重金属污染土壤化学淋洗技术的文献计量学分析

马妍，刘向辉，徐东耀，左海清，陈家琪，董彬彬，杜晓明

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012



重金属污染土壤化学淋洗技术的文献计量学分析

马妍1，刘向辉1，徐东耀1，左海清1，陈家琪1，董彬彬1，杜晓明2*

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

土壤化学淋洗是一项新兴的高效土壤修复技术，近年来得到了快速发展。以化学淋洗技术修复重金属污染土壤为研究对象，对这一领域相关研究论文和专利进行了文献计量学分析。在此基础上，系统梳理了该领域国内外年度发展趋势；分析了论文和专利的重要研究机构、区域及国家分布情况；探讨了该领域我国与世界主要发达国家和地区间存在的差距。分析表明：该领域的研究重点和热点应为淋洗的工艺与设备及淋洗剂。

土壤淋洗；重金属；论文分析；专利分析

近20年来伴随着工业化、城市化与农村集约化进程的不断加快，土壤污染问题也日益突出，受污染的土壤面积不断扩大[1]，人类及动植物的健康受到不同程度的威胁[2]。土壤污染不仅严重影响土壤质量和土地生产力，还导致水体和大气环境质量的下降。面对日益严重的土壤污染问题，我国与许多国家一样，已将土壤修复作为消除大面积受污染土壤中污染物和恢复土壤生态功能必不可少的技术需求。

重金属污染土壤化学淋洗就是通过淋洗液的解析、螯合、溶解或固定等化学作用，使土壤中的重金属成分与淋洗液或化学助剂相结合[3]，进而使重金属从固相土壤转移到液相淋洗液中[4]，并通过对淋洗液的循环利用或处理，达到对重金属进行利用和处置的目的，使污染土壤得到修复的技术[5]。化学淋洗技术耗费时间较短，处理效率较高，无二次风险，即可单独处理小面积重金属污染土壤，也可以作为前处理技术与其他修复技术联合使用[6]。化学淋洗能够高效彻底去除土壤中的重金属[7]，近些年受到国内外普遍关注，通过分析论文和专利的重要研究机构、区域及国家分布情况，探讨该领域国内外研究差距和热点等，以期为我国今后该领域研究提供参考。

1 数据来源与分析方法

国内论文和专利研究数据来源于中国知网(CNKI)。CNKI数据库收录了外文类、工业类、农业类、经济类和教育类等多种数据资源，并提供数字出版、数据评价、文献检索等多种服务。

国际论文和专利研究数据来源于Web of Science数据库(清华大学图书馆订阅)，Web of Science平台是大型综合性、多学科、核心期刊引文索引数据库，由美国汤姆森科技信息集团所研发。该数据库包括8 000多种国际范围内最有影响力的、经同行专家评审的高质量的期刊，且数据库不断更新[8]。国际文献数据来源于数据库Web of Science-Science Citation Index Expanded。专利数据来源于清华大学Web of Science-Science Derwent Innovations IndexSM(DII)数据库。

采用论文计量学方法，对检索出的国内外论文和专利数据采用数学和统计学等计量方法，利用Origin和Excel对数据进行整理分析，研究文献的分布结构、数量关系、变化规律和定量管理，进而探讨科学技术的某些热点、特征和规律。

2 国际发展水平与趋势分析

2.1 发表论文分析

重金属污染土壤化学淋洗技术相关中英文论文发表的检索结果如图1所示。国际上土壤重金属污染的事件早就凸显，但从20世纪90年代初才有重金属污染土壤化学淋洗技术相关研究论文收录，由图1可知，截至2014年，国际上共发表相关英文论文653篇，对土壤淋洗研究状况基本呈波动增加趋势。

注：国际数据来源于数据库Web of Science—Science Citation Index Expanded〔主题=("soil flushing" or "soil washing" or "soil leaching") AND主题=("heavy metal" or chrome or Cr or cadmium or Cd or lead or Pb or nickel or Ni or arsenic or As or mercury or Hg or copper or Cu or zinc or Zn)，结合IPC代码=(B09*)〕。国内数据来源于CNKI(主题=重金属污染土壤化学淋洗技术)。均限制搜索时间截至2014年。图1 中英文论文年发表量比较Fig.1 Comparison of the number of papers in Chinese and English

对不同国家1990—2014年的论文发表量和篇均被引频次进行了对比，结果见表1。

表1 1990—2014年不同国家英文论文发表及引用情况Table 1 Publication and citation analysis of English papers in advanced countries in 1990-2014

由表1可知，从论文发表量看，美国、加拿大、中国和韩国论文均在50篇以上，表明这些国家成为重金属污染土壤化学淋洗技术研究的领先国家，其中，美国以绝对发文量占优，表明其对该领域研究比较完善；从篇均被引频次来看，美国、加拿大和日本超过20次，表明这些国家的论文质量较高，对该领域的研究较为深入；中国和意大利的篇均被引频次比较低，表明中国和意大利研究内容缺乏一定创新性。

