基于CiteSpace土壤重金属污染防治的知识图谱研究

张晓晴，李 雅，魏 珊，任大军，张淑琴

（1武汉科技大学，武汉 430081；2冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，武汉 430081；3武汉大学，武汉 430000）

0 引言

土壤是生态系统重要的组成部分，是物质和能量循环的重要圈层。近年来，大量的重金属受到人类生产活动的影响进入土壤环境，土壤生态环境一旦遭到破坏，农作物的生长状况也会受影响，农产品的质量安全也难以得到保证[1]。2019年中国生态环境状况公报的统计数据显示，重金属是导致农用地环境质量下降的主要污染物，其中重金属镉是首要污染物[2]。土壤污染的途径多种多样，污染来源分析和控制难度较大[3]。目前，中国尚未建立健全覆盖多级的土壤环境监督管理体系，受经济发展水平的限制，对于土壤污染防治方面的关注度不高。由于土壤重金属污染的滞后性，人们难以认识到土壤污染防治的重要性，重金属富集所引发的农产品安全问题以及群体公共安全事件已成为影响农业经济发展和社会稳定的重要因素[4]。可见，污染土壤的管控和修复是当前亟待解决的关键环境问题。尽管近年来借鉴国外的土壤污染防治经验，中国也逐渐开展土壤风险管控、污染土地安全利用率、农田土壤风险评估等工作，但是在中国的实践时间太短，长期效果还需要观察[5]。目前，中国对于污染地块的管理主要以修复为主，土壤修复技术逐渐进入工程示范阶段。土壤重金属污染修复研究[6]相关的论文逐年增多，涉及的学科种类也越来越多[7-10]，但是这些研究大多数局限于某个方向，比如植物对于土壤中重金属的修复作用[11]、生物炭在重金属修复中的应用[12]等。缺少从宏观角度，系统性地研究分析土壤重金属污染防治领域的现状、前沿热点和主题演进等。

文献计量学这个词最早是由Pritchard在1969年提出的，核心是经验统计规律，运用数学和统计方法定量地分析研究主题的交叉科学，最先应用于图书及其他通讯媒介[13]。随后被其他学科所吸收，当前已经广泛应于环境[14]、食品安全[15]、医学[16]等多个学科领域，用于分析相关领域的研究热点以及研究趋势等。如Zhang等[17]采用文献计量学的方法，以Web of Science数据库检索的文献记录为基础，评估植物修复研究现状，探讨植物修复研究的发展趋势。

CiteSpace是由陈超美开发的一款可视化分析软件[18]，同时能够在很短的时间内识别出某一科学领域中主要的研究学者和研究机构，快速找出该领域的核心文献、知识基础、研究趋势。如张宇婷等[19]借助CiteSpace关键词聚类分析了国内外土壤侵蚀研究主题，提出中国土壤侵蚀研究的发展方向。Li等[20]采用CiteSpace对土壤重金属植物修复的研究热点和趋势进行定性和定量分析，帮助研究人员获取了该领域的研究状况和进展。

笔者利用CiteSpace计量分析软件，以Web of Science数据库核心合集、中国知网、维普和万方核心期刊为数据源，从发文数量、作者、机构、关键词以及共被引文献多个方面对2006—2019年国内外发表的土壤重金属污染防治方面的文献进行可视化分析，以期对土壤修复相关研究和发展趋势进行分析。

1 数据来源及分析方法

1.1 数据来源

中文文献来源于中国知网（CNKI）、万方（Wanfang）和维普（VIP）3个数据库。使用高级检索，检索条件设置为“主题=土壤重金属+污染修复/污染防治”，检索时间段设置为2006—2019年。在中国知网中检索到2765条，万方中检索到2770条，维普中检索到495条。检索时手动去除不相关文献，并利用Cooccurrence 6.722（COOC）软件中多数据库去重功能对下载的数据进行查重，最终得到相关的文献2780条。

英文文献来源于Web of Science核心合集数据库，使用高级检索，以“TS=（soil heavy metal*AND（remediation OR pollution control OR pollution prevention））为”检索式，语种选择English，文献类型选择Article和Review，检索时间段设置为2006—2019年，检索到5927条结果。删除与研究主题无关的文献和重复文献，最终得到5082条数据，将其导入CiteSpace中进一步统计分析。

