基于Web of Science對土壤有機物污染修復研究的計量分析

張雪偉,王佳熠,陳丹丹,2,3

(1.南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇 南京 210023) (2.東南大學能源與環境學院,江蘇 南京 210096) (3.中建中環工程有限公司,江蘇 南京 210017)

土壤是社會經濟、科技發展以及人類生產生活的基礎. 在社會發展過程中,人類的生產活動對土壤造成的污染越來越嚴重,土壤被污染的速度和數量遠遠超過其凈化能力[1]. 由于被污染的土壤具有潛伏性[2]、隱蔽性及不可逆性等特點,污染物存在越久,隨著生態系統的循環,不僅會破壞環境,也會通過植物吸收并經食物鏈積累在人體中[3]. 土壤污染通常是指重金屬污染和有機污染,其中造成有機污染的主要污染物有多環芳烴、多氯聯苯、有機農藥、三氯乙醛、抗生素及石油等[2]. 有機物具有致癌性強、毒性強、積累性強及難降解等特點,如何修復被有機物污染的土壤已成為被關注的熱點[4]. 根據2014年4月17日頒布的《全國土壤污染狀況調查公報》[5],全國土壤的總超標率為16.1%,其中三類主要有機污染物六氯環己烷(俗名六六六)、雙對氯苯基三氯乙烷(俗名滴滴涕)和多環芳烴點位超標率為3.8%. 以長江三角洲為例,此區域內農田環境的土壤中含有27種母體多環芳烴,總量平均達到310.6 ng/g,且有超過半數的土壤點位均受多環芳烴的污染. 我國目前有超過400萬t的六氯環己烷以及44萬t的雙對氯苯基三氯乙烷被投入生產和使用,使用量居于世界前列. 目前全國土壤有機氯農藥平均濃度為58.9±51.5 ng/g;土壤多氯聯苯平均濃度為9.31±15.4 ng/g;多環芳烴平均濃度為772±895 ng/g[6]. 關于土壤有機物污染修復方法的研究有很多,但缺少從研究方向、研究熱點、研究領域及研究機構等方面進行計量分析來預測該領域未來的技術創新及研究方向的文章.

文獻計量學是一種通過將統計學與數學結合運用的方法[7],定量分析某一特定領域下文獻的數量關系、分布結構以及變化規律,從而可較準確地預測該領域的未來發展趨勢[8-10]的一種科學. 文獻計量學基于統計出的最真實的數據[11],使用這種方法的基礎在“量”[12],所以必須進行大量的統計工作,整理出相關數據. 文獻計量學目前已在醫學、生態學、文學、土壤學、食品安全學以及資源利用等方面發展得較為普遍[13-17]. Web of ScienceTM核心合集數據庫涵蓋自然學科、工科、理科、醫學等各個領域,所提供的文獻普遍質量較高,可借鑒程度較高. HistCite是一項由SCI發明人加菲爾德開發的軟件,通過圖示的方法來展示某一領域中不同文獻間的關系,根據參與分析的文件的被引頻次,可判斷文章在某一專業領域內的地位. 利用HistCite的4個重要參數:TLCS(total local citation score,本領域總引用次數)、TGCS(total global citation score,總引用次數)、GCS(global citation score,引用次數)及LCS(local citation score,本領域引用次數),可迅速定位出某領域的重要機構、重要作者及重要期刊等. LCS一定低于GCS,若一篇文章的GCS很高,說明該文章受到全球科學家的關注較多;若一篇文章的GCS很高,而LCS很低,則說明所統計出的關注并不來源于該搜索領域的作者. TLCS指數比TGCS更為重要,因為TLCS指數高表示的更有可能是該領域中較為開創性的文章[18]. VOSviewer是在CWTS資助下開發的科學圖譜工具,支持大規模的數據處理,可對統計出的高產作者、高產機構、重要文獻、關鍵詞提供聚類共現可視化分析[19].

