基于文献计量的锑对农作物影响研究趋势
时间：2023-01-24 13:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘连华,欧阳威,2*,何孟常,林春野,崔馨桐 (.北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 00875；
2.北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院,广东 珠海 59087)
锑(Sb)是环境中微量但普遍存在的极具生理毒性和致癌性的类金属元素[1-2].虽然锑并不是动植物必需元素,但它能够通过水土环境介质被植物根系吸收进入到植物体内,进而通过食物链进入人体,对人体肺、心脏、肝脏等器官产生危害,甚至引发癌症[3-4].近年来,由于自然过程(如火山活动和风化作用)和人类活动(如工业生产、矿山开采)等影响,大量锑元素进入环境中,使它成为全球性分布、长距离迁移的新型污染物,并被欧盟巴塞尔公约和美国环保署(USEPA)列为全球优先污染物之一,也逐渐引起国内外学者的重视[5-10].我国锑产量约占世界总量的 80%,锑矿开采导致很多地区锑污染严重,特别是在湖南、广西、贵州等南方地区[11-14].在我国湖南锡矿山锑矿区调查发现,矿区周边土壤锑的浓度为271～3640mg/kg,河水及地下水中锑的浓度分布为0.0053～309mg/L 和 0.01～22.98mg/L[15-16].矿区周围土壤及水体中高锑含量必然影响植物尤其是农作物的正常生长,甚至还会导致农产品锑含量超标,进而通过食物摄入对人类健康造成危害[17-18].随着锑在农作物生长相关领域(例如农作物体内锑的吸收、代谢和转化机制及其毒性机理等)文献大量涌现[5,19-23],有必要对锑的农作物影响研究现状进行梳理和总结,从而了解农作物锑污染的研究发展历程并掌握其现阶段发展热点和未来发展趋势.
文献计量学是采用数学和统计学方法定量地分析各类学科发展中存在的数学规律,客观有效地反映学科领域中的发展动态和发展趋势[24-25].由美国德雷塞尔大学陈超美博士团队开发的 CiteSpace可视化分析软件可以较快的识别某一学科领域文献的研究热点、演变情况,具有定量化、客观性和模型化的宏观优势,已经被广泛应用于环境、医学、食品安全等多个学科领域[26-28].目前,已有学者利用CiteSpace软件对土壤重金属迁移转化、土壤重金属形态分析、土壤重金属污染防治、土壤重金属风险评价、重金属生物可给性、重金属时空污染等重金属污染热点前言进行了分析[28-32].关于锑污染研究进展的文献计量学分析文章较少[33].虽然学者们针对锑对植物(特别是农作物)的影响研究进行了室内试验、现场监测或综述总结研究[34-38],仍然缺乏锑对农作物生长影响领域的发展历程、现状、前言热点和未来趋势的细致分析.
因此,本文采用CiteSpace软件对1991～2021年锑对作物生长影响领域的发文量、发文国家或地区、研究机构、关键词共现、突显关键词、文献共被引网络和关键文献的知识图谱进行可视化分析,阐述该领域的发展历程,探讨该研究领域在研究内容和研究方向等方面的发展趋势,旨在掌握锑对农作物生长影响领域的研究现状和研究热点,进而提出该领域未来的研究趋势和重点,以期为相关研究人员提供理论基础,为锑对农作物污染的研究和防治提供参考.
1.1 数据来源
选取Web of Science 平台的WOS核心合集数据库进行锑对农作物影响研究领域的文献检索.因为本研究重点关注的对象是农作物,小麦、水稻、玉米和大豆是全球四大粮食作物,蔬菜是主要的经济作物,因此本研究的检索式设置为:TS=((crop OR wheat OR rice OR maize OR corn OR soybean OR vegetable) AND (antimony OR Sb)),检索时间为2022年2月,时间段为1991～2021年,检索后共得到4420条数据.为聚焦研究,进一步筛选环境科学与生态学(ENVIRONMENTAL SCIENCES ECOLOGY)、农业(AGRICULTURE)、植物科学(PLANT SCIENCES)研究方向文献类型,最终选取2597篇文献作为主要数据来源,分析了 1991～2021年全球锑对农作物影响相关研究的总体趋势.