1.2 分析方法

利用CiteSpace（5.6.R4）软件对2006—2019年与土壤重金属污染修复相关的中英文文献进行分析。主要分析文献发表数量、作者、研究机构、关键词以及被引文献。时间切片都设置为1，根据图谱的呈现情况进行裁剪，选择不同的节点类型进行图谱分析。

2 结果与分析

2.1 发文量变化

2006—2019年，中文文献和英文文献的发文量在整体上都呈现增长趋势，极个别年份出现小幅度的波动（图1）。英文文献增长速率明显高于中文文献。根据英文发文量曲线，2014年之前发文量增长较为缓慢。2014年，首届联合国环境大会召开，全球对于生态环境越来越重视，英文发文量随之呈现快速上升趋势。根据中文发文量曲线，在2015年之前，发文量增长比较缓慢。2015年之后，随着修订后的《中华人民共和国环境保护法》的实施，“土十条”的印发和《土壤污染防治方法》的颁布实施，人们对于土壤污染前的预防和污染后的治理关注度更高，对于土壤环境修复技术及相关的工程应用的关注度也随之提高，相应的发文量显著增加。预测2019年之后相关领域的研究会呈现继续增长的趋势。

图1 中英文发文量变化曲线

2.2 发文国家或地区分析

发文量排名前10位的国家或地区如图2所示。中国发文量最多（1920篇），占总发文量的37.8%。说明中国的科研机构对于土壤重金属污染防治发文量的贡献最大，中国在土壤重金属污染防治方面比较重视，开展了大量的基础和应用研究，以期探索符合中国土壤性质和田间管理的污染修复技术。其次是美国（456篇）、西班牙（343篇）和印度（269篇），以上这些国家或地区农业在国民经济中占有重要地位，其中美国为农业出口大口。国家或地区对农业的重视程度较高，人们对农产品的产量和质量关注度也较高，更多的学者研究土壤环境重金属的生态风险。排名前10位的国家或地区发文量总计4236篇，占总发文量的83.3%。

图2 国际发文量前10位的国家或地区

2.3 研究机构分析

利用CiteSpace中“Institution”分析功能对发文研究机构进行分析。图中圆形的节点代表研究机构，圆圈和字体越大表明机构发文量越多。节点间的连线表示研究机构之间的交流合作，连线越粗表明机构合作发文量越多。经过合并二级机构和名称变化了的机构，得到机构合作网络图谱。

2.3.1 国内机构 由图3、表1可看出，中国科学院大学的发文量最多，中介中心性最高，为0.11，说明中国科学院大学在土壤重金属修复方面具有一定权威性。有关土壤重金属污染修复的研究主要是集中在各研究所和高校中（表1），少部分企业也有研究，比如陕西省土地工程建设集团有限责任公司。但研究所、高校和企业之间的合作交流不紧密。在今后的研究中，可以加强企业和研究所、企业和高校的学术交流，促进共同发展。

表1 土壤重金属污染防治国内发文量前10位的机构

图3 2006—2019年土壤污染防治国内研究机构合作知识图谱

2.3.2 国际机构 国际机构合作网络图谱中有571个节点1245条连线（图4）。发文量前10位的机构中有9个是中国的机构，多为国内高校（表2）。中国科学院在发文量排名中位居前列，2006—2019年发文量为418篇。根据机构发文量年限分布图（图5），中国科学院在2007年之后每年的发文量都位居前列。同时，英文发文机构的发文量在2006—2016年期间变化不大，从2016年开始大部分机构的发文量迅速增加，其中，中国科学院的发文数量和增速远高于其他机构。这反映了中国科学院在土壤重金属污染修复方面强大的科研攻关力量，为全面实施土壤修复项目提供了强有力的科技支撑，如中科院南京土壤所贵冶周边区域九牛岗地区镉铜污染土壤修复技术示范，湖南湘潭、浙江杭州、江苏苏州、河南济源、广东韶关、江西贵溪等地镉污染农田边生产边修复技术应用示范。

图4 土壤重金属污染防治国际机构合作知识图谱

图5 国际机构发文量年限分布图

表2 土壤重金属污染防治国际发文量前10的研究机构

2.4 关键词分析

关键词能够体现出一篇文章的精髓，在分析某个领域的研究前沿时，可以为研究学者提供研究主题的演变过程，预测该主题未来的发展趋势[22]。通过软件中“Keyword”分析功能可以得到关键词共现图谱和关键词突现图谱。

