劉婷婷 侯麗君 劉佳茜 王沛媛 林雁冰 黨亞愛
(西北農林科技大學 理學院/生命科學學院,陜西 楊凌 712100)
地膜是中國農業生產常用的物質資料之一,2016年中國地膜覆蓋面積達1.84×107hm2,已成為世界上覆膜栽培面積最大的國家[1]。在農業上,地膜覆蓋的效應主要包括改良土壤溫度、調節土壤的水熱狀況,也有一些地膜可以抑制雜草的生長、防止病蟲害等。研究表明地膜覆蓋可以促進作物對土壤中氮素的吸收,提高氮素利用率[2]。因此覆膜技術的廣泛應用使大多數農作物普遍增產,為保障中國農產品產量做出巨大貢獻[3]。
地膜在農業上應用廣泛,也帶來了嚴重的環境污染問題。殘留在土壤中的薄膜碎片已成為土壤中一大污染。目前中國殘留地膜總量近 2×106t,回收率不足 2/3,耕地土壤中地膜平均殘留量為60 kg/hm2[4-5]。其中,西北干旱地區耕地農膜殘留污染最為嚴重,如新疆地區農田地膜殘留量平均為 255 kg/hm2[6]。傳統地膜主要成分為聚乙烯,由于聚乙烯分子質量相對大、疏水性強、分子鍵理化性能穩定等特點,因而在自然條件下極難降解[7-9],大量的農膜碎片殘留在土壤中后會與土壤結合,形成殘膜碎片障礙層,導致土壤水分和養分的轉移受阻,影響作物的生長發育[10]。鄰苯二甲酸酯(PAEs)類增塑劑是地膜的常見添加劑,該物質被懷疑對人體具有致癌和內分泌干擾作用[11]。殘余地膜經過分解會形成微塑料,而生物對微塑料可能具有累積效應,經過食物鏈進入人體后,對人體健康具有一定威脅[12]。
使用生物降解地膜替代傳統聚乙烯地膜已成為解決地膜碎片殘留污染的有效措施之一[13]。生物降解地膜是指可通過微生物作用引起降解的塑料薄膜[14]。目前生物降解地膜正處于試驗評估階段,地膜產品需滿足增溫保墑、有利于作物生長,同時具有降解可控性,保證在發揮作用之前不破損,發揮完作用后及時降解,以滿足農作物對地膜覆蓋功能的要求[15-16]。
文獻計量學是應用數學及統計學的方法對某領域的文獻進行量化分析,已被廣泛應用于各學科領域,能客觀、定量地反映學科宏觀發展態勢,是探究學科發展的一種有效途徑[17]。文獻計量學對評估科研機構的競爭力也很重要,可以幫助科研機構進行科技評價、戰略規劃,制定決策,挖掘其潛在競爭力和需求[18]。近些年在塑料地膜領域的研究型論文及綜述型文章越來越多,然而從文獻計量角度分析其發展趨勢的報道相對較少。哈斯圖亞[19]曾于2017年應用文獻計量的方法比較了國內外地膜覆蓋技術的研究內容,但側重于比較該領域的研究主題。因此,本研究基于 Web of Science數據庫對塑料地膜的SCI論文進行計量學統計,擬分析該領域的研究內容,并且統計該領域發文量變化、國家科研實力、主要研究機構及高被引文章,并預測未來的研究熱點,為全面了解該領域的研究現狀、發展趨勢等提供參考。
本研究所用文獻數據來源于湯森路透(Thomson Reuters Scientific) 的 Web of ScienceT數據庫(http:∥apps.webofknowledge.com)。
本研究以“mulching film” or “plastic mulching” or “plastic film mulching”為關鍵詞進行搜索,檢索 2000—2019年發表的塑料地膜研究領域相關論文。以所獲得文獻作為數據集,運用VOSviewer可視化軟件繪制可視化圖譜分析工具,并結合Microsoft Office Excel 2016對塑料地膜研究領域發文量的變化趨勢、主要發文國家和機構、研究主題和研究前沿等進行分析。主要量化指標包括總發文量、總被引頻次、篇均被引頻次、H指數等。其中被引頻次是評價科研機構競爭力的指標,次數越高代表所發表文獻在業內影響力越大,即具有較高競爭力[20]。H指數是一個混合量化指標,由美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的物理學家赫希2005年提出的一種評價科研人員學術成就的方法:如果一位科學家發表的Np篇論文中有H篇,每篇至少被引H次,而其余Np-H篇論文每篇被引均小于或等于H次,那么此科學家的科研成就指數值即為H[21]。
