2011—2020年土壤修复领域研究态势的文献计量分析

马 彪，刘学录，年丽丽，李亮亮，杨莹博

（1甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；2甘肃农业大学林学院，兰州 730070）

0 引言

土壤是大气、水、生物、岩石四大圈层之间进行物质交换、信息传递、能量流动的纽带，支持地球主要生命过程，保持生态系统平衡，支撑经济社会可持续发展的重要物质基础，是人类赖以生存的基础空间。随着社会的进步，工业化和现代农业的迅猛发展，导致土壤污染严重，对动植物及人类造成危害。因此，国内外的研究者对被污染土壤进行修复做了深入研究。早在2000年，龙新宪等[1]对比了物理、化学及植物对重金属污染土壤修复的效果，总结了三类修复技术的优缺点，认为植物修复作为新兴的、高效的生物修复技术已得到科学家的认可。许春娅等[2]对工业场地污染土壤修复的研究表明，植物能利用其根系将重金属吸附及根际部分微生物将土壤中的有机物和重金属沉淀或螯合，以此来减少有机物和重金属的含量。Mohan Dinesh等[3]研究表明生物炭是一种很好的土壤改良剂，具有可再生、低成本和可持续的特点。

西方发达国家，土壤污染问题的出现和治理都相对较早，中国虽然出现的较迟，但在土壤修复方面研究较多，发展也较快，对有关土壤修复领域的研究主要有以下几个方面：

（1）对重金属污染土壤的修复的研究。污染土壤的重金属主要有镉、铅、汞、锌、铜、镍等[4]。马莉等[5]总结了中国的重金属污染土壤修复技术方法主要有：物理修复、化学修复、生物修复、基因工程；其中物理修复方法较简单，小面积污染可以采用换土、翻耕的方法，大面积污染根据场地条件的复杂性部分采取电动修复；化学修复有针对性，添加的修复剂与污染的重金属发生化学反应，将其沉淀或螯合，但修复过程会释放出部分有毒气体对大气造成危害；生物修复低成本、绿色、安全是中国目前研究的重要方向；基因工程修复主要是结合生物修复研究，对重金属耐受性较强生物进行基因培育、筛选逐渐投入到实际应用中，体现了土壤修复技术从宏观研究开始向微观研究转变。

（2）对石油污染土壤修复的研究。石油是一种重要的化石能源，推动整个社会经济的发展，同时也造成了一系列环境问题，有新闻报道，在开采过程中工人操作不规范会造成地下或地上的石油泄露，在运输过程中经常出现管道破裂漏油等将石油排放到土壤、河道中造成污染。为解决这些污染问题，戴书剑等[6]阐述了石油污染的危害，探寻了石油污染土壤综合治理修复的方法，石油会破环土壤结构，使土粒分散，导致土壤透水性差，影响植物生长和土壤微生物群落结构，另外石油中的多环芳烃组织对人体有致癌等危害，其治理修复方法有土壤置换法、微生物修复法、植物修复法、微生物与植物联合修复法。接着，王金成等[7]以陇东黄土高原地区石油污染的土壤为研究对象，以玉米秸秆、小麦秸秆和苹果树枝条为原料制备3种不同的生物质炭，发现金盏菊修复石油污染土壤时宜添加选用玉米秸秆和苹果树枝条制成的生物质炭作为土壤调理剂。

（3）对农药污染土壤修复的研究。随着现代化农业发展，中国农业污染问题日益突出，农业污染量占全国总污染量的1/3～1/2[8]，阻碍了农业的可持续发展，引起了科学界的关注。祝方等[9]以有机氯农药、有机磷农药、拟除虫菊酯类等农药污染的土壤为研究对象，发现土壤中的不同微生物对同类型农药的降解有差别，总体降解效果较明显。安凤春等[10]比较了10种草在不同污染浓度下对5种土壤的修复能力，研究表明：相同品种的草对不同土壤中的污染物去除能力不同，不同品种的草对同一土壤污染物的清除能力不同。因此，根据农药污染的不同类型土壤选取合适的植物修复能提高修复效果。