1.2 分析方法
运用 CiteSpace(5.8.R3)软件分析了 1991～2021年国内外发表的有关锑对农作物影响领域的研究进展,包括发文国家、发文数量、发文机构、H-index值、关键词、突显关键词及关键文献等,通过知识图谱的可视化分析,获取该领域研究现状和研究热点,并分析未来的发展态势.
2.1 发文量、发文国家或地区分析
全球年度文献发表数量以及不同国家/地区发文数量可以从侧面反映该研究领域的总体趋势、研究热度和发展速度以及科学界对某一研究领域的关注度[25,33].自 20世纪 90年代开始,年发文总量总体上呈现逐年增加的趋势,2005年以后呈现指数型增长的趋势,特别是自2010年后发文数量迅速增加(图 1a).因此就年发表文献数量的增速而言,可将锑对农作物影响研究分为3个阶段:缓速增长期(2005年以前),总发文量438篇,年均发文量29篇;快速增长期(2006～2015),总发文量 995篇,年均发文量 100篇;急速增长期(2016～2021),总发文量 1164篇,年均发文量 194篇,表明该领域研究在近年来得到了国内外学术界的高度重视.该领域的研究已在全球范围内广泛开展,多个国家/地区的学者进行了相关研究,学者主要分布在中国、美国、巴西、印度、意大利、西班牙、日本、澳大利亚等国家[39-44](图 1b).美国地质调查局数据显示,截至2019年末,中国、俄罗斯和玻利维亚三国的金属锑储量约为全球总储量的 80%[45].作为锑储量最多的国家,我国也是世界上锑产量最大的国家,锑矿业的大量开采导致周边水体和土壤受到锑污染[46].因此,我国学者对锑矿区周边农作物对锑的吸收和富集等方向开展了大量研究,并且发文 H-index值较高,说明我国在该领域具有较强的影响力.
图1 发文量(a)以及主要国家发文被引频次和H-index(b)Fig.1 Total published literatures numbers(a), and citation volume and H-index of main countries(b)
2.2 研究机构分析
利用 CiteSpace软件中的“Institution”分析功能对发文研究机构进行分析(图2).1991～2021年,发表文献数量最多的机构是中国科学院(CAS)202篇,其次为美国农业部(USDA)106篇、中国农业科学院(CAAS)70篇、欧洲研究型大学联盟(LERU)55篇、印度农业研究委员会(ICAR)48篇、圣保罗州立大学(UNESP)46篇、最高科研理事会(CSIC)38篇、圣保罗大学(USP)35篇.文献数量前 10位机构发文量占总发文量的 25.7%,中国研究机构发文量占 10.5%,说明中国在该领域具有一定权威性和影响力.除中国科学院和中国农业科学院外,浙江大学、华南农业大学、西北农林大学等国内研究机构也在该领域与国内外机构合作密切.从研究机构合作网络图来看,近年来中国科学院的年轮最大、出现的频次最高,并且与国内外研究机构保持一定的合作,说明在该领域研究方面具有强大的科研攻关力量.
图2 国内外研究机构合作知识图谱Fig.2 Global research institutions collaboration networks
2.3 关键词分析
在进行某个领域的前沿分析时,关键词一般被视为文章的精髓,是全文内容的高度提炼和概括,因此高频关键词可以体现研究主题的演变过程,为相关领域的研究人员预测该主题未来的发展趋势提供依据[47-48].基于 CiteSpace软件中“Keyword”分析功能,对检索结果的关键词进行共现分析,快速掌握该领域的研究热点和动态变化趋势(图3).除了与检索主题词一致的“antimony”外,“heavy metal”、“trace element”、“plant”、“water”、“soil”、“sediment”、“environment”、“identification”、“performance”、“speciation”、“availability”是高频次关键词,表明锑在作物、土壤、水体、沉积物等环境中的识别、特征、形态和生物可利用性是研究核心[6,49].在污染物方面,除了锑外,涉及铅、锌、镉等其他重金属、氮以及有机质等元素的研究逐步出现[50-51],说明锑污染的发生伴随着其他重金属污染和养分迁移转化的过程也是国内外学者关注的热点之一.另外,学者们对地球化学环境中锑的提取、迁移、毒性、去除、环境风险的关注度也稳步提高[52-54].