2.4.1 中文关键词 设置突现关键词数量为21个，得到2006—2019年重金属污染防治突现关键词分布图（图6）。结果表明，“超富集植物”是突现强度最高的关键词（10.9239），“印度芥菜”是突现持续时间最长的词（2006—2012年），“淋洗修复”在中间一段时间内突现时间持续较长，“耕地土壤”和“生物炭”是突现时间最晚的词。根据突现关键词分布图，在2016年连续出现4个突现词。同时根据中文发文量变化曲线，2016年之后发文量显著增加，因此可将2016年视为一个重要的转折点。将2006—2019年划分为2006—2015、2016—2019年2个时间段进行关键词共现分析。

图6 2006—2019年土壤重金属污染防治国内文献关键词突现图谱

（1）2006—2015年国内土壤重金属污染防治研究态势。从图7关键词共现图谱中可看出，除了与检索主题词一致的“重金属污染”、“土壤污染”、“土壤”和“土壤修复”等外，圆形节点较大的关键词是“植物修复”、“超富集植物”、“生物修复”以及“化学淋洗”，说明其在2006—2015年出现频次较高，是该时期的研究热点。

图7 2006—2015年污染土壤重金属防治国内文献关键词共现图谱

生物修复具有操作简单、花费少、对环境影响较小等优点，而植物修复作为生物修复中的一种成为了热点研究领域之一。植物修复技术可利用植物自身新陈代谢超富集重金属，通过植物提取、转移、吸收、分解、转化或固定土壤中的污染物达到去除土壤中污染物的目的[23]。目前，世界上已经发现了700多种超富集植物[24]，比如印度芥菜、东南景天（Cd、Zn超富集植物）、蜈蚣草（As超富集植物）、美洲蜚蠊（Mn超富集植物）等。印度芥菜原产于中亚、印度、非洲以及东欧，在中国主要分布在西北地区和西南高原地区[25]，具有生长快、生物量大等优点[26]，对重金属锌、镉、铅具有超富集作用，常被用在土壤重金属植物修复的盆栽实验中[27-28]。这一关键词从2006年开始突现，并持续了很长一段时间，说明印度芥菜在过去一段时间是重金属植物修复的热点研究植物。如郭艳杰等[29]发现印度芥菜对重金属复合污染土壤中的Cd和Pb具有一定的吸收富集效果，其净化率分别为0.35%～9.22%和0.015%～0.356%。目前，发现的大多数超富集植物选择性强，只能处理单一的重金属，中国地质条件复杂、植物种类繁多，还有许多超富集植物等待研究学者们去发掘。

淋洗修复在2011—2015年期间突现，可见通过淋洗修复土壤重金属是该时期一个研究的热门方向。淋洗修复属于物理化学修复技术，通过淋洗液的螯合作用、解吸作用、溶解作用和固定作用，使得土壤中污染物脱附、溶解而去除[30]。如李世业等[31]采用振荡淋洗法研究EDTA、柠檬酸、盐酸等多种淋洗剂对镉污染场地的淋洗修复效果，发现0.1 mol/L的EDTA淋洗效果最佳。

（2）2016—2019年国内土壤重金属污染防治研究态势。从图8关键词共现图谱可以看出，2016—2019年的研究热点与2006—2015年的研究热点相似性很大。依据节点圆圈的大小，这一阶段研究热点在上一阶段的基础上增加了“农田土壤”、“生物炭”。农田土壤因为受到人类活动影响，是目前土壤污染防治的重点领域和环境主体。工业排放废弃物、农药化肥和污水灌溉等是导致农田土壤受污染的主要原因[32]。大部分的污染修复技术围绕重金属污染农田土壤展开，如降低土壤重金属有效态含量、植物修复技术、农艺综合措施等[33-35]。如Wan等[36]从降低环境风险、环境价值、成本等角度比较分析了超富集植物提取、经济作物间作、化学固定化和土壤翻耕4种农田修复技术，其中植物修复技术的环境效益最佳。生物炭是由生物质材料在缺氧条件下经过高温裂解后生成的产物[36]。能够吸附土壤中的污染物质，改良受污染土壤。国内外也有大量学者对此进行了研究，鲁秀国等[37]利用核桃壳作为生物质原材料制成生物炭，通过降低重金属Cd的迁移性，减少生物可利用度，最终对土壤中的Cd起到钝化修复作用。Meng等[38]研究了稻草与猪粪在400℃下供热解产生的生物炭，评估通过孵育实验研究它们对4种重金属（Cd、Cu、Pb、Zn）重金属生物利用度和化学形态的影响，结果表明稻草与猪粪共热分解产生的生物炭质量比为3:1可以最有效地固定土壤中的金属。热解温度[39]、生物质材料的不同都会影响最终生物炭对污染土壤的修复效果。很多学者发现改性后的生物炭对于土壤重金属的作用效果更加显著，如Xia等[40]通过石灰辅助水热合成方法制备出改性水煤，对比改性水煤和原始水煤固定化重金属的效率，发现改性后的水煤钝化复合重金属污染土壤的能力更强，对土壤重金属固定化效率提高了95.1%（铅）和64.4%（镉），重金属生物毒性降低了54.0%（铅）和27.0%（镉）。