综上所述，自2000年以来，中国已从物理、化学、生物3个大方面对土壤修复做了深入研究。到目前为止关于土壤修复的综述性文章已有不少，多数从重金属污染土壤修复方面做综述，以土壤修复为主题做综述性的文章较少。本研究运用CiteSpace软件对2011—2020年间中国知网(CNKI)中文核心期刊、中国科学引文数据库(CSCD)和Web of Science核心合集（WOS数据库）收录的土壤修复相关文献进行计量分析和总结，通过分析2011—2020年来的发文量、作者、发文机构及关键词等来把握研究趋势和热点，为未来的相关研究提供方向。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所参考的数据来源于CNKI收录的中文核心期刊、CSCD和WOS数据库的核心合集，检索时间均设为2011至2020年，将主题设为“土壤修复”通过检索得到847篇中文文献，将检索条件设为：Topic=soil remediation，文献类型设为Article，语种设为English进行高级检索得到外文文献10840篇。筛选出没有作者的文献、会议论文等，最终得到有效文章中文文献和外文文献分别为834篇和10763篇。

1.2 研究方法

利用WOS和CNKI数据库检索结果自带分析工具进行统计整理发文量、机构、国家、作者等，来分析土壤修复总体研究趋势及研究力量。将获取的数据导入CiteSpace软件进行可视化分析，能得到关键词突显强度、作者中心性、研究热点等，来揭示目前研究现状和未来发展方向。

2 结果与分析

2.1 关于土壤修复的态势分析

2.1.1 对2011—2020年发文量分析 对2011—2020年关于土壤修复领域的文献年度发文量进行分析（图1），在WOS数据库中，2011—2020年发文量有显著上升的趋势，其中2017—2019年增长幅度最大，从2017年的1114篇到2020年的1656篇，在CNKI数据库中，发文量也呈上升趋势，逐年增长的比较缓慢，但中国作者在WOS数据库的发文量有明显增加趋势，特别是从2017年到2020年呈直线增长，2020年发文量达到了873篇。

图1 土壤修复研究年度发文量分布

2.1.2 对文献来源的学科分析 通过对文献的来源主要学科进行统计并整理为图2，直观的反映出，对于土壤修复研究最多的是环境科学与资源利用，占研究总数的74%，有755篇文献，其他学科占比都低于10%，有生物学占7%，农业基础科学占5%、农艺学占4%等。说明环境科学与资源利用这门学科注重土壤修复领域相关的研究。

图2 土壤修复研究文献主要来源学科

2.2 关于土壤修复的主要研究力量分析

2.2.1 研究机构分析 国内外2011—2020年对土壤修复研究都持有很高的热度。通过检索文献，对土壤修复领域研究的机构进行整理，利用Excel 2010对发文量前5的机构进行排序得到表1。在WOS数据库中，中国科学院发文量为850篇，位居首位，其次是中国科学院大学，发文量达到322篇，接着依次为中国科学院土壤研究所、法国国家科学研究中心、浙江大学。在CNKI数据库中中国科学院大学和中国科学院南京土壤研究所并列第一，发文量都为26篇，中国环境科学研究院，达到22篇，生态环境部南京环境科学研究所和北京建工环境修复股份有限公司发文量低于20篇。

表1 土壤修复研究发文量居前5的机构

2.2.2 主要作者分析 在CNKI数据库中发文量最多的是来自中国环境保护部南京环境科学研究所的林玉锁，他主要从事污染土壤综合治理与修复等研究，在中国土壤污染与治理起领头作用（表2）。其次是张秀霞、肖鹏飞、李书鹏发文量为都为8篇。中国作者在WOS数据库中发文量最多的是Wang L，发文量达到91篇，位居第二的是Tsang D C W，发文量88篇，接下来依次是Li Y、Li J、Wang J等，发文量均高于70篇。Wang L、Tsang D C W和Li Y三位作者对土壤修复的研究发文量不仅是中国作者在WOS数据库中发文量居前三的研究者，也是在WOS数据库中发文量最多的主要力量支柱，发文量都高于85篇。

