全球植物修復研究文獻計量分析

肖鵬飛,吳德東

東北林業大學林學院,哈爾濱 150040

植物修復是利用自然生長植物或遺傳工程培育植物所具有的吸收、穩定、降解、根濾、揮發等作用機理,現場去除污染土壤、水體中的重金屬、有機物等污染物,或通過改變污染物的生物可利用性以降低其生物毒性,最終達到修復污染環境的目的[1- 2]。植物修復作為一種相對新興的土壤污染治理技術,因其具有成本低、不破壞土壤結構、不引起二次污染、應用范圍廣等優點,被認為在重金屬污染土壤治理方面有廣闊的應用潛力和發展前景[3- 5]。近20年來,國內外植物修復的理論及應用研究發展勢頭迅猛,各國學者從超積累植物的篩選、修復的機制/過程、修復效率的強化措施以及在污染環境中的應用等方面展開了深入的研究,高水平研究成果產出日益增多[6- 10]。

文獻計量分析以文獻體系及其計量特征為研究對象,采用數學和統計學的方法研究文獻的分布結構、數量關系及變化規律,進而分析、評價和預測科學技術的發展特征和規律,已廣泛應用于農業、生態、環境、經濟等各個科學領域[11- 14]。國內少數學者已經利用文獻計量學方法對重金屬污染修復技術的研究現狀和趨勢展開了分析[15- 18]。然而,目前很少有人在大的時間尺度上收集并總結全球及國內植物修復研究的系統數據[19]。國內外植物修復領域的研究熱點、研究前沿及未來的發展趨勢等尚不明朗,因此有必要針對十幾年來植物修復的研究進行梳理,以獲取國內外植物修復研究領域的發展動態。本文利用文獻計量學方法對2003—2020年間全球發表的植物修復研究領域的文獻進行量化分析,以便更好地幫助國內學者及時跟蹤植物修復技術在世界范圍內的研究現狀與發展趨勢,了解中國植物修復研究領域的世界學術地位以及與世界一流水平的差距,為加強我國植物修復技術的理論與應用研究提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文所有數據均來源于Web of Science(WoS)數據庫核心合集。以TS =(Phytoremediation OR Phytoextraction OR Phytovolatilization OR Phytostabilization)作為檢索式,檢索的文獻類型包括Article和Review兩種,排除其他文獻類型,共檢索到2003—2020年的英文文獻13168篇,其中Article和Review各有12289和879篇,分別占93.32%和6.68%。以此作為分析樣本進行后續的歸類計量統計分析,文中所有數據的提取日期為2020年12月8日。

1.2 研究方法

利用文獻計量學方法對文獻進行量化分析。出版物的發表數量使用Excel 2007進行分析,并采用多項式模型預測其增長趨勢。使用WoS平臺自帶的在線統計分析功能收集國家、期刊、作者的發文量、總被引頻次、篇均被引頻次、H指數、期刊影響因子等信息。從WoS核心數據庫下載篩選文獻的txt格式文本,按需求將其導入至VOSviewer 1.6.15可視化軟件進行關鍵詞的共現網絡分析和聚類分析,而CiteSpace軟件則用以分析突現關鍵詞,以揭示植物修復研究的熱點以及趨勢。若一篇文獻由多個國家的作者合作完成,WoS平臺會將這些信息自動算入該國家的數據中,會導致一定程度的數據重合,但對研究發展趨勢的總體分析不會產生明顯影響。

1.3 主要指標

本文從文獻的數量和質量兩個維度出發,采用發文量、被引頻次、H指數和高被引論文等指標進行分析。發文量即論文的產出篇數,是衡量科研生產能力的重要指標；被引頻次是指該統計項目的論文或某篇論文被其他論文作為參考文獻的次數,包括總被引頻次和篇均被引頻次,反映出論文在該領域的價值和被同行所關注的程度；H指數是指相關統計項目在一定時間內所發表的文章至少有h 篇文獻至少被引用了h次,該指標已被廣泛用于評估該項目在一定時期內的學術產出數量與質量[20- 21]。

2 結果與分析

2.1 總發文量及增長趨勢

圖1 植物修復研究的發文量及增長趨勢Fig.1 The number and growth trend of papers published on phytoremediation research

