淡水中微塑料研究热点及趋势

赵国强,邓舒美,朱 翔,谢 梅,谭奕宏,赵 利,江 勇*

(1. 江西科技师范大学生命科学学院,330013,南昌; 2. 江西省鄱阳湖水文生态监测研究重点实验室,330002,南昌; 3. 信江饶河水文水资源监测中心,333000,江西,景德镇)

0 引言

塑料因其可塑性高、成本低廉、耐腐蚀等特点,在全球范围内得到广泛应用。然而,塑料的高使用率、低回收率和难降解等问题致使其在环境中大量积累[1]。环境中的塑料经物理、化学和生物形式降解为粒径较小的塑料,而粒径小于5 mm时被称为微塑料[2]。根据微塑料的来源不同,可将其分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指工业中有目的制造的塑料制品,如洗面奶等个人洗护用品中起磨砂作用的微珠及用于制造其他塑料制品的工业原料。次级微塑料是指大块塑料经多种形式降解而形成的塑料,其可能来自于塑料袋、饮料瓶、薄膜、渔网及绳索等。

尽管淡水环境是多种水生生物的栖息地和人类生产活动的重要资源,但以往微塑料污染研究主要集中于海洋环境,鲜有针对淡水环境。然而,塑料的生产和消费主要发生在陆地等淡水环境中,有研究估计每年向陆地排放的塑料是向海洋排放塑料的4～23倍[3],淡水中微塑料丰度(6 829 items·m-3)明显高于海水中微塑料丰度(1 320 items·m-3)[4]。此外,微塑料污染在河口地区尤为严重[5-6],这表明陆地淡水河流输入是沿海和海洋环境中微塑料的重要来源。因此,全面了解淡水中微塑料的研究现状、热点和趋势是尤为必要的。

文献计量分析是一种评价和全面了解当前研究成果的方法,以其定性和定量分析的优势成为衡量科学进步不可或缺的工具[7]。近年来,Citespace、VOSviewer和Bibliometrix等统计分析工具已被应用于多个学科[8]。然而,过去的研究往往只采用一种或两种文献计量工具,未能发挥出多种计量工具各自的优势。例如,Citespace采用的突现检测算法适用于新兴的前沿研究[9];VOSviewer的关键字聚类及密度视图功能可以准确揭示研究领域的热点[10];Bibliometrix是一款依赖于R语言的软件包,在数据挖掘和可视化方面具有巨大优势[11]。此外,近年来淡水中微塑料研究作为微塑料研究的新兴趋势,相关研究呈爆发式增长,及时了解该领域的研究热点和前沿对于研究人员是至关重要的。

本文使用多种文献计量工具及数据可视化工具,对2007年至2022年淡水中微塑料相关文献的发文量、作者、国家/机构、期刊和关键词进行可视化分析,以梳理淡水中微塑料研究的现状与发展历程,归纳其研究的热点和前沿,为相关领域的研究人员探索创新提供参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

检索日期为2022年11月2日,使用WOS数据库,检索式:TS=(( freshwater OR “surface water” OR river OR wastewater OR sewage OR lake OR estuary OR reservoir ) AND( microplastic* OR nanoplastic* )),检索类型为article和review,选择“web of science核心合集”,时间范围为2004年至2022年,语种为English。

1.2 数据筛选

两名筛选人员分工合作,一人负责筛查,另一人负责审核,筛选标准为:

1)对于涉及到生物的相关论文,查询该生物的栖息地,判断其是否属于淡水环境;

2)鉴于淡水中微塑料研究许多技术和理念来源于海洋环境,为保证数据的全面性,保留研究内容同时涉及淡水环境和海洋环境的论文。

从WOS中以纯文本格式(.txt)导出,记录内容为“全纪录与引用的参考文献”,共导出2 987条文献信息。

1.3 研究方法

使用Citespace 6.1.R2进行关键词突现分析,时区选择2007年至2022年,时间间隔为1年,采用Pathfinder剪枝方式;使用VOSviewer生成作者合作网络图谱并进行关键词聚类分析;使用Origin 2021对发文量、总引用数、平均引用数和H指数等进行统计和绘图;使用Scimago graphica绘制发文量前30的国家间的合作图谱和聚类分析图。

