基于WOS 的重金属污染土壤钝化修复研究文献计量分析

李 瑞 丁茂文 费维新 张付贵 朱宗河 周可金 余 燕

（1安徽农业大学农学院，安徽合肥 230036；2安徽省农业科学院作物科学研究所，安徽合肥 230031）

土壤是人类赖以生存和发展的重要资源，当前土壤重金属污染已成为制约作物产量和品质、人类健康和生态安全的关键因素之一。其中工农业活动是土壤重金属污染的主要污染源之一[1]。重金属进入土壤后具有隐匿性、持久性、难降解性和生物累积特性，危害性大且治理困难[2]。研究发现，重金属污染不仅会通过改变土壤微生物群落的结构与活性导致土壤退化[3]，还会通过阻碍养分吸收、干扰植物代谢过程及破坏细胞结构等抑制植物生长，最终导致作物减产[4]。研究发现，重金属可通过食物链富集进入人体可能引发各种疾病，威胁人类健康[5]。因此，污染土壤修复技术的研发和应用尤为迫切。

目前，用于重金属污染土壤的修复技术较多，其中钝化修复技术作为一种经济高效的原位修复技术备受关注[6]。钝化修复的原理主要是通过向土壤中添加钝化剂，改变重金属在土壤中的存在形态，降低其生物有效性和生物毒性，最终减少作物中重金属的积累，从而保障粮食安全[7-9]。该项技术因成本低、操作简单、无破坏性且效果显著得到广泛研究。基于统计学和数学的文献计量学理论和方法，可定量化分析具体学科领域的研究内容、特点、方法与热点，探究其发展现状与趋势。因此，本文运用可视化分析软件CiteSpace、VOSviewer 及Web of Science（WOS）自带分析工具，以“Heavy metal contaminated soil passivation”为主题词，基于2000—2021 年WOS核心库中土壤重金属污染钝化修复相关的文献进行知识图谱分析，旨在直观清晰地展示该领域的研究态势与趋势，为今后相关研究提供视角，为科学利用钝化剂进行污染农田修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究对土壤重金属钝化相关文献进行分析。数据库选择Web of Science核心合集，引文索引选择Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED），主题词为（soil or agricultural or farmland or cropland）and（heavy metal）and（amendment or immobilization or stabilization）not（phytoremediation or phytoextraction or bioremediation），时间跨度为2000 年1 月1 日至2021年12月31日，文献类型选择“论文”，语种选择“English”，选取与主题密切相关的4 845篇文献进行分析，每篇文献包含题目、作者、研究机构、关键词、发表年份和发表期刊等。

1.2 研究方法

利用WOS 自带分析软件、Citespace 以及WPS Office 软件对检索出的文献进行整理统计，利用Origin2021进行绘图。

2 结果与分析

2.1 发文数量

由图1 可知，2000—2021 年该领域发文数量整体表现为明显的上升趋势。年发文数量变化情况大致可分为2个阶段：（1）2000—2013年土壤重金属钝化研究领域相关文献发表量总体呈缓慢上升趋势，个别年份出现小幅波动，总发文量1 412篇；（2）2014—2021年该领域年发文数量快速上升，2021年达到最高的709 篇，这一阶段发文数量占总发文量的70.86%。

图1 土壤重金属钝化领域年发文数量趋势

2.2 文献来源分布

由表1可看出，前5种期刊的发文量为1 259篇，占发文总量的26.99%，发文量超过200 篇的期刊有Environmental Science and Pollution Research、Chemo-sphere、Journal of Hazadous Materials和Science of the Total Environment，发文量依次为304、268、264 和258篇，远高于其他期刊，处于领先地位。对上述期刊多加关注，可快速了解全球土壤重金属钝化领域的研究发展方向。

表1 土壤重金属钝化领域发文数量前十的期刊

2.3 论文基金资助来源

基于Web of Science 数据库检索到的有效文献均有基金项目支撑。论文基金资助项目主要有国家自然科学基金、国家重点研究与发展计划和中央高校基础研究经费等（表2）。排名前十的基金资助项目均为国家级基金项目，表明国家级基金资助项目是土壤重金属钝化领域研究的主要资助来源之一。其中，国家自然科学基金资助的论文总数为1 062 篇，论文数量远超其他基金资助，相关数据也反映出重金属污染是土壤健康的主要限制因素之一，受到了高度重视。

表2 土壤重金属钝化领域论文基金资助前十的项目

2.4 发文国家分布

从表3可看出，中国、美国、西班牙、印度、巴基斯坦、韩国、澳大利亚、意大利、波兰以及英国在该领域的发文量居前10 位，其中中国发文量为1 930 篇，表明中国在土壤重金属钝化领域研究占据重要地位。

