近十年国内外土壤重金属钝化改性材料研究的 文献计量分析

王颖南，王 平，绳琳琳，黄占斌

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083)

1 前 言

近年来，城市化、工业化、矿山开采的快速发展，导致每年有大量重金属通过“三废”排放等途径进入土壤与水体[1]，并通过食物链对人体健康造成损害。土壤重金属污染治理的技术途径，一是削减土壤重金属总量，二是削减有效态重金属的含量。目前土壤重金属污染的处理方法有物理、化学和生物法等[2]，其中向土壤中添加重金属钝化材料因具有操作简单、成本低等特点而成为工程应用的主要技术选择[3]。为了提高土壤重金属钝化材料的吸附性能，常对材料进行改性处理[4]。目前，改性方法主要有对材料表面进行物理改性、添加功能官能团的化学改性等[5]，为了较全面了解土壤重金属钝化改性材料的研发和应用进展，本文对该领域的国内外文献进行计量分析。

文献计量学是探讨科学技术某些特征和规律、用以确定专题文献研究热点、发展方向等全局性的方法[6]。目前，文献计量学以其显著的客观性、定量化、模型化的宏观研究优势，已广泛应用于环境工程、土壤学和新能源等领域[7]，如刘志慧等[8]基于中国知网(CNKI)对1994～2019年发表的“3S”(remote sensing，global position system，geographic information system)技术文献进行分析，得出目前“3S”技术主要服务于土地、林业、生态等领域，并提出了该领域存在的问题；李昂等[9]基于CNKI对我国镉污染土壤钝化技术文献进行分析，发现近年来发表相关文献的数量呈指数增长趋势，高等院校和科研院所对生物炭、石灰和海泡石的研究较多。因此，将文献计量分析应用在重金属钝化改性材料方向，可对该领域材料的研发进行精准地描述、评价与预测，以期为相关领域的研究人员提供参考。

2 材料与方法

为了保证数据的代表性与权威性，国际和国内文献检索分别选择Web of Science核心合集数据库(WOS)和CNKI数据库。WOS数据库全称“Web of Science”是全球最大、国际公认的反映科学研究水准、覆盖学科最多的综合性学术信息资源库。CNKI数据库包括中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文和中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文和国际会议论文全文数据库。WOS数据库中高级搜索以公式TS=((heavy metal AND soil)AND modified)，获得文献3054篇。CNKI数据库中以“重金属”、“改性”和“土壤”为主题词进行检索，获文献638篇。

文献发表时间选定为2011年1月1日～2020年12月31日，对检索的文献从年度发文量、主要发文国家、发文类型、Top10高被引论文、发文量Top10期刊、Top10研究机构、改性方法、基金资助和研究机构分布进行分析，将符合要求的文献导入NoteExpress数据库中，利用EXCEL2010软件处理数据，同时利用VOSviewer软件对WOS、CNKI数据库进行热点分析。

3 结果与分析

3.1 年度发文量

发文量在一定程度上反映出该研究领域的受关注程度和发展趋势[10]。图1表明2011～2018年英文发文量呈上升趋势，尤其是2017年开始，发文量呈倍数增长。中文发文量2011～2017年呈稳定增长，2018年出现最大发文量，这和2016年“土十条”颁布、土壤污染及其修复逐渐受到民众的关注有关；2019～2020年CNKI发文量减少可能是由于检索时间较早(2021年8月)，部分最新期刊尚未录入数据库导致的。发文量变化趋势从侧面反映出国内外对于土壤重金属钝化材料的关注与需求。

3.2 主要发文国家

发文量反映出一个国家/地区的基础研究水平、科研实力和国际学术地位等[11]。2011～2020年土壤重金属钝化改性材料发文量Top10国家/地区如表1所示。可以看出，中国的发文数量远高于其它国家与地区，侧面印证了我国土壤修复行业的快速发展。另一方面，澳大利亚均篇被引频次最高，主要原因是其国土75%属于干旱半干旱地区，土壤酸化、盐碱化问题严重，同时矿产资源丰富，大片地面经过长期风化淋滤，部分地区土壤重金属污染问题严重；其次，澳大利亚对土壤污染问题较为重视，早在20世纪70年代就颁布了诸如《土地委员会法》和《土地和环境法院法》等法律，因此在土壤重金属钝化改性材料领域的研究较为领先。H指数(h-factor)代表高被引次数，表明论文的影响力[12]。我国H指数为85，位列首位，而均篇被引频次我国仅排第五，说明我国虽然发文量多，但文章质量整体有待提高。

