基于VOSviewer的海洋环境微塑料研究的文献计量分析

卢学强, 花思雨

(1.南开大学 环境科学与工程学院,天津 300350;2.天津市跨介质复合污染环境治理技术重点实验室,天津 300350;3.天津市环境生物地球化学循环调控技术国际联合研究中心,天津 300350)

塑料因轻便、耐腐蚀、低成本等特性得以广泛应用,但低回收率导致产生大量塑料垃圾并流入海洋,据统计海洋垃圾中有80%～85%为塑料制品[1]。这些海洋塑料垃圾经过光氧化降解、机械磨损、生物化学降解等作用,最终形成粒径小于5 mm的新型污染物——微塑料[2]。研究表明,微塑料广泛分布于水体、土壤、大气等环境介质之中[3]。但相对而言,针对海洋环境中微塑料研究最为丰富,研究涉及生物效应[4]、降解[5]、分析方法[6]等多个方面。本研究基于文献计量学方法针对海洋环境微塑料研究的科研成果分布、科研力量分布和研究热点进行分析,以期对海洋微塑料研究现状与趋势进行整体性认知和分析。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

以Web of Science 中的 Science Citation Index Expanded数据库作为相关文献检索的数据源,在以微塑料为主题领域的研究论文中检索与海洋环境相关的文献。

检索式为:TS=("microplastic" OR "microplastics"), AND TI=("ocean" OR "sea" OR "marine" OR "Pacific" OR "Atlantic" OR "gulf" OR "channel" OR "bay" OR "strait"), NOT TI=("coast" OR "beach" OR "land" OR "river" OR "lake" OR "estuary")。从原始记录中选取article作为有效数据,共筛选出文献721篇,发表时间跨度为2004年1月1日—2020年6月2日。

1.2 分析方法

文献计量分析是通过数学、统计学等计量方法,研究文献的分布结构、数量关系和变化规律[7]。基于VOSviewer文献计量分析软件,按照科研成果分析、科研力量分布分析、研究热点分析的思路对2004—2020年的论文开展文献计量和图谱分析:(1)通过文献共被引分析不同时期的代表性科研成果;(2)通过研究人员和研究国家的合作网络图谱,揭示全球海洋环境微塑料的研究力量和合作关系;(3)通过关键词聚类及分布网络分析分别揭示海洋环境微塑料在不同发展时期的研究主题、热点演化特征以及在不同国家的研究侧重与热点。

2 结果分析

2.1 代表性科研成果

由Web of Science检索获取的文献数据可知全球海洋环境微塑料研究的年度发文量,以2012年和2017年为临界点划分为初期起步时期、缓慢增长时期和爆发增长时期(图1)。文献共被引图谱中突出强度显示了高被引的关键节点(图2),它们是各时期的代表性研究成果。

图1 全球海洋环境微塑料研究论文发表趋势(2006—2020年)

2004—2012年,海洋环境微塑料的研究处于初期起步时期,年度发文量小于10篇/a,研究以基础性工作为主。科研成果突出体现在解析海洋微塑料的来源[8]、构建海洋垃圾碎片迁移模型[9]以及探究海洋微塑料的分布特征[10],其中Fendall、Maximenko等、Ng等、Collignon等和Van Sebille等的研究成果被广泛引用,引用量分别为384次、233次、222次、211次和164次,如图2(a)所示。解析污染的来源通常是环境研究的基础工作之一,2009年Fendall等[8]的研究阐明洗面奶中的塑料成分是海洋微塑料的潜在来源,为源头控制微塑料污染提供研究依据,为学者进一步判断污染路径提供新思路。在明确污染来源的基础上,为判断海洋微塑料的时空分布概率,2012年,Maximenko等[11]、Van Sebille等[12]通过构建海洋垃圾碎片迁移模型,推导出海洋垃圾碎片的汇聚带,由于海洋垃圾碎片中塑料碎片往往占到80%以上[1],该研究为学者开展量化表征、评估塑料污染风险的研究工作提供可行性分析;同时期Ng等[13]和Collignon等[14]分别通过调查新加坡和地中海地区海洋微塑料的分布与丰度,完善海洋微塑料的时空分布调查数据。

2013—2017年,海洋环境微塑料的研究处于缓慢增长时期,年度发文量为每年几十篇,研究工作的深度日益扩展。科研成果突出体现在量化表征微塑料[15]和探究生物效应[16],其中Eriksen等、Cozar等、Lusher等、Zettler等、Gall等的研究成果被广泛引用,引用量分别为1 003次、682次、547次、467次和444次(图2(b))。2014年,Eriksen等[17]和Cozar等[18]对不同区域海洋微塑料进行量化表征,为评估微塑料污染水平提供有效数据。而Lusher等、Zettler等、Gall等从生物效应角度入手对海洋微塑料开展研究,Lusher等[19]对鱼类体内微塑料进行量化表征,Zettler等[20]和Gall等[21]分别以微生物群落和海洋生物为研究对象,探讨微塑料对生物的影响,为构建评估污染风险模型和探究微塑料的潜在威胁提供实验依据。