图3 关键词共现网络分析Fig.3 Analysis of keywords co-occurrence network
20世纪90年代的关键词主要为“plant growth”、“protein”、“wheat”,近年来“agricultural soil”、“soil property”、“particle size”、“microbial community”等关键词的共现,表明锑对农作物的影响研究由过去的农作物对锑的吸收代谢、植物生长和作物产量影响的研究逐步转向环境中特别是土壤中锑对微生物活性的影响微观机理研究[37,55-58].而且,近年来“environment”、“contamination”、“health risk”、“ecological risk”、“toxicity”、“dietary intake”等关键词共现表明,锑污染排放通过土壤、水体、沉积物等不同环境介质进入人类饮食从而可能产生的环境效应、生物效应和健康风险评估也逐渐成为学者们关注的焦点和热点[32,59-61].整体来说,锑对农作物的影响研究从主要考虑农作物生长、产量和品质的影响研究发展到考虑农作物、土壤、水体、沉积物等环境中的迁移转化机制研究,特别是微生物活性对土壤系统中锑的吸附及氧化还原变化的影响也是近年来的研究热点[57-58,62-63].
相对于传统高频主题词,突显词可以更明确表明学科的变化趋势和新兴方向,突显词分析的基本原理是根据检索文献的标题、摘要及关键词的增长频率来确定该领域热点词汇[24].本文利用 CiteSpace软件中“Burstness”功能对关键词进行突现词分析,识别研究领域发展中研究热点的改变趋势(图4).
图4 关键词突显图Fig.4 Keywords with the strongest citation bursts
根据前25位突显词分析发现,缓慢增长期(2005年以前)的突现关键词主要为“protein”、“trace element”、“growth”、“identification”等,表明该时期主要集中在农作物对锑等微量元素代谢吸收及植物生长影响的识别研究[5,37,64].快速增长期 (2006～2015)的研究重点主要集中在植物对锑的抗性和吸收特征研究,以及污染土壤中有机质等土壤理化性质变化条件下锑的含量、稳定性和提取等迁移转化机制方向的研究[51,65].急速增长期(2016～2022)的研究重点为农田土壤中锑的生物可利用性和作物生长响应,特别是稻田土壤中微生物群落活性的动态变化以及锑的健康风险评价研究[22,57].
2.4 关键文献分析
文献共被引分析可以反映被引文献作为知识基础对当前研究的影响,高引用率的文献代表了该领域的重要研究成果[28].基于 Citespace软件中“Reference”分析功能,对检索结果进行文献共被引分析(图5).文献共被引网络是指由两篇文献组成的知识网络同时被其他文章引用,其中连线代表共被引的关系,节点表示收集到的文章被引情况,中介中心性高的节点是在不同领域进行连接的关键枢纽文献.
图5 文献共被引网络Fig.5 Literature co-citation network
该研究领域内8篇关键文献中有6篇为综述性文章(表1).综述是学者们高度凝练总结该领域某些方向现状趋势的文献,为未来研究提供理论支撑和研究思路.学者们从锑的来源、锑在环境中的迁移转化过程、农作物对锑的吸收和生物累积、锑的微生物地球化学过程、以及锑对生态系统和人类健康影响等方面进行了综述[5-6,20,46,49,56].锑主要来源于含锑矿物的风化、溶解和颗粒态迁移,其形态及氧化还原转化是决定锑地球化学特征的主要因素[6].由自然活动或人类活动产生的锑可以在有机或无机复杂环境介质上吸附并发生氧化还原反应,发生形态转化,从而对生态系统产生毒性影响[46].水分管理、锑的形态和土壤中的共存离子等是影响植物吸收锑的关键因素[5].此外,微生物是影响锑的氧化还原、吸附和甲基化过程的重要因素,在锑的地球化学循环中起着重要的作用[56].另外 2篇关键文献对典型锑矿区中国湖南锡矿山矿区土壤和作物中锑的分布、形态和迁移进行了研究[3],利用水培试验深入探究了水稻对锑的吸收代谢机制[21].