發文量表征科學界對本領域的關注程度,一定程度上反映該領域的發展速度和發展程度[22]。通過檢索,在Web of Science核心合集中收錄的塑料地膜相關研究論文共1 895 篇,第一篇文章發表于1992年。發文量總體呈上升趨勢,2000—2013年為文章低發期,年度發文數量不足100 篇。從2014年起,塑料地膜研究領域發文量明顯上升,且2019年年度發文量高達265 篇,為2000年發文量的8.8 倍。2014—2019年6年間累積發文量為1 043 篇,占20年總發文量的55%,說明近年來該領域的受關注程度和研究熱度有明顯提高(圖1)。

圖1 塑料地膜研究領域發文量的年度趨勢Fig.1 Annual trend of mulching film research publications
一個國家發文量的多少可在一定程度上反映該國在某領域研究的活躍程度[23]。檢索結果顯示93個國家和地區涉及塑料地膜領域的研究。發文量排名前10的國家見表1。由表1可知:中國發文量位居世界第1,共發表了710篇文章,占總文章數的37.5%;美國總發文量位居第2,文章數量為549篇,占總文章數的29%;其他國家發文總量均在100篇以下。從被引頻次上看:中國的總被引頻次最高,為10 720次,而篇均被引頻次僅為15.1次,排名第6;澳大利亞雖然發文量不高(68篇),但文章篇均被引頻次高達26.66次,位居第1,且文章總被引頻次為1 813次,排名第4;美國文章的總被引頻次和篇均被引頻次分別排名第2位和第7位。從H指數來看:中國的H指數高達51;美國排名第2(40);意大利、加拿大、西班牙、澳大利亞4個國家的H指數均在20以上。
將2000—2019年劃分為4個時間段,對總發文量前10 名的國家分別進行統計,比較得出不同時間段各國家的發文量趨勢圖(圖2)。如圖2所示:2000—2004年、2005—2009年2 個時間段中,美國的發文量最高,分別是中國發文量的4 倍及2.5 倍;自2011年開始,中國發文量有所提升,與美國基本持平,2012年超過美國后,發文量繼續上升,且遠超于其他國家;2015—2019年的5年間,中國的發文量高達506篇,是美國發文量的2.4倍,是排名第三的意大利發文量的14.5倍。出現該趨勢的主要原因分析如下:中國的地膜覆蓋栽培技術引進時間較晚(1978年左右),1980年農膜覆蓋面積僅為1 700 hm2,1981年發展到1.5萬hm2,2013年全國農用地膜使用量達到136.2萬t,地膜覆蓋面積高達17 657萬hm2,成為世界上地膜使用量最多的國家[24]。由此在塑料地膜領域的研究力度也逐漸增大,研究成果逐年上升,成為該領域發文數量最多的國家。
由于各國家農業生產的差異性,塑料地膜的使用量和應用面積都不相同,若國家對于塑料地膜的需求量大,使用面積廣,則在該領域的科研投入也會成比例的增加,文章數量相應增加。據國家統計局公布的數據顯示,中國作為農業大國,農用塑料地膜覆蓋面積位居世界第一,因而文章數量最多,但是這并不能說明中國在該領域的文章質量最高,科研實力最強,還需綜合其他指標。文章的被引頻次和H指數更能反映文章質量,間接的反映出國家的科研實力。綜合2 個指標可以看出,中國、意大利、加拿大、澳大利亞及美國在該領域的科研實力均較強。

表1 塑料地膜研究領域發文量前10 名的國家Table 1 Top 10 countries based on the number of papers on mulching film

圖2 發文量前10 名國家2000—2019年發文量變化Fig.2 Changes in the number of papers issued by the top 10 countries from 2000 to 2019