表2 CNKI和WOS数据库中发文量居前10的作者

2.2.3 外文献发文国家分析 以各个国家对土壤修复领域的发文数量的多少进行排序，得到前5的国家（表3）。发文量最多的是中国，发文数量为4032篇，占总发文量的37.20%，其次是美国，发文1524篇，占总发文量的14.06%，西班牙、印度、澳大利亚发文量低于1000篇，3个国家总发文量仅占15.74%，大约是中国的2/1，与美国基本持平。

表3 WOS数据库中发文量居前5的国家

2.3 关于土壤修复的研究热点和可视化分析

2.3.1 关键词中心性分析 关键词是一篇文章核心，研究清楚关键词及由关键词引出的其他相关词之间的联系，能很好的把握文章主题，掌握在土壤修复领域研究的热点。本研究将主题设成“土壤修复”，所以导致土壤修复的中心度最大，为1.08（表4）。通过其他关键词的中心度大小，可以得到土壤修复研究热点：（1）重金属污染场地修复，通过关键词：重金属、污染场地等表现出来。（2）生物修复土壤污染，由关键词：植物修复、表面活性、土壤酶活性等体现出来。（3）生物炭对重金属污染土壤的修复，从关键词：生物炭、吸附、去除、水等展现出来。

表4 土壤修复中心度排名前10的关键词

2.3.2 外文文献被引频次分析 从WOS数据库中，按被引频次对文献进行排序得到前10的文献。其中有6篇是关于生物炭的研究（表5），发文时间主要集中在2011—2014年之间，2篇关于重金属污染土壤影响食品安全的研究，2篇是关于有机污物污染土壤降解的研究。这些文章可能由于发文时间早，被引次数相对较高，但更重要的是为后面的研究提供了基础知识和研究导向。被引频次最高的是Dinesh Mohan在2014年发表的关于使用生物炭从水中去除有机和无机污染物，对可再生、低成本和可持续的吸附剂严格审查的研究，被引频次达到958次，远远超过了其他被引文献，其次是Mukherjee A在2011年发表的关于生物炭表面活性变化的研究，被引频次为498次，Toth G在2016年指出用石灰可以去除重金属，修复农田土壤，影响食品安全，其被引400次，其他文献被引次数都低于400次。

表5 被引频次前10的共被引文献

2.3.3 关键词突显强度分析 关键词突显强度随着时间变化会有所不同，分析不同年份的关键词突显强度，掌握研究热点。基于WOS数据库文献表6所示，外文文献前24个高突变关键词。2011—2013年，研究热点是土壤修复系统（突显强度24.7531）、锌污染土壤修复（突显强度20.5041）、土壤酸碱度的变化和不同价态铁在土壤中的作用；2013—2014年研究热点词有：根际、群落、解吸附作用；2015—2016年研究热点是电动修复土壤污染（突显强度29.8007）。2017—2020年，以土壤修复为主题下的微生物群落（突显强度42.8406）成为研究热点。

表6 土壤修复研究高突变关键词

续表6

2.3.4 关键词时间域视图分析 为进一步可视化呈现土壤修复研究的动态和发展趋势，基于CNKI数据库数据绘制了关键词时间域视图（图3），根据图谱中主要关键词分布情况，结合相关文献背景，将土壤修复研究热点演进大致可以分为2个阶段：第一阶段，2011—2015年重点研究重金属污染土壤、石油污染土壤、生物修复、生物炭等；第二阶段，2016年至今，这一时期研究的主题有：生态修复、联合修复、生物矿化、农田土壤、超富集植物等。