表1 研究领域关键文献Table 1 Key literatures in research field
2.5 未来研究趋势分析
通过分析锑对农作物影响领域的关键词和突显词,结合关键文献的阅读,归纳总结出该领域的未来研究热点主要体现在以下几个方面:
锑在农作物体内的吸收代谢途径和器官之间的迁移、存在形态、生物有效性及毒性.虽然国内外学者在这一方面已逐步开展了大量研究,但仍然需要从植物生理学、细胞生物学、分子生物学等多学科角度继续深入研究农作物中锑的吸收、转运、代谢及毒害作用机理[37,66].该方向的研究将丰富和充实有关锑的植物生理学、植物化学等方面的理论基础,为系统研究锑超富集植物的富集机制提供科学依据.特别是水稻作为世界上主要的粮食作物之一,比其他粮食作物更易吸收和富集锑[67],水稻生长过程中的水分管理导致稻田存在干湿交替环境,好氧和厌氧条件交替变化和氧化还原电位的变化将影响水稻体内锑的吸收、转运和代谢[68].因此,应高度重视不同水分管理条件下,稻田生态系统内锑的迁移转化机理研究.
锑的环境地球化学循环及环境风险评价研究.在矿区周边及周边农田生态系统,土壤、农作物、水体以及河流沉积物中锑的浓度较高,甚至有些区域水体中锑含量远超过世界各国饮用水锑含量的上限值,增加了生态系统和人类暴露健康风险[46,69].系统了解锑的来源及分布特征,大气、水体、土壤、作物、沉积物等环境介质中锑的地球化学循环机理对于深入认识锑污染对环境及人体健康风险具有重要意义.此外,不同环境介质和生物群(包括植物和动物)、饮食来源及人体系统中锑含量阈值的研究较为缺乏.此类方向研究将充实有关锑的环境与生物地球化学理论,丰富有毒元素与人体健康风险关系的知识体系[70].
锑的微生物生态效应及微生物对锑的代谢机制研究.锑和微生物的相互作用可以影响地球化学环境中两者的存在量及存在形式.微生物群落结构通过影响锑的溶解、氧化、还原、甲基化和生物累积,从而影响环境中锑的迁移转化过程[71-72].锑也可以对微生物群落产生生态效应,对微生物生物量、酶活性、基本呼吸速率、群落结构和生物化学过程产生重要影响[46].在农田生态系统,锑的吸收、转运、代谢及生物可利用性与土壤中微生物群落密切相关,因此不同环境条件下锑和微生物群落的相关作用研究将是未来持续的研究趋势和热点.
3.1 锑对农作物影响研究的发文数量呈快速增长态势,2016～2021年发文量为194篇/年,表明国内外学者对该领域研究的关注度不断提高.我国是发文量最多的国家,其次为美国、巴西、印度、意大利、西班牙等国家,且我国发文的被引频次和 H-index值也位居前列,表明我国在该领域的研究较为活跃.
3.2 通过关键词共现网络及突显词分析发现,本研究领域发展的缓慢增长期(2005年以前)研究主题侧重于农作物对锑的代谢吸收及植物生长影响研究;快速增长期(2006～2015)的研究主题侧重于植物对锑的抗性和吸收特征以及土壤理化性质变化条件下锑的含量和稳定性等方向的研究;急速增长期(2016～2022)的研究主题侧重于考虑到土壤、作物、水体、沉积物等环境中锑的迁移转化机制的研究,特别是土壤系统(如稻田土壤)中微生物群落活性的动态变化以及对人类健康的风险评价研究.
3.3 未来该领域的研究可能主要集中于水体—土壤—农作物系统中锑元素迁移转化过程的影响因子及影响机制研究、锑的微生物生态效应及微生物活性对农作物锑吸收、富集、生物可利用性的响应机理研究等方面.
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