發文量隨年份的變化在一定程度上反映了相關研究領域的發展速度。圖1顯示了世界和中國每年發表的植物修復方面的論文數量及增長趨勢。2003年的世界發文量僅為264篇,隨后植物修復相關文獻以每年幾十篇的幅度逐年增加,而在2014年以后則每年增加上百篇,至2019年的發文量已經達到1439篇,比2018年的發文量增加了255篇,表明植物修復研究已經成為當下全球專家學者關注的焦點。從國內學者的發文量來看,2003年的發文量僅30篇,占世界當年總發文量的11.36%,2010年該比例上升至21.93%,而2019年中國發文量已經達到了512篇,超過世界總發文量的三分之一,表明國內學者對植物修復研究的重視程度和對成果的貢獻均在不斷增加。用多項式趨勢線模擬了世界和中國在發表年份與文獻發表數量之間的關系,其趨勢線模型擬合結果良好,決定系數R2分別為0.98和0.96,可以準確地預測植物修復領域發文量的增加趨勢,預計2020年世界和中國發文量將分別接近1600和600篇(圖1)。實際上,截止至2020年12月8日,WoS核心數據庫收錄的世界和中國當年的實際發文量分別為1412篇和507篇。考慮全球COVID- 19疫情的影響,預計2020年及2021年的文獻增長速率可能會有所減緩。

2.2 文獻被引頻次分析

被引頻次能客觀反應文獻在該領域的引用價值和重視程度,被引頻次越高表明該研究在相關領域的科學交流中的影響力和地位越高[22]。從圖2可見,2012年之前世界總被引頻次變化不大,每年的總被引頻次均在兩萬上下,年被引頻次高峰出現在2009年,達到26481次,2013年后總被引頻次逐年下降。中國發文的總被引頻次沒有出現明顯的隨年份而下降的情況,尤其在2004年至2017年間相差不大,均在4000上下波動,最高為2015年的4764次。從篇均被引頻次上看,早期年份盡管發文量不多,但篇均被引頻次較高,如2003年世界和中國的篇均引用分別達到最高的72.77和81.29次,2006年仍分別可達到55次和65次以上,表明早期的論文受到更多的關注。隨后由于發文量的增加,篇均被引頻次隨年份緩慢下降。中國和世界在篇均被引頻次上看沒有明顯的差別,在2006年以前甚至高于世界的篇均被引頻次,表明國內發文的影響力與全球的平均水平相當。

圖2 世界和中國的植物修復研究發文的被引情況Fig.2 Citation of phytoremediation papers in the world and China

2.3 高發文國家及國際合作

分析各國家的總發文量可反映出各國家在某研究領域的科研生產力。通過對WoS核心數據庫進行檢索發現,共有110個國家發表了植物修復相關的論文,其中發文量排名前10的國家如表1所示。中國發文量為3451篇,占總發文量的26.21%,接近第2名美國(1827篇)的兩倍,說明植物修復在國內的研究熱度不斷提升,也體現出國內應用植物修復污染環境方面的迫切需求。印度以1210的發文量位列第3位。其它國家之間的發文量比較接近。中、美、印三國的總被引頻次同樣位居前三位,分別達到了69383、63138和33818次。然而,中國發文的篇均被引頻次僅為20.11,不僅遠低于美國(34.56)、德國(36.62)和澳大利亞(33.54),甚至低于印度(27.95)和巴基斯坦(25.36),僅排在發文量前10國家的第9位。此外,中國發文的H指數(99)也低于美國(111),排在第2位。近十幾年來我國學者在植物修復領域做了大量的科學研究,在總發文量和總被引頻次上排名世界第一,但篇均被引頻次明顯偏低,表明國內的研究成果在全球范圍內的受關注度及影響力仍然不高,在整體研究質量和創新性上還有待進一步提升。

表1 發文量前10的國家統計

圖3 不同國家開展植物修復研究的共現關系圖譜Fig.3 Co-occurrence network visualization map of countries in phytoremediation research

使用VOSviewer軟件對發文國家進行共現網絡分析,可以了解不同國家之間在植物修復研究領域的合作關系。選擇國家發文量為100以上,連接數為100,共得到的36個主要發文國家(節點)間的共現關系圖(圖3)。國家間的連接線條越粗,代表兩國間合作發文數量越多,即合作越緊密。美國和中國是兩個最大的網絡節點,尤其美國位于共現關系圖譜的中心連接點,即和其他發文國家的聯系最為緊密,幾乎與所有主要發文國家都有合作關系。在整個合作網絡中,中美之間的線條最粗,表明兩國是全球植物修復研究領域最大的合作關系體。此外,中國與澳大利亞、巴基斯坦、德國、英國、加拿大、日本等國家之間均開展了較多的合作研究。近年來中國的“走出去,請進來”的研究戰略讓國內學者有更多的機會與國外高水平機構和學者進行交流與合作,也使得國內植物修復研究更夠緊跟國際研究前沿[23]。但也要看到,國內植物修復研究的國際合作程度和美國還有差距,與意大利、西班牙、巴西、瑞士、伊朗、土耳其、俄羅斯等主要發文國的合作研究仍有上升的空間。