图8 2016—2019年污染土壤重金属防治国内文献关键词共现图谱

2.4.2 英文关键词 根据英文发文量变化曲线，2014年之后英文发文量显著增加，因此2014年可视为一个重要的转折点。将2006—2019年划分为2006—2014、2015—2019年2个时间段进行国际文献关键词共现分析。

（1）2006—2014年国际土壤重金属污染防治研究态势。2006—2014年关键词共现图谱中，节点数N=122，连线数E=338，网络密度为0.046（图9）。排除与检索主题词一致或相近的“heavy metal”、“remediation”、“polluted soil”、“soil”、“pollution”、“removal”，依据节点圆圈大小排序，出现频次较高的是“Cd”、“Pb”、“Zn”、“Cu”、“phytoremediation”、“phytoextraction”和“accumulation”。可见镉、铅、锌和铜是重金属污染土壤修复中的重点研究对象。植物修复方法是一种很有前途的生态修复方法，使用对土壤金属有超强富集能力的作物或树木吸收土壤中重金属，可以达到治理污染的目的[41]。Nissim等[42]研究4种不同植物（杨树、柳树、大麻和紫花苜蓿）在炎热干旱气候条件下提取微量元素的过程，发现4种植物对不同微量元素都有一定的提取潜力。

图9 2006—2014年污染土壤重金属防治国际文献关键词共现图谱

（2）2015—2019年国际土壤重金属污染防治研究态势。2015—2019年关键词共现图谱中，节点数N=75，连线数E=149，网络密度为0.0537（图10）。从节点圆圈大小可看出，镉、铅、锌、铜以及植物修复的研究热度依旧很高，与上一阶段情况类似，此外在上一时期的基础上还增加了“immobilization”、“biochar”、“risk assessment”。

图10 2015—2019年污染土壤重金属防治国际文献关键词共现图谱

化学固定法通过改变土壤pH或增强吸附、离子交换、络合或沉淀来控制金属的流动性和植物有效性。对于受污染的农业土壤的广泛区域，通过应用固定化金属的改良剂进行原位化学修复比从污染土壤中清除金属更为经济有效，尤其是对于轻度至中度金属污染的修复[43]。Mariussen等[44]研究2种稳定剂（氢氧化铁、零价铁）修复靶场Pb、Cu、Zn、Sb复合污染土壤的效果，发现氢氧化铁和零价铁能够固定土壤中重金属，且零价铁的修复效果更好。利用生物炭修复土壤重金属属于化学固定法中的一种。Kumar等[45]通过在锌污染土壤中添加2种生物炭（稻壳、牛粪），进行为期180天的榕树盆栽实验，发现重金属锌被固定在生物炭上，通过选择具有生物炭特性的生物炭，可以优化重金属污染土壤的植物修复。进行风险评价能够帮助识别土壤被重金属污染的程度，与既定的标准进行比较，为土壤重金属污染的综合治理提供科学依据，制定更有效的风险削减和管理措施[46]。Wang等[47]对7种转化土壤中Cu、Cr、Cd、Pb等重金属含量进行风险评价，认为退耕还林导致土壤中Pb、Cr含量增加，同时在长期的农业发展过程中，农田没有受到重金属污染。

2.5 高被引文献分析

文献被引用次数能够反映被引文献作为知识基础对当前研究的影响[48]。共引网络是指由2篇文章组成的知识网络同时被第三或其他文章引用。CiteSpace中节点类型选择“Reference”，选择标准为TOP50，不对图谱进行剪切，得到节点数N=484，连线数E=2439，网络图谱密度为0.021（图11）。引用率高的文献体现了该领域的重要研究成果，并且中介中心性高（≥0.1）的节点通常是在不同领域进行连接的关键枢纽[49]。选取中介中心性大于0.1的文献进行分析（表3）。