2018—2020年,海洋环境微塑料的研究处于爆发增长时期,年度发文量大于100篇/a,这一时期的研究工作为进一步完善前两时期的研究。科研成果突出表现在量化表征微塑料[22]、探究生物效应[23]以及改进检测手段[24]。 其中Lebreton、Nelms等、Peeken等、Jung等和Zhao等的研究成果被广泛引用,引用量分别为177次、121次、106次、78次和61次(图2(c))。2018年,Lebreton等[25]、Zhao等[26]、Peeken等[27]分别对太平洋、中国渤海和黄海、极地海冰的微塑料进行量化表征,补充海洋环境微塑料的时空分布数据。同年,Nelms等[23]的实验研究证明营养转移是摄入微塑料的途径之一,为深入探究微塑料在食物链的迁移提供经验证据;Jung等[24]采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR FT-IR)的分析方法,为量化表征微塑料提供更准确、有效的手段。

图2 不同时期文献共被引图谱

2.2 科研力量分布

2.2.1 研究者分布

研究者合作网络分析可揭示研究者之间的合作关系,以及产出成果较多、较具影响力的学者。在海洋环境微塑料研究领域,Fossi MC、Shim WJ、Baini M、Hong SH、Thompson RC、Galgani F、Galloway TS、Koelmans AA和Ter Halle A等学者活跃度较高,成果产出位居前列,其中Shim WJ和Hong SH同属一个研究团队,Fossi MC、Baini M、Galgani F、Panti C和Guerranti C相互之间合作关系密切(图3(a))。另外,Thiel M、Galgani F、Eriksen M、Reisser J、Thompson RC、Duarte CM、Galloway TS、Fossi MC和Cole M的研究成果被广泛引用,引用量依次为1 516次、1 507次、1 347次、1 306次、1 265次、970次、956次、851次和838次,表明他们在推动国际研究中起到重要的支点作用,其中Thiel M、Eriksen M和Reisser J同属一个研究团队,Galloway TS和Cole M同属一个研究团队。在上述分析中,研究者中Thompson RC、Galgani F、Galloway TS、Fossi MC的研究成果丰硕并且具有影响力,说明这4位学者在这一领域的研究中具有举足轻重的地位。

图3 研究者合作网络分析

2.2.2 地域分布

国家合作网络分析的时间线可反映不同国家地域之间合作的密切程度、不同时期的科研主力以及各国的研究地位。在海洋微塑料研究这一领域,美国、中国、意大利、英国、德国、西班牙和澳大利亚这7个国家相互之间合作关系较密切。其中意大利、美国、中国、英国和德国的研究成果产出位居前列,发文量依次为109次、102次、96次、85次、70次。早期研究中英国、德国和美国活跃度较高,近期研究中意大利和中国的活跃度较高(图4(a))。另外,英国、美国、法国、澳大利亚和德国的研究成果被引最多,引用量依次为5 048次、5 021次、3 563次、3 101次和2 953次,说明上述国家在海洋环境微塑料的研究中具有较高影响力(图4(b))。简言之,英国、德国、美国的研究成果丰硕且影响力较大,表明这3个国家在该领域的研究中位于领先地位。

图4 国家合作网络分析的时间线

2.3 研究热点分析

2.3.1 不同时期研究主题及热点演变

PPP是广泛应用于基础设施、公用事业和自然资源开发等领域的项目融资模式，以合同方式确立，以利益共享、风险共担为原则，通过公共部门（政府）和私营部门（企业）共同努力，提升公共产品或服务的效率，实现物有所值。

关键词突现强度能够反映研究领域的热点特征,另外,相似性、关联性较高的关键词还能通过聚类形成研究主题,基于不同时期关键词的突显强度及聚类分析可以反映研究热点与研究主题的演变特征。选择关键词突现强度最低阈值为2(2005—2012年)、10(2013—2017年)、20(2018—2020年)开展关键词聚类分析,筛选出关键词个数分别为14(2005—2012年)、21(2013—2017年)、22(2018—2020年)(表1)。选取突现强度最高的8个关键词,综合阐释本领域研究热点的演变(表2)。

2005—2012年,初期起步时期,相关研究较少,关键词之间呈现孤立分散状态,即使小部分关键词聚类形成研究主题,但研究主题较为模糊,参考性略低。如关键词“海洋垃圾碎片、影响”聚类,主要探讨微塑料的环境效应;关键词“环流、远洋”聚类,主要研究构建微塑料的迁移动力学模型;关键词“颗粒、海滩”聚类,主要调查微塑料的分布特征。另外,关键词“积累、丰度、近海、摄入、远洋、颗粒、沉积物、迁移”的突显特征最强,为该时期的研究热点。

