基于CiteSpace水库水源地重金属污染可视化研究

李晋毅，张蕾华

(山西警察学院侦查系，中国 太原 030401)

水库及水源地水体具有为人类社会提供水源的作用[1]，因此，对水库及水源地中的水体、沉积物、周边生态环境的研究是极为必要的。由于重金属元素具有易富集、无法降解以及生物毒性等特点，极易通过多种环境介质危害人体健康[2-3]。因此，研究水库及水源地重金属污染对生态环境安全和人体健康具有重要意义。

当前，国内外学者对水库及水源地环境重金属污染的研究已有大量成果，主要集中在水库及水源地的沉积物重金属污染[4]、分布特征[5]、生态风险[6]、污染评价[7]等方面。然而，研究者如果仅靠查阅相关研究文献，对当前的研究热点及前沿难以精确把握，再加上大量的文献阅读需消耗较多时间，以及个人学术水平的差异，容易造成对研究热点及前沿的误判。文献计量学是以研究领域的文献发文量、作者合作团体、研究机构、共引用文献等变化特征为研究对象，采用统计学方法，对研究领域的学科发展、研究热点、发展趋势等方面进行定量化分析。2004年，陈超美博士团队开发了一款文献定量可视化软件——CiteSpace[8]，由于CiteSpace能够在短时间内对学科领域的演化路径及热点进行精确把握，该软件受到学者的广泛关注[9]。

考虑到水库及水源地环境质量对人类社会的重要性，本文基于CNKI及Web of Science核心数据库中水库及水源地重金属污染研究文献为主体，选取1992—2021年的文献数据，借助CiteSpace对农田重金属污染的相关文献进行知识图谱可视化分析，利用其定量化的数据分析功能，准确把握当前该领域的研究热点、前沿及发展趋势，以期为水库及水源地重金属污染研究提供科学参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文数据选取CNKI核心期刊库和Web of ScienceTM核心数据集为数据来源。CNKI数据以主题=“重金属污染”并且主题=“水库”或“水源地”精确检索，时间节点选取1992年1月1日—2021年10月31日，并手动剔除无作者、无单位、报刊等不良数据，共获得相关文献197篇。外文期刊数据选择Web of ScienceTM核心数据集，以主题= “Heavy Metal Pollution in Reservoir” OR “water source”进行检索，文献类型选择“Article”及“Review”，语种选择“English”，共检索得4 909篇文献，通过剔除重复、无效文献，最终获得有效文献4 544篇。

1.2 分析方法

本文基于水库水源地重金属污染主题，通过获取CNKI核心期刊库和Web of ScienceTM核心数据集中相关文献，利用CiteSpace V5.8.R3，对获取的文献数据进行发文量、作者、机构、国家、关键词及引文文献，进行定量可视化分析，其中发文量时序分析采用Origin 2018进行绘制。

2 结果与分析

2.1 发文量

2.1.1 国外发文量时序分析 通过对发文量时序的分析(图1)，国内水库水源地重金属污染的研究呈现出明显的阶段性：(1)萌芽时期(1992—2007年)，这一时期的发文量共19篇，平均低于2篇/年，表明该领域研究正处于起步阶段。最早发表在CNKI的是李景保等人从地理学角度出发，对湘江流域水环境污染进行的研究[10]，这为我国水库水源地重金属污染的研究奠定了方向。1998年，清华大学的赵璇等人[11]通过对我国各主要饮用水体重金属污染现状的调研，确定了饮用水体中Hg、Cd、Cr和Pb等主要重金属污染元素，同时结合国内外水体净化研究，他们认为在当时不能够去除高背景载体下的重金属元素，并对后续研究提供了相关建议，该研究确立了我国水库水源地重金属污染的主要研究对象及研究方法，截至2021年10月31日被引用227次，下载1023次，成为这一时期高被引、高下载的文献。(2)波动发展时期(2008—2013年)，这一时期共发文70篇，年际间发文量波动较大，表明这一时期研究正处于波动快速发展时期。何镇宇等[12]在对中国近三十年水库时空变迁的研究中指出，截至2015年，我国共建成97 988座水库，其中2000年到2005年的增长率达到8.38%，是近三十年建成率最快的时期，对比图1中的发文量增长时期，正好与水库增长率相吻合。可以看出，伴随着水库数量的增长，环境问题也逐步突显。这一时期的研究主要以水库水源地多介质重金属的污染特征[13]和风险评价[14]为主。(3)稳定发展时期(2014—2021年)，这一时期共发文108篇。通过文献分析，发现这一时期的研究主要针对水库水源地的沉积物及周边土壤中重金属污染，研究的方向主要为重金属污染的赋存形态[15]、风险评价[16]及源解析[17]等，同时也可以看出这一时期的研究基本形成范式，研究的主体及方向大多保持一致。

