基于文献计量的重金属污染土壤生物修复研究发展态势分析

刘喜 肖劲光 陈伟

摘要 基于文献计量和文献调研的方法，使用Cite Space软件，对重金属污染土壤生物修复技术研究领域的论文数据进行检索统计和定量分析，系统梳理了该领域的发展趋势，分析了主要国家、研究机构及学科分布情况，探索了潜在研究前沿及热点问题。结果表明，高富集能力生物的筛选研究、现场试验研究、修复效果持久性研究和典型污染物研究是该领域今后研究的主要热点。

关键词 土壤污染；重金属；生物修复；文献计量；Cite Space

中图分类号 X53 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）13-0189-04

Development Trends of Bioremediation of Heavy Metal Contaminated Soils Based on Bibliometrics

LIU Xi1，XIAO Jinguang2，CHEN Wei1

（1.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014；2.Hunan Zhongnan Water and Environmental Protection Technlylogy Corporation Limited，Changsha，Hunan 410014）

Abstract Relevant publications focusing on the research field of bioremediation of heavy metal contaminated soils were analyzed based on bibliometrics method and Cite Space software .The research trend of this field was overviewed systematically，the distribution of major research institutions，countries and subjects contributing to the publications were analyzed，and the research hotspots were explored.The analysis showed that screening of species possessing the ability to tolerate and accumulate heavy metals，field tests，persistent effects of bioremediation and typical pollutants research were the main research directions.

Key words Soil contamination；Heavy metal；Bioremediation；Bibliometrics；Cite Space

隨着工农业的快速发展和城市化进程的加快，土壤污染问题尤其是土壤重金属污染日渐凸显。根据全国第1次土壤污染调查公报，我国土壤污染总体状况不容乐观，部分地区土壤污染较重，农耕用地质量堪忧，工矿业搬迁后土壤问题严重。全国土壤污染总超标率为16.1%，土壤污染类型以无机型（即重金属污染）为主，无机型超标点位数占全部超标点位的82.8%[1]。

土壤中重金属污染的来源广泛，主要包括矿山开采、金属加工冶炼、化工、电子垃圾、制革和染料等工业排放的“三废”及汽车尾气的排放、污水灌溉、农药和肥料的施用等[2-3]。土壤重金属污染的危害主要表现在以下几个方面：影响植物生长；不能为土壤微生物所分解，易于积累，影响土壤生物群的变化及物质的转化；植物吸收并积累土壤中的重金属，通过食物链进入人体，危害人体健康；导致水体和大气环境质量下降。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不易修复性的特点。因此，土壤重金属污染的治理一直备受国内外研究者广泛关注。

重金属污染土壤修复的方法分为物理、化学和生物三大类方法以及上述方式组合形成的复合方法。生物修复法一般是指利用某些微生物和植物等的代谢活动，去除、转移、提取和固定土壤中的重金属，使其恢复土壤系统正常生态功能的过程。生物修复法花费较少，操作简单，对技术及设备要求不高，对环境扰动小，符合自然生态发展规律，可体现环境保护的基本理念。因此，生物修复技术已成为土壤污染修复技术的热点研究领域之一，同时具有广阔的发展前景。

为了解土壤重金属污染生物修复领域研究的发展变化过程，识别该领域现阶段主要研究方向及重点，分析潜在的研究热点问题，以ISI Web of Science数据库为基础，利用Cite Space数据可视化分析软件分析论文的重要研究机构、区域及国家分布情况，探讨该领域国内外研究差异和热点等，以期为该领域的研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

采用Drexel University陈超美博士开发的基于Java语言的Cite Space软件（5.1.R8.SE.版本）。Cite Space软件可对领域检索文献的发表和引用情况进行分时段分析，将检索时间段内的文献信息以网络图谱的形式展示，从而反映该领域在一定时期内的研究基础及发展趋势。近年来在信息学、生命科学、技术科学、管理学等领域被广泛使用[4-6]。

以Web of Science数据库为检索工具，设定文献检索式：TS=（bioremediation OR phytoremediation） AND TS=（soil AND "heavy metal"），语种：English；文献类型：Article；检索时间：1997—2016年。将数据导入Cite Space软件，并采用数据去重功能，对数据进行可视化处理，对该领域领先研究国家、机构和关键词等进行分析。时间阈值：1997—2016年；节点类型：Country、Institution或Keyword；节点阈值：Top 50；无网络修剪；其余选项均为默认。