2013—2017年,缓慢增长时期,研究日益增多,关键词之间因具有相似性而形成聚类,研究主题逐渐明确。如关键词“摄入、贻贝、浮游动物”聚类,主要探讨生物效应;关键词“海洋垃圾碎片、球团”聚类,形成以表征为主题的研究;关键词“降解、持久性有机污染物”聚类,主要研究微塑料的复合污染效应,其余关键词及形成的聚类主题如表1所示。另外,关键词“积累、摄入、近海、海洋垃圾碎片、颗粒、沉积物、迁移和浮游动物”的突显特征最强,为这一时期的研究热点。

2018—2020年,爆发增长时期,研究文献丰富,研究主题明确并进一步细化。如在生物效应这一大主题下,关键词“贻贝、近海、沉积物”聚类,研究涉及生物指标的探讨;关键词“摄入、毒理”聚类,研究探讨毒理效应。另外,关键词“摄入、积累、近海、沉积物、鱼、丰度、颗粒、海洋垃圾碎片”的突显特征最强,为这一时期的研究热点。

表1 各时期的研究热点及相应的研究主题

通过对比不同时期的关键词(表2),分析得出不同时期的研究热点存在部分重叠,如关键词 “积累、海洋、摄入、颗粒、沉积物”为该领域持续关注的研究内容,同时也反映出海洋环境微塑料主要关注的两大主题——分布特征与生物效应。另外,在研究区域上,早期研究关注近海和远洋,后期研究区域以近海为主;在研究内容上,早期较为关注 “迁移、丰度” 等物理层面的内容,后期研究除关注物理层面如海洋垃圾碎片的内容外,还关注生物层面的内容,如“浮游动物、鱼”。

表2 各时期研究论文的关注热点

2.3.2 不同国家研究侧重及研究热点

关键词分布网络的时间线能够反映各国家研究侧重及近期研究热点,基于国家研究分布分析结论,本节以英国、德国、美国、中国4个国家为重点研究对象,综合分析各国家的研究侧重及关注热点。

通过对比各国的高频关键词,分析得出 “摄入、近海、积累、沉积物” 均为主要关注点,另外,美国、英国、德国都较为关注远洋的研究,大西洋为主要研究区域(图5(a)、5(b)、5(c))。

中国研究覆盖面广,且带有地域特征,尤为关注国内水域微塑料污染研究。如关键词 “南海、北海、渤海”,另外,还关注河口区域的微塑料污染,如“长江河口、珠江”。我国同样关注生物效应的研究,如关键词 “暴露、浮游动物、生物体、鱼、贝壳类”。以及分布特征的研究,如关键词 “颗粒、纤维、聚苯乙烯微塑料”。另外,关键词“多环芳烃、毒性、吸附、化学品、持久性有机污染物”反映研究涉及与其他污染物复合污染效应。(图5(d))。

在近期关注热点中,英国、德国共同关注微塑料的分布特征及生物效应,如关键词“大西洋、鱼、丰度”,另外,英国还关注微塑料的复合污染效应,如关键词“重金属、鱼”;美国关注微塑料的源解析,如关键词“废水、丰度”;中国则主要关注微塑料的性质,如关键词“纤维、聚苯乙烯微塑料”。

3 结论

研究基于VOSviewer文献计量软件,对检索得到的海洋环境微塑料相关文献从科研成果、科研力量、研究主题及研究热点演化等方面开展文献共被引分析、研究人员和研究国家的合作网络分析、关键词聚类及分布网络分析,得出如下结论:

(1)早期代表性科研成果以构建海洋垃圾碎片迁移模型、探究海洋微塑料的分布特征、解析海洋微塑料的来源为主;后期代表性科研成果以量化表征海洋环境微塑料、探讨海洋微塑料的生物效应以及对检测手段的优化为主。

图5 各国研究热点的时间线

(2)研究人员中,Thompson RC、Galgani F、Galloway TS和Fossi MC为该领域的影响人物;研究国家中,英国、德国、美国这3个国家在该领域位居主导。

(3)研究时期分析中,研究主题以分布特征与生物效应为主,呈现由最初的主题不明确到明确、再深化细分的演变态势;研究热点的演变态势呈现多元、复杂化,早期主要关注物理层面的内容,后期还关注生物层面的内容。其中,积累、近海、摄入、颗粒、沉积物为该领域持续关注的研究内容。研究国家分析中,英国侧重关注生物效应,德国侧重关注分布特征,而美国和中国都关注两大主题,中国的研究区域集中于国内。近期各国研究热点中,英国拓展关注微塑料的复合污染,美国关注微塑料的源解析,整体研究热点仍以生物效应和分布特征为主。

海洋环境微塑料的研究是微塑料这一领域研究最为丰富的专题,对其发展历程以及研究现状量化分析,能为其他环境微塑料的研究提供研究角度以及研究思路。通过文献计量分析,后续研究建议重点关注生物指标、量化表征等热点主题,进而为构建风险评估模型,正确认识微塑料对人类的危害提供科学依据。另外,本研究仅局限Web of Science主题检索范围,未来研究中可考虑克服这一不足,获取更广泛的数据,从而对海洋微塑料研究现状与趋势形成更准确的整体性认知。