表1 2011～2020年土壤重金属钝化改性材料发文量Top10的国家/地区

3.3 热点分析

通过关键词分析可直观反映该领域热点与前沿，关键词出现频率表明其受关注程度[13，14]。热点图谱中圆圈越大，表示其活跃程度越高，距离越近则表示两者间关系越密切。基于WOS数据库对关键词热点分析(图2)表明，近年来国外对重金属Cd2+、Pb2+、Cr3+研究较集中，土壤重金属与植物关系密切，说明重金属污染土壤的生物有效性是研究重点。

图2 2011～2020年Web of Science数据库中土壤重金属钝化改性材料研究热点知识图谱

3.4 文献类型

文献类型分析如图3和图4所示，英文文献主要以研究性论文(artical)为主，占比达到74.04%，相比学位论文，研究性论文具有严谨、数量大等特点[15]。国内文献主要以学位论文为主，优秀硕、博学位论文占比达到64.82%，学术期刊论文仅占30.62%，不足英文研究性论文的1/2。以上研究表明，国内外对于土壤重金属钝化改性材料的关注点并不相同。

图3 2011～2020年Web of Science数据库土壤重金属钝化改性材料的发文类型

图4 2011～2020年CNKI数据库土壤重金属钝化改性材料的发文类型

3.5 Top10高被引论文

高被引论文可系统、清晰地反映不同国家/地区科研实力、学术水平和学科发展动态。表2和表3分别列出了国内外被引频次排名前10的文献及其平均引用次数、第一作者、所在国家/地区、文献来源。英文Top10高被引论文中，中国作者Zhao等的论文“Few-layered graphene oxide nanosheets as superior sorbents for heavy metal ion pollution management”被引频次最高[16]。高被引的主要原因是该文以石墨为原材料改性并制备生成石墨烯，并对重金属Cd和Co进行吸附研究[16]，介绍试验方法并对试验结果进行系统性总结分析，具有较高科学探索和实用价值。Top10高被引论文中，中国作者达5位，说明我国在该领域部分研究已处于国际领先。国内而言，王林发表的论文“Effect and mechanism of immobilization of paddy soil contaminated by cadmium and lead using sepiolite and phosphate”被引频次最高[17]。Top10高被引论文中，关于生物炭文章达5篇，可见生物炭在土壤重金属钝化改性材料方面占据着较为重要的地位。

表2 2011～2020年Web of Science数据库中土壤重金属钝化改性材料的Top10高被引论文

表3 2011～2020年CNKI数据库中土壤重金属钝化改性材料的Top10高被引论文

3.6 改性方法与土壤重金属污染类别

为提高材料对土壤重金属钝化能力，一般会对材料进行改性处理，主要改性方法有表面物理改性、表面化学改性和负载改性等[5]，而重金属类别一定程度上反映出土壤受重金属污染的现状。2011～2020年中文文献改性方法与重金属污染类型统计结果如表4和图5所示。

表4 2011～2020年CNKI数据库中土壤重金属钝化改性材料的改性方法

图5 本研究检索的CNKI数据库中重金属文章中不同重金属种类占比与数量

由表4看出，针对土壤重金属钝化材料的改性，目前使用最多的是铁基改性方法。铁基改性主要包括零价铁改性、FeCl3改性和Fe3O4改性等。一般情况下，负载金属改性主要是利用材料的吸附性和氧化还原性，使得材料表面活性位点和酸性官能团数量增加，从而增强对重金属离子的吸附和氧化还原性能[36]。除铁基改性外，巯基、羟基与酸改性都是较为常见的改性方法。