2 结果与分析

2.1 重金属污染土壤生物修复领域近年来论文总量变化

重金属污染土壤生物修复技术相关中英文论文发表的检索结果见图1。由图1可知，近10年来，重金属污染土壤生物修复技术的研究基本呈快速增加趋势。SCI发文总量由1997年的4篇增长至2016年的194篇，表明世界各国对重金属污染土壤生物修复的关注度持续增加。我国在该领域的研究起步较晚，搜索年限范围内最早的SCI论文发表于2003年，但总体发展速度较快（特别是近4年）。其中，我国学者的SCI论文数由2003年的7篇增长至2016年的66篇，在SCI发文总量中的占比不断增加（从2003年的约19%上升至2016年的约34%）。

2.2 重金属污染土壤生物修复领域研究力量分布

利用Cite Space对不同国家和机构于1997—2016年在重金属污染土壤生物修复领域的論文发表量进行对比分析，形成的网络图谱（图2）直观地展现该领域的研究情况。网络图谱的形式为年环图[7]。年环图以颜色区分发表时间，以厚度区分发文数量，以一个同心圆代表一个国家或机构，以连线表示共被引。年环和连线从蓝色至红色，分别对应从1997年至2016年。

图2a为不同国家重金属污染土壤生物修复领域的SCI论文发表量的网络图谱。由图2可知，该领域研究论文发表量较高的国家依次为中国、美国、印度、西班牙、意大利等，表明这些国家为该研究领域的领先国家。其中，我国是发表

SCI论文量最多的国家，说明我国在该领域的研究已经达到一定水平。从文献被引频次看，我国发表的SCI论文的篇均被引频次（根据 Web of Science 引文报告结果）为14.90次，略高于该领域的篇均被引频次（14.03次），但在发文量排名前5位的国家中，稍低于西班牙（18.91次）、美国（15.9次），说明国内外研究差别正逐渐缩小，但我国该领域的研究与技术先进国家相比仍存在一定差距。

图2b为不同机构重金属污染土壤生物修复领域的SCI论文发表量图谱。该领域发文量较高的研究机构主要为中国科学院、西班牙国家研究委员会、浙江大学、中山大学和伊朗伊斯兰阿萨德大学等。我国该领域SCI发文量领先机构主要有中国科学院、浙江大学、中山大学等，以中国科学院最为突出，且近3年来发文数量较高。

该领域研究内容涉及土壤、污染、环境、植物学、微生物等多个方向，因此发文期刊种类较多，代表性SCI期刊主要有International Journal of Phytoremediation、Environmental Science and Pollution Research、Chemosphere、Journal of Hazardous Materials、Water Air and Soil Pollution等。该领域高被引文献作者主要为ZHOU Q X、LUO Y M、WEI S H、BERNAL M P和WU L H等。

2.3 重金属污染土壤生物修复领域主要研究方向及研究前沿热点分析

2.3.1 主要涉及学科领域。梳理与重金属污染土壤生物修复研究有关的主要学科领域，并分析各个学科领域论文占总SCI论文的百分比情况结果见图3。由图3可知，该研究领

域涉及的学科主要有环境科学与生态学、农业科学、工程学、植物科学、生物技术与应用微生物学、水资源、化学、微生物学、生物化学与分子生物学和毒理学等。国际研究中，论文

占比均超过10%的领域有环境科学与生态学（61%）、农业科学（14%）、工程学（12%）和植物科学（10%），体现出重金属污染土壤生物修复研究与这4个学科领域的关系十分密切。我国重金属污染土壤生物修复研究与国际研究的主要领域相似，但更集中于在环境科学与生态学（72%）、工程学（15%）、农业科学（13%），但在植物科学（7%）方面的研究相对薄弱，低于国际10%的水平。

2.3.2 主要研究热点方向。

关键词（Key Words）可表达论文主题，关键词被引用频次能在一定程度上反映某领域研究者对各研究方向的重视程度。关键词网络图谱见图4。由图4可见，SCI论文以“phytoremediation”为中心，高被引关键词主要有heavy metal、cadmium、soil、phytoextraction、zinc等（表1）。

