基于文献可视化分析重金属对植物的生态毒理效应

肖雪莲， 张清东*， 张思林， 向发椿

(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)

0 引言

【研究意义】随着农业生产现代化和工业化的快速发展，土壤环境受到燃煤、污灌水、工业垃圾及废气沉降等不同来源因素的影响，导致土壤重金属污染问题日益凸显。有研究表明，重金属镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)、铜(Cu)和铬(Cr)为主要污染物[1]。生态系统物质传递过程中，会形成有害物质的累积毒性，对植物造成毒理效应[2-3]，从而对生态安全和人体健康产生风险[4]。因此，研究重金属对植物的生态毒理效应，有利于了解重金属对植物从表观到微观的影响机制。【前人研究进展】目前，国内外学者主要从形态、生理生化、亚细胞和分子水平等方面开展重金属对植物的生态毒理效应研究。段代祥等[5]探讨了Pb对绿豆种子萌发和绿豆幼苗形态的影响。吕冬梅等[6]研究了3种不同重金属对蓖麻幼苗的生理影响机制。DENG等[7]研究表明，重金属可对植物产生生理损伤，减少叶绿素和生物量。赵晓祥等[8]探究了土壤中Zn、Cd单一及复合污染对番茄幼苗的胁迫响应。李江遐等[9]研究了重金属镉在水稻根部与地上部的亚细胞分布情况。王磊[10]在分子水平上利用转录组测序分析苦荞叶片对Pb的耐受和累积机制，并研究差异基因的相关蛋白变化。SHAHZAD等[11]对近年来国内外有关重金属胁迫对植物生长影响的研究进展进行了归纳总结，并探讨其可能的作用机制。【研究切入点】由于该领域的相关文献较多，通过传统的综述很难清晰地梳理出当前的研究热点和发展趋势，而可视化分析可简单高效地发现文献间的联系，较为客观地评价目标领域在一定时期内的历史演进过程、研究方向及当前热点，预测未来的发展趋势[12]。CiteSpace于2004年研发，在文献计量学众多可视化软件中，CiteSpace以其强大的文档分类和映射功能被广泛应用[13]。虽然土壤中重金属对植物的毒理效应已引起学者们的广泛关注，但从宏观尺度对该领域研究进行全面分析的报道鲜见，研究热点和发展趋势尚不清晰。【拟解决的关键问题】以中国知网(CNKI)收录的2011—2020年重金属对植物生态毒理研究为主题的相关文献为数据源，采用文献计量学软件(CiteSpace)从年度、关键词、国家/地区、期刊发文量和共现词分析等角度，梳理该领域的研究现状，明确其研究热点及发展趋势，以期为进一步研究土壤重金属污染对植物的影响机制提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

资料来源于中国学术期刊出版网络总库(CNKI)，检索时间为2021年5月30日，在CNKI数据库中选择专业搜索，检索条件为“SU=(重金属+镉+Cd+铜+Cu+锌+Zn+铬+Cr+镍+Ni+铅+Pb+汞+Hg+砷+As)*(植物+萌发+生长+幼苗)*(胁迫+毒理+毒性)”，检索范围为中文文献，检索时间设置为2011年1月1日至2020年12月31日，共检索下载有效文献5 733篇。文献导出时选择“Refworks”格式，分批以“download-XXX.txt”命名，以保证后续运行效果。

1.2 方法

采用文献计量学软件CiteSpace 5.7.R5进行数据分析。时间切片为2011—2020年，每切片为1年；节点类型包括作者(Author)、机构(Iinstitution)、关键词(Keyword)；选择标准中设定TopN=50，表示提取每个时间切片内前50个对象。

节点类型为作者时，将“Show the Largest K Connected Components Only”设置为K=25，根据类团中人员数量排序，显示出前25个网络研究合作类团，每个节点代表一个作者，节点大小表示作者发文量大小，连线代表作者间的合作关系，线条颜色代表首次合作时间，线条粗细代表合作次数。

节点类型为关键词时，为使网络视图更清晰，需要使用Pathfinder简化网络，突出重要的网络结构[14]，修剪(Pruning)=pathfinder+pruning sliced networks；在关键词共现网络的基础上，依据关键词的亲疏关系进行聚类，并按类的大小进行排序，剔除类团成员数<10的类团。聚类模块值(Modularity Q，Q)和聚类平均轮廓值(Sihouette，S)是反应聚类效果的指标。一般认为，Q>0.3表明聚类结构显著，S>0.5表明聚类结果合理，S>0.7表明聚类结果可信度高[15]。聚类图谱中聚类模块数字标号顺序代表各热点话题在该领域的重要程度。各聚类模块的详细信息中，节点数表示聚类中所包含的关键词个数，聚类轮廓值反应聚类效率，聚类轮廓值越大，聚类效率越高，模块中主要关键词由LLR(Log-likelihood ratio)算法得出。使用Citespace软件的突现词探测功能时，最小持续时间设置为3年，其他阈值范围默认。