本文通過研究Web of ScienceTM核心合集數據庫,利用其自帶的分析程序、HistCite分析軟件、VOSviewer分析軟件及Origin 9.1軟件,對2000—2019年期間所發表的關于土壤有機物污染修復的研究文獻展開計量分析,跟蹤該領域的學科動態. 由于該領域科研成果較為豐富,且研究內容更新快,故選取近20年內的研究進行計量分析,以期為該領域未來發展方向的預測提供參考.

1 材料與方法

1.1 數據來源

利用湯森路透公司發明的WOS數據庫,檢索時間段設置為2000年1月1日至今,檢索時間為2019年3月13日,關鍵詞Topic=(soil*or ground*or land*or farmland*or field or cropland*)and(organic or dioxins or volatile organic or volatile halocarbons or benzene or PAH or polychlorinated biphenyl or volatile aromatic hydrocarbons or phenol*or semi-volatile organic or semi-volatile halocarbons or semi-volatile aromatic hydrocarbons or pesticide)and(pollute*or contaminat*)and(repair or restore*or renovate or decontaminate or phytoremediat*or physical remediat*or bioremediat*or chemical remediat*)作為檢索式,在WOS數據庫中檢索自2000年至今發表的有關土壤有機物污染修復的研究文獻共5 272篇,導入HistCite中的文獻共計 5 272 篇.

1.2 統計方法

利用Web of ScienceTM自有的分析程序、HistCite分析軟件、VOSviewer分析軟件以及Origin繪圖軟件,對自2000至今所發表的關于土壤有機物污染修復技術的文獻,分別從不同國家地區的發文量、高產作者、主要研究機構、主要期刊來源、研究方向等角度進行計量分析.

2 結果

2.1 2000—2019年發文量排名前10的國家和地區

一個國家和地區所產論文被SCI收錄的數量及被引頻次可反應其總體的科研實力[20-22]. 本研究從WOS核心合集數據庫中檢索出了中國、西班牙、美國、加拿大、印度、意大利等105個國家和地區發表的關于土壤有機物污染修復的研究論文,并通過現有的數據對該時間段不同國家和地區的發文量進行統計分析. 表1展示了論文發表數量排在前10名的國家和地區. 從表1可知,中國的發文量最多,總計1 088篇,均篇被引頻次卻只有16.72,排名低于其他9個國家. 美國的發文量排名第二,其均篇被引頻次遠高于中國及其他部分國家和地區. 英國的總體發文量雖然不高,但其論文均篇被引頻次最高,說明其文章的影響力非常高. 由VOSviewer軟件根據檢索出的結果所做的國家和地區之間的關系圖如圖1所示,圖中通過圓圈的大小代表某一國家和地區的文章發表數量及發文的活躍程度;國家和地區之間用線相連,其距離表示其合作的緊密程度,距離越小,合作越緊密. 從圖1可以看出,很多國家與地區之間的聯系非常密切,與中國來往密切的有美國、新加坡和愛爾蘭等國家.

表1 2000—2019年土壤有機污染物修復研究發文量排名前10的國家和地區Table 1 Top 10 countries or regions in volume of publication in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000 to 2019

2.2 2000—2019年發文量排名前10的作者

通過對某一領域高產作者的發文數量及被引頻次的統計,可以找到該研究領域的一些重要作者[23]. 據統計,從事該領域研究的作者共14 567位,其中發文量排名前10的作者如表2所示. 根據TLCS統計數據可以看出,數據最高的是澳大利亞學者Naidu R,達到了 327;數據最低的是美國學者Wang Y,為49. TGCS的統計結果顯示,排名前3位分別為比利時學者Vangronsveld J、英格蘭學者Semple K T和澳大利亞學者Naidu R. 根據混合量化指標H指數的排序,前兩名分別為比利時學者Vangronsveld J和澳大利亞學者Naidu R. 高產作者中中國作者人數最多,共計有3位(分別為高志明、駱永明和高彥征). 圖2所示為該領域的核心作者之間的合作關系,不同顏色表示不同的群組,同一顏色表示屬于該顏色區域的作者研究方向相同;節點越多,說明對于該方向展開的研究越多;節點越大說明該節點處的作者對該研究方向的影響越大,與其他作者的聯系也越多. 可以看出,比利時學者Vangronsveld J在該領域內影響力很大,且與該領域其他作者聯系緊密. 中國學者周啟星、郭書海也在自己研究的領域內影響深厚.

