基于Web of Science对土壤有机物污染修复研究的计量分析

张雪伟,王佳熠,陈丹丹,2,3

(1.南京师范大学能源与机械工程学院,江苏 南京 210023) (2.东南大学能源与环境学院,江苏 南京 210096) (3.中建中环工程有限公司,江苏 南京 210017)

土壤是社会经济、科技发展以及人类生产生活的基础. 在社会发展过程中,人类的生产活动对土壤造成的污染越来越严重,土壤被污染的速度和数量远远超过其净化能力[1]. 由于被污染的土壤具有潜伏性[2]、隐蔽性及不可逆性等特点,污染物存在越久,随着生态系统的循环,不仅会破坏环境,也会通过植物吸收并经食物链积累在人体中[3]. 土壤污染通常是指重金属污染和有机污染,其中造成有机污染的主要污染物有多环芳烃、多氯联苯、有机农药、三氯乙醛、抗生素及石油等[2]. 有机物具有致癌性强、毒性强、积累性强及难降解等特点,如何修复被有机物污染的土壤已成为被关注的热点[4]. 根据2014年4月17日颁布的《全国土壤污染状况调查公报》[5],全国土壤的总超标率为16.1%,其中三类主要有机污染物六氯环己烷(俗名六六六)、双对氯苯基三氯乙烷(俗名滴滴涕)和多环芳烃点位超标率为3.8%. 以长江三角洲为例,此区域内农田环境的土壤中含有27种母体多环芳烃,总量平均达到310.6 ng/g,且有超过半数的土壤点位均受多环芳烃的污染. 我国目前有超过400万t的六氯环己烷以及44万t的双对氯苯基三氯乙烷被投入生产和使用,使用量居于世界前列. 目前全国土壤有机氯农药平均浓度为58.9±51.5 ng/g;土壤多氯联苯平均浓度为9.31±15.4 ng/g;多环芳烃平均浓度为772±895 ng/g[6]. 关于土壤有机物污染修复方法的研究有很多,但缺少从研究方向、研究热点、研究领域及研究机构等方面进行计量分析来预测该领域未来的技术创新及研究方向的文章.

文献计量学是一种通过将统计学与数学结合运用的方法[7],定量分析某一特定领域下文献的数量关系、分布结构以及变化规律,从而可较准确地预测该领域的未来发展趋势[8-10]的一种科学. 文献计量学基于统计出的最真实的数据[11],使用这种方法的基础在“量”[12],所以必须进行大量的统计工作,整理出相关数据. 文献计量学目前已在医学、生态学、文学、土壤学、食品安全学以及资源利用等方面发展得较为普遍[13-17]. Web of ScienceTM核心合集数据库涵盖自然学科、工科、理科、医学等各个领域,所提供的文献普遍质量较高,可借鉴程度较高. HistCite是一项由SCI发明人加菲尔德开发的软件,通过图示的方法来展示某一领域中不同文献间的关系,根据参与分析的文件的被引频次,可判断文章在某一专业领域内的地位. 利用HistCite的4个重要参数:TLCS(total local citation score,本领域总引用次数)、TGCS(total global citation score,总引用次数)、GCS(global citation score,引用次数)及LCS(local citation score,本领域引用次数),可迅速定位出某领域的重要机构、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,说明该文章受到全球科学家的关注较多;若一篇文章的GCS很高,而LCS很低,则说明所统计出的关注并不来源于该搜索领域的作者. TLCS指数比TGCS更为重要,因为TLCS指数高表示的更有可能是该领域中较为开创性的文章[18]. VOSviewer是在CWTS资助下开发的科学图谱工具,支持大规模的数据处理,可对统计出的高产作者、高产机构、重要文献、关键词提供聚类共现可视化分析[19].

本文通过研究Web of ScienceTM核心合集数据库,利用其自带的分析程序、HistCite分析软件、VOSviewer分析软件及Origin 9.1软件,对2000—2019年期间所发表的关于土壤有机物污染修复的研究文献展开计量分析,跟踪该领域的学科动态. 由于该领域科研成果较为丰富,且研究内容更新快,故选取近20年内的研究进行计量分析,以期为该领域未来发展方向的预测提供参考.

1 材料与方法

1.1 数据来源

利用汤森路透公司发明的WOS数据库,检索时间段设置为2000年1月1日至今,检索时间为2019年3月13日,关键词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*)作为检索式,在WOS数据库中检索自2000年至今发表的有关土壤有机物污染修复的研究文献共5 272篇,导入HistCite中的文献共计 5 272 篇.

1.2 统计方法

利用Web of ScienceTM自有的分析程序、HistCite分析软件、VOSviewer分析软件以及Origin绘图软件,对自2000至今所发表的关于土壤有机物污染修复技术的文献,分别从不同国家地区的发文量、高产作者、主要研究机构、主要期刊来源、研究方向等角度进行计量分析.