表3 土壤重金属污染防治领域被引总次数前5的文献

图11 2006—2019年土壤重金属污染防治国际被引文献共现图谱

5篇文献都为综述论文，综述是学者们依据前人的研究成果高度凝练总结出的文献，能够为之后的研究提供理论支撑和研究思路。第1篇介绍了在重金属污染土壤修复中螯合剂的应用，螯合剂与重金属离子在螯合作用下形成稳定络合物，从而将重金属从受污染土壤中解吸出来[50]。第2篇介绍了改良剂稳定土壤中砷、铬、铜、铅和锌的研究进展，改良剂的种类、土壤中的有机质含量、土壤pH等都会影响土壤中重金属的迁移速率[51]。第3篇介绍了辅助自然修复在环境净化中的作用，通过人为的修复方式比如植物修复、添加改良剂等来加速重金属污染土壤的修复过程[52]。第4篇介绍了螯合辅助植物萃取土壤重金属的相关研究，螯合物在提高土壤中重金属的生物有效性和增加根-芽转移方面具有很大的潜力[53]。第5篇介绍了污染土壤和地下水的植物修复技术[54]。5篇综述中有4篇与改良剂相关，3篇与植物修复相关。可见改良剂和植物修复技术受到了研究人员高度的关注。与此同时5篇文献的第一作者都为国外学者，说明国外学者在重金属土壤修复研究方面的基础研究更多。

2.6 土壤重金属污染防治未来研究趋势

植物修复因为成本低廉、对环境影响小、能够大范围应用，近些年受到了国内外学者广泛的关注。但超富集植物生长周期长，易受到周围环境影响，修复效率不高，因此利用改良技术（化学诱导、接种菌株强化、基因技术）来提高修复效率是今后的研究热点[55]。

淋洗修复分为原位淋洗和异位淋洗。对于原位淋洗，当前关键的问题是如何清理淋洗完的废液、如何避免二次污染。异位淋洗虽然能够避免二次污染，但会破坏原有的土壤结构。因此发展新型绿色淋洗剂将会是化学淋洗修复方面的研究重点，如EDTA、柠檬酸、苹果酸等[56]。

生物炭作为地球化学材料的一种，能够吸附固定土壤中重金属。目前，大多数研究都集中在生物炭修复机理方面，通过对修复机理的深入认识，生物炭在修复土壤重金属时的一些问题暴露出来[57]。土壤是一个多种污染物同时存在的复杂体系，因而通过物理、化学、生物等方法对生物炭进行改性，提高修复污染土壤的效果是今后的一个研究热点。此外，单一的修复方法难以达到很好的修复效果，多种技术联合修复是未来的重点研究方向。如生物炭联合植物修复污染农田、化学淋洗与生物技术联合修复矿区土壤[58]。

风险评价指对污染物进入环境中可能产生的有害影响进行预测的过程。土壤风险评价则注重污染物进入土壤环境后对人类健康的影响，以及污染物在土壤环境中的稳定性。此外，评价其环境友好性，以及对周围环境主体的环境风险或二次污染，仍需要进一步评估修复方法的安全性。国际上风险评价相关的研究相对较多，未来需要借助国外的经验，对风险评价的科学性和合理性进行深入研究。

3 结论

（1）从发文量看，中英文发文量都处于稳步上升阶段，但中文发文量比英文发文量要滞后很多，同时，随着时间的推移差距越来越大。

（2）就合作网络看，中文文献高产作者发文量相对英文文献高产作者发文量要少很多。从中观机构合作网络看，中国科学院大学和中国科学院发文最多，远超其他机构，但国内机构间的合作交流相对于国外的交流要少；从宏观国家合作网络看，中国的发文量远超其他农业大国。可见中国在土壤重金属污染防治方面研究较为深入，但仍然需要加强科研团队之间的交流。

（3）从研究热点看，国内研究方向与国际研究方向逐渐趋于一致。研究者更关注重金属镉、铅、锌和铜的污染防控。其中土壤重金属污染防治修复方法的热点主要集中在植物修复、淋洗修复等方向。生物炭修复，尤其是改性生物炭是最近几年国内外修复土壤重金属领域的热门研究方向。另外国内的主要修复对象集中在受污染农田上，未来可能需要对污染土壤的风险评价进行更深入的研究，为土壤环境质量标准的修订提供更为可靠有效的参考。