选择。I.D.Pulford等[8]重点关注不同植物的修复差异，总结出乔木具有地上和地下的巨大生物量、树根降低水土流失风险、落叶促进养分循环和土壤持水能力等优势，因此适用于植物修复。三是植物修复效率提升。Stéphane Compant[9]和Bernard R.Glick[10－11]等提出了细菌在促进植物健康和生长方面发挥着关键作用，这些细菌包括生物降解细菌、促进植物生长的细菌和通过其他方式促进植物修复的细菌。

表2 国外植物修复研究的高频文献及作者统计表(前10篇)

2.3 研究动态变化

高频被引文献按照时间线索可梳理出当前植物修复技术研究的发展脉络。植物修复技术并不是一项新兴技术，植物修复研究首先缘于全球工业化产生的大量重金属污染物，它是伴随如何解决工业化带来的环境威胁这一具体问题而展开；其次是为了解决农用化学品(肥料、杀虫剂和除草剂等)使用过量导致的土壤污染[12]。

1983年，RL Chaney[13]首次提出利用超富集植物清除土壤重金属污染以实现消除或降低污染程度，从而修复环境。2010年以前，植物修复技术在对污染物的吸收、转运和降解的机理有了实质性认知，并建立了针对清除不同类型污染物的植物物种的在线数据库[14]；同时，学界了解到这项技术也受限于场地环境条件、修复时长和植物耐受性等因素[15]。2010年以后，植物修复的研究重点转向如何提高修复效率以及培养筛选高耐受力植物等方向。近年来，随着植物修复的理论研究不断深入，植物修复与景观设计的结合势在必行，主要以哈佛大学Niall Kirkwood教授为代表，主要研究工业废弃地再利用以及植物修复与景观设计的结合。

3 国外植物修复研究热点

关键词是文献核心内容的提炼，高频关键词可反映研究领域的热点方向。对文献关键词进行知识图谱绘制，结果发现除phytoremediation以外，出现频 率 较 高 的 关 键 词 是 heavy metal，plant，accumulation，contaminated soil，phytoextraction等，且此类关键词的中心性较高。从关键词分布的时间维度上看，相关研究从早期关注特定环境中的污染物去除，到对超富集植物种类的深入挖掘，再到通过生物工程技术提高植物修复效率，直到近些年这项研究逐渐走出实验室关注真实的空间环境中植物生长的周期性变化对修复的效果影响，以上构成了当前植物修复研究的热点(图3)。按照学科可将这些研究热点整合为3个方向，即“基于生物工程的植物修复效率优化”“基于植物学的修复植物类型拓展”和“基于环境工程的植物修复应用”(表3)。

表3 国外植物修复研究高频关键词聚类信息表

图3 国外植物修复研究热点网络图谱

3.1 基于生物工程的植物修复效率优化

一般情况下，植物修复技术由于其自身的局限性缺乏大规模的应用。这些局限性包括修复周期过长、地上生物量低而不利于污染物提取；此外，植物长势还受土壤、水、光照等基础条件的影响[16]。这些限制促使研究人员尝试通过调整植物本体基因及其生境来提高修复效率。

1)植物基因改良在植物修复中的应用。植物对某种污染物的超富集特性与遗传背景相关。来自微生物、植物和动物的基因被成功地用于增强植物对污染物的耐受、去除和降解能力，通过基因工程可定向培育出具有高生物量的超积累或抗性强的植物[17]。提高植物修复效果的一个直接方法就是在植物中过度表达与特定污染物的代谢、吸收或运输有关的基因，Amna Ijaz[18]的研究结果表明:含有降解、积累和代谢基因的转基因物种对土壤和水中的有机污染物或重金属污染有强化修复的作用。

2)根际微生物强化在植物修复中的应用。土壤微生物几乎参与土壤环境的一切生理生化活动，利用土壤—微生物—植物的共存关系，充分发挥植物与微生物的各自优势可提高土壤污染物的修复效率[19－20]。在微生物—植物共生系统中，植物根系分泌物为微生物提供充足的营养，而此类微生物分泌的激素可促进植物生长或增强植物抗逆性[21]。目前，根际微生物通常可以分为根瘤菌、丛枝菌根真菌、溶磷微生物和内生细菌等。有关污染土壤的植物—微生物联合修复形式主要有植物与专性菌株的联合修复(如将土壤芽孢杆菌与油菜结合修复铅污染土壤)、植物与菌根的联合修复(如外生菌根真菌对Cu、Cd有很强的吸收积累能力)。