对国际不同研究机构1990—2014年的研究论文发表量和篇均被引频次进行了对比(表2)。由表2可知，从论文数量看，斯洛文尼亚的卢布雅尔那大学占优，成为重金属污染土壤化学淋洗技术研究的领先机构，加拿大的麦吉尔大学、中国的香港理工大学和中国科学院论文发表量紧随其后；从篇均被引频次看，美国能源部超过60次，表明其研究质量相当高；美国的加利福尼亚大学、法国国家科研中心、加拿大的麦吉尔大学和中国的香港理工大学论文质量较好；而中国科学院和美国的魁北克大学论文篇均被引频次在10以下，说明其原创性和实际应用性有待提高。

图3 1990—2014年土壤淋洗国际专利主要国家的数量统计Fig.3 Statistics on number of soil leaching patents in main countries in 1990-2014表2 1990—2014年不同研究机构英文论文发表及引用情况Table 2 Publication and citation analysis of English papers in advanced research institutions in 1990-2014

序号研究机构国家论文数量∕篇篇均被引频次∕次1卢布雅尔那大学斯洛文尼亚28222麦吉尔大学加拿大15233香港理工大学中国15214中国科学院中国1575魁北克大学美国1486美国能源部美国11607加利福尼亚大学美国11298法国国家科研中心法国11289美国国家环境保护局美国111810路易斯安那州立大学美国1117

2.2 发表专利分析

国内外土壤重金属淋洗技术相关专利的总体变化如图2所示。由图2可以看出，从20世纪90年代初期国际上就开始有土壤淋洗技术的相关专利，截至2014年共发表专利129项，总体呈波动式上升趋势，从1991年的1项增长到2014年的37项，表明国际上对土壤淋洗处理重金属污染土壤的应用逐渐提升；我国虽然起步较晚，从2008年开始有相关专利，但国内专利在近几年数量剧增，并且在2013年和2014年超过了国际相关专利的数量。

注：国际数据来源于DII数据库〔主题=("soil flushing" or "soil washing" or "soil leaching") AND IPC代码=(B09*)〕。国内数据来源于CNKI〔摘要=土壤淋洗 AND摘要=重金属 AND主分类号〕= B09(需筛选)〕。均限制搜索时间截至2014年。图2 1990—2014年土壤淋洗专利国内外专利数量的变化趋势Fig.2 Soil washing patents numbers at home and abroad in 1990-2014

土壤淋洗专利主要集中在设施与设备、化学和工程应用领域。从专利发表的数量和内容分布上看，国际专利发展大致可分为2个阶段：第1阶段为1991—1999年，主要侧重单纯的处理工艺及相关内容；第2阶段从2000年起，主要侧重关注淋洗工艺和设备的结合，以及淋洗剂的研发。

相关专利发布数量较多的国家见图3。

由图3可知，德国在土壤淋洗方面起步最早，主要是德国发现重金属污染土壤的问题较早；中国、韩国和日本在2000年后快速跟进，已成为国际上相关领域发布有关专利较多的国家，其一方面说明亚洲一些国家重金属污染土壤形势的严峻，另一方面说明这些国家在该领域产业化水平和实际应用状况走在了世界前列；中国在2012—2014年专利数量是国际上最多的，表明中国对土壤淋洗方面研究力度的不断加大。

表3列出了国际上土壤淋洗相关专利的主要专利权人。从表3可知，主要专利权人多集中在中国、韩国和日本的相关公司和个人，表明这些国家对淋洗技术研究不断深入；主要专利内容多以淋洗工艺和设备结合为主，表明工艺和设备相对淋洗剂有更高的工程实用性；对比专利数量和发表年份看，日本专利主要集中发表在2005年前后，表明日本虽较早重视土壤污染问题并开始相关方面的研究，但其后续研究较少；中国专利主要集中发表在2011年以后，表明近几年对淋洗技术不断重视，研究力度不断加大。

表3 1990—2014年土壤淋洗国际专利主要专利权人Table 3 International patent owners of soil leaching patent in 1990-2014

表4列出了1990—2014年国际土壤淋洗专利被引用情况。在调研的所有年份专利中，韩国、德国和日本分列专利被引频次的前3位，说明其专利具有先进性和实用性，结合图3可以看出，中国国际专利数量虽然很多，但在国际上被引频次很少，表明中国国际专利，尤其是早期专利缺乏原创性和实用性。

3 国内发展水平与趋势分析

3.1 发表论文分析

在土壤化学淋洗技术相关论文发表方面，我国开展深入研究较晚，1989年我国发表了第1篇相关论文[9]，从2001年以后，我国相关论文的发表数量快速增加；1990—2014年，国内发表的中文相关论文总数已达277篇，2014年中文年度总量与英文总量差距仅5篇(图1)，表明我国对该领域研究的不断重视。

