基于文献计量的土壤重金属污染研究进展

毛文轩，张 华

(辽宁师范大学 地理科学学院, 辽宁 大连 116029)

1 引言

重金属元素是地壳的重要组成部分[1,2]。土壤重金属污染是土壤中过量的砷(As)、镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)、锌(Zn)、铬(Cr)和铜(Cu)等重金属元素不能为土壤微生物所分解，而可为生物所富集，成为土壤中不断积累的污染物[3]。土壤中的重金属主要来源于母质和人为污染两个方面，一方面母质的性质和成土作用可以为土壤重金属的积累创造条件，因此，母质的风化是一个影响土壤重金属含量的自然过程[4,5]；另一方面，目前的人为污染主要源自交通运输、工业和农业生产[6]，例如工业生产中排放的污泥、农业生产中灌溉的污水等，都不同程度地含有生物难以降解的过量重金属元素，导致土壤受到不同程度的重金属污染。

重金属元素在土壤中的积累、迁移不仅危害区域生态安全，影响动植物的生长发育，而且通过食物链进入人体，危害暴露区的人体健康，导致一些慢性病的发生[7]。例如1955年日本富山通川流域的“骨痛病”系由糙米吸收了受污染土壤中的过量重金属元素镉而引起，1997年美国蒙大拿州的两个农业区也由于土壤重金属污染使当地小麦不能食用。根据《2014年全国土壤污染状况调查公报》[8]显示，中国已有16.9%的土壤受到不同重金属元素的污染，其中砷、镉、汞、铅、锌、铬和铜浓度超标的土壤分别占2.7%、7.0%、1.6%、1.5%、0.9%、1.1%和2.1%，土壤重金属污染防治已刻不容缓。

国际上有关土壤重金属污染的事件最早在20世纪30年代的美国公共卫生与国家卫生杂志开始报道，但当时对土壤污染的研究较为缺乏，相关研究并没有深入。直到1973年《Heavymetal Pollution and Soil Enzymaticactivity》[9]与《Heavy-metal Pollution in Trondheimsfjorden and Hardangerfjorden Study Using Soil Analysis》[10]两篇论文的发表，国际社会才逐渐重视对土壤重金属污染的研究。我国有关土壤重金属污染的研究最早可追溯到20世纪70年代，国内学者在研究日本富山县神通川流域的骨痛病过程中，将该地区土壤中的镉污染作为研究对象，总结了镉含量与病因的关系，提出镉含量标准和土壤治理的建议[11]。近年来，国内外土壤重金属污染的研究逐渐趋向定量化研究。然而，对土壤中重金属含量的分析缺乏客观、准确的评价方法[12～15]。因此，为了准确评价土壤重金属富集程度及其与土壤性质的关系，许多污染研究方法已逐渐在分析过程中被应用[16,17]。时至今日，土壤重金属污染研究已开展多年，相关文献数量也呈快速增长趋势。文献计量法以文献为基础，从定量分析出发，在文献信息计量、科学评价方面具有广泛应用[18]。基于此，本文选取2000～2021年土壤重金属污染研究相关文献，从发文量、研究热点及研究趋势、土壤重金属元素关注度、研究方法四个方面梳理国内外土壤重金属污染研究发展态势，旨在为土壤重金属污染研究与土壤资源的可持续利用提供参考依据。

2 数据与方法

本研究基于Web of Science核心合集数据库和CNKI数据库进行文献计量分析，其中CNKI数据库设定为中国学术期刊网络出版总库，两个数据库检索的时间跨度均为2000年1月1日至2022年1月1日。Web of Science核心合集数据库的检索式为“主题=(soil heavy metal pollution)OR 主题=(soil heavy metal risk)”，共检索到英文文献366篇；CNKI数据库的检索式为“主题=(土壤重金属污染)OR主题=(土壤重金属风险)”，共检索到中文文献769篇。以两个数据库检索到的1135篇文献为数据源，以两个数据库自带发文量检索功能进行发文量及其增长率的分析；运用ItgInsight软件[19]绘制关键词聚类图和研究主题热点图，对研究热点及研究趋势进行可视化分析；运用Excel统计文献中对土壤重金属元素的研究频次及不同研究方法的应用频次。