分析某研究領域的文獻來源期刊有助于為該領域的科研人員提供文獻查找、文章發表等方面的情報資源[25]。在本研究檢索范圍內,刊發關于塑料地膜研究SCI文章的期刊共429 個,發文量前15 名的期刊如表2所示。塑料地膜研究領域發文量前4 名的期刊分別是AgriculturalWaterManagement(137篇)、Hortscience(113篇)、FieldCropsResearch(73篇)和Horttechnology(69篇),其他期刊發文量均在50 篇以下。從各期刊JCR分區來看,8 種期刊屬于農學類,3 種屬于園藝學類期刊,2 種高分子材料類期刊以及1 種環境科學類期刊。在農學類期刊中,AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch2種期刊的發文量及被引頻次均位于前列,且都屬于一區期刊;園藝學類期刊中,ScientiaHorticulturae屬于一區期刊,且篇均被引頻次最高,Hortscience的總發文量在所有期刊中排名第2,總被引頻次較高;高分子材料類期刊中,PolymerDegradationandStability雖然發文量較低,但篇均被引頻次在所有期刊中排名第1,高達41.76,總被引頻次排名第4,且屬于一區期刊;環境科學類期刊只有ScienceoftheTotalEnvironment一種,發文量雖然不高,但篇均被引頻次較高,且從期刊影響因子及JCR分區來看,該期刊質量較好。

表2 2000—2019年塑料地膜研究領域發文量排名前15 位的期刊Table 2 Top 15 journals published in the field of plastic film research from 2000 to 2019
綜合以上各項參考指標可知,在塑料地膜研究領域,農學類期刊占比最高,AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch2種期刊更受本領域研究者的關注;園藝學類期刊中,ScientiaHorticulturae和Hortscience2種期刊關注度更高;PolymerDegradationandStability、ScienceoftheTotalEnvironment在高分子材料類及環境科學類期刊中更受關注。塑料地膜的最大作用是保護農產品的生長,其次也用于園藝作物的培育,因而農學類、園藝學類方向研究文章較多,但隨著地膜的大量使用,其不可降解、殘余地膜污染環境等問題也逐漸浮現,從而在高分子材料及環境科學領域的研究文章也逐漸增多。
發表論文的機構以第一作者和通信作者所屬機構為準。2000—2019年在世界范圍內塑料地膜研究領域發文量排名前10的研究機構如表3所示,其中;6所屬于中國;另外4 所屬于美國。排名第1的機構為西北農林科技大學,發文量達178篇;位居第2和第3的機構分別為中國的中國科學院和中國農業大學;美國的佛羅里達州立大學、佛羅里達大學及美國農業部分別位居第4、5、6名。其中,排名前5位的研究機構SCI文章數量均在100以上,其他機構20年來在塑料地膜研究領域的總發文量都不足100篇。從篇均被引頻次上看,蘭州大學所發文章的篇均被引頻次最高,達32.72次,且總被引頻次也較高,位居第3。以上結果從一定程度上說明該機構的文章質量較好,研究實力較高。
在檢索的時間范圍內,中國在2012年之前,年均發文量均不及美國,自2012年之后,中國在該領域發文量明顯上升,SCI論文數量快速增長,特別是西北農林科技大學和中國科學院,近年來的SCI論文數量一直位于前列,成為該領域的領軍研究機構。西北地區是中國重要的旱作農業產區,然而該地區常年干旱缺水,能被作物利用的降雨量不足,因此使用覆膜栽培技術將雨量儲存在土壤中是該地區常用的農業調節方式。西北農林科技大學屬于西部農業類高校之一,在該領域發文量持續增長,為中國農業科學研究作出巨大貢獻。

表3 2000—2019年塑料地膜研究領域發文量排名前10 位的科研機構Table 3 Top 10 scientific research institutions in the field of plastic film research from 2000 to 2019
