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稻田重金属污染修复治理技术及效果文献计量分析

来源:农业环境科学学报 点击:   2019-02-12 15:52:09

导 读

为了解国内、外稻田重金属污染修复治理研究进展、研究趋势以及稻田镉污染修复治理效果,通过检索2006—2017年CNKI中国期刊全文数据库和Web of ScienceTM核心合集数据库有关稻田重金属污染修复治理领域相关文献,利用软件对相关文献进行计量分析,并再次筛选出大田条件下稻田镉污染修复治理技术和效果。

文/杜志鹏,苏德纯(中国农业大学资源与环境学院)

来源:《农业环境科学学报》(2018年11期),转载自“农业环境科学”公号(2018年12月7日)

近30年,随着我国工业化进程的加速和社会经济的快速发展,农田土壤污染和质量下降问题日趋突出。2014年4月国家环境保护部与国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤重金属等污染物点位超标率达19.4%,镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%,污染形势不容乐观。耕地土壤重金属污染会导致农产品重金属含量超标。重金属作为人体非必需元素,半衰期较长,通过食物链极易在人体内累积,因长期食用重金属污染的食物可造成骨毒害、肾损伤、免疫系统缺失、生殖功能障碍、致畸、致癌等各种疾病。近年来,国内发生了数起重金属污染相关的事件,包括镉大米、镉小麦、血铅超标等。水稻作为我国的第一大粮食作物,其年均种植面积为2860万hm2,年产稻米1.85亿t,占粮食总产量的40%,而作为我国稻米主产区的西南、华南和中南地区正是土壤重金属污染较为突出的区域。因此,修复治理稻田土壤重金属污染,保障稻米食用安全,对于我国生态环境安全与食物安全有着不可忽视的作用。

对于大面积的稻田重金属污染修复治理,现阶段多采用固定/稳定化方法,降低污染土壤中重金属的生物有效性,阻止农作物对其吸收,使一些污染程度较低的农田还可以继续安全的生产农产品。其主要机制是通过向污染土壤中施加一些物质,以改变重金属在土壤中的存在状态,降低其在土壤中的迁移性和生物可利用性,使土壤中重金属固定/稳定化,减少作物对重金属的富集,从而减少重金属对作物的危害。比如基施钝化类的无机、有机以及它们的组配形式。不同品种的水稻对重金属的积累存在显著性差异,通过筛选重金属低积累品种可以有效降低稻米中重金属含量。此外,水分管理、叶面阻控剂也可有效降低稻米中重金属含量。

文献计量学以文献体系和文献计量特征为研究对象,被广泛用于文献情报分析,进而评价某领域科学发展现状及水平。本文通过检索CNKI中国期刊全文数据库和Web of ScienceTM核心合集数据库2006—2017年稻田重金属污染修复治理领域相关文献,利用Excel软件筛选整理、HistCite引文分析软件统计分析相关文献,了解国内、外稻田重金属污染修复治理领域最新研究进展、修复技术类型和特征,并通过文献分析整理出在大田试验条件下稻田镉污染修复治理技术的修复治理效果,以期为我国稻田重金属污染修复治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 中文数据来源

本文中文数据来源于CNKI的中国期刊全文数据库。利用中国知网高级检索功能,检索时间跨度为2006—2017年,检索截止时间为2017年12月31日,以“重金属”并“水稻”或含“稻田”为主题,利用“改良”、“钝化”、“固定”、“调理”、“阻控”、“修复”、“减少”、“降低”等主题词在上次主题词搜索结果中再次检索,逐条整理挑选,去掉重复、不相关题录、一稿多发、简讯、会议报告等,共获取中文文献551篇。

1.2 英文数据来源

本文英文数据来源于美国汤森路透公司(Thomson Reuters)出版的Web of ScienceTM核心合集数据库。该数据库收录的文献覆盖了全世界最重要和最有影响力的研究成果,是世界公认的自然科学领域最为重要的检索平台。利用主题词(TS),设计与稻田重金属修复相关文献的检索式如下:TS=(("acid soil*" or "rice field*" or paddy or rice or "agricultural soil*")and("heavy metal*" or lead or "black lead" or plumbum or cadmium or mercury or hydrargyrum or quicksilver or omium or ome or arsenic or copper or zinc or nickel)and(removal or decontaminal or stabilizat* or phytoremediat* or bioremediat* or co-remediat* or phytostabilizat* or phytoinfiltrat* or hyperaccumulate or remediat* or repair or restore* or localizat* or accumulat* or Immobiliz* or improve* or control or passivation or fix*or amendment)not maize not wheat),检索时间为2006—2017年,文献类型为Article和Review,逐条整理挑选之后,共获取英文相关文献593篇。