2 结果与讨论

2.1 发文量分析

年度发文量能反映研究领域的发展阶段。本文对2007年到2022年淡水中微塑料研究发文量和总引用数进行统计(如图1)。结果表明,淡水中微塑料研究共分为2个发展阶段:微塑料研究最早开始于海洋环境中[2],Browne则是淡水中微塑料研究较早的学者之一[12]。2007年到2013年是淡水中微塑料研究的初始阶段,该阶段发文量较少,7年间总发文量仅为7篇,主要关注于海洋环境中微塑料研究。2014年到2022年为淡水中微塑料研究的爆发阶段,该阶段发文量呈指数增长,8年间共发文3 014篇,总引用数为128 936。这与姜懿真等[13]研究结果基本一致,表明从2014年起淡水中微塑料研究受到全球研究者越来越多的关注。

图1 淡水中微塑料的年度发文量和年度总引用数

2.2 作者分析

表1中总结了淡水中微塑料研究发文量前10的学者,并对其发文量、总引用数、平均引用数、H指数、所在机构和国家进行统计,以便对该领域的顶尖学者有更全面的了解。排名前10的学者中,中国占4位,加拿大、澳大利亚、德国、巴西、荷兰和意大利各占1位。其中,Shi Huahong和Wang Jun的发文量均为28篇,其次是Rochman,Chelsea M(25篇)。总引用数排名前3的学者分别为Shi Huahong(3 955)、Li Daoji(2 582)和Wang Jun(2 121),同时其平均引用数均位居前3。H指数[14]是一种简单而有效的文献计量指标,被用于评估研究人员的学术产出数量与水平。H指数的计算是基于作者的论文数量及论文被引用次数,可表述为“有H篇论文被引用了不少于H次”。H指数排名前3的作者分别为Shi Huahong、Wang Jun和Rochman Chelsea M。综上,华东师范大学的Shi Huahong、华南农业大学的Wang Jun、华东师范大学的Li Daoji和多伦多大学的Rochman Chelsea M是淡水中微塑料研究的领军人物。

表1 发文量前10的学者

同时根据普赖斯(Price)提出的核心作者计算公式:

(1)

式中,Nmax为最高产作者的发文量,M为核心作者发文量的最小值。发文量高于N的作者被称为核心作者。

最高产作者Shi Huahong的发文量为28,M=3.963,发文量≥4的作者被称为该领域的核心作者,统计结果表明,2007至2022年间在淡水中微塑料研究领域的核心作者共719人,占总作者的6.90%。

图2展示了作者网络合作图谱,每个节点代表一个作者,节点大小反映合著出版物的数量。节点之间的连线代表作者间的协作关系,连线越多表示作者之间协作关系越密切[15]。相同的颜色表示同一个聚类,即同一个合作集群。图2显示出多个密切合作的作者群,例如Shi Huahong和Rochman Chelsea M,及Ni bingjie、Dong Bin和Dai Xiaohu等。此外,多个作者节点的连线较多,不同合作集群之间联系较为紧密,表明淡水中微塑料研究存在较为广泛的合作。

图2 VOSviewer生成的作者合作网络图谱

2.3 国家/机构分析

一般而言,发文量反映出一个国家对某一领域的重视程度。由图3(a)和3(b)可看出,中国在淡水中微塑料领域的发文量、总引用数和H指数均位居第一。其中,中国以989篇文献遥遥领先,占总发文量的32.74%,其次是美国(337篇)和德国(245篇)。与Yao等[16]在2020年所做研究相比,中国已经超过美国成为该领域发文量的第一。然而,在平均引用数方面,英国以83.72位居第一,其次是美国(66.56)和澳大利亚(62.68),中国(40.84)仅排第7。从图3(b)可看出,中国在淡水中微塑料领域研究起步较晚,但随着时间的推移,发文量呈明显上升趋势,且所占比例越来越高,这反映了中国在该领域的研究力量不断增强。

图3 ( a) 发文量前10国家的平均引用数、H指数和总引用数;(b) 2007—2021年发文量前10国家的年发文量及中国的占比;(c) Scimago graphica和VOSviewer生成的发文量前30国家合作网络图谱;(d) 发文量前10机构的发文量、平均引用数、H指数和总引用数;(e) 发文量前30个国家的地理位置分布和聚类