被引頻次是衡量論文質量的最直接指標,同時也能反映科研人員的科研水平和學術影響力[22]。本研究整理了塑料地膜研究領域的15 篇高引用文章(表4)。其中:被引頻次最高的是Mathieu研究團隊[26]于2012年發表的名為《Polyethylene and biodegradable mulches for agricultural applications: A review》的綜述型文章,總被引次數達到了250次,文章總結了傳統聚乙烯地膜和生物可降解地膜在農業應用上的優缺點;居于第2位的是蘭州大學的李鳳民研究團隊[27]于2009年所發的名為《How two ridges and the furrow mulched with plastic film affect soil water, soil temperature and yield of maize on the semiarid Loess Plateau of China》的研究型文章,總被引頻次達249次,研究的是地膜覆蓋及雙壟雙溝對土壤水分、土壤溫度和玉米產量的影響。排名第3位的仍然是李鳳民研究團隊[28]于2009年發表的《Effects of plastic film mulch and tillage on maize productivity and soil parameters》的研究型文章,被引頻次高達180次。
前15篇高引用文章中,有9篇來自中國,研究主題均圍繞塑料地膜在農業方面的應用,如“覆膜對農產品產量、土壤保水性的影響”等。塑料地膜雖然具有增溫保水、促進農作物生長等作用,但難降解、易污染等環境問題也逐漸浮現。前15篇文章中,有4篇文章都在討論塑料地膜的環境污染問題,且發文時間都在近5年內。其中被引頻次最高的是德國Gabriele研究團隊[3]于2016年發表的《Plastic mulching in agriculture. Trading short-term agronomic benefits for long-term soil degradation》綜述型論文,引用次數高達139次,從一定程度上可以說明塑料地膜的環境污染問題近年來逐漸得到研究者的重視。

表4 2000—2019年塑料地膜領域前15 篇高被引頻次論文Table 4 Top 15 literature information in the high-cited literature in the field of plastic mulch film from 2000 to 2019

表4(續)
2.6.1研究熱點分析
本研究利用信息可視化軟件 VOSviewer進行可視化圖譜分析。在圖譜中,一個圓圈和標簽代表一個元素,圓圈大小代表該詞出現次數的高低[29]。圖3是根據塑料地膜研究領域文獻關鍵詞而繪制的研究熱點知識圖譜,通過對整個領域文獻高頻關鍵詞的分析可以得出2000—2019年的研究熱點:
1)熱點詞為塑料地膜、中國、糧食產量、蒸發蒸騰作用、土壤水分含量、壟溝、玉米、雜草、水果產量等。該聚類熱點詞的研究內容主要是塑料地膜在農業上的應用。中國自1978年從日本引進地膜覆蓋技術后,地膜使用量及覆蓋面積呈持續增長狀態,根據2019—2025年中國農用塑料薄膜市場現狀調研分析及發展前景報告顯示,中國農用地膜使用量及覆蓋面積均位居世界之首。覆膜栽培的效應主要包括如下:首先,一種效應為增溫,例如提高土層溫度、作物冠層氣溫等[27],而不同顏色地膜增溫效果不同,其中無色地膜增溫效果最好;其次為水分調節效應。通過形成的物理屏障改變膜內外水分運動規律,形成2 種水分調節效應:一是保墑抗旱,降低土壤水分的蒸騰作用,提高作物的水分利用效率,促進農作物生長[30];二是阻雨防漬,使膜外的雨水難以進入膜內,防止了中國南方地區長期陰雨引起的漬害[31]。覆蓋栽培還可以抑制雜草的生長,防止病蟲害,特別是黑色地膜能夠有效抑制花生田雜草的生長[32-33]。另有研究表明覆膜栽培可以提高作物品質,如:George等[34]發現使用黃色和黑色覆蓋物會導致胡蘿卜中酚類化合物濃度更高;Kasperbauer等[35]發現,改變塑料覆蓋物的顏色可以改變毛豆中花青素的含量。覆膜與壟作相結合更是農業措施上的一大進步,既可以達到增溫保溫、聚水保墑的效果,又能聚土增肥、改善土壤結構,以使多種作物達到增產效果,在世界各地得到廣泛應用[36]。目前使用地膜覆蓋栽培的農產品主要包括玉米、小麥、棉花、土豆等[37-39],此外還包括多種蔬菜的栽培,如甜椒、甜瓜、番茄、西葫蘆等[26]。覆膜栽培技術結合多種農業管理措施已使得多種作物達到增產效果,世界范圍內的多位研究者都在努力探究地膜的農業應用,為世界農業科學研究做出巨大貢獻。