3.2 基于植物学的修复植物类型拓展

植物作为环境修复的主体，筛选适宜植物种类是污染环境修复成功的关键。修复植物的筛选主要基于植物的生长速率与根系长度、污染物和土壤性质、区域气候条件、当地植物品种等自身因素，并且需要同时考虑各类植物景观搭配的协调性。在污染对象中，最严重的一类就是重金属，重金属因其不可降解性，在环境中日益积累深重污染整个食物链，危害巨大。基于植物学的研究往往聚焦在筛选与培育超富集植物上，即挑选出对重金属的耐受力和富集力强、生物量大和生长周期短的植物品种。Nicoletta[22]指出“超富集植物是指对重金属的吸收累积量超过一般植物100~1000倍以上的植物，且重金属不再停留在根部，而是转移并积累到地上器官，特别是叶片中”。目前确认的超富集植物有700多种(广泛分布于植物界的45个科中)，分为3大类:第一类为生长周期短、生物量大的蕨类草本植物，这类植物生长速度快、生物量大，大多数对As具有良好的富集作用，代表性的植物为蜈蚣草(Pteris vittata)、粉叶蕨(Pityrogramma calomelanos)等。第二类为具有经济价值的药用或食用的草本植物或农作物，如印度芥菜对Cd，Zn，Pb，Cu均有较高的耐受性和吸收能力，遏蓝菜是Zn和Cd的超富集植物且目前被研究最多的植物。第三类为木本植物，这类植物生长速度相对较慢，但形成一定规模后，对修复重金属污染土壤和生态恢复的效果与可持续性良好。

3.3 基于环境工程的植物修复应用

1)针对土壤污染的植物修复技术。修复往往是在土壤条件较差的场地进行，土壤的肥力水平较低。因此，根据植物生长发育的生理需要，需要对植被修复过程的土壤条件进行适当优化，如调整土壤pH，施用或添加螯合剂、生物菌肥等，建立合适的水肥条件，促进修复植物生长，增强植物的抗逆性[23]。针对土壤的植物修复还必须考虑植物的根深长度，大多数草本植物的最大根系深度为0.6 m，直根系乔木则可达3 m。植物修复最为有效的深度范围为0.9 m内，最大不超过3 m。

2)针对水体污染的植物修复技术。水体污染对自然环境、人的生产生活有着严重的危害。目前，采用人工湿地的方式进行水体修复为主要修复方式。在以植物为核心搭建的湿地系统中，通常采用生物量较大的水生植被，通过过滤、吸附、沉淀、降解、钝化和离子交换等过程，通过物理、化学和生物过程相互作用、协同工作，从而实现净化水体的目的。常用于人工湿地的水生植物有挺水植物和沉水植物两大类:海芋(Alocasia macrorrhiza)、芦苇(Phragmites australis)、香蒲(Typhaangustifolia)、 风 车 草 (Clinopodium urticifolium)等挺水植物易于存活且更新能力强，对污水净化效果明显且具有景观美化作用，目前被广泛应用于有机物和富营养化污染的河流生态修复区[24]；苦草 (Vallisneria natans)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、狐尾藻(Myriophyllum spicatumL)和黑藻(Hydrilla verticillata)为常见的沉水植物，能够降低水体富营养化因子和提高水体透明度[25]。目前经常应用的水质净化植物种类不到50种[26]，未来还需不断筛选净化能力强、具有一定抗逆性、适应性强的植物。在实践应用中，被污染的水体将被开发为人工活动的景观区域，因此，植物修复方案除了要考虑水体净化的效果之外，还需考虑整体植物群落的观赏性。

4 展望

本文通过对近20年国外植物修复相关文献分析可知，针对植物修复的研究是多学科交叉研究，运用植物对环境的积极影响促进良好的生态环境品质提升符合当前生态文明建设的相关议题。一直以来，植物修复技术由于其自身局限性，缺乏大规模应用，但植物修复所提供的生态回报为其广泛研究提供了驱动力。以下3个方向可以进一步拓展应用:

1)针对工业污染场景的工程应用。植物对工业产生的各类无机污染物与有机污染物有明显的修复效果，可应用于城市工业区修复、矿区修复、垃圾填埋场修复、河流湿地修复等。随着修复技术和对自然修复过程认知的不断提升，植物修复以其美观和低成本的优势将会越来越多地应用于城市既有工业区存量更新与环境提升项目中。

2)植物的生态修复作用与景观效应相结合。随着植物开发与修复技术的不断成熟，植物修复技术可被广泛应用于棕地修复的最后一步，使其作为一种良好的种植景观长期为棕地提供可持续的生态修复与景观效应。

3)具有修复潜力植物物种的进一步开发。土壤与水体通常受到多种污染源的复合污染，因此具有复合功能的植物筛选有待进一步开发，同时兼备两种以上修复能力的物种对修复环境起到至关重要的作用。同时，应开展多种植物联合修复，如乔、灌、草植物群落优化搭配，修复植物和农作物通过农业种植措施合理配置，构建高效的植被生态修复群落等。