2.4 高發文期刊

全球共有1100多家期刊發表過植物修復方面的論文,其中發文量前10的期刊的發文總數占世界發文總數的38.60%(表2)。International Jouranl of Phytoremediation(IJP)以1194 的發文量成為發表植物修復研究成果最多的期刊,其次為Environmental Science and Pollution Research(ESPR)和Chemosphere,分別發表了878和740篇論文,其他期刊的發文數均未超過400。從總被引頻次上看,排在前三位的分別是Chemosphere(27677)、Environmental Pollution(EP,18432)和Journal of Hazardous Materials(JHM,17293)。篇均被引頻次在前10期刊中相差較大,發文量前兩位的IJP和ESPR的篇均被引頻次僅為13.42和13.81,排在前三位的EP、JHM和Plant and Soil分別為51.49、46.24和40.33。而H指數最高的分別為Chemosphere、EP和JHM的81、77和65。以上分析可見,盡管IJP和ESPR具有最高的發文量,但Chemosphere、EP、JHM、Plant and Soil等具有高影響因子的Q1期刊的篇均被引頻次和H指數更高,是發表植物修復研究成果最具學術權威性的國際期刊,也更容易受到各國學者的關注。同時也要注意到,我國學者在植物修復研究的發文量雖然最多,但其絕大多數成果均發表在荷蘭、美國、英國等國外期刊上,暴露出國內期刊缺乏國際認可度和影響力不足的問題,今后還需進一步提高國內期刊質量,努力打造具有國際品牌效應的高水平期刊。

2.5 高發文作者

全球28000多名學者為植物修復方面的研究做出了貢獻。發文量前10的作者見表3,其中有5名學者來自中國,3名學者來自巴基斯坦,比利時有2名學者。來自比利時Hasselt大學的Vangronsveld以116篇的發文量占據榜首,同時在總被引頻次(6900)、篇均被引頻次(59.48)和H指數(44)上均遙遙領先其他作者,展現出在植物修復研究領域絕對的優勢和影響力。浙江大學的楊肖娥與中國科學院的駱永明分別以101和99篇的發文量位列第2、3位。楊肖娥(3685)和南開大學的周啟星(3590)則分列總被引頻次的2、3名；而周啟星以57.9的篇均被引頻次排在第2位。分析還發現,多位高發文作者來自同一研究機構,如來自中國科學院的駱永明、吳龍華和Christie,來自比利時的Vangronsveld和Weyens,以及來自巴基斯坦的Ali和Rizwan,他們作為合作者發表了較多的成果,體現出密切的合作關系。

2.6 高被引論文

目前的研究評價體系中,論文的被引頻次越來越多地被用作衡量論文重要性的指標。分析本領域高被引論文,可以追蹤本學科領域的研究熱點和發展趨勢,為進一步的研究工作提供指導[23]。在植物修復研究的前10篇高被引論文中,綜述和研究論文分別有7篇和3篇,發表在2003—2014年間(表4)。按照第一作者的國籍,有3篇來自美國,2篇來自印度,巴基斯坦、德國、英國、奧地利和澳大利亞各1篇。被引頻次前3位的論文均為綜述,其中印度學者Haritash于2009年發表的文獻的被引頻次達到了1472次,該作者從微生物、酶、堆肥、濕地和植物修復等幾個方面對PAHs的生物降解特性及影響因素進行了全面的闡述[24]。巴基斯坦學者Ali發表的論文以1276的總被引頻次排在第2位,介紹了重金屬污染植物修復的背景、概念和發展趨勢[25]。排在第3位的是美國學者Pilio-Smits發表的文獻,被引頻次為1203次,綜述了適用于各種有機和無機污染物的不同植物修復技術,以及最適合的植物種類[26]。被引頻次最高的兩篇研究論文均發表在2012年的Nature上,美國學者Lundberg和德國學者Bulgarelli的論文分別被引1059和892次,他們均聚焦于超積累植物擬南芥的根際微生物,對根際菌群的定殖機制展開了深入的研究[27- 28]。其他高被引論文的內容包括修復植物對重金屬的積累、重金屬對植物的毒性、內生細菌促進植物生長等幾個方面。值得思考的是,前10篇高被引論文中沒有來自中國的第一作者,國內作者僅作為一篇高被引論文的合作者[29]。浙江大學的He發表的綜述文獻“Trace elements in agroecosystems and impacts on the environment”以714次的被引頻次位列第12位[30]。可見作為植物修復領域發文量最多的國家,我國在產出具有高影響力研究成果方面與國際頂尖成果間差距明顯,缺乏有國際影響力的核心論文和核心作者,與研究成果“量”的突破相比,更需要“質”的提升。