图1 国内外发文量时序

2.1.2 国外发文量时序分析 通过图1可知，国外水库水源地重金属污染研究呈现明显的阶段性：(1)缓慢增长时期(1992—2007年)，这一时期发文量增长速率较缓，研究主题主要集中在工程环境科学与生态学水资源[18]、水资源环境[19]、地质环境工程等方向。2003年Jarup[20]在对食用鱼类体内重金属污染的研究中发现，长期接触饮用水中的砷可能增加皮肤癌风险，并且可能引发其他癌症及皮肤病变，成为这一时期被引用最多的文献。(2)快速增长阶段(2008—2015年)，这一时期发文量增长速率较快，研究主题主要集中在水源地重金属理化性质[21]、淡水环境生物安全[22]、公共水资源安全[23]。2012年Marek等人[24]对水体、沉积物等介质中的多环芳烃等污染物进行研究，对多环芳烃识别和评估污染排放的诊断效率进行评价，成为这一时期被引量最高的文献。(3)波动增长时期(2016—2021年)，这一时期发文量呈波动增长的趋势，总体上呈上升的状态，研究主题主要集中在水环境的健康风险评价[25]、水环境重金属毒理性及重金属来源解析[26]。2016年Hokkanen等人[27]从文献中汇编了各种基于纤维素的吸附剂的广泛列表，并介绍了它们在多种条件下去除各种污染物的吸附能力，同时讨论了纤维素基吸附剂的制备方法。他们认为改性纤维素基吸附剂在去除各种水生污染物方面表现出良好的潜力，成为这一时期被引量最高的文献。

2.2 研究者

2.2.1 国内发文作者 将获取的文献数据导入CiteSpace中，进行作者合作图谱分析(图2a)，共产生414个节点，582条连线，网络密度为0.006 8。图中的节点代表作者，节点越大表明作者发文越多，连线代表作者间的合作，连线的颜色越深代表合作越密切[8]。从图2可以看出，国内该领域作者间合作相当密切，其中主要作者合作团体为：刘心愿-周显-彭子凌-陈霞、郑丙辉-张雷-秦延文-曹伟-贾静-罗燕、季宏兵-冯金国-李倩-朱先芳-唐磊、单保庆-张洪-唐文忠-王闯-张伟-金鑫等作者团体，其中合作最为稳定的是刘心愿-周显-彭子凌-陈霞团队，发文量最多的团体是季宏兵-冯金国-李倩-朱先芳-唐磊团体。

刘心愿-周显-彭子凌-陈霞等人的团队主要以水库沉积物中的重金属为研究主题，采用潜在生态风险指数及地累积指数等方法，对水库环境的重金属污染状态及风险进行评价[28]。郑丙辉-张雷-秦延文-曹伟等人的团体主要研究水库沉积物及周边土壤中的重金属空间分布、污染特征及风险评价[29]。季宏兵-冯金国-李倩等人的团体主要研究水库水源地周边土壤中重金属的赋存形态、来源解析等[30]。单保庆-张洪-唐文忠等人的团体主要针对水库水源地沉积物等介质中重金属的污染特征及风险程度进行研究[31]。可以看出，我国该领域研究作者间合作较为紧密，独立研究的作者较少，且已形成较为稳定的研究团体，研究潜力尚足。

2.2.2 国外发文作者 对外文文献进行作者合作图谱分析(图2b)，共产生1 032个节点，705条连线，网络密度为0.001 3。从图中可以看出，尽管该领域已有大量研究者，但作者间合作较为分散，稳定的作者合作团体较少。主要研究团队有Gao-Xu-Peng等人团队、Varol-Ustaoglu-Islam等人团队、Dong-Chen-Chen等人团队。其余合作团队虽然合作紧密，但被引和发文均较少。