2 结果与分析

2.1 2011—2020年的文献发文量

从以重金属对植物的生态毒理研究为主题的相关文献发文量看(图1)，2011—2020年发文量总体呈平稳增加趋势，仅在个别年份有小幅波动。年均发文量在500篇以上，其中，2019年发文量最多，达823篇。表明该领域发文量较大，产出丰硕。

图1 2011—2020年的文献数量与年度分布

2.2 研究作者

以“author”为节点类型，生成532个节点、504条连线的作者合作网络图(图2)。发文量排名前10的作者包括黄益宗(29篇)、黄永春(18篇)、张璐(18篇)、黄晓霞(17篇)、潘远智(16篇)、刘柿良(15篇)、程小毛(14篇)、刘鹏(14篇)、余顺慧(12篇)、张敏(11篇)。从突现值看(表1)，刘柿良突现强度最高，突现值为4.34，表明刘柿良在该领域获得的研究成果增长最快，其次是丁继军和曾小飚，突现值分别为4.33和3.57。在所有类团中，以潘远智为核心的合作团队成员数量最多，其次是以黄益宗为核心的团队和以黄晓霞为核心的团队。

注：线条颜色由浅到深表示年份逐年增加。

表1 排名前10位的作者突现值

2.3 发文机构

分析重金属对植物生态毒理领域的研究机构发现，该领域的研究机构共有1 590个。由表2可知，研究机构发文量以四川农业大学最多，共计296篇；南京农业大学和西北农

表2 排名前10位的研究机构发文量

林科技大学其次，分别为251篇和225篇。发文量排名前10位的研究机构均为高校，表明高校是重金属对植物生态毒理研究领域的主力。

2.4 关键词

2.4.1 关键词共现 以“keyword”为网络节点，生成216个节点、1 347条连线、网络密度为0.058的关键词共现图(图3)。从表3看出，“镉胁迫”出现频率最高，共计758次，表明镉胁迫是近10年的研究热点。根据出现频率较高的其他关键词可看出，学者主要围绕“生理特性”“种子萌发”“抗氧化酶”和“生长发育”研究重金属对植物的生态毒理效应。水稻和小麦作为我国主要的粮食作物，出现频率较高，表明粮食安全问题深受重视。一般认为，中心度>0.1的节点在网络结构中有重要的位置，在各主题联系中扮演重要角色[16]。关键词“植物修复”和“根系分泌物”的中心度最高，为0.25，表明其在关键词网络结构中具有最重要的作用。

图3 关键词的共现网络

表3 排名前10位关键词的频率和中心值

2.4.2 关键词聚类 经聚类分析得出，Q为0.781 4，S为0.905 7，表明聚类结果显著，可信度高，适于分析。从表4看出，重金属对植物生态毒理研究领域近10年排前3位的研究主题为“幼苗生长”“抗氧化酶”和“亚细胞分布”。其中，“幼苗生长”主要关键词包括“种子萌发”“水稻”“幼苗”“积累”和“缓解”。抗氧化系统被认为是植物受到外界环境胁迫时的重要防御系统。因此，研究重金属胁迫下植物的抗氧化酶活性是揭示植物抗逆机理的重要环节。“抗氧化酶”主要关键词包括“抗氧化酶”“一氧化氮”“活性氧”“紫花苜蓿”和“耐受性”。“亚细胞分布”是从微观研究重金属对植物的生态毒理效应，包括24个关键词，聚类轮廓值为0.854。“光合作用”的聚类轮廓值最大，其内部同质性最大，聚类最有效。“土壤酶”是该研究领域最晚出现的聚类词，时间为2016年，聚类节点数为13，聚类轮廓值为0.840。

表4 不同聚类研究的内容与特点

结合关键词时区图(图4)看出，有关重金属对植物的生态毒理研究早在2011年出现，其中“植物修复”“幼苗生长”“耐性”和“叶绿素”具有高中介中心性，是该领域近10年的标志性关键词。2012年开始出现“一氧化氮”“活性氧”“丙二醛”“土壤修复”“基因表达”和“超微结构”等频率较高关键词，较2011年的研究更为深入。2013—2017年出现“丛枝菌根真菌”“缓解”“活性氧代谢螯合剂”“生物炭”和“褪黑素”等关键词，表明这一时期利用外源物质降低重金属对植物的毒性研究是热点。2018年出现频率较高的关键词为“转录组”“细胞壁”等，可见，在分子水平上的植物转录组测序与亚细胞水平上的细胞壁重金属含量是新兴研究内容，从更微观的角度揭示重金属对植物的生态毒理效应。