表2 2000—2019年土壤有機物污染修復研究發文量排名前10的高產作者Table 2 Top10 high yield authors in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000 to 2019

2.3 2000—2019年發文量排名前10的研究機構

通過計量分析,該領域的研究論文總共涉及3 831個研究機構,其中排名前10的如表3所示. 2000—2019年中國科學院在土壤有機物污染修復技術領域的總發文量為251篇. 排名前10的研究機構中,中國機構有中國科學院、浙江大學、清華大學、南京農業大學和臺灣中山大學. 圖3顯示的是該領域部分重要研究機構之間的合作關系,可以看出,中國科學院與上海交通大學、浙江大學、亥姆霍茲環境研究中心及南京農業大學等都有非常密切的合作關系,且中國科學院的研究在該領域占有非常大的比重. 其中,中國科學院土壤研究所側重于對持久性有機物POPs方向的研究,浙江大學側重于對表面活性劑強化微生物修復的研究,南京農業大學側重于對農田和城市工業企業搬遷后遺留場地污染問題的研究.

表3 2000—2019年土壤有機物污染修復研究發文量排名前10的研究機構Table 3 Top10 institutions in volume of publications in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000 to 2019

2.4 2000—2019年發文量排名前10的期刊

通過對某一領域期刊的發文量和引用次數進行統計分析,可推知該領域內SCI文章的核心期刊來源. 經研究表明,共有857家機構在統計時間內發表過有關于土壤有機物污染修復技術的文章. 其中,發文量前10的機構及其影響因子如表4所示. 可以看出,2017年影響因子最高的期刊是Environmental Science & Technology,為6.65;其次是Journal of Hazardous Materials和Science of the Total Environment,分別為6.43和4.61;影響因子最低的期刊是Water Air and Soil Pollution,為1.77. 從TLCS統計值可以看出,Chemosphere、Journal of Hazardous Materials及Environmental Pollution三刊的TLCS最高,分別為2 104、2 017 和1 271,說明這3種期刊在該領域內的影響力很高.

表4 2000—2019年土壤有機物污染修復研究發文量排名前10的研究期刊Table 4 Top10 journals of publication in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000 to 2019

2.5 2000—2019年該領域排名前10的研究學科

如圖4所示,2000—2019年排名前10的研究學科為環境科學(Environmental Sciences)、生物技術與應用微生物學(Biotechnology and Applied Microbiology)、工程環境學(Engineering Environmental)、水資源學(Water Resources)、微生物學(Microbiology)和土壤科學(Soil Science)等. 可知,與土壤有機物污染修復相關的學科領域分布十分廣泛,以環境科學、生物技術與應用微生物學為主,向其他學科延伸,各學科間的交互研究今后也會更加頻繁. 表5給出了2000—2006年、2007—2012年、2013—2019年3個時段中該領域前10名研究方向的變化情況,其中主要的研究學科并無大的變化.

表5 2000—2006、2007—2012、2013—2019 3個時間段土壤有機物污染修復領域的研究方向Table 5 Research directions in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000-2006,2007-2012,2013-2019

2.6 2000—2019年土壤有機物污染研究領域的高引論文

文章的被引頻次可反映人們對文章所涉及領域的關注程度,也可用以衡量該文章的重要程度. 土壤有機物污染修復研究領域被引頻次位于前10的論文如表6所示. 從LCS排序可以看出,印度作者Haritash A K發表的“Biodegradation Aspects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs):A Review”被引頻次最高. 10篇高引論文中,有3位英國作者,剩下的來自加拿大、美國和中國等不同國家. 圖5為由HistCite分析軟件制作的LCS排名前30的論文的被引關系,編號為1666的文章被引頻次最大,編號為1 518和728的文章也被高頻引用.