图3(c)展示了淡水中微塑料研究发文量前30的国家间的合作图谱。图中节点大小代表发文量的多少,节点越大发文量越高。节点间的连线代表两个国家间存在合作关系,颜色深浅则反映国家间合作关系的强弱,颜色越深合作关系越紧密。在图3(c)中,各个国家之间的连线较多,表明淡水中微塑料研究中各个国家间合作较为紧密。特别是中国与多个国家的连线较多且颜色较深,表明我国与其他国家存在紧密的合作关系。图3(e)表示发文量前30个国家在地理位置上的分布和聚类,颜色相同的国家被归为同一个合作集群。由此可以看出,淡水中微塑料研究的国家间合作与其地理位置存在较大关联,基本分为3个集群:中国、日本、印度等亚洲国家及澳大利亚为一集群;加拿大、美国、巴西等美洲国家及葡萄牙划分为另一集群;德国、西班牙、意大利等欧洲国家构成第三类群。

为深入探讨不同国家的各个机构在淡水中微塑料研究所做的贡献,图3(d)列举了在该领域发文量最高的10个机构。其中,中国占据了5所,法国占2所,德国、意大利和荷兰各占1所。中国科学院(191篇)发文量最高,占比6.33%,其次是中国科学院大学(97篇)和华东师范大学(76篇);总引用数和H指数与各机构发文量基本呈正比;在平均引用数上,荷兰瓦格宁根大学(100.28)排名第一,其次是华东师范大学(93.87)和中国科学院水生生物研究所(83.14)。

2.4 期刊分析

统计分析淡水中微塑料研究在期刊上的分布,有利于科研人员选择最佳的期刊发表其研究成果。对WOS数据库中导出的3 016篇文献进行统计分析,列出发文量前10的期刊的总引用数、平均引用数、H指数、JCR分区及影响因子(IF)等信息(表2)。排名前十的期刊共发表了1 780篇文章,占总数的59.02%。其中,Science of the Total Environment发文量最高,为高产期刊(467篇),占比15.48%,其次是Environment Pollution和Marine Pollution Bulletin,占比分别为9.58%和7.79%。总引用数最高的前3本期刊分别为Science of the Total Environment,Environment Pollution和Marine Pollution Bulletin。Environmental Science &Technology和Water Research的平均引用数位居前两位,分别为114.67和104.72。根据H指数,排名前3的期刊分别为Science of the Total Environment(79),Environment Pollution(77)和Marine Pollution Bulletin(57)。发文量前10的期刊的IF在3.53到14.224之间,表明淡水中微塑料领域期刊的权威性差异较大。IF排名前三的期刊分别为Journal of Hazardous Materials(14.224),Environmental Science &Technology(11.357)和Science of the Total Environment(10.754),其他期刊影响因子均在10分以下。综合多个指标显示,Science of the Total Environment,Environmental Pollution和Marine Pollution Bulletin是淡水中微塑料研究领域的活跃期刊。

表2 淡水中微塑料研究发文量前10的期刊

2.5 关键词分析

关键词是文献核心思想及内容的浓缩与提炼,通过对关键词进行频次、共现、聚类和突现分析,能够掌握研究领域的热点与演进路径。

2.5.1 关键词频次和共现分析 关键词的出现频次和共现能够反映出研究领域的研究热点。使用Bibliometrix对淡水中微塑料领域前30个出现频次的关键词进行统计,以行方向标准化处理后,绘制出关键词与发文时间分布热图(图4(a))。此外,使用VOSviewer生成该领域研究的关键词共现图(图4(b)),节点大小表示关键词出现频次,相同颜色的节点代表相同聚类。结果表明,“微塑料”(microplastic)、“污染”(pollution)、“淡水”(freshwater)、“沉积物”(sediment)、“碎片”(debris)、“摄食”(ingestion)、“微珠”(microbeads)等关键词在该研究领域中出现较早,且随着时间推移出现频次越来越高。“微塑料”(1 756)、“污染”(405)、“淡水”(346)、“沉积物”(197)和“污水处理厂”(178)为出现频次前5的关键词。

