尾矿污染研究进展的CiteSpace可视化计量分析

2023-09-14施灿海黄乔云刘明生孙高月

现代矿业 2023年8期

施灿海蓝蓉黄乔云刘明生孙高月傅灿

（昆明有色冶金设计研究院股份公司）

选矿厂的尾矿通常以矿浆状态排出，个别情况下也有以干砂状态排出。尾矿产出量通常很大，如不妥善处理，不仅占用土地，而且污染土壤和水体，是矿区周边环境的重大潜在危险源。

对于尾矿的综合利用，早在20世纪80年代初期就提出了尾矿制砖、作为建材、用于井下充填、改良土壤等利用途径［1］。虽然近年来国家大力鼓励固废综合利用和推进无废物城市建设，尾矿的二次利用成为了热点。然而，40多年来，围绕上述途径开展了大量的研究，但产业化利用并未很好地解决。

截止2021年，我国共有尾矿库近8 000座，总量居世界第一，主要分布在河北、辽宁、云南、湖南、河南、内蒙古、江西、山西、陕西、甘肃等省区，占总数的75.1%［2-3］。

不论从应急还是生态角度，社会上一定程度上出现了“谈尾色变”的现象。然而，不可否认的是，矿业作为国民经济发展的支柱产业，尾矿是经济发展的产物，短期内完全消除难以实现，而且不少尾矿中含有目前尚不能高效回收的贵、稀、重金属，具有再利用价值［4］。

最新研究表明，尾矿在固碳、回收有价金属、生态修复等方面的价值日益受到重视［5-8］。笔者试图找到一种解决已堆存尾矿的处置方案和对环境影响的治理技术，进一步丰富和完善尾矿污染防控领域的研究成果。因此，对1985年至2022年尾矿污染方面的中、英文文献所研究的内容进行了梳理和分析，期望能够进一步明晰待研究的问题。

CiteSpace是Citation Space的简称，可译为的“引文空间”，是一款着眼于分析科学文献中蕴含的潜在知识，并在科学计量学（Scientometric）数据和信息可视化（Data and information visualization）背景下逐渐发展起来的一款多元、分时、动态的引文可视化分析软件［9］，该软件可以通过可视化手段呈现科学知识的结构、规律和分布情况。借助CiteSpace软件，对关于尾矿污染的中、英文期刊中的文献进行计量和可视化分析，总结研究热点和发展趋势，为尾矿污染相关科学研究及技术研发提供参考。

1 数据来源、精炼与可视化处理

1.1 数据来源与精炼

尾矿污染有关中文文献来源于中国知网（CNKI）数据库。检索方法：主题“（尾矿+尾矿库）AND（污染）”，检索时间为1985-1-1至2022-11-21（1915—1984年发表文献量较少，作去除处理），共检索到574条文献，筛选排除不相关内容及会议、新闻等，去重后有522篇中文文献。

尾矿污染有关英文文献数据来源于Web of Science，检索式为ALL=（"tailings" AND"tailings pond"AND"pollution"），高级检索，选择数据库为Web of Science核心合集，引文索引为ALL，选择1985—2022年所有相关文献。共检索出文献118篇，为保证文献数据与研究主题的相关性，对Web of Science类别、语种、文献类型等内容进行精炼，选择样本103篇。CiteSpace软件去重处理后102篇，纳入基础数据分析。

1.2 数据可视化处理

根据CiteSpace软件所需参数设置，对检索后纳入范围的522篇中文文献和102篇英文文献进行发文时间和发文量的趋势、发文作者及机构、关键词共现和聚类与突现、研究国家等方面进行分析，绘制尾矿污染研究进展的知识图谱，并对图谱信息进行分析。

2 研究结果与分析

2.1 发文趋势分析

尾矿污染研究中、英文文献发文量及发文趋势的分析见图1。中文文献年发文量虽有波动，但整体呈现上升的趋势；2008年以前每年发文量均小于10篇，2008起持续增长，2020年发文量达到峰值（57篇），近两年来发文量呈下降趋势。总体上看，尾矿污染问题较早得到关注，多学科研究人员从不同角度进行了研究，取得研究成果已应用于工程实践中。总体发文量偏少，有必要对其进一步研究。1999—2009年英文文献发文量极少，甚至出现多年无文献发表的情况；2010—2019年文献发表量在波动中逐步上升；2020年以后以每年递增10篇的幅度持续上升，预测2023年发文量将继续增加。