2 结果

2.1 2000—2019年发文量排名前10的国家和地区

一个国家和地区所产论文被SCI收录的数量及被引频次可反应其总体的科研实力[20-22]. 本研究从WOS核心合集数据库中检索出了中国、西班牙、美国、加拿大、印度、意大利等105个国家和地区发表的关于土壤有机物污染修复的研究论文,并通过现有的数据对该时间段不同国家和地区的发文量进行统计分析. 表1展示了论文发表数量排在前10名的国家和地区. 从表1可知,中国的发文量最多,总计1 088篇,均篇被引频次却只有16.72,排名低于其他9个国家. 美国的发文量排名第二,其均篇被引频次远高于中国及其他部分国家和地区. 英国的总体发文量虽然不高,但其论文均篇被引频次最高,说明其文章的影响力非常高. 由VOSviewer软件根据检索出的结果所做的国家和地区之间的关系图如图1所示,图中通过圆圈的大小代表某一国家和地区的文章发表数量及发文的活跃程度;国家和地区之间用线相连,其距离表示其合作的紧密程度,距离越小,合作越紧密. 从图1可以看出,很多国家与地区之间的联系非常密切,与中国来往密切的有美国、新加坡和爱尔兰等国家.

表1 2000—2019年土壤有机污染物修复研究发文量排名前10的国家和地区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年发文量排名前10的作者

通过对某一领域高产作者的发文数量及被引频次的统计,可以找到该研究领域的一些重要作者[23]. 据统计,从事该领域研究的作者共14 567位,其中发文量排名前10的作者如表2所示. 根据TLCS统计数据可以看出,数据最高的是澳大利亚学者Naidu R,达到了 327;数据最低的是美国学者Wang Y,为49. TGCS的统计结果显示,排名前3位分别为比利时学者Vangronsveld J、英格兰学者Semple K T和澳大利亚学者Naidu R. 根据混合量化指标H指数的排序,前两名分别为比利时学者Vangronsveld J和澳大利亚学者Naidu R. 高产作者中中国作者人数最多,共计有3位(分别为高志明、骆永明和高彦征). 图2所示为该领域的核心作者之间的合作关系,不同颜色表示不同的群组,同一颜色表示属于该颜色区域的作者研究方向相同;节点越多,说明对于该方向展开的研究越多;节点越大说明该节点处的作者对该研究方向的影响越大,与其他作者的联系也越多. 可以看出,比利时学者Vangronsveld J在该领域内影响力很大,且与该领域其他作者联系紧密. 中国学者周启星、郭书海也在自己研究的领域内影响深厚.

表2 2000—2019年土壤有机物污染修复研究发文量排名前10的高产作者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年发文量排名前10的研究机构

通过计量分析,该领域的研究论文总共涉及3 831个研究机构,其中排名前10的如表3所示. 2000—2019年中国科学院在土壤有机物污染修复技术领域的总发文量为251篇. 排名前10的研究机构中,中国机构有中国科学院、浙江大学、清华大学、南京农业大学和台湾中山大学. 图3显示的是该领域部分重要研究机构之间的合作关系,可以看出,中国科学院与上海交通大学、浙江大学、亥姆霍兹环境研究中心及南京农业大学等都有非常密切的合作关系,且中国科学院的研究在该领域占有非常大的比重. 其中,中国科学院土壤研究所侧重于对持久性有机物POPs方向的研究,浙江大学侧重于对表面活性剂强化微生物修复的研究,南京农业大学侧重于对农田和城市工业企业搬迁后遗留场地污染问题的研究.

表3 2000—2019年土壤有机物污染修复研究发文量排名前10的研究机构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年发文量排名前10的期刊

通过对某一领域期刊的发文量和引用次数进行统计分析,可推知该领域内SCI文章的核心期刊来源. 经研究表明,共有857家机构在统计时间内发表过有关于土壤有机物污染修复技术的文章. 其中,发文量前10的机构及其影响因子如表4所示. 可以看出,2017年影响因子最高的期刊是Environmental Science & Technology,为6.65;其次是Journal of Hazardous Materials和Science of the Total Environment,分别为6.43和4.61;影响因子最低的期刊是Water Air and Soil Pollution,为1.77. 从TLCS统计值可以看出,Chemosphere、Journal of Hazardous Materials及Environmental Pollution三刊的TLCS最高,分别为2 104、2 017 和1 271,说明这3种期刊在该领域内的影响力很高.