表6 2000—2019年土壤有機物污染修復研究領域排名前10的高引論文Table 6 Top10 highly cited papers in the field of remediation of organic contaminated soils during the period from 2000 to 2019

2.7 2000—2019年土壤有機物污染修復國內外的研究熱點

通過分析主題詞可以了解該領域近年來的研究熱點. 圖6所示為通過VOSviewer分析軟件分別構建出的國內與國外關于該領域的知識圖譜. 可知,近年來國內該領域的科研人員對有機物多環芳烴(polycyclic aromatic-hydrocarbons(PAHs))、芘(pyrene)及莠去津(atrazine)等的研究比較熱門,同時土壤有機物污染的修復也通常與污泥、地下水中的有機物污染修復聯系在一起. 中國關于土壤有機物污染修復的技術主要集中在采用生物修復(bioremediation)、植物修復(phytoremediation)、氧化降解(degradation)及吸附/化學吸附(diosorption/biochar adsorption)等方法,其中高級氧化法(advanced oxidation processes)在多環芳烴(PAHs)、氯化物(polychlorinated)及農藥(pesticides)等方面的應用非常廣泛. 國外除了上述方法外,還采用了土壤修復(soli remediation)及微生物降解(microbial degradation)技術,具體相關有機物的研究有菲(phenanthrene)、三氯乙烷(trichloroethy lene)、甲苯(toluene)及一些其他的揮發性有機物(volatile organic-compounds).

3 結論

根據WOS數據庫,對2000—2019年期間發表的關于土壤有機物污染修復研究的文獻進行統計分析,通過與歐美及其他地區對比發現,我國在該領域發文量最多,但均篇被引頻次最低,說明文章整體影響力不高,我國科研工作人員應在今后的學習工作中提高文章質量. 在前10名高產作者中,中國作者有3位,分別是高志明、駱永明和高彥征. 通過分析該領域的重要研究機構,中國科學院、浙江大學、南京農業大學等5所中國機構進入了排名前10. 關于土壤有機物污染修復的文章主要發表在Journal Of Hazardous Materials、Chemosphere、Environmental Science & Technology、Science of the Total Environment及Environmental Pollution等刊物上,這些期刊在該領域認可度很高,通過分析發文量高的期刊可以追蹤該領域的研究方向,也便于投稿[24].

在排名前10的高被引論文中,一部分文章在該領域的研究比較深入,具有相對新穎和獨特的研究成果和觀點;另一部分文章綜述性較強,內容中關于領域的知識覆蓋面較廣. 印度作者Haritash A K的論文“Biodegradation Aspects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs):A Review”[25]中對生物修復被多環芳烴這類有機物污染的土壤進行了介紹,其中列舉了多種不同微生物,總結性較強. 加拿大作者Gerhardt K E的論文“Phytoremediation and Rhizoremediation of Organic Soil Contaminants:Potential and Challenges”[26]對植物修復被有機物污染的土壤進行了詳細介紹,該文注重原理分析,綜述性較強. 英格蘭作者Bamforth S M的論文“Bioremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons:Current Knowledge and Future Directions”[27]也對生物修復技術進行了較為全面的介紹,且該文的Keywords與前文印度作者的有很大交集.

土壤有機物修復技術領域的主流研究學科有環境科學、生物技術與應用微生物學、工程環境學、水資源學、微生物學和土壤科學等,而對植物科學和工程化學等領域的研究則相對較弱. 通過分析某一領域的研究方向,有助于相關科研工作人員把握該領域的重點研究,也可為開展進一步科研工作提供幫助和引導[28].

目前對于土壤中重金屬的污染及治理研究較多,對有機物污染修復的研究還處于發展階段,且進展較緩,缺乏對有機污染物在土壤環境中進行行為活動的系統性認識,對有機物賦存形態的研究也較少,該領域未來的研究應予以加強.