2)熱點詞為薄膜、聚乙烯、分析、可降解型塑料、機械性質、聚合物、農業土壤、降解等。該聚類的熱點詞可能涉及傳統塑料地膜的降解、污染及生物降解型地膜的研發。傳統地膜主要由石油基材料制成,如聚乙烯、聚氯乙烯等,而這類材料在土壤中很難降解。目前已有多位研究者在探討聚乙烯薄膜的生物降解性,也取得了一定成果。統計發現對聚乙烯薄膜具有降解能力的微生物有幾十種,分別屬于細菌中的20 個屬和真菌中的12 個屬[8]。中國科學家楊軍2014年從蠟蟲腸道內分離出2株細菌(阿氏腸桿菌Enterobacterasburiae、芽孢桿菌Bacillussp.)對聚乙烯有較好的降解能力,在培養28 d后,聚乙烯薄膜表面有明顯的坑洞形成[40];西班牙Federica等[41]在2017年發現蠟螟(Galleriamellonella)的幼蟲能夠對聚乙烯進行快速的生物降解,消化后產生出來的是乙二醇。然而塑料垃圾的數量之大,利用這些幼蟲進行垃圾處理的效率有待解決。綜合看來,生物對聚乙烯地膜雖有一定降解作用,但速度緩慢。Ohtake等[42]推算60 μm厚度的聚乙烯薄膜在田間土壤填埋條件下實現完全降解需要大概300年,如何加速聚乙烯地膜的降解是當前農業生產待解決的問題。目前農田覆蓋的塑料地膜使用后常得不到有效的回收,導致大量的地膜碎片殘留在土壤中,形成農田“白色污染”,并且經過長時間降解,地膜碎片會進一步分解成微塑料甚至納米塑料[43],對土壤結構影響很大,例如阻礙土壤毛管水和自然水的滲透, 降低土壤孔隙度、通透性,影響土壤微生物活動和土壤正常結構的形成,最終導致土壤肥力下降[10]。由于傳統地膜所造成的環境污染問題嚴重,研發不同類型的生物降解型地膜得以開展。生物降解地膜是指在自然環境下通過微生物的生命活動能很快降解并代謝,最終生成二氧化碳、水、甲烷等無毒無害小分子的高分子材料。主要包括:化學合成降解塑料,如聚乳酸(PLA),聚羥基烷酸酯(PHA),丁二酸丁二酯(PBS)等[44-45];天然高分子降解塑料,如淀粉基、纖維素基、甲殼質基生物降解型塑料[46]。然而由于其價格較高,大部分性能不如石油基塑料,并且在土壤中降解不完全則形成微塑料,對土壤的傷害更大,因而生物降解型塑料地膜尚未大范圍推廣[47]。保證生物降解型地膜既能在覆膜期間抗拉、不破碎,又能在進入土壤中后及時降解,并且價格低廉、大范圍推廣,是當前農業亟待解決的問題。

圖3 塑料地膜研究領域熱點分析Fig.3 Hot spot analysis of plastic film research field
2.6.2研究前沿預測
將2000—2019年按照時間段劃分,對各個時間段進行塑料地膜研究領域文獻關鍵詞搜索,可以得出不同時間段的研究熱點,結果如表5所示。從時間上來看:在2000—2004年,塑料地膜研究領域的關鍵詞主要是應用、產量、水分、聚乙烯薄膜、雜草控制、作物產量等,說明在此階段,研究方向主要以農業應用為主;在2004—2008年,主體關鍵詞仍是與農業相關,但同時出現了生物降解、降解等關鍵詞,結合該階段的文獻得知生物降解地膜在此階段得以大量研發,并且傳統塑料地膜的降解問題得到重視;2009—2014年,出現的熱點詞與前5年大致相同,研究主體仍以農業為主,同時關于塑料降解類關鍵詞的詞頻有所上升;2015—2019年,高頻熱點詞中出現了幾個新的熱點詞,例如微塑料、鄰苯二甲酸酯(PAEs)、農業土壤等。鄰苯二甲酸酯(PAEs)又稱酞酸酯,是一類重要的環境毒性有機化合物,被廣泛應用于塑料、農藥、潤滑劑等行業,其中用量最大的是作為塑料增塑劑以提高塑料的可塑性和強度[48]。在20世紀80年代,美國環境保護部門通過試驗發現,鄰苯二甲酸酯類增塑劑會引發肝組織癌變,擾亂內分泌,對人體健康有很大危害[49]。