图2 国内外发文作者合作图谱

Gao-Xu-Peng等人团队主要对中国1990年至2016年的1 000多篇文献进行综述分析，探讨了中国珠江流域、黄河流域和长江流域水体中的Pb污染，结果发现，珠江流域和黄河流域沉积物中Pb水平的总体时间趋势与周边城市废水中Pb排放的时间趋势一致，表明工业废水排放可能是这些沉积物中铅的主要人为来源之一[32]。Varol-Ustaoglu-Islam等人团队对土耳其克班大坝水库进行季节性水体采样，分析水体中重金属的空间变化和健康风险状态，最后通过主成分分析和因子分析发现水库中水体重金属元素均来自天然来源[33]。Dong-Chen-Chen等人团队采集了高雄港6个沉积物岩心，对其中重金属的垂直剖面、富集程度、累积量及来源进行评价分析，结果表明4个河口沉积物岩心中重金属含量的分布格局差异很大，且来自佳能河和爱河的复合重金属对高雄港水环境的潜在毒性和风险的贡献最高[34]。可以看出，国内国外的相关研究方向大致一致，对水库水源地重金属的污染研究已经形成一种特定范式，相较于国内的研究，国外的研究更为精细且研究的范围较广，说明我国国内的相关研究潜力尚足。

2.3 发文国家及机构分析

2.3.1 发文国家分析 对从Web of Science获取的4 544篇外文文献进行国家分析(表1)。可以看出，国家发文量在全球分布不均。中国是该领域发文量贡献最大的国家，共发文1 476篇，占比达32.48%。中国是世界人口最多的发展中国家，也是世界第二大经济体，在高速的经济发展过程中逐渐重视环境污染问题，因此对水库水源地重金属污染研究最多。其次为印度、美国、波兰等国家，但发文量均不足500篇。

表1 Web of Science发文国家

2.3.2 国内发文机构 国内在CNKI中发文最多的机构为中国环境科学研究院(表2)，成为我国水库水源地重金属污染研究的引领性机构，共发文14篇，其次为中国科学院生态环境研究中心(11篇)、华中农业大学(8篇)等机构。可以看出发文前十的机构中有6所大学及4所科研机构，这些机构构成了我国水库水源地重金属污染研究的主要力量。考察这10所机构所处的地理位置，其中有5所位于北京，其余机构均在我国南方，这些地区均是我国经济较为发达的地区。这也反映了地区经济快速发展的同时伴随着环境污染问题，这些机构依托较好的科研平台为我国水库水源地重金属污染研究做出了较大贡献。

2.3.3 国外发文机构 对从Web of Science获取的外文文献进行机构分析，结果见表2。由表2可知，发文量前十的机构中有5个来自于中国，其中，中国科学院以发文403篇成为全球水库水源地重金属污染研究最多的机构。其次为中国科学院大学(169篇)、北京师范大学(113篇)。发文量前十的机构中印度有两个，埃及、法国、俄罗斯各有一个，可以看出，该领域全球发文量极不平衡，且以国家级科研机构为主体。这也进一步说明，中国已经成为全球该研究领域内最具影响力的国家。

表2 国内外研究机构

2.4 文献共被引分析

当两篇或多篇文献发表后，被后期相关研究的一篇或多篇文献所引用，就会构成共被引文献关系[9]。通过共被引文献聚类分析，能够对该领域的宏观研究方向进行把握。由于文献共被引分析功能仅能分析Web of Science文献数据，因此本研究仅对Web of Science文献数据进行文献共被引聚类分析。分析节点选择Reference，选用最短路径(Pathfinder)算法，使用聚类算法，共得到1 495个节点，2 322条连线，网络密度为0.002 1，23个聚类，聚类效果良好。最后将绘制的图谱加载到PowerPoint(图3)，通过分析聚类标签，将其划分为2个研究方向(#A和#B)。

图3 文献共被引图谱

#A：水库水源地重金属污染风险评价。该研究方向中共有14个聚类标签，以重金属污染的风险评价为主，包括健康风险[35]、空间分布[36]、水体质量[37]、重金属毒理性[38]、长期风险[39]等聚类标签。可以看出，在水库水源地重金属污染风险评价的研究中，研究方向众多，但均以重金属的风险为导向，说明水库水源地重金属污染对生态、人类社会等环境极易造成严重危害。因此，对重金属污染的风险评价研究较多。

#B：水库水源地人类活动重金属污染。该研究方向中共有9个聚类标签，以人类活动造成的重金属污染为主，包括工厂生产[40]、水产养殖[41]、城市湿地[42]等标签。可以看出，这一类研究更加关注人类活动对水库水源地的重金属污染，研究对象更具有针对性，且多以人类日常生活接触较多的场所进行研究。

