基于CiteSpace的燃煤电厂与重金属污染相关性文献研究

巢文军，杨明宪，曹晓涵，顾汝科

(江苏省常州环境监测中心，江苏 常州 213003)

燃煤电厂在煤炭燃烧过程中产生的金属污染物，通过烟气、气溶胶、飞灰等形式迁移到环境中后难降解、易累积，且通过生物链富集放大产生的危害具隐蔽性和持久性。煤炭是我国的主要一次能源，在严控二氧化硫、氮氧化物的超净排放后，燃煤电厂的金属污染已经成为关注热点[1]。

本研究以代表全球学术权威的Web of Science数据库为基础，使用Citespace软件并结合文献计量学方法作知识图谱可视化分析，来揭示燃煤电厂与金属领域的发展变化、主题热点，为燃煤电厂的金属排放研究和控制管理提供参考和方向[2]。

1 方法与数据

在Web of Science(以下简称WoS)中选择核心合集数据库，输入Coal-fired Power Plants与Metal主题，选择1980—2020年度，获得823篇文献作为研究样本。结合WoS检索分析功能，使用CiteSpace知识图谱软件，对样本数据从文献时间变化(年度分布和热点追踪)、空间分布(国家和机构分析)、高被引文献等方面进行文献可视化分析和综合评估。

2 统计与分析

2.1 文献的时间分布

2.1.1 文献数量的年度分布

文献数量的年度分布统计可反映该领域研究的产生、发展及关注度，有利于总体把握并分段研究。分析823篇样本的年度变化及文献逐年累积率(图1)，可划分为四个阶段：第一阶段是萌芽期(1983—1990年)，1983年起方断续有相关文献统计，数量稀少，内容零散；第二阶段是起步期(1991—2000年)，文献数量开始增加但累积率波动大，研究开始受到关注，研究内容逐步明晰；第三阶段是发展期(2001—2010年)，数量增长，内容丰富起来；第四阶段是积累期(2011—2020年)，文献保持加速增长，视野拓宽，内容深化。近10年发文510篇占38年总量的67.8%，为高增长高产出阶段。

图1 1983—2020年燃煤电厂与金属研究领域WoS数据库论文年发文量及文献累积率

2.1.2 主题和热点随时间变迁情况2.1.2 关键词聚类与大主题演变路径

研究主题的发展态势，可对关键词进行频次统计和聚类分析。将样本数据导入Citespace软件，选择关键词分析，可得650个有效关键词，其中高频关键词Top 10为：heavy metal(重金属)、fly ash(飞灰)、trace element(微量元素)、emission(排放)、metal(金属)、combustion(燃烧)、mercury(汞)、coal(煤)、soil(土壤)、power plant(发电厂)。

Citespace将关键词分成# 0～# 12共13组主题聚类并按时区显示(图2)，可展开为时间线排列(图3)。节点位置表示关键词首次出现时间，节点大小代表出现频次，连线粗细代表共现关系[3]。结合每组词汇的聚类集合，由图2和3可知该领域的大主题演变路径为：1991年关注度提高(金属)；1997年生物有效性(生物累积)；2001年PM2.5(空气粒子)；2002年镉(镉和铅等金属积累)；2003年土壤(污染及富集系数)；2005年飞灰(浸出毒性)、源解析(化学成分)；2007年混燃(固废)、砷(鱼和蚬等)、空气污染(酸雨)；2010年火电厂(煤燃烧和大气汞)、重金属去除(汞和硒等)；2013年CO2捕集(烟气)；2014年生物碳(降解)。