1.3 研究方法

中文文献按Excel文件格式导出,利用Excel进行分类整理统计,对2006—2017年间发表的有关稻田重金属污染修复技术文献从年度发文量、来源期刊分析、关键词分析、研究热点等方面进行计量统计。

利用Web of ScienceTM数据库自带的分析工具、HistCite软件、Excel 2013软件,对2006—2017年间发表的有关稻田重金属修复技术文献从国家/地区发文量、来源期刊分析、关键词分析、研究方向以及热点等方面进行计量统计。其中用HistCite软件进行数据分析时,是将从Web of ScienceTM核心合集数据库下载的txt全纪录格式的题录,按照研究内容的需要将文本导入至HistCite软件,然后进行分析。

从1144篇中英文文献中再次筛选出在大田试验条件下修复稻田镉污染的各种技术文献,并从文献中提取相关修复稻田镉的数据,对各种技术修复稻田镉污染的效果(各修复技术对土壤pH提升单位、降低土壤中镉生物有效性、稻米降镉率等)进行分析比较。

2 结果与讨论

2.1 发文量及年度变化趋向

发文量表征科研人员对本领域热点的关注程度,一定意义上表明了稻田重金属修复领域的发展速度和发展程度。所发论文被SCI收录数量一定程度上可反映一个国家/地区的整体科研实力和国际影响力。年度发文量结果(图1)表明,在2006—2011年间,中英文稻田重金属修复领域发文量增加不显著,但从2011—2017年,中英文稻田重金属修复领域发文量迅速增长。到2017年,中文年发文量为111篇,是2011年发文量的5.5倍;英文发文量为118篇,是2011年发文量的3倍。2011—2017年该领域中文和英文发文量的年增长率分别为115%、32.5%、5.3%、- 1.7%、44.1%、30.6%和2.6%、12.5%、22.2%、25.5%、94.2%、-11.9%,2012—2017年中文和英文发文量年平均增长率为37.6%和24.2%。

2012—2017年6年累计中文和英文发文量占统计年限(12年)总发文量的75.3%和77.7%,说明近6年稻田重金属污染修复问题受到科研人员的高度重视,在该领域的研究热度也逐渐提升。在2015年之后,中英文发文量都呈爆发式增长,主要原因可能是2014年4月17日环保部和国土资源部历时8年调查发布的《全国土壤污染状况调查公告》出台以及2014年4月24日新环保法的颁布,进一步有效地推动了科研人员对稻田污染修复的研究工作,加快了该领域的研究热度提升。国外土壤重金属修复文献统计显示,从20世纪80年代开始便有重金属土壤污染修复的相关研究,且发文量持续增长,而此时国内研究开展较少。2006—2017年稻田重金属修复领域国内、国际趋势相同,基本持平,发文量均处于快速发展期。

2.2 主要国家发文量分析

一个国家/地区的发文量一定程度上代表了在某领域研究的活跃程度,总被引频次(TGCS)反映了一个国家/地区的整体科研实力和科研影响力,本地被引频次(TLCS)则代表了本国所发表的论文在该领域的重要程度,可更贴切地表明一个国家在该领域的影响力。从Web of ScienceTM核心合集数据库中共检索出中国、印度、美国等50个国家/地区发表了有关稻田重金属污染修复的研究论文。在现有数据上,对2006—2017年不同国家/地区的发文情况进行分析,论文发表数量排名前10位的国家/地区如表1所示,中国的发文量排名第一,共387篇,遥遥领先于其他国家,占英文发文总量的65.3%,分别是排名第二的印度发文量的4.5倍和排名第三的美国发文量的6.2倍,可见我国在稻田重金属污染修复领域的研究占有重要地位,间接也说明我国当下稻田重金属污染问题的严峻。由表1可知,中国发文量虽然位居榜首,稻田重金属修复治理领域虽然发展较快,但其篇均被引次数、本地篇均被引次数排名均偏低,表明中国在该领域的研究虽然比较活跃,但国际影响力不高,应加强该领域的创新性研究。日本发文量排第四,其篇均被引次数、本地篇均被引次数排名均为第一,表明日本在稻田重金属污染修复治理领域的文章影响力较强。