2.5 研究热点与前沿

2.5.1 关键词聚类分析 对CNKI及Web of Science中获取的文献进行关键词共现聚类分析(图4)，其中CNKI文献关键词聚类产生273个节点，439条连线，14个聚类；Web of Science文献关键词产生890个节点，1 609条连线，22个聚类。

图4 国内外研究文献关键词聚类

通过分析关键词聚类标签发现，CNKI文献关键词聚类标签大致可分为3类：第一类为特定区域研究(#1，#3，#4，#7，#8，#9，#10)，多以特定的研究区为对象，聚类里包含三峡水库、官厅水库、密云水库等，说明研究针对特定水库、水源地多环境介质中的重金属污染为对象。第二类为具体研究方法(#0，#2，#5，#6，#14)，以具体的研究方法为主体，包括生态风险评价、健康风险评价、空间变异、时空分布、污染特征、赋存形态等关键词，说明对水库水源地多环境介质的重金属污染研究多采用以上几种研究方法。第三类为非重金属污染研究(#11，#12)，关键词包括营养盐、无机氮、碳酸钙、磷酸盐等非重金属物质，表明在水库水源地重金属污染研究的同时也开展了对有机物和非重金属污染的研究，研究领域全面。

通过分析关键词聚类标签发现，Web of Science文献关键词聚类标签大致可分为5类：第一类为特定元素(#1，#12，#18，#22)，包含Pb，Zn及Cd等重金属元素，表明大多数研究主要针对这几类重金属元素，它们也是最具危害性的元素。第二类为特定地区研究(#2，#4，#6，#11，#13，#17)，包含河口、沉积物、河岸带、三角洲等关键词，表明这类研究多集中在以上特定区域内，这些区域多为人类活动频繁地区，遭受重金属污染较为严重。第三类为水库水源地周边土壤(#8，#10，#14)，包含土壤、矿区土壤、PM2.5等关键词，表明这类研究主要关注水库水源地周边多介质中的重金属污染影响。第四类为水体环境属污染(#3，#7，#15，#20)，包含水、湖、鱼、水生植物等关键词，表明这类研究主要关注水体环境中的重金属污染影响，其中鱼及水生植物均能反映水体重金属污染状态。第五类为研究方法(#5，#9，#16，#21，#23)，包含来源解析、时空分布、空间变异、生态风险评价、毒理性等关键词，表明这类研究主要采用以上方法对水库水源地重金属污染进行研究。

2.5.2 研究热点与前沿 通过对关键词的共现分析可知，除了产生中心度高的关键词外，还会产生突显值高的关键词，突显值高代表某一时期内快速出现的频率，能够反映某一时段该研究领域的研究热点前沿[9]。分析研究领域的热点与前沿，能够对当前研究领域的最新发展进行精确把握，提高研究者的研究效率。笔者导出高突显值关键词，获得CNKI高突显值关键词17个，Web of Science文献高突显值关键词44个(图5)。

图5 CNKI高突显值关键词

国内水库水源地重金属污染研究的热点与前沿大致分为4个阶段:第一阶段为水库水源地水体及沉积物重金属污染研究(1992—2007年)。例如蔡金傍等人利用潜在生态风险指数及地累积指数，对洋河水库表层沉积物中的重金属元素及营养盐进行评价，发现洋河水库底泥中的主要污染重金属元素为Hg，且西河口与东河口为轻度污染区，引水口及水库中心为中等污染程度[43]。第二阶段为水库消落区富营养化及重金属的赋存形态研究(2005—2011年)。例如胡姝等人在慈溪市饮用水源地的水质调查研究中，发现上林湖的水质与沉积物中有机磷及无机磷含量均超标，且水体及沉积物中的重金属Cd和Hg污染较重，已经达到中度和较重生态风险等级[44]。第三阶段为水库水源地周边多介质重金属污染特征及空间分布研究(2011—2016年)。例如张爱星等人利用空间分析方法、地累积法及BCR形态分析法对北京市水源涵养地周边的矿区农田土壤中8种重金属进行空间分布及污染特征分析，发现研究区的As，Cd，Cu，Pb和Zn污染范围最广且最严重，受到人类活动的影响较大，研究区的Pb，As和Cd元素呈重度污染状态[45]。第四阶段为水库水源地重金属空间分布、风险评价及来源解析研究(2017—2021年)。例如旷攀等人[46]利用综合污染指数评价、地累积法及生态风险评价法，对乌江普定水库中的水体及沉积物中的重金属的污染程度、风险状态及时空变化进行研究，发现水库表层水体重金属含量呈季节性变化，冬季>秋季>春季>夏季，沉积物中的重金属也呈时空变化，其中秋冬最高；水库中层水体未受到重金属污染，沉积物中的Cu，Ni，Pb和Cd为主要污染物，且呈较高风险水平；研究区重金属污染主要来自外源污染，周边矿山开采等人为活动是造成研究区重金属污染的主要原因之一。