图2 1983—2020年燃煤电厂与金属研究关键词聚类的时区图

图3 1983—2020年燃煤电厂与金属研究共被引聚类时间线图

2.2.2 关键词突现与前沿突发热点转变

Citespace特有的关键词突现侦测功能[4]，可监控文献和引文数量突发增长的前沿热点转变趋势，由软件导出突现性强的11个突现关键词(见表1)，可见2002—2010年的突现研究前沿为大气汞；2009—2015年热点转换为土壤研究(其中2011—2013年着重土壤污染)；在2013—2016年关注烟气(其中2013—2015年多使用溶液吸附方法)；2014—2017年焦点是多环芳烃；2015—2020年水质研究(其中2016—2017年关注的地域是中国，2017—2020年关注的元素是铅)；2018—2020年的最新突发热点切换到有害微量元素、形态。

表1 引用突发最强的前11个关键词

2.3 文献的空间分布

2.3.1 国家分析

联合国教科文组织的《世界科学报告》、美国《科学与工程指标》及《中国科学技术指标报告》，多以WoS等权威数据库收录的高水平科技论文数量为定量指标之一，来对国家科技和创新实力进行综合评价[5]。使用Cite Space设置Top15国家分类被引聚类(见图4)，可见其中10个是发达国家，分别是美国(USA)、西班牙(SPAIN)、澳大利亚(AUSTRALIA)、加拿大(CANADA)、英国(ENGLAND)、德国(GERMANY)、意大利(ITALY)、日本(JAPAN)、韩国(SOUTH KOREA)、芬兰(FINLAND)；仅中国(CHINA)、印度(INDIA)、土耳其(TURKEY)、马来西亚(MALYSIA)、巴西(BRAZIL)是发展中国家。统计1983—2020年间发文量大于200篇的只有2个国家，分别是中国(236篇)、美国(208篇)，尤其2011—2020年中国的发文数量远超美国，但是代表被引频次的节点大小总体仍小于美国。

图4 1983—2020年燃煤电厂与金属研究领域发文量Top15国家图谱分析

2.3.2 机构分析

由图5可见在1983—2020年间发文量Top15机构，分属5个国家，只有中国和印度是发展中国家，其余3个为发达国家。其中中国8家(中国科学院、华北电力大学、西安交通大学、清华大学、浙江大学、中国矿业大学、华中科技大学、中国东南大学)在Top15机构发文总量里占比高达58.2%；美国4家(能源部、佐治亚大学系统、电力研究学会、加州大学系统)占比25.5%。

图5 1983—2020年燃煤电厂与金属研究领域发文量Top15机构排名

从年度分布变化来看，在1983—2020年期间排名前三位的机构是美国能源部、中国科学院、华北电力大学；而到2010—2020年中国科学院、华北电力大学、西安大学的发文量占据全球前三，表明近10年里以中国科学院、华北电力大学、西安交通大学等为代表的中国机构在该领域科研产出领先。

2.4 高影响力文献

将样本按被引频次降序排列查找Top15高影响力文献。统计第一作者的国家来源，11篇来自发达国家(美国9篇，澳大利亚和荷兰各2篇，加拿大1篇)，另外中国3篇、印度1篇；分析期刊来源，发表于13种期刊，其中ENVIRONMENTAL SCIENCE TECHNOLOGY和FUEL PROCESSING TECHNOLOGY分别载文2篇；分析发表时间，2005、2008和2010年的这三年每年2篇，另外9篇散布于1994—2016年间；分析被引频次最高，是美国人Caskey, Stephen R.于2008年发表在JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY上题为Dramatic tuning of carbon dioxide uptake via metal substitution in a coordination polymer with cylindrical pores的论文，被引达1227次。

3 结论与展望

根据文献计量和CiteSpace图谱，燃煤电厂与金属的研究从1991年起关注度提高，2001—2010年大主题为颗粒物、土壤富集、鱼和蚬中砷、煤燃烧和大气汞及去除；2011—2020年大主题为土壤污染、烟气吸附、水中铅及最新热点是有害微量元素、形态及优化。

在该领域内中、美发文量最多，尤其近10年来中国科学院、华北电力大学等中国机构发文量增长较快，研究领先。但展望未来，由于制造业用电量大和火电占比重，我国以燃煤发电为主的格局短期难变，燃煤电厂的金属研究与控制仍有很长的道路要走。