表4 2000—2019年土壤有机物污染修复研究发文量排名前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年该领域排名前10的研究学科

如图4所示,2000—2019年排名前10的研究学科为环境科学(Environmental Sciences)、生物技术与应用微生物学(Biotechnology and Applied Microbiology)、工程环境学(Engineering Environmental)、水资源学(Water Resources)、微生物学(Microbiology)和土壤科学(Soil Science)等. 可知,与土壤有机物污染修复相关的学科领域分布十分广泛,以环境科学、生物技术与应用微生物学为主,向其他学科延伸,各学科间的交互研究今后也会更加频繁. 表5给出了2000—2006年、2007—2012年、2013—2019年3个时段中该领域前10名研究方向的变化情况,其中主要的研究学科并无大的变化.

表5 2000—2006、2007—2012、2013—2019 3个时间段土壤有机物污染修复领域的研究方向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年土壤有机物污染研究领域的高引论文

文章的被引频次可反映人们对文章所涉及领域的关注程度,也可用以衡量该文章的重要程度. 土壤有机物污染修复研究领域被引频次位于前10的论文如表6所示. 从LCS排序可以看出,印度作者Haritash A K发表的“Biodegradation Aspects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs):A Review”被引频次最高. 10篇高引论文中,有3位英国作者,剩下的来自加拿大、美国和中国等不同国家. 图5为由HistCite分析软件制作的LCS排名前30的论文的被引关系,编号为1666的文章被引频次最大,编号为1 518和728的文章也被高频引用.

表6 2000—2019年土壤有机物污染修复研究领域排名前10的高引论文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年土壤有机物污染修复国内外的研究热点

通过分析主题词可以了解该领域近年来的研究热点. 图6所示为通过VOSviewer分析软件分别构建出的国内与国外关于该领域的知识图谱. 可知,近年来国内该领域的科研人员对有机物多环芳烃(polycyclic aromatic-hydrocarbons(PAHs))、芘(pyrene)及莠去津(atrazine)等的研究比较热门,同时土壤有机物污染的修复也通常与污泥、地下水中的有机物污染修复联系在一起. 中国关于土壤有机物污染修复的技术主要集中在采用生物修复(bioremediation)、植物修复(phytoremediation)、氧化降解(degradation)及吸附/化学吸附(diosorption/biochar adsorption)等方法,其中高级氧化法(advanced oxidation processes)在多环芳烃(PAHs)、氯化物(polychlorinated)及农药(pesticides)等方面的应用非常广泛. 国外除了上述方法外,还采用了土壤修复(soli remediation)及微生物降解(microbial degradation)技术,具体相关有机物的研究有菲(phenanthrene)、三氯乙烷(trichloroethy lene)、甲苯(toluene)及一些其他的挥发性有机物(volatile organic-compounds).

3 结论

根据WOS数据库,对2000—2019年期间发表的关于土壤有机物污染修复研究的文献进行统计分析,通过与欧美及其他地区对比发现,我国在该领域发文量最多,但均篇被引频次最低,说明文章整体影响力不高,我国科研工作人员应在今后的学习工作中提高文章质量. 在前10名高产作者中,中国作者有3位,分别是高志明、骆永明和高彦征. 通过分析该领域的重要研究机构,中国科学院、浙江大学、南京农业大学等5所中国机构进入了排名前10. 关于土壤有机物污染修复的文章主要发表在Journal Of Hazardous Materials、Chemosphere、Environmental Science & Technology、Science of the Total Environment及Environmental Pollution等刊物上,这些期刊在该领域认可度很高,通过分析发文量高的期刊可以追踪该领域的研究方向,也便于投稿[24].

在排名前10的高被引论文中,一部分文章在该领域的研究比较深入,具有相对新颖和独特的研究成果和观点;另一部分文章综述性较强,内容中关于领域的知识覆盖面较广. 印度作者Haritash A K的论文“Biodegradation Aspects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons(PAHs):A Review”[25]中对生物修复被多环芳烃这类有机物污染的土壤进行了介绍,其中列举了多种不同微生物,总结性较强. 加拿大作者Gerhardt K E的论文“Phytoremediation and Rhizoremediation of Organic Soil Contaminants:Potential and Challenges”[26]对植物修复被有机物污染的土壤进行了详细介绍,该文注重原理分析,综述性较强. 英格兰作者Bamforth S M的论文“Bioremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons:Current Knowledge and Future Directions”[27]也对生物修复技术进行了较为全面的介绍,且该文的Keywords与前文印度作者的有很大交集.

土壤有机物修复技术领域的主流研究学科有环境科学、生物技术与应用微生物学、工程环境学、水资源学、微生物学和土壤科学等,而对植物科学和工程化学等领域的研究则相对较弱. 通过分析某一领域的研究方向,有助于相关科研工作人员把握该领域的重点研究,也可为开展进一步科研工作提供帮助和引导[28].

目前对于土壤中重金属的污染及治理研究较多,对有机物污染修复的研究还处于发展阶段,且进展较缓,缺乏对有机污染物在土壤环境中进行行为活动的系统性认识,对有机物赋存形态的研究也较少,该领域未来的研究应予以加强.