图4 关键词的时区

2.4.3 关键词突现 在重金属对植物的生态毒理文献关键词分析中，共导出26个突现词(图5)。从突现强度看，“烟草”的突现强度最大，为6.04，表明在其突现时间区域内(2014—2017年)，有关重金属对烟草的毒性研究最受关注，是研究热点，且在2017年趋于成熟。“镉污染”的突现强度为4.94，排第2位，突现时间为2016—2020年，表明“镉污染”在近5年是学者关注的重点。“矿质元素”“镉污染”和“转运”突现时间持续5年，受关注的时间相对较长，“转运”“褪黑素”“硫化氢”“氧化损伤”和“桑树”突现时间均持续至2020年，表明其相关研究是近期的新兴研究内容，可能成为未来的研究趋势。

注：图中短线“▂”表示2011—2020年分别对应的年份，加粗短线“▃”表示关键词突现的年份。

3 讨论

2011—2020年重金属对植物的生态毒理研究发文量总体呈平稳增加趋势，2019年发文量最多，达823篇，表明该研究持续受到国内学者的高度关注。节点突现值可以反应作者发文量增长的快慢，突现值越大，则变化率越大，作者在短时间所创造的价值越大[17]。对作者和作者合作网络分析发现，刘柿良突现强度最高，突现值为4.34，以潘远智为核心的合作团队成员数最多，其次是以黄益宗为核心的团队和以黄晓霞为核心的团队，团队内合作紧密，但不同团队间缺乏合作。从研究机构发文量看，排名前10位的研究机构均是高校，表明高校是重金属对植物生态毒理研究领域的主力。

关键词共现分析中，关键词频率可反映其在某研究领域的热度，关键词中心度反映其在关键词共现网络中的重要程度，代表在一定时期内具有影响力的研究内容[18]。结果显示，高频关键词有“镉胁迫”“重金属”“生理特性”“种子萌发”和“抗氧化酶”等，高中心度关键词有“植物修复”“根系分泌物”“耐性”“叶绿素”和“有机酸”等。表明这些关键词在重金属对植物生态毒理研究领域是具有影响力的热点内容。

关键词聚类分析能有效地把握重金属对植物生态毒理效应的研究主题。聚类分析显示，“幼苗生长”“抗氧化酶”和“亚细胞分布”等是主要热点话题。每个热点话题由多个关键词组成，在重金属对植物的生态毒理效应研究中，热点关键词随着时间不断变化，关键词时区视图可与聚类视图互补，便于在动态中认识知识的本质[19]。关键词时区图可展示关键词在哪一年首次出现，有助于梳理研究领域的演进路径，再次出现时则在首次出现年度区间累加，关键词节点大小表示其出现的频率大小。关键词时区图结果显示，随着时间推移，重金属对植物生态毒理研究分支变多，研究更为深入。

突现词是指在短时间内出现频率骤增的主题术语，对突现词分析可以更好地探测学科发展的新兴趋势和研究前沿[20]。从突现强度看，“烟草”的突现强度最大，表明在其突现时间区域内，重金属对烟草的毒理研究极受关注。此外，“镉污染”的突现强度也较大，可能与2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》和2016年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》有关。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，镉是土壤重金属污染的首要污染物，随着2016年土壤污染防治工作的全面开展，镉污染对植物的毒理研究成为研究热点。“转运”“褪黑素”和“硫化氢”突现时间距今较近，且均持续至2020年。对“转运”节点相关文献分析发现，主要与重金属在植物体内的形态与亚细胞分布及植物转录组测序研究相关，表明这些研究可能会成为未来的研究方向。褪黑素和硫化氢均可调节植物的生理生化过程和缓解植物重金属胁迫[21-22]，在重金属对植物生态毒理领域中，褪黑素和硫化氢对缓解植物重金属胁迫的作用可能是一个新的研究内容。

4 结论

采用CiteSpace对CNKI数据库2011—2020年有关土壤重金属对植物生态毒理研究领域文献的分析结果表明，我国重金属对植物生态毒理研究领域已达一定规模，但整体发展较为缓慢；形成了以四川农业大学等高校平台为主，以潘远智、黄益宗、黄晓霞等为核心人员的研究团队；“镉胁迫”“生理特性”和“种子萌发”等是该领域的研究热点；“植物修复”和“根系分泌物”在各研究内容中起较好的连接作用；主要围绕“幼苗生长”“抗氧化酶”“亚细胞分布”等主题内容开展研究。重金属对植物的生态毒理研究呈从表观到微观的发展趋势，具有阶段性，分支变多，研究更为深入。重金属对植物生态毒理的缓解机理研究、重金属在植物体内的形态与亚细胞分布研究及植物转录组测序研究等是未来该领域的重要研究方向。