表4 1990—2014年土壤淋洗国际主要 专利被引用情况Table 4 Citation analysis of main international patents in 1990-2014

我国国内论文主要发表机构以及机构发表数量和被引频次如表5所示。由表5可知，从发表数量看，中国科学院南京土壤研究所、中国科学院沈阳生态研究所、华南农业大学和湖南农业大学均在5篇以上，说明这些机构对土壤淋洗技术有着较深入的研究；从篇均被引频次看，浙江大学、中国科学院南京土壤研究所、中国科学院沈阳生态研究所和中国科学院生态环境研究中心在50次以上，表明这些机构论文研究内容比较透彻，且具有一定的导向作用。

表5 1990—2014年中国国内论文主要发表机构Table 5 The main publishing organizations in China in 1990-2014

注：数据来源于CNKI(主题=重金属污染土壤化学淋洗技术)。

图4为国内论文研究层次分布情况。从图4可以看出，我国研究内容主要以基础与应用基础研究和工程技术研究为主，其中基础与应用基础研究比例达62%，表明我国从事理论和基础研究比较多，对工程技术研究还有不足，我国今后需要进一步加强工程技术的研究，更好地把技术应用到工程实践上。

图4 1990—2014年国内论文研究层次分布Fig.4 Distribution table of domestic paper research level in 1990-2014

3.2 发表专利分析

表6列出了我国国内专利主要专利权人及发表专利数量。由表6可知，2012年以前专利数量比较少，2013年和2014年我国国内专利数量增多，2014年专利增至38篇，我国在专利方面每年主要权利人相对较为集中，但是纵向比较分散，表明我国专利具有随机性，而没有长久深入的研究，但我国专利跳过了第1阶段，在国外专利基础上开始了对淋洗设备与工艺的改良和优化以及淋洗剂的研究，并取得了一定成就。

4 国内外差距分析

欧美等发达国家对重金属污染土壤的化学淋洗已开展了大量的工程实践，重金属污染土壤化学淋洗修复技术已进入了商业化运作阶段。美国新泽西州于1992年10月完成了国际上第一个大规模的土壤淋洗项目。近年来，我国在重金属污染土壤淋洗技术方面开展了不少研究，淋洗剂的论文比较多。专利和国际上论文对淋洗设备、工艺认可度比较大，我国在淋洗设备与工艺方面也逐步发表了一些专利和英文论文，但在国际上引用的情况相对较少。与国外的先进国家相比，首先在相关的机理与迁移模型等基础性研究工作仍缺少深度和积累[10]，缺乏原创性的科研成果及其专利，更缺少相关的工程经验，其将对我国下一步开展相关工程实践带来较大影响。因此，目前为止我国的重金属污染土壤化学淋洗修复技术在理论和实验室中比例很大，工程试验刚刚开始，实际应用较少。

表6 1990—2014年土壤淋洗国内专利主要专利权人Table 6 The main patent owners of soil leaching patent in China in 1990-2014

从表1、表2、图4和图5可以看出，我国英文论文以及中文论文研究数量不断增多，其中英文论文在近几年超过了美国和加拿大，论文篇均被引频次也在前列，国内外研究差别逐步缩小，说明我国已迎头赶上其他国家，并有超越的趋势；其中香港理工大学国际论文发表数量和篇均被引频次比较靠前；而中国科学院发表的国际论文比较多，但篇均被引频次落后，表明我国尤其是内陆的研究内容虽然全面，但不够深入彻底，论文研究内容较相似，没有更多创新。需要进一步发掘研究创新点以提升我国论文在国际上的整体质量。从图1、表5和图4来看，我国中文论文研究数量不断增多，内容也不断加深，但论文缺乏一定的原创性和工程实践性；国内研究层次多集中在从事理论和基础研究，对工程技术研究不够，今后需要进一步加强工程技术的研究，更好地将技术应用到工程实践上。

图5 1990—2014年先进国家和我国英文论文年发表数量比较Fig.5 Comparison of paper quantity published in English in the advanced countries and regions in 1990-2014

从图3、表3和表4可以看出，我国在国际专利的数量上自2000年后逐步跟进，2011年后我国国际专利数量处在第一位，表明我国近几年对土壤淋洗技术研究力度不断加大加深，并有了卓越的成果；我国主要专利权人也在2014年大量涌进国际专利，表明我国一些机构在逐步与国际接轨，并超越了国际上的某些单位和个人。我国虽然在国际上专利数量剧增，但篇均引用频次很低，也说明我国专利尤其前期专利实际应用比较差，有待进一步提高。