由图5可以看出，我国目前针对土壤Cd污染的研究较多，占总文章数的41.57%，这与我国土壤重金属污染类型有关。据国务院生态环境部发布的《2020中国生态环境状况公报》[37]显示，影响农用地土壤质量的主要污染物是重金属，其中镉为首要污染物。此外，铅、铬、砷污染土壤发文量占总发文量的17.34%，10.93%，9.50%，上述重金属可对人体神经和肾脏造成损伤且不易被排除体外。

3.7 发文量Top10期刊及影响因子

期刊发文量与影响因子在一定程度上可以反映期刊在该研究领域的影响力及学术水平。影响因子是指该刊近2年所有文章被引用总次数与所发文章总数的比值，是我国评定期刊影响力的一个重要指标[38]。CNKI和Web of Science发文量Top10期刊统计结果如表5和表6所示。中文发文量Top10期刊中，前3期刊分别为《农业环境科学学报》、《环境科学》和《环境污染与防治》，占总发文量10.35%，其中《环境科学》影响因子最高，复合影响因子与综合影响因子分别为3.58和2.42。

表5 2011～2020年CNKI数据库中土壤重金属钝化改性材料的中文发文量Top10期刊

表6 2011～2020年Web of Science数据库中土壤重金属钝化改性材料的英文发文量Top10期刊

英文发文量前10期刊中，前3的期刊分别为EnvironmentalScienceandPollutionResearch，JournalofHazardousMaterials和ChemicalEngineeringJournal，占总发文量的15.27%，影响因子分别为4.31，10.13和11.53。英文Top10期刊中有7个期刊属Q1分类，表明土壤重金属钝化改性材料研究受重视程度较高。

3.8 基金资助与研究机构

国内外发文量前10的机构如表7所示。英文文献发文量前10机构中，有6个机构来自中国，发文量最多机构为中国科学院，占总发文量5.50%。表明我国对土壤重金属钝化改性材料重视程度较大。中文文献发文量最多的机构是西北农林科技大学，占国内总发文量的5.49%，排名前10的机构均为高等院校，表明我国科研院所在该领域占据主导地位。

表7 2011～2020年Web of Science与CNKI数据库中土壤重金属钝化改性材料发文量Top10机构

从支撑基金可看出国家对各研究领域重视程度。由表8可知，发文量排名前4的基金均为国家基金项目，综合占比超过90%，这也充分说明了土壤重金属污染的相关研究得到国家层面的关注。

表8 2011～2020年CNKI数据库中土壤重金属钝化改性材料发文量Top10基金

4 结 论

本研究基于Web of Science和CNKI数据库，对2011～2020年这10年有关土壤重金属钝化改性材料的中英文文献计量分析发现，国内外年发文量自2017年开始快速增加，我国在该领域发文量最高，但均篇被引频次较低。我国研究的改性材料主要为生物炭、纳米零价铁和壳聚糖等，改性方法主要为铁基改性、巯基改性、羟基改性等，土壤重金属钝化种类主要为镉、铅、铬等。国际上发文量前10机构中，我国占比超过一半，国内排名前10的机构均为科研院所，说明我国科研院所在该领域占据主导地位。

总体来说，我国在土壤重金属钝化改性材料领域占据优势地位，但主要存在以下问题：

(1)我国关于土壤重金属钝化改性材料方向发文量较多，但文章质量整体有待提高。

(2)实际土壤污染中存在多种重金属污染共存的情况，材料钝化对阳离子、阴离子或者某种重金属的针对性较弱，存在钝化某一种重金属的同时增加其它类型重金属迁移的风险。

(3)改性材料偏重钝化功能，却忽视了生产成本或材料的环保性等因素，产业化实际应用较少。

对此，建议加强土壤重金属钝化机理和改性方法的研究；加强对改性材料的功能性、经济性和环保性的综合评价，达到相关的应用标准；加强矿产等废弃物材料资源再生和改性研发，研发阳离子、阴离子或某种重金属钝化专用性的改性材料，提升我国在土壤重金属钝化改性材料研发方面的实际应用性；在发表文献方面，不断提升研究生论文质量的同时，加强期刊论文的发表数量和质量。