2.3 期刊来源分析

对2006—2017年稻田重金属污染修复领域中文文献检索结果进行分析,收录与稻田重金属修复相关的研究论文前10种中文期刊如表2,在这10种期刊中,发文量排第一的是《农业环境科学学报》,为95篇,占期刊发文总量的15.94%。综合影响因子最高的期刊是《生态学报》,为2.521。发文量排名前10的中文期刊总发文量为284篇,占该领域中文期刊发文总量的51.54%。

对2006—2017年稻田重金属污染修复领域英文文献检索结果进行分析,收录与稻田重金属修复相关的研究论文有187家英文期刊,英文发文量前10的期刊如表3。发文量第一的期刊为《Environmental Science and Pollution Research》,其发文量为57篇。近5年平均影响因子最高的期刊为《Journal of Hazardous Materials》,其影响因子为6.513,其次是《Environmental Pollution》《Science of the Total Environment》《Chemosphere》和《Ecotoxicology and Environmental Safety》,近5年平均影响因子分别为5.291、4.984、4.551、4.000,在2017年期刊引证报告中,这5种期刊均属于Q1分类,其余5种期刊近5年影响因子在1.972~3.921之间。某期刊的本地篇均被引次数(TCLS/R)可直观表现出该期刊所刊登稻田重金属修复领域研究文章在本领域的受重视程度,本地篇均被引次数最高为5.38,所属期刊为《Journal of Environmental Sciences》,其次为《Environmental Pollution》《Journal of Hazardous Materials》《Geoderma》和《Chemosphere》,本地篇均被引次数分别为5.33、4.71、4.62、3.60。综合近5年平均影响因子和本地篇均被引次数排名前5的期刊,归纳出在稻田中金属污染修复领域影响力较强的3种期刊为《Environmental Pollution》《Journal of Hazardous Materials》和《Chemosphere》。

2.4 稻田重金属污染类别分析

稻田重金属污染类别文章的数量一定意义上也代表了某种重金属的污染程度。图2为2006—2017年中文稻田重金属污染类别,可见中文发文量第一的重金属为镉,发文量达548篇,占中文稻田重金属污染修复总发文量的56.32%;同样对2006—2017年英文稻田重金属污染修复类别(图3)分析发现,发文量第一的重金属仍为镉,发文量达458篇,占比31.11%。此外,结合2006—2017年中英文稻田重金属污染修复领域主要关键词出现频次(图4、图5)将出现频次最高的前100个关键词进行分类合并,稻田重金属污染出现频次最高的重金属同样是镉。说明全球稻田重金属污染中镉污染最突出,包括我国,这与我国2014年的《全国土壤状况调查公报》中所报告的镉的点位超标率为7.0%,是所有无机污染中污染最严重的结论相符合,另外铅、砷等重金属污染也较为严重。中文与英文稻田重金属污染类别均为镉、铅、砷、铜、锌,表明在稻田重金属污染修复领域研究人员的重金属研究热点为镉、铅、砷、铜、锌这5种重金属,间接也说明全球稻田主要受镉、铅、砷、铜、锌这5种重金属污染。对比中英文稻田砷污染发文量百分比,英文明显高于中文,表明国外的稻田砷污染修复研究工作较我国更多。许多研究都表明,治理铅、镉、铜、锌等重金属的化学调理剂一般可提高土壤pH值,这在很大程度上可能提高土壤砷的生物活性,在治理镉、铅、砷等复合污染稻田时,对修复某种重金属污染有效果,但不一定对砷有效果。因此,不仅需要对稻田单个重金属污染进行修复治理,也需关注稻田重金属复合污染修复治理的效果。

2.5 稻田重金属污染修复技术分析

对2006—2017年稻田重金属污染修复中英文出现频次最高的前100个关键词频次进行分析(图 4、图 5),发现稻田重金属污染修复主要是通过钝化或改良技术将重金属固定在土壤中,降低土壤中重金属的生物有效性,减少有效重金属被水稻吸收以及累积,这一类的钝化剂有石灰类、硅钙类、磷酸盐类、有机物料、生物炭等。其次也有通过叶面喷施阻控剂阻止重金属转运基因的表达以及在细胞壁固定部分重金属等,以有效阻控重金属向稻米中转运,这一类叶面阻控剂有硅类、硒类、锌类等。也可通过水分管理等农艺措施来降低水稻对重金属的吸收累积。