根据对全部关键词的分析，可以看出该领域目前主要研究方向为重金属污染土壤的修复技术和修复机理及其他方向的交叉和集合。

其中，修复技术的研究重点为植物富集、植物提取、联合螯合剂生物修复技术等。许多研究者开展高富集能力植物的筛选和富集能力的试验。目前已发现近600种超富集植物，多为十字花科植物[8]。Ebbs等[9]采用模拟重金属污染土壤的水培介质种植植物的方法，筛选出3种能富集锌和铬的芥菜型油菜（Brassica spp），进一步研究表明，通过农艺措施提高植物地上生物量生产和（或）增加根际土壤中重金属的生物有效性可改善植物对重金属的富集能力。Ebbs等[10]利用水培筛选能富集重金属的草本植物，用盆栽试验对比研究草本植物和之前发现的印度芥菜（Brassica juncea）的锌富集能力，结果表明大麦的重金属富集能力和耐受性均不弱于之前发现的印度芥菜，具有良好的土壤修复潜力。

螯合剂理论上能促进土壤固相中重金属的释放，提高修复的效率。但添加螯合剂增大了土壤总溶解金属浓度，改变了植物吸收重金属的途径。螯合剂能否促进土壤重金属植物修复，取决于重金属种类、植物吸收重金属的方式。土壤中添加螯合剂势必会造成重金属的溶出，甚至可能造成地下水污染。因此，螯合剂强化植物修复作用有限，并对使用场所要求较高[11]。Lombi等[12]研究土壤中施加乙二胺四乙酸（EDTA）对重金属污染植物修复的影响，结果表明EDTA处理后，土壤孔隙水中的可溶性重金属主要为金属EDTA络合物，植物富集的重金属有所减少，并可能造成地下水污染的环境风险。Wu等[13]通过温室盆栽试验和实验室柱浸试验研究螯合剂增强重金属移动性和植物修复的潜在作用，结果表明EDTA可显著增强土壤Cu和Pb的迁移率，造成地下水污染的风险，虽然印度芥菜地上部分Cu和Pb浓度有所提高，但去除率有所降低；在土壤中添加草酸、柠檬酸或苹果酸等螯合剂对印度芥菜的重金属吸收几乎无影响。Meers等[14]研究表明可生物降解的螯合剂乙二胺盐（EDDS）比EDTA更能提高向日葵（Helianthus annuus）修复的效果，并推测螯合剂的施用时机对修复结果有所影响。

机理研究主要集中在开展重金属形态分布和植物毒理方面。Francesconi等[15]研究一种泰国南部的粉叶蕨（Pityrogramma calomelanos）富集去除土壤中砷的情况和机理，发现该种植物每年能去除土壤中约2%砷，植物体内的砷大部分可以用水溶液进行提取。Ebbs等[16]开展锌、铜对3种芸薹属（Brassica species）植物根茎干重、侧根伸长等生长参数的毒性作用，结果表明重金属抑制铁和锰积累可能是其负面影响植物生长的一个重要因素。Yang等[17]研究不同浓度镉对东南景天草（Sedum alfredii Hance）生长的影响，在植株不同部位的分布，对微量元素摄取的影响。

利用Cite Space根据原始网络（图谱）计算确定聚类，该领域突变术语聚类网络图谱见图5。每个灰色多边形为一个聚类，代表一组有联系的施引文献的集合。根据LLR算法计算得到聚类标签，聚类标签序号越小表示该聚类文献发表数量以及被引频次越高。

由图5可知，该研究领域目前的国际前沿热点问题，大致可以归为4类：第一类为高富集能力生物的筛选研究，如高粱、油菜和植物内生细菌[18-19]；第二类为现场试验研究[20-21]；第三类为修复效果持久性研究[22]；第四类为典型污染物，如铅[23]。

3 结论

1997—2016年世界各国对重金属污染土壤生物修复的关注度持续增加，该领域的研究呈快速增加趋势。我国在该领域的研究起步较晚，发表的论文数量增长速度较快，说明我国研究力度不断加大，但篇均被引频次与技术先进国家相比仍存在一定差距。

该领域国内外目前的主要研究方向为重金属污染土壤修复技术、典型污染物、修复机理及其他方向的交叉和集合。高富集能力生物的筛选研究、现场试验研究、修复效果持久性研究和典型污染物研究是该領域今后研发的主要热点和发展趋势。

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