由图2可知，国内专利与国际水平相比起步较晚，2008年国内才出现第一个相关专利。我国相关专利虽发展迅速，2个阶段合二为一，但相关专利缺乏原创性成果，在淋洗设备与工艺等方面与国际仍有较大的差距。

5 研究热点和关键技术分析

影响重金属污染土壤淋洗效率的因素包括土壤性质、重金属性质和工艺操作条件[11]。土壤性质包括质地、有机质含量和阳离子交换容量；重金属性质包括种类和存在形态[5]；工艺操作条件包括淋洗剂的种类、淋洗剂的浓度、淋洗时间和pH等。土壤淋洗方面的专利主要可以分为2类：淋洗工艺及设备的设计与优化和淋洗剂的研发[12]。图6和图7分别给出了根据国内外论文和专利技术关键词查询得到的该领域研究热点及关键技术的年度变化情况。从图6可知，淋洗工艺与设备、淋洗剂方面的研究均为热点[13]，近几年受到更多的关注。这一结果从相关专利的查询结果也得到了验证。从图7可以看出，相对于淋洗剂而言，淋洗工艺与设备具有更高的关注度，原因主要是在应用方面，淋洗工艺与设备的研究是土壤淋洗技术应用的前提[14]。

图6 1990—2014年国际上相关研发热点论文年度变化情况Fig.6 Annual change of related research hotspots in international documents in 1990-2014

图7 1990—2014年土壤淋洗国内外相关专利关键技术及其年度变化情况Fig.7 Key technologies and annual changes of patents in domestic and foreign countries in 1990-2014

在重金属污染土壤淋洗技术的研发方面，历年论文的查询表明：铅和铜是土壤中研究比较多的重金属；EDTA和生物表面活性剂是目前被研究较多的淋洗剂，因为EDTA能和重金属螯合[15-16]，表面活性剂对重金属有一定的吸附性[17-18]，二者对重金属去除都有比较好的结果；强酸作为淋洗剂最近几年研究较少；淋洗废液处理、结合生物修复的研究日益增多；复合淋洗剂研究逐步增多[19]；淋洗技术处理重金属和有机物的复合污染物的研究逐步增多；淋洗技术与植物修复、固化稳定化[20]和微波[21]等其他技术相结合的联合修复[22]是今后研发的主要热点和发展趋势。

6 结论

重金属污染土壤化学淋洗技术的相关研究国内外起步均比较晚，并且针对该领域的研究状况总体呈现波动增加的趋势；国际其他国家的论文和专利在近几年没有较大的提升，呈平稳发展趋势；我国英文论文和国际专利近几年都在高速发展，国内发表的论文和专利也在蓬勃发展，表明我国研究力度不断加大，但篇均被引频次还不是很高，我国相关研究缺乏原创性的科研成果，更缺少工程经验。

重金属污染土壤化学淋洗技技术目前关注的热点是淋洗工艺与设备和淋洗剂研究；其中淋洗剂的研究应用到实践中较少，且生物表面活性剂是淋洗剂的研究热点；淋洗技术与植物修复、固化稳定化、微波等其他工艺相结合的联合修复工艺是该技术今后研发的主要热点和发展趋势。

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Bibliometric analysis for removal of heavy metals from soil by leaching technology

MA Yan1, LIU Xianghui1, XU Dongyao1, ZUO Haiqing1, CHEN Jiaqi1, DONG Binbin1, DU Xiaoming2

1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining & Technology( Beijing), Beijing 100083, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China

Soil leaching, known as a new efficient soil remediation technology, has obtained rapid development in recent years. Focusing on the field of remediation of heavy metal contaminated soil using leaching technology, relevant publications and patents were analyzed with the method of bibliometric analysis. Then on this basis, the annual trends both at home and abroad were overviewed systematically, the distribution of major research institutions, regions and countries contributing to the papers and patents analyzed, and the gap between China and the major developed countries and regions in the world discussed. In the end, it was pointed that the key technologies and hotspots in this field are the leaching process and equipment and eluting reagent.

soil leaching; heavy metal; paper analysis; patent analysis

2016-05-23

国家环境保护公益性行业科研专项(201409047)；北京市自然科学基金项目(8152025)；中央高校基本科研业务费专项基金(2016QH02)

马妍(1983—)，女，讲师，主要从事土壤环境与污染修复研究，mayan2202@163.com

*通信作者：杜晓明(1963—)，男，研究员，主要从事污染土壤修复研究，duxiaom1963@163.com

X-65

1674-991X(2017)01-0088-08

10.3969j.issn.1674-991X.2017.01.013

马妍，刘向辉，徐东耀,等.重金属污染土壤化学淋洗技术的文献计量学分析[J].环境工程技术学报,2017,7(1):88-95.

MA Y, LIU X H, XU D Y, et al.Bibliometric analysis for removal of heavy metals from soil by leaching technology[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(1):88-95.