总的来看，尾矿污染研究成果较少，中文文献呈下降趋势，英文文献呈上升趋势，2022年发文量两者接近。在安全和环保日益受到重视的时代背景下，有必要进一步研究尾矿污染这一课题，丰富研究成果，服务于国家生态文明建设。

2.2 发文作者及机构分析

2.2.1 作者图谱分析

利用CiteSpace对CNKI检索结果中的作者进行共线图谱分析，结果见图2、图3。在作者合作网络图谱中，节点字体大小反映作者的出现频次，连线表示作者之间存在合作关系，连线颜色越深表示相互间合作程度越强。

核心作者群是指在相关领域刊物上发表论文较多，影响较大的作者集合［10］。核心作者群是形成文献流的骨干力量，发挥着导向作用。核心作者发表的论文数根据普赖斯理论计算［11］，中文作者为不少于3篇，英文作者为不少于2篇。

对图2进行CiteSpace软件分析，网络节点数为502，连线数量456，网络密度为0.003 6。图谱共线结果表明，核心作者之间存在合作关系，合作关系较为紧密的分别以张雪峰、史振环及刘佳为中心的科研团队。其中，张雪峰、司万童为发文数最多的作者，均为13篇；王建英和周连碧紧随其后，分别发文8篇和6篇；吴超发表量6篇，但没有关联的核心作者。经分析，有22位作者的发文量在3篇以上，构成中文期刊尾矿污染领域核心作者群的文量占总发文量的19.5%。但总体看，核心作者群的发文数量偏低。利用软件分析发现，尾矿库重金属污染、地下水污染、污染防治、尾矿渗漏污染为张雪峰团队的研究重点［12-16］，该核心作者群发文数量最多，关联最紧密。其次为史振环科研团队，研究的内容仍为尾矿重金属污染，该团队分别对硫化物尾矿源［17］、重金属（Cd、As、Zn等）以及F的复合污染［18］、NMD释放尾矿/非释酸尾矿的重金属污染［19］、重金属污染评价指标［20］进行了研究。刘佳科研团队重点研究了尾矿污染环境风险防控和事故处置［21］。

图2表明，核心作者群比较集中，且部分核心作者研究内容相对独立，归因于研究人员个人最大发文量较小，导致核心作者发文量仅3篇，出现核心作者分布离散的现象。表1列举了尾矿污染研究中文文献发文量不少于3篇的作者。

对图3进行CiteSpace软件分析，网络节点数为289，连线数527，网络密度为0.012 7。图3表明，主要研究人员为Stumbea Dan、Moussa Samar G、You Yuan，其中，Stumbea Dan发文5篇，与其他研究人员相比较独立，其指出，尾矿不仅受物化特性影响，还受风力、降雨等因素影响［22］；Moussa Samar G和You Yuan发文均为4篇，且成员间紧密相连，重点研究加拿大阿尔伯塔省油砂地区的尾矿库与挥发性有机化合物和其他污染物向大气的不稳定排放［23-24］。表2列举了尾矿污染研究英文文献发文量不少于3篇的作者。

2.2.2 机构图谱分析

研究机构的发文量呈现其对研究领域的关注、投入及科研产出程度。表3为1985—2022年CNKI中尾矿污染发文量排名前20的研究机构，从高到低前三的机构分别是北京矿冶研究总院（13篇）、内蒙古科技大学能源与环境学院（11篇）、内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室（11篇）。具体分析，从事尾矿污染研究的机构以科研院所为主，北京矿冶研究总院和矿冶科技集团有限公司为同一机构，其发文量达17篇，较最大发文高校多6篇。从事尾矿污染研究的机构主要有矿业科研院所，高校能源与环境、资源与安全、水资源等专业研究机构，说明尾矿污染研究涉及多学科交叉，同时，工程咨询和设计单位也占有一定的研究比例。其中，中国瑞林工程技术有限公司发文量为5篇，北京市地质工程设计研究院发文量为4篇。分析结果说明，尾矿污染问题的研究是科学研究和工程实践的有机结合。