3 结果与分析

3.1 发文量变化态势

发文量在一定程度上反映了该研究领域受到关注的程度[20,21]。近22年来，中国有关土壤重金属污染研究的发文量增长率为8300%，发文量呈逐年增长态势(图1)，大致可划分为3个阶段：第一阶段在2000～2004年，为缓慢增长阶段，该阶段发文量少，发文量增长率为200%；第二阶段在2005～2015年，为迅猛增长阶段，在此期间我国开展了首次全国土壤污染状况调查，发文量增长率为680%，表明在开展土壤污染调查后，我国对土壤重金属污染研究的重视程度开始加强；第三阶段在2016～2021年，为平稳增长阶段，该阶段发文量多，发文量增长率为50%。近22年国外有关土壤重金属污染研究的发文量增长率为7700%，发文量呈逐年增长态势(图2)，大致可以分为3个阶段：第一阶段在2000～2012年，为缓慢增长阶段，该阶段发文量少，发文量增长率为700%；第二阶段在2013～2017年，为迅猛增长阶段，发文量增长率为933%；第三阶段在2018～2021年，为平稳增长阶段，该阶段发文量多，发文量增长率为95%。

图1 基于CNKI数据库历年发文量及其增长率变化态势

图2 基于Web of Science数据库历年发文量及其增长率变化态势

3.2 研究热点及研究趋势

高频关键词是归纳该研究领域相关热点问题的基础[22～24]。从CNKI数据库的相关文献关键词聚类图(图3)可以看出，高频关键词有重金属、污染评价、潜在生态风险、空间分布特征、来源分析、地积累指数、GIS、土地利用类型等，反映出土壤重金属污染研究热点以污染研究方法及农业用地、矿区土地、厂区用地三大土地利用类型的土壤重金属污染研究为主。从研究热点图看(图4)，土壤重金属污染研究的热点主要集中在重金属元素分析、基于GIS空间分析技术的土壤重金属空间分布格局与源解析，这与高频关键词的聚类结果趋于一致。从总体研究趋势看，CNKI数据库土壤重金属污染研究主要研究热点变化趋势如下：2000～2005年主要为农产品、废弃地、种植区、分析测试，研究区主要为农业区，运用分析测试的方法对土壤进行测定；2006～2010年主要为工业区、冶炼厂、沉积物、环境质量，研究区重点从农业区转变为工业区，同时研究兼顾土壤环境质量的检测；2011～2015年主要为土壤环境、质量标准、工业区、蔬菜基地、煤矸石，研究区以农业区、工业区和矿区为主；2016～2021年主要为城市功能区、质量标准、尾矿库、农用地、农产品、养殖场、农作物，研究区以农业区为主，同时尾矿库、城市功能区也成为了部分研究的研究区域。

图3 基于CNKI数据库的关键词聚类可视化图谱

图4 基于CNKI数据库的研究主题热点可视化图谱

Web of Science数据库的相关文献关键词聚类图(图5)可以看出，高频关键词有重金属、重金属污染、空间分布、有毒元素、健康风险、风险评估、采矿活动、工业源、环境污染等，反映出土壤污染研究以空间分析与来源解析为主。从研究热点图看(图6)，土壤重金属污染研究的热点主要集中在健康风险、有毒元素、基于GIS空间分析技术的土壤重金属空间分布格局、源解析等，这与高频关键词的聚类结果趋于一致。Web of Science数据库的主要研究热点随年份的变化为： 2000～2005年主要为个体间来源、农用地、暴露评估、关键成分、微量元素、检出限、造纸污泥、污染区、总金属通量，研究区主要为农业区和造纸厂，研究以分析测试和人体健康风险测试为主；2006～2010年主要为池塘底泥、影响区、耕地、粮食作物、废水灌溉土壤、快速城市化，研究区以池塘、农田、城市为主，重点分析污水灌溉后的农田土壤污染状况及对人体健康的影响；2011～2015年主要为空间分布、健康风险、平均浓度、地表土壤、有机废弃物、风险评估，研究区以工业区与农田为主，研究方法为空间分析与风险评估；2016～2021年主要为人体健康、健康风险、致癌风险、生态风险、有毒元素、重金属污染，研究区主要为农业区、工业区、矿区，研究多与人体健康风险联系。不同数据库下的关键词的聚类结果、研究热点大致相同，二者都重点关注农业区土壤与矿区土壤的相关污染研究，基于Web of Science数据库的研究趋势中出现了有毒元素、健康风险等与人体健康相关联的词，这表明国外的相关研究更加注重土壤重金属污染对人体健康的相关影响。