表4 植物修復研究的高被引論文

2.7 關鍵詞分析

2.7.1高頻關鍵詞

圖4 2010—2020年世界和中國發文的前10關鍵詞出現頻次Fig.4 Frequency of Top 10 keywords in word and China from 2010 to 2020*2020年的數據截止至2020年12月8日

高頻關鍵詞分析可以反映出近十幾年來植物修復相關領域的研究熱點。利用VOSviewer軟件從所有文獻中提取出共29050個關鍵詞,其中出現10次和100次以上的關鍵詞分別有1889和224個,大量的關鍵詞體現出植物修復研究領域的廣泛以及研究焦點上的差異。對相同含義的關鍵詞進行歸類處理后,世界發文中出現頻次排在前10的關鍵詞依次是植物修復、重金屬、植物提取、鎘、生物修復、植物穩定、鉛、砷、超積累植物和根際；而中國發文的前10關鍵詞依次是植物修復、鎘、重金屬、植物提取、超積累植物、積累、耐受性、鉛、根際和砷(圖4)。總體上看,國內外學者在植物修復研究中關注的焦點仍以重金屬類污染物為主,尤其是鎘、鉛和砷。但高頻關鍵詞在世界和中國發文中的排名也有所差異,如鎘在中國發文的關鍵詞排名高于世界,位列第2位,說明鎘是我國土壤植物修復研究的主要目標污染物,也反映出我國鎘污染土壤修復的迫切性和受關注度[31- 32]。在幾種植物修復類型中,我國更注重植物提取(吸收)方面的研究,而世界上除了植物提取外,對植物穩定技術的關注度也比較高[33]。此外,超積累植物和耐受性這兩個關鍵詞在中國的排名也明顯高于世界,超積累植物是決定植物修復效率的關鍵因素,這也表明篩選具有耐受性強的超積累植物是我國植物修復研究的重要關注方向[34- 35]。

2.7.2聚類分析

圖5 植物修復研究關鍵詞共現網絡可視化圖譜Fig.5 Co-occurrence network visualization map of keywords from phytoremediation research

根據關鍵詞之間緊密關聯的程度,可將其分類成不同的集群,同一個集群中的關鍵詞共現頻次高,能共同反映出某一個相近的研究領域。本研究基于VOSviewer軟件對出現100次以上的關鍵詞進行共被現聚類分析,其網絡可視化圖譜見圖5。207個關鍵詞被分為5個聚類,聚類1(紅色)擁有最多的63個關鍵詞,包括積累、植物、鎘、生長、忍耐、毒性、響應、代謝、氧化應激、超積累植物、擬南芥、砷等。這個聚類主要包括超積累植物的篩選及修復機制、有害重金屬對植物生長及生理代謝的毒性作用、植物產生的生理響應及忍耐機制等方面的關鍵詞[36- 37]。聚類2(綠色)共59個關鍵詞,主要有植物提取、重金屬、金屬、鉛、銅、鋅、形態、污染土壤、修復、植物固定、EDTA、有機酸及生物有效性等。這個聚類主要反映了植物去除污染土壤中典型重金屬的方法及強化措施等,如植物通過提取吸收去除土壤中的金屬,或通過根際的固定作用改變金屬形態,添加EDTA或有機酸改變金屬的生物有效性等[38- 39]。本研究所檢索到的所有文獻中有74.8%(9580篇)的文獻的主題詞包括“soil”,表明與污染水體的修復相比,污染土壤尤其是重金屬污染土壤的植物修復受到了更廣泛的關注。聚類3(藍色)共41個關鍵詞,包括植物修復、去除、水、廢水、生物積累、氮、磷、人工濕地、生物量、污染、吸附等。近年來,水體中污染物的植物修復也引起了研究者的關注,包括利用水生植物吸收富營養化水體中的氮磷污染物,或利用人工濕地等生態工程措施處理各類廢水等方面的研究,這可能代表了這一領域的一個新的研究趨勢[40- 41]。聚類4(黃色)共38個關鍵詞,包括土壤、生物修復、降解、根際、根際修復、多環芳烴、菲、細菌、內生細菌、多樣性、碳氫化合物、微生物群落等,這部分集中了植物根際修復方面研究的關鍵詞,如根際微生物群落及多樣性的研究,根際細菌對多環芳烴等碳氫化合物的生物降解研究等[42- 43]。聚類5(紫色)僅包括生物質生產量、重金屬積累、楊樹、柳屬、喬木和柳樹共6個關鍵詞,相比于生物量較小、積累量受限的草本植物,柳樹、楊樹等喬木樹種具有生物量大、生長速度快、重金屬積累能力強等特點,同時具有良好的環境適應性和景觀特性,是進行污染環境修復的良好植物資源[44- 45]。