利用CiteSpace绘制而成的机构间合作网络图谱见图4，图中节点代表机构，连线表示不同研究机构间存在合作关系。从图4可以看出，研究机构之间的合作受地域影响较明显，内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室与内蒙古科技大学的能源与环境学院、数理与生物工程学院、生命科学与技术学院之间的合作紧密，而跨区域的不同行业、专业之间则未形成合作。

表4为1985—2022年Web of Science中尾矿污染发文量排名前10的研究机构，从高到低前三的机构是Chinese Acad Sci（10篇）、Univ Chinese Acad Sci（6篇）、Russian Acad Sci（5篇）。对102篇英文文献的研究机构进行合作网络可视化分析，结果见图5。结果表明，中国的研究机构做出了主要贡献，其次为俄罗斯、加拿大、美国等研究机构，但各机构之间的合作和关联程度较低。

2.3 关键词分析

2.3.1 关键词共现分析

关键词是对研究领域主题与内容的高度概括，关键词共现分析是以关键词为节点，经CiteSpace软件处理后形成由节点和连线组成的关键词共现分析图谱。对检索得到的522篇中文文献和102篇英文文献的关键词进行共现分析，得到485个中文关键词和333个英文关键词，其中中文关键词频次≥5的有30个，见表5；英文关键词频次≥5的关键词有21个，见表6；中文关键词可视化图谱分析得到486个节点，995条连线，见图6；英文关键词共现分析可视化图谱分析得到333个节点，1 084条连线，见图7。

中文期刊对于尾矿污染相关的关键词排前五的为尾矿库、重金属、土壤、污染评价和尾矿。中心性是衡量节点在网络中信息交流能力的重要指标，在关键词共现中具有高中心性（≥0.1）的关键词依次为尾矿库（0.99）、尾矿（0.34）、复垦（0.26）、污染（0.26）、水污染（0.25）、修复（0.23）、土壤污染（0.20）、扬尘（0.17）。在研究时段内，尾矿污染的中文文献研究主要集中在尾矿引起的土壤重金属污染方面，水污染和污染修复，尾矿库扬尘治理也得到了重视。

英文文献对尾矿污染的研究主要集中在heavy metal、tailings pond、pollution、contamination soil，和中文期刊研究一致，重点关注的也是尾矿对周边环境的污染问题。与此同时，英文文献更侧重于尾矿引起的污染物沉积对环境的影响。在关键词共现中具有高中心性（≥0.1）的关键词依次为contamination（0.37）、acid mine drainage（0.34）、drainage（0.27）、area（0.26）、heavy metal（0.25）。说明目前尾矿库污染的英文文献研究主要集中在废水排放，尤其是酸性矿山废水，以及场地污染治理。

2.3.2 关键词聚类分析

在关键词共现分析图谱的基础上，利用LLR算法提取关键词标签，进行关键词聚类可视化分析，得到尾矿污染中文文献关键词聚类图谱，见图8。聚类知识图谱中不同颜色的色块代表不同的聚类，色块所包含的节点都属于同一个聚类。结果显示，中文文献关键词聚类图谱共包括15个聚类标签，聚类模块值Q=0.841 5（Q＞0.3），表明聚类结构显著；平均轮廓值S=0.981（S＞0.5），说明聚类结果可信度较高［25］。各聚块之间交错相叠少，联系不紧密。表7列举了部分尾矿污染中文文献关键词聚类情况。对包含文献较多、范围较大的几个聚类进行具体分析：尾矿库（#0）包含重金属、土壤、尾矿、污染等关键词，主要围绕尾矿库污染的重金属特征研究、污染治理、生态修复的相关研究［26-28］；土壤（#1）包含重金属、污染、形态、铜尾矿等关键词，主要对重金属引起的土壤污染及由此引起对农田和动物的影响进行了研究［29-31］；分布特征（#2）包含地下水、风险评价、渗漏水等关键词，主要进行尾矿水排放引起的地下水污染研究［32］；尾矿（#3）包含环境风险、污染土壤、生态问题和减量化等关键词，研究了检测分析测定污染土壤影响因子并提出了措施建议［33-34］；污染评价（#4）包含生态修复、土壤污染、生物富集等关键词，重点研究内容为研发了能够用于尾矿库区的污染控制和生态修复的羧基型共聚乳液［35］、生物土壤结皮用于尾矿库生态修复［36］、直接植被技术用于尾矿库生态修复［37］等。