将2006—2017年1144篇中英文稻田重金属污染修复文献按修复类型分为基施钝化类、水稻品种筛选、农艺措施、叶面阻控、生物修复、机理/综述六大类,其发文量如图6。国内外稻田重金属污染修复技术都是以基施钝化类为主要研究方向,中文和英文发文量分别为377篇和397篇,占所有稻田重金属修复技术的53.9%和49.0%。比较2006—2017年中英文稻田重金属污染各修复技术的发文量可发现,除了基施钝化类修复技术,国内研究人员比较侧重水稻品种的筛选以及叶面阻控剂对水稻的阻控效果研究,而国际研究者比较侧重生物修复技术和机理/综述的研究工作。就我国而言,约有1×107 hm2的重金属污染土壤,其中轻中度重金属污染占超标点位的94.3%,地域上大部分分布于南方亚热带水热资源丰富地区,修复治理后的土壤具有巨大的利用潜力;中度和轻度污染的土壤修复后,单位面积产量可以提高10%以上,因此,大面积轻中度重金属污染稻田修复治理具有很实际的意义。基于生物地球化学理论,稻田重金属行为是水-土-气-生共同作用的地表过程。镉、砷等元素从土壤矿物至植物根表的迁移机制、从根至籽粒的转运机制,是关键科学问题。从基础入手,研发降低重金属从矿物迁移至根表的钝化技术、阻控可食部位积累重金属的生理阻隔技术(叶面阻控剂),是阻控稻米重金属积累的有效途径。

2.6 稻田镉污染修复技术效果分析

在“2.4稻田重金属污染类别分析”中得出,稻田重金属污染中镉污染最为突出,稻米食用安全需要保障,对众多稻田镉污染修复技术效果(稻米降镉率)进行统计分析,有利于筛选出高效的稻田镉污染修复技术。

对2006—2017年稻田重金属污染修复领域筛选出的1144篇文章进行二次筛选,挑选出稻田镉污染修复技术且在大田试验条件下进行的文章,对其试验地土壤性质、施用修复技术后的pH变化单位、降低土壤镉生物有效性、施用修复技术前后的稻米镉含量、产量等进行统计(表4)。稻田镉修复技术包括石灰类物质、硅钙类物质、黏土矿物、有机物料、生物炭、磷酸盐类、生物肥类、无机组配改良剂、无机+有机组配改良剂、叶面阻控剂、叶面阻控剂+基施改良剂、水分管理+基施改良剂、品种筛选等。

从表4可知,试验地土壤pH多为酸性,土壤镉含量严重超标。除叶面阻控和品种筛选外,其他修复技术都不同程度地提升了稻田土壤pH,其中最为明显的是黏土矿物修复技术,其次为无机组配改良剂修复技术,分别提升了0.98、0.95个单位。降低土壤镉生物有效性最显著的是无机组配改良剂修复技术,其次是无机+有机组配改良剂修复技术,分别降低50.31%、38.54%。在施用各项稻田镉污染修复技术后,稻米中的镉含量都明显下降。其中,稻米降镉率最高为74.50%,以下为46.85%、44.52%、42.19%、41.19%、38.69%、35.67%、34.62%、33.89%、31.28%、27.23%、21.27%、14.77%,分别为品种筛选、黏土矿物、叶面阻控制+基施改良剂、无机组配改良剂、水分管理+基施改良剂、无机+有机组配改良剂、生物炭、硅钙类物质、石灰类物质、生物肥类、叶面阻控剂、磷酸盐类、有机物料。产量提升最为显著的稻田镉污染修复技术为磷酸盐类和生物炭,分别提升13.86%和13.16%。

3 结论

(1)2006—2017年12年稻田重金属污染修复领域国内发文量与国际发文量基本持平,从2011年开始发文量迅速增加。研究的重金属元素主要是镉、铅、砷、铜、锌。研究热点主要为稻田镉污染修复治理,且基施钝化类修复固定/稳定技术最多。

(2)通过对2006—2017年大田试验条件下稻田镉污染修复技术修复效果统计,低积累镉品种筛选稻米降镉效果最好,其次为黏土矿物、叶面阻控剂+基施改良剂、无机组配改良剂、水分管理+基施改良剂、无机+有机组配改良剂,降镉率依次为74.50%、46.85%、44.52%、42.19%、41.19%、38.69%。

文章来源:农业环境科学学报
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