表3 土壤重金属钝化领域发文量前十的国家

2.5 土壤重金属钝化研究热点

从表4 中可以看出，高频关键词分别是重金属（heavy-metals）、固定（immobilization）、镉（cadmium）、改良剂（amendments）、修复（remediation）、有效（lead）、土壤（soil）、生物利用度（bioavailability）、生物炭（biochar）和吸附（absorption）。研究热度最高是镉，其次是锌、铅等重金属[10-12]。目前常用修复方式是在土壤中施入诸如生物炭之类的钝化剂来降低重金属的生物有效性，将其固定在土壤中减少作物的吸收积累[13]。中心度较高的关键词之间存在交叉关系，表明土壤重金属领域研究需要不同学科之间的相互配合。

表4 土壤重金属钝化领域出现次数前十的关键词

2.6 发文作者分布

由表5可知，发文量超过40篇的作者共有4位，分别是Ok Y、Wang L、Wang Y和Tsang D。

表5 土壤重金属钝化研究领域发文量排名前十的作者

2.7 发文机构分布

从发文机构来看（表6），中国科学院为发文量最多的研究机构，其次为中国农业科学院农业农村部环境保护科研监测所和中国科学院大学，表明高校及科研院所是现阶段土壤重金属钝化研究的主力并且取得了较为丰硕的成果，在跨机构研究方面，少数研究机构间需要加强相关知识与科研成果的共享。

表6 土壤重金属钝化研究领域发文量排名前十的机构

2.8 重金属钝化研究前沿演进

从表7 可看出，2000—2015 年期间，“溶解度（solubility）”“羟磷灰石（hydroxyapatite）”“提取性（extractability）”以及“生物固体（biosolid）”突现词大量出现，表明2000—2015年的研究主要利用矿物残渣或其合成产物，特别是羟磷灰石进行污染土壤重金属钝化处理，其机制主要是降低土壤中重金属的溶解度，减少作物的吸收，降低生物毒性。评价钝化剂的重要标准之一是调控重金属提取性的能力[14-16]。研究表明，一些修复能力强的钝化剂，如羟磷灰石等存在抑制作物生长、合成纯化物难和成本高等不足，需要寻求成本低、环境友好的新型钝化剂[17-18]。生物固体堆肥也被纳入新型钝化剂的范畴之中，其在降低金属的生物有效性的同时增加土壤养分含量，保障作物的正常生长[19]。2016—2018 年期间，“China”关键词突现度高，表明我国科研工作者在该领域取得了丰硕的科研成果。2019—2021 年期间，“生物炭（biochar）”和“纳米零价铁（zero valent iron）”表现出较高的突现度。生物炭来源广泛且成本低，可直接络合重金属离子，有效改善土壤团粒结构，增加微生物群落结构的丰度和功能性微生物的数量来应对土壤重金属胁迫[20]。纳米零价铁存在易氧化、电子选择性差等缺点，难以大规模应用[21]，一般作为装载物用于凹凸棒石以及生物炭等材料的改性。其根据氧化还原电位吸附或者络合沉淀重金属离子，甚至可阻断作物根尖细胞对重金属的吸收[22]。

表7 土壤重金属钝化研究突现节点词汇

3 结论与讨论

重金属是影响土壤健康与作物生长的重要因素，本文以重金属污染土壤钝化修复领域文献计量数据为基础，利用文献计量软件CiteSpace 和VOS-viewer 对2000—2021 年间相关文献进行可视化分析，主要得出如下结论。

（1）2000—2021 年土壤重金属钝化全球发文量呈现上升趋势，科研机构及研究人员是相关研究的主要力量，其研究成果被国际权威期刊认可。目前重金属土壤钝化修复的重点之一在于不断探索新型钝化剂的修复效果及机理。

（2）目前土壤重金属钝化研究主要集中在镉、锌和铅等金属的修复，钝化剂的选择以及钝化机理的研究等方面。关于钝化材料对多重土壤重金属污染的修复效果研究较少，生产中污染土壤多为多种重金属综合污染且修复效果易受土壤理化性质以及其他环境因素的影响，需继续探索广谱性钝化新材料。

（3）全球土壤重金属钝化领域论文整体受资助情况良好，国家级基金是土壤重金属钝化研究领域的主要资助来源之一，其中，中国国家级基金资助占比最高，表明我国高度重视土壤重金属污染治理研究，投入较多的资金用于研究加强修复污染土壤等，以保障农业生产安全。