国外水库水源地重金属污染研究的热点与前沿也大致分为4个阶段(图6)：第一阶段为水库水源地重金属含量及污染特征研究(1992—2011年)，这一时期主要针对重金属Cd，Pb，Cu及Zn等元素的含量及污染特征研究。如Zhang等人[47]对北京官厅水库沉积物中的重金属粒径及化学成分进行研究，并测量了其中8种重金属元素的含量，结果发现Zn，Pb 和 Cd 元素在河流入库和靠近大坝的采样点富集。这两个地点的沉积物尺寸依赖性分布及其物种分布也与其他沉积物地点明显不同。第二阶段为水源地沉积物重金属理化性质及污染状态研究(2000—2013年)，这一时期主要针对湖泊、河湾等地区的沉积物中重金属的理化性质、毒理性及污染状态的研究。如Zhu等人利用地累积指数、富集因子及潜在生态风险指数[48]，对密云水库流入区重金属的理化性质、污染程度及风险进行评价，结果表明除了 Hg，Cd 和 Cr 之外，几个地点的所有重金属的富集值都低于3，表明人为对重金属富集水平的影响很小；Pb 的地累积值表明，超一半的采样点为未污染到中度污染，主要位于水库白河地区；密云水库重金属潜在风险较低，而部分点位Hg接近或属于中等生态风险。第三阶段为重金属污染对水生生物的影响研究(2008—2018年)，这一时期主要针对水库水源地水体植物与鱼类受重金属污染的影响研究。如Meena等人对1997—2017年关于水源地水体、沉积物、鱼类及水生植物受重金属污染的研究进行综述分析[49]，并评估了当前的生态污染状态。他们认为，污染物占主导地位的重金属是锌，其次是铁，主要原因可能是区域矿物学和成岩源，由于有机物质的永久还原条件，河口沉积物中铁等大量金属是自然背景元素；Cd，Pb和Cr的污染与人为来源密切相关。第四阶段为城市水源地重金属空间分布、风险评价及来源解析研究(2016—2021年)，这一时期的研究主要针对城市地区水库水源地重金属污染的空间分布、健康风险、生态风险及源解析等。Yuan等人收集了中国最大的河流嵌入式水库青草沙水库的表层沉积物，并调查了4个季节的空间分布、风险和重金属来源[50]，结果表明表层沉积物中5种重金属(Cr，Cu，Mn，Zn和Ni)的分布存在显著的空间和季节异质性，夏季单一重金属造成的沉积物污染较其他季节更重；此外，这些重金属在4个季节都没有造成潜在的生态风险；5种重金属的主要污染源可能来自工业废水和生活污水，几乎不受季节影响。

3 结论

(1)国内与国外关于农田重金属污染的研究发文均呈3个阶段，总体增长趋势明显。国内2014年至今发文量最多；国外2008—2015年发文速率最高，2016—2021年发文量最多。国内形成了以刘心愿-周显-彭子凌等核心作者团队，国外形成了Gao-Xu-Peng团队等主要研究团体；主要发文国家为中国，且全球发文国家分布不均；国内以中国环境科学研究院为主要研究机构，而外文发文机构最多的是中国科学院。

(2)外文共被引聚类分析发现，该领域主要形成了两个研究方向：水库水源地重金属污染风险评价和水库水源地人类活动重金属污染。

(3)国内文献研究热点与前沿大致分为4个阶段：水库水源地水体及沉积物重金属污染研究(1992—2007年)；水库消落区富营养化及重金属的赋存形态研究(2005—2011年)；多介质重金属污染特征及空间分布研究(2011—2016年)；重金属空间分布、风险评价及来源解析研究(2017—2021年)。

(4)国外文献研究热点与前沿大致分为4个阶段：水库水源地重金属含量及污染特征研究(1992—2011年)；沉积物重金属理化性质及污染状态研究(2000—2013年)；重金属污染对水生生物的影响研究(2008—2018年)；城市水源地重金属空间分布、风险评价及来源解析研究(2016—2021年)。