图3 年度关键词分布时区图

3 讨论

通过检索2011—2020年土壤修复领域的中外文文献，利用Citespace软件进行分析发现：

2011—2020年间，关于土壤修复领域的研究国内外的发文量总体呈上升趋势。国内发文量增长较缓慢，国外增长加快，中国作者在WOS数据库发文量也持续增加。环境科学与资源利用是文献主要的来源，说明该学科注重土壤修复领域的研究，这方面的知识储量丰富，为研究者提供基础知识。发文量居前5的国家有：中国、美国、西班牙、印度、澳大利亚。中国发文量占总发文量的37.20%，在土壤修复领域做出了巨大的贡献，为积极响应国家政策。在WOS和CNKI数据库中主要的发文机构有：中国科学院大学、中国科学院、中国科学院南京土壤研究所、中国环境科学研究院等，可见中国科研机构是国际土壤修复领域的主要研究力量，为国内外研究者提供了潜在的合作机构。此外，林玉锁、张秀霞、肖鹏飞、李书鹏等作者在国内土壤修复研究方面的影响力较大，其中，来自中国环境保护部南京环境科学研究所的林玉锁是这方面研究的中坚力量。Wang L、Tsang DCW、Li Y这些中国作者在WOS数据库中发文量超过80篇，是国际上土壤修复研究领域的活跃专家。

关键词出现频次、中心性、凸显强度、时区图谱以及被引文献频次进行分析表明，土壤修复领域研究热点问题主要包括3个方面：（1）污染场地的修复。该方面的研究以重金属污染土壤修复为主，而重金属污染土壤的“五毒元素”为镉、铅、汞、砷、铬[11]，其修复技术也是近年来关注的焦点。在2001年Jy-Gau Sah等[12]采用电动技术对3种铜污染土壤进行了土壤修复研究，结果表明，电动力学法对污染土壤中碳酸盐和铁锰氧化物中的铜具有去除的潜力。李佑国等[13]发现：南京近郊重金属污染以汞和锌为主。孙伦涛团队[14]的研究表明，蚯蚓分泌物中富含氮磷钾元素促进植物生长，加快植物对污染土壤中重金属吸附，一些粘液蛋白物质对土壤重金属有络合、沉淀、螯合作用。Claudio Cameselle等[15]以硫酸或乙二胺四乙酸、柠檬酸和乙酸为处理液，采用强化电动修复法对6种重金属（镉、钴、铬、铜、铅和锌）污染的农业土壤进行修复，发现4种酸都能够溶解不同量的6种重金属，说明这4种酸可适用于增强农业土壤的电动修复，其中，柠檬酸具有增强电渗流动的能力，所以用柠檬酸效果最佳。Nuzahat Habibul[16]等研究表明，微生物燃料电池产生的弱电可以有效的为电动修复重金属污染土壤提供动力。张美一等[17]研究了3种经淀粉固定的铁系纳米颗粒（零价Fe，FeS，Fe3O4）对2种典型砷污染土壤的固砷作用，得出3种纳米颗粒中Fe3O4的固砷效率最高。（2）生物修复。该方法是新近发展起来的一项清洁环境的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的新兴技术[18]，在土壤修复领域应用广泛。其中，植物、微生物修复表现出较高的研究热度和较广的应用性[19]。例如，Liu W X等[20]的研究表明，苜蓿可增加土壤中的异养细菌的数量，从而提高土壤中石油类污染物的降解速率,起到修复有机污染土壤的作用；周加祥等[21]研究了土壤中的土著微生物或向污染环境补充经过驯化的高效微生物，在适宜的条件下，通过生物还原反应，将六价铬还原为三价铬，达到修复铬污染土壤的目标；黄勇等[22]提出利用微生物肥料进行土壤生态修复治理，协调土壤快速平衡发展，并进一步促使完善生态环境修复的整体框架。而且，生物之间联合修复更具有研究意义。所谓联合修复是生态修复大框架下的各种物理修复、化学修复与生物修复的联合，以及生物修复中微生物修复与植物修复的联合[23]。如谢东等[24]通过解析微生态环境中的微生物群落结构与功能，揭示植物修复污染土壤的微生态过程，反映植物修复土壤的效果。刘继朝等[25]从石油污染土壤中筛选石油降解微生物，并采用盆栽试验，进一步研究了4种植物和筛选到的微生物联合对石油污染土壤修复效果好于任何一种单独的修复效果。Ma等[26]也证明了对于长链石油-烷烃污染的土壤，植物-微生物联合修复是一种有效的方法。Gao等[27]发现将植物和微生物相结合可有效修复石油污染土壤，植物根为微生物群落提供适宜活动场所，并以分泌物的形式提供营养，增强微生物活动，从而促进有机污染物的降解。另外，动、植物联合修复也具有明显的效果，如田伟莉等[28]以台州重金属复合污染土壤为研究对象,通过大田试验方法，对植物和动物联合修复污染土壤进行综合考察，结果表明：动植物联合修复效果优于单个动物修复和植物修复的简单叠加。但是，利用生物修复污染土壤也遇到一些问题[29]，如植物生长缓慢，动物吸收能力有限，微生物群落改变造成生态系统不平衡等。为了解决这些问题研究者近年来开始寻求超富集植物，引入基因工程，培育优势植物等，逐渐向微观方向发展。（3）生物炭修复。生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[30]，是近年来污染土壤修复的一种很好材料，具有较高的吸附土壤污染物的能力[31]。如许妍哲等[32]提到生物炭对土壤重金属去除作用主要包括：静电作用、沉淀作用、络合作用；杨璋梅等[33]从生物炭的影响角度总结出：生物炭通过影响土壤的pH、阳离子交换量(CEC)、持水量等理化性质，从而降低土壤中重金属的生物有效性。另外，生物炭与其他修复材料结合能发挥更强的作用，如Fang等[34]研究就得到，生物炭吸附与过硫酸盐介导的污染物氧化相结合是有机污染土壤的一种极好的修复策略。在重金属污染土壤，生物炭通过改变土壤性质达到修复的目的。