地膜材料中存在的鄰苯二甲酸酯類增塑劑,由于與塑料基質間非化學鍵相連,使其保持獨立的化學性質因而極易直接污染種植的作物,或通過土壤、大氣以及水體的遷移對作物造成間接污染,從而威脅人體健康[50]。結合該階段的文獻可知,近年來探討地膜中存在的鄰苯二甲酸酯類增塑劑對生態及土壤環境影響的研究日益增多,但尚處于起步階段。此外,殘留地膜在土壤中會分解形成塑料碎片甚至微塑料。通常認為微塑料是指直徑<5 mm的塑料碎片和顆粒。目前微塑料污染的研究主要集中在海洋領域,關于陸地中微塑料污染的研究較少[51]。然而有研究顯示,陸地中存在的微塑料豐度可能是海洋的 4~23倍,農田中每年向土壤中輸入的微塑料就遠超于向全球海洋中的輸入量[52]。目前在陸地生態系統中對微塑料的研究點及空白區主要包括:1)微塑料暴露的生物積累與毒性效應。該方向的研究才剛剛起步,所研究的生物種類有限,研究較多的生物包括蚯蚓、跳蟲等[12],微塑料對于陸地上大多數生物的累積與毒性效應尚未可知;2)微塑料對于土壤物理化學性質、微生物群落結構、植物生長狀況的影響[53-54],以及微塑料能否進入植物體內,對人體健康產生潛在威脅等[55];3)微塑料的分析、分離技術。由于從土壤中分離微塑料存在一定難度,當前所有技術都有一定局限性,導致無法準確定量土壤中微塑料的具體含量,更無法估算地膜碎片轉化成微塑料的含量,因而急需建立和完善土壤中微塑料的分離和分析方法,并且系統認識微塑料污染對土壤功能影響,發展源頭管控和環境降解修復技術至關重要[12]。近5年的主體關鍵詞仍與農業有關,包括中國、玉米、水分利用效率、糧食產量等。此外,還包括生物降解型地膜、降解等詞匯,說明近年來的研究領域仍包括生物降解地膜的研究與應用、傳統塑料地膜的降解等研究方向。
綜上所述,在塑料地膜研究領域,今后的前沿熱點方向可能仍會以農業應用為主,如何保證生物降解型地膜的耐用、易降解,同時又能降低成本,得以普及和推廣,是當前農業生產亟待解決的問題。傳統的塑料殘膜對生態環境、土壤質量的影響也會受到更多關注,特別是塑料殘膜中的增塑劑、部分降解后生成的微塑料對土壤食物鏈安全、生態系統和人體健康的風險值得進一步探究。
文獻計量學方法可以從文獻的數量、質量上對特定領域內研究的發展情況提供較為全面的評估[56]。本研究以Web of Science數據庫為數據來源,統計分析了20年來塑料地膜領域的研究情況。分析結果顯示:該領域在2013年以前發文量較低,年均發文量不足100 篇,2013年之后發文數量有明顯上升趨勢,2019年已達到265 篇,說明該領域的關注度越來越高;從主要國家研究實力上來看,歐美發達國家在該領域的研究基礎較好,較早關注了塑料地膜的研究,如美國、意大利等。中國在2012年之前發文量不及美國,但自2012年以來,在塑料地膜領域研究力度加強,發文量明顯上升,且超過美國,成為該領域發文量最高的國家。西北農林科技大學、中國科學院、中國農業大學、蘭州大學為該領域領先的研究機構;從來源期刊上來看,AgriculturalWaterManagement、FieldCropsResearch在農學類期刊中較受關注,園藝學類期刊中,ScientiaHorticulturae和Hortscience2種期刊關注度更高,PolymerDegradationandStability、ScienceoftheTotalEnvironment在高分子材料類及環境科學類期刊中更值得本領域學者的關注。從研究熱點可知,塑料地膜的農業應用為該領域最熱門的研究內容,然而近年來傳統塑料地膜的環境污染問題逐漸得以重視,特別是關于增塑劑及微塑料方面的研究內容較新穎,對食物鏈安全、生態系統和人體健康的風險還未可知,值得進一步探究。同時研發替代塑料地膜的生物降解型地膜、解決如今的殘余地膜污染問題至關重要。

表5 不同發文階段高頻關鍵詞及詞頻分布Table 5 High-frequency keywords and their frequency distributions at different publication years