对333个英文关键词进行聚类分析，得到英文关键词聚类图谱，见图9。结果显示英文文献关键词聚类图谱共包括14个聚类标签，聚类模块值Q=0.784 8（Q＞0.3），表明聚类结构显著，平均轮廓值S=0.928 7（S＞0.5），说明聚类结果可信度较高［25］。表8列举了部分尾矿污染英文文献关键词聚类情况。对包含文献较多、范围较大的几个聚类进行具体分析：kupferschiefer（#0）包含关键词tynagh silver mine、galway ireland、heavy metal and metalloid pollution assessment、media analysis等，主要研究了历史遗留尾矿库地区的土壤重金属污染风险及来源评价［38］、铜尾矿堆存后农作物中重金属含量的稳定性［39］等；organic（#1）包含关键词compounds voc、cyclohexanecarboxylic acid、biofilm community、air quality等，开展监测数据敏感性和监测与模拟相符程度的研究［40］；tropics（#2）包含关键词fundu moldovei、eleocharis equisetina、macrophyte、acid mine drainage（amd）等，主要研究受酸性矿矿山废水影响区域的高耐受性植物（桦树）研究［41］，筛选出尾矿植物修复的候选材料，可用于磷矿废料覆盖层的植物稳定，从而完成该地区的恢复［42］，明确了植物对尾矿污染及酸性矿山废水的稳定作用。同时，也有研究指出尾矿库中的次生矿物对生态系统的毒害作用有一定的抑制作用，负面影响是局部性的，并提出了回收成熟精矿尾矿库或通过养护尾矿库来抑制有害成分活动的建议［43］。radon exhalation rate（#3）包含关键词hazard assessment、quality、lead and zinc、behavior等，重点研究内容为关注不同季节尾矿库的环境风险［44］。heavy metals（#4）包含关键词agglomerates、watershed、uranium mines、risk analysis等，主要研究的重金属涉及锑、砷、铅、铜等［45］。

2.3.3 关键词突现分析

关键词突现是指在一段时间内关键词高频出现的现象，通过对其研究，可以了解研究热点关键词、热点出现和持续的时间，并预测继续研究的方向。

图10为尾矿污染研究中中文文献关键词突现分析图谱，图中列明了关键词、首次研究的出现年份、突现开始和结束的时间。突现的持续时间长短表示突变的强度。对关键词的突现分析表明：①对尾矿污染的研究从1990年开始，尾矿砂的研究开始时间最早，持续时间最长，1990—2005年发展为持续热度最长的关键词；尾矿的研究热点集中在1996—2000年；污染问题的研究较为持续，从2005年持续至2016年，随后仍有研究却没出现关键词的突现。②与尾矿污染相关的地下水研究起步较早，1994年起得到重视，2014—2019年形成研究热点。③2016年以来，尾矿污染相关的生态修复、风险评价、污染评价和土壤4个研究方向得到研究人员的持续关注。

图11为尾矿污染研究英文文献关键词突现分析图谱。对关键词的突现分析表明：①对尾矿污染涉及的有害成分、水体、尾矿坝研究的文献最早发表于1990年，关键词有害成分突现年份为1999—2013年，水体为2017—2020年，尾矿坝为2021—2022年。②关键词突现持续时间较长的还有尾矿污染相关的金属成分研究，突现出现时间为2000—2014年。③2021—2022年，矿山、重金属、重金属污染、微量元素、农业土壤形成了新的研究热点。

2.4 研究国家知识图谱分析

国家共现知识图谱可较清晰地展现出不同国家在相同领域的研究程度。对102篇英文文献的国家进行网络可视化分析，见图12，共获得28个节点，22条连线。28个节点表明在该领域发文的国家有28个，连线表明各个国家间的合作较少，研究主要集中在国内。表9列举了尾矿污染研究英文文献发文量排名前5的国家，其中中国最多，其次是加拿大。