图4 (a)关键词频次热图;(b)关键词聚类图

2.5.2 研究热点分析 关键词聚类分析能够揭示出研究领域的热点主题。通过对关键词聚类结果进行汇总,可将淡水中微塑料研究的热点主题概括为5个方面,即“微塑料的吸附、来源和降解”“微塑料鉴定”“微塑料在淡水环境中的污染”“微塑料在生物体内的累积”和“微塑料的毒性作用”(表3)。其中,聚类1、聚类4和聚类5揭示了微塑料的生物毒性作用。聚类1重点关注于微塑料吸附有害物质(如重金属、有机污染物等)充当载体,进而造成“特洛伊木马”的毒性效应;聚类4表明微塑料因自身特性可在动植物乃至人体内长期累积,进而产生长期的毒性效应;聚类5揭示了生物体通过直接接触、呼吸和摄食等方式暴露于微塑料中,尤其是纳米塑料,从而引起生物行为异常、氧化应激、炎症反应等毒性效应。同时,聚类1还总结了对污水处理厂作为微塑料在淡水环境中最大来源之一中微塑料的老化降解反应;聚类2则详细概述了环境中微塑料定性和量化的方法;聚类3主要研究了淡水环境中微塑料的丰度和分布,明确了淡水环境中微塑料污染的程度,进而揭示了淡水中微塑料的成因和污染现状。

表3 淡水中微塑料的热点主题

表4 淡水中微塑料研究的突现关键词

2.5.3 研究趋势 使用Citespace的Burst Detection Algorithm算法提取出某段时间内频次快速增加的关键词,以此确定为该领域的研究前沿[17]。突现强度越高表明在某段时间内研究人员对其研究兴趣急剧增加,突现历史距离越近可被视为该领域的研究趋势。如表5所示,列举了在淡水中微塑料研究的突现关键词。其中,累积(accumulation)、海洋环境(marine environment)、碎片(debri)和清洁剂(cleanser)等关键词出现的时间较早且时间跨度均在5年以上,这表明微塑料研究最高开始于海洋环境中,多研究微塑料累积、分布等方向,且长期受研究者的广泛关注;紫贻贝(mytilus edulis)、摄食(ingestion)、浮游动物(zooplankton)和持续性有机污染物(persistent organic pollutant)、劳伦森大湖(laurentian great lake)等为2014到2018年间出现的高突现性关键词,这表明该阶段微塑料研究主要转向淡水环境(水体、沉积物和生物)中微塑料空间分布、微塑料与持续性有机污染物的吸附及微塑料毒性(斑马鱼、贻贝和浮游动物等)的研究;合成聚合物(synthetic polymer)、支流(tributary)和纺织品(textile)是近3年出现在文献中的突现性关键词,可被视为淡水中微塑料研究的新兴趋势。这些关键词表明,研究人员对偏远地区和特殊地理条件中微塑料污染及纺织品洗涤释放的纤维微塑料问题越来越关注。

3 结论和展望

2014年起淡水中微塑料研究越来越受到研究人员的重视,发文量呈指数增加。我国在该领域的研究后来居上,发文量逐年攀升,不仅涌现出诸如华东师范大学的Shi Huahong、华南农业大学的Wang Jun等优秀学者,而且中国科学院、华东师范大学和中国科学院大学在该领域表现突出。但众多研究表明,发展中国家淡水环境中微塑料污染问题尤为严重[18],我国应进一步加强在该领域的研究。

淡水中微塑料研究的热点主题包括“微塑料的吸附、来源和降解”“微塑料鉴定”“微塑料在淡水环境中的污染”“微塑料在生物体内的累积”和“微塑料的毒性作用”5个方面。近3年淡水中微塑料研究的前沿热点为微塑料与药物的吸附、微塑料的生态风险及微塑料对食品安全和人类健康的挑战。

以往绝大多数研究集中于人口稠密的城市地区,而近些年来,高原湖泊、高山河流等偏远地区[19-20]及河口、支流等特殊地理条件[5,21-22]微塑料污染问题越来越受到研究人员的关注。尽管这些地区人烟稀少,微塑料丰度较低,但由于目前微塑料缺乏有效管理,这些地区的微塑料污染问题不应该被忽视。加强对偏远地区及特殊地理条件中微塑料的研究不仅能补充有关微塑料的数据,更全面地反映微塑料污染,而且对于研究微塑料在环境中的迁移,从而实施相应的防治措施具有重要意义。纺织品洗涤所释放的微纤维被认为是淡水环境中纤维微塑料的重要来源之一。因此,为减少淡水中纤维微塑料的释放,改进纺织品制造技术、优化洗涤条件、延长纺织品寿命及促进纺织品回收再利用等措施是十分必要的。