2.7.3突現詞檢測

通過找出總出現頻次雖不高但在某些年份卻集中出現的關鍵詞,可以更加全面、準確地分析植物修復研究在不同時期研究熱點和研究前沿。本文進一步采用CiteSpace可視化軟件對2008—2020年間的文獻中的關鍵詞進行突現檢測,共篩選出跨越2年以上的主要突現關鍵詞26個(圖6)。其中,2010年之前便已開始出現的突現強度大的關鍵詞有污泥、超積累、芥菜、印度芥菜、遏藍菜、代謝、植物螯合素、楊樹等,且這些突現關鍵詞相關領域的研究熱度持續時間較長,其中超積累這一關鍵詞的突現時間跨度最大,這一階段對印度芥菜和遏藍菜等模式植物對重金屬的超積累特性及機制的研究持續成為研究熱點[46]。2012年之后可利用性、植物毒性、鉻等成為強度較高的突現關鍵詞。而改良、污染、礦山尾礦、光合作用、多樣性、氮、微生物群落等陸續成為2016—2018年間開始突現且強度較高的關鍵詞,且突現年份均已經跨越3年以上,且其研究熱度一致持續到2020年,并可能成為未來一段時間的研究趨勢,這也意味著植物修復研究已經擴展到了更廣闊的領域。隨著近幾年植物修復研究的進一步深化,一些新的研究熱點也不斷涌現[47- 50]。

圖6 2008—2020年具有高突現強度的關鍵詞Fig.6 Keywords with the strongest citation bursts from 2008 to 2020

3 結論與展望

為了揭示全球植物修復領域的研究現狀與發展趨勢,對WoS核心數據庫中2003—2020年間發表的植物修復研究領域的文獻進行計量學分析。全世界范圍內發表的植物修復研究的論文數量逐年增加,其中中國發文量呈現快速增長的趨勢,年度發文量已經超過世界的三分之一。中國、美國和印度的發文量、總被引頻次和H指數位居世界前3,但中國的篇均被引頻次低于其他主要發文國家。植物修復研究成果主要發表在IJP、ESPR和Chemosphere等國外高水平期刊上。來自中國科學院、浙江大學和南開大學的5名中國學者進入世界發文量前10,是國內在植物修復領域的主要研究力量。高頻關鍵詞的分析表明,國內外研究主要集中在重金屬污染的植物修復方面,鎘污染、超積累植物和耐受性等關鍵詞在國內關注度更高；高頻關鍵詞主要被聚類為植物修復機制及重金屬對植物生長的影響、重金屬污染土壤的植物修復、污染水體的植物修復、污染土壤的根際微生物修復以及高生物量超積累植物的篩選等幾個研究方向。通過不同年份突現關鍵詞的分析提出了近年來植物修復技術的研究熱點。總體上看,全球植物修復技術研究呈快速發展的趨勢,而我國的植物修復研究體現出發展速度快、成果產出多、國際合作水平高、整體實力突出的特點,但在文獻質量上未能與數量增長同步提升,尤其在產出具有高影響力研究成果方面與國際間尚存差距,缺乏有國際關注度和創新性的核心成果,亟待由“量”向“質”的飛躍。

總體上看,植物修復這一生態友好型技術經近30年的發展已經取得了很大的成就。植物修復技術的理論研究最終是要面向工程應用,盡管目前多數研究工作還停留在實驗室階段,但在國內外已經有一些植物修復被推廣應用于污染土壤修復的實例,而且可以預見該技術具有光明的應用前景和不可阻擋的發展趨勢,今后應從以下幾個方面開展重點研究：(1)繼續調查、尋找更多的生長快、生物量高的超積累植物,并加強現有超積累植物的育種和馴化；(2)加強復合型修復植物的篩選工作,這對于復合污染土壤的修復具有重要意義；(3)應用分子生物學和基因工程技術,構建具有高耐受性和超富集性狀的基因工程植物；(4)深化植物-微生物聯合修復研究,探索植物根圈、根際微生物的協同解毒機制,并發展根際強化修復技術；(5)開發超積累植物的處理處置技術,做到資源化、安全化、合理化使用；(6)加強植物修復和其他修復方法的聯合技術的開發,集中多重修復技術的優勢,提高修復效率。