图5 基于Web of Science数据库的关键词聚类可视化图谱

图6 基于Web of Science数据库的研究主题热点可视化图谱

3.3 土壤重金属元素关注度

从研究频次看(图7)，土壤重金属元素Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn的研究频次在国内、外分别高于400和200，其中Pb的研究关注度最高，分别为684与332；Hg的研究频次在国内、外分别为375、148，Ni的研究频次在国内、外分别为339、223，有一定研究关注度；V、Co、Mn、Fe等元素的研究频次在国内、外均低于100，表明Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg是土壤重金属污染研究的重点。Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni、Hg主要来自大气降尘、工业废水污染灌溉、工厂排放、尾矿污染、汽油燃放、农药等。高研究频次的重金属元素可以反映出相关的重金属元素污染越来越受到人们的重视，这些元素将逐渐成为科研工作者研究的重心。

图7 文献中主要土壤重金属元素研究频次

3.4 土壤重金属污染研究方法

从应用频次看(图8)，国内外应用最广泛的研究方法[25]为单因子污染指数法，应用频次在中国和国外研究中分别为592、262，单因子污染指数法可反映每一个评价因子的污染程度，便于各污染因子之间的比较分析[26]，从而可以快速判断出土壤环境的主要污染因子。在CNKI数据库中使用较多的研究方法为内梅罗综合污染指数法，应用频次为517，潜在生态危害指数法、地积累指数法、GIS空间分析技术[27～31]应用频次分别为243、147、269，内梅罗污染指数是一种通过单因子污染指数得出的综合性污染指数，该方法兼顾单个元素污染指数平均值和最大值，反映了多种污染物质对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响[32,33]。在Web of Science数据库中，潜在生态危害指数法、地积累指数法、GIS空间分析技术、内梅罗综合污染指数法、人体健康风险指数法应用频次为232、169、210、150、59。人体健康风险指数法在国外研究中多次应用，其内容主要包括估算污染物进入人体的数量、评估计量与负面健康效应之间的关系。这种结果说明国外的土壤重金属污染研究对于研究方法的选择更加多样并重视人体健康与土壤重金属污染的关系[34,35]。

图8 文献中土壤重金属污染研究方法的应用频次

4 结论与展望

从土壤重金属污染研究发文量看，近22年国内外有关土壤重金属污染研究的发文量呈逐年增长态势，增长率在7700%～8300%间。

从土壤重金属污染研究热点看，土壤重金属的空间分布特征与源解析是当前国内外土壤重金属污染研究热点，国外研究更加注重土壤重金属污染与人体健康的关系。

从土壤重金属元素关注度看，国内外主要研究重金属元素为Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Hg和Ni，各个元素在国内外研究总频次超过500，其他重金属元素研究较少。

从土壤重金属污染研究方法看，单因子污染指数法是国内外污染研究的主要选择。此外，基于CNKI数据库的文献主要应用内梅罗综合污染指数法；基于Web of Science数据库的文献主要应用潜在生态危害指数法、地积累指数法、污染负荷指数法等，在人体健康与土壤重金属污染研究中则更多采用人体健康风险指数法。

土壤对人类的生存和发展意义重大，但过度的人类干扰会导致土壤重金属累积到有毒水平，从而对人体健康造成巨大风险，最终影响区域自然资源的可持续利用。现阶段的研究对单种土壤重金属元素污染的评价研究方法较成熟，而多种土壤重金属对土壤协同污染评价研究方法研究；此外，国内研究较缺乏重金属对人体健康的评价，未来应逐步增加污染土壤的人体健康风险评价，更多关注重金属的毒性效应和致癌机理，有效指导土壤污染风险评估工作。

社会对土壤重金属污染认识逐渐深入以及人们环境保护意识的加强，对预防土壤污染以及土壤污染治理的工作也就提出了更高的要求。未来政府需完善废水排放、矿产开采等活动的监察工作，确保土壤不受到污染或只受到最低程度的污染；学术界要加强土壤污染治理的研究工作，开创治理效率高且副作用小的污染治理方法；社会各界应继续强化环境保护的意识，减少工作、生活对土壤的污染，提高土壤质量，实现对土壤的合理利用与保护。