2011以来，学术界对土壤修复的研究总体呈上升趋势，结合全文分析，该领域在未来需要加强这3个方面的研究。（1）对农药污染土壤修复的研究。人类为提高作物产量而大量使用农药和化肥，导致土壤污染，进而展开农药污染土壤的修复研究。（2）生态修复研究。以生态原理为指导，生物修复为基础，以低成本、高效率、绿色环保为目的，结合各种物理、化学方法进行联合修复。（3）修复材料及修复技术的研发。如，吴明山等[35]通过与磁性介质结合，将生物炭磁化，使其能够在磁场作用下实现将吸附的污染物质从液体中分离出来，降低土壤污染物。生物炭虽是目前比较理想的修复材料，但有一定的局限性。因此，生物炭复合材料制备成了研究者关注的焦点。植物修复技术是一种环境友好型的原位修复技术[36]，但植物修复也存在缺点，植物在逆境中要茁壮成长需要长期投入，况且植物富集有一定的限度，超过这个限度，其生理生化指标会改变，达不到预期修复土壤的目的。因此，杨茹月等[37]从重金属转运、储存、解毒过程的调控过程，阐述基因工程技术强化植物修复土壤重金属污染的研究，建议后续研究可利用基因工程向目标植物导入相关功能基因，使其在目标植物中高效表达，提高超富集植物适应能力。

4 结论

综上所述，本研究可得到以下结论：2011—2020年间，关于土壤修复领域的研究逐渐成为环境科学与资源利用方面科学工作者的研究热点，该方面的主要研究热点包括污染土壤场地的修复、生物修复、生物炭3个核心内容，其中重金属污染土壤修复研究较深，生物修复技术在土壤修复方面起着主要作用，生物炭是比较理想的修复材料。未来研究方向趋向于关注农药污染土壤、生态修复、修复材料的研发为主。