趙國強,鄧舒美,朱 翔,謝 梅,譚奕宏,趙 利,江 勇*

(1. 江西科技師范大學生命科學學院,330013,南昌; 2. 江西省鄱陽湖水文生態(tài)監(jiān)測研究重點實驗室,330002,南昌; 3. 信江饒河水文水資源監(jiān)測中心,333000,江西,景德鎮(zhèn))

0 引言

塑料因其可塑性高、成本低廉、耐腐蝕等特點,在全球范圍內得到廣泛應用。然而,塑料的高使用率、低回收率和難降解等問題致使其在環(huán)境中大量積累[1]。環(huán)境中的塑料經物理、化學和生物形式降解為粒徑較小的塑料,而粒徑小于5 mm時被稱為微塑料[2]。根據微塑料的來源不同,可將其分為初級微塑料和次級微塑料。初級微塑料是指工業(yè)中有目的制造的塑料制品,如洗面奶等個人洗護用品中起磨砂作用的微珠及用于制造其他塑料制品的工業(yè)原料。次級微塑料是指大塊塑料經多種形式降解而形成的塑料,其可能來自于塑料袋、飲料瓶、薄膜、漁網及繩索等。

盡管淡水環(huán)境是多種水生生物的棲息地和人類生產活動的重要資源,但以往微塑料污染研究主要集中于海洋環(huán)境,鮮有針對淡水環(huán)境。然而,塑料的生產和消費主要發(fā)生在陸地等淡水環(huán)境中,有研究估計每年向陸地排放的塑料是向海洋排放塑料的4～23倍[3],淡水中微塑料豐度(6 829 items·m-3)明顯高于海水中微塑料豐度(1 320 items·m-3)[4]。此外,微塑料污染在河口地區(qū)尤為嚴重[5-6],這表明陸地淡水河流輸入是沿海和海洋環(huán)境中微塑料的重要來源。因此,全面了解淡水中微塑料的研究現狀、熱點和趨勢是尤為必要的。

文獻計量分析是一種評價和全面了解當前研究成果的方法,以其定性和定量分析的優(yōu)勢成為衡量科學進步不可或缺的工具[7]。近年來,Citespace、VOSviewer和Bibliometrix等統(tǒng)計分析工具已被應用于多個學科[8]。然而,過去的研究往往只采用一種或兩種文獻計量工具,未能發(fā)揮出多種計量工具各自的優(yōu)勢。例如,Citespace采用的突現檢測算法適用于新興的前沿研究[9];VOSviewer的關鍵字聚類及密度視圖功能可以準確揭示研究領域的熱點[10];Bibliometrix是一款依賴于R語言的軟件包,在數據挖掘和可視化方面具有巨大優(yōu)勢[11]。此外,近年來淡水中微塑料研究作為微塑料研究的新興趨勢,相關研究呈爆發(fā)式增長,及時了解該領域的研究熱點和前沿對于研究人員是至關重要的。

本文使用多種文獻計量工具及數據可視化工具,對2007年至2022年淡水中微塑料相關文獻的發(fā)文量、作者、國家/機構、期刊和關鍵詞進行可視化分析,以梳理淡水中微塑料研究的現狀與發(fā)展歷程,歸納其研究的熱點和前沿,為相關領域的研究人員探索創(chuàng)新提供參考。

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

檢索日期為2022年11月2日,使用WOS數據庫,檢索式:TS=(( freshwater OR “surface water” OR river OR wastewater OR sewage OR lake OR estuary OR reservoir ) AND( microplastic* OR nanoplastic* )),檢索類型為article和review,選擇“web of science核心合集”,時間范圍為2004年至2022年,語種為English。

1.2 數據篩選

兩名篩選人員分工合作,一人負責篩查,另一人負責審核,篩選標準為:

1)對于涉及到生物的相關論文,查詢該生物的棲息地,判斷其是否屬于淡水環(huán)境;

2)鑒于淡水中微塑料研究許多技術和理念來源于海洋環(huán)境,為保證數據的全面性,保留研究內容同時涉及淡水環(huán)境和海洋環(huán)境的論文。

從WOS中以純文本格式(.txt)導出,記錄內容為“全紀錄與引用的參考文獻”,共導出2 987條文獻信息。

1.3 研究方法

使用Citespace 6.1.R2進行關鍵詞突現分析,時區(qū)選擇2007年至2022年,時間間隔為1年,采用Pathfinder剪枝方式;使用VOSviewer生成作者合作網絡圖譜并進行關鍵詞聚類分析;使用Origin 2021對發(fā)文量、總引用數、平均引用數和H指數等進行統(tǒng)計和繪圖;使用Scimago graphica繪制發(fā)文量前30的國家間的合作圖譜和聚類分析圖。

2 結果與討論

2.1 發(fā)文量分析

年度發(fā)文量能反映研究領域的發(fā)展階段。本文對2007年到2022年淡水中微塑料研究發(fā)文量和總引用數進行統(tǒng)計(如圖1)。結果表明,淡水中微塑料研究共分為2個發(fā)展階段:微塑料研究最早開始于海洋環(huán)境中[2],Browne則是淡水中微塑料研究較早的學者之一[12]。2007年到2013年是淡水中微塑料研究的初始階段,該階段發(fā)文量較少,7年間總發(fā)文量僅為7篇,主要關注于海洋環(huán)境中微塑料研究。2014年到2022年為淡水中微塑料研究的爆發(fā)階段,該階段發(fā)文量呈指數增長,8年間共發(fā)文3 014篇,總引用數為128 936。這與姜懿真等[13]研究結果基本一致,表明從2014年起淡水中微塑料研究受到全球研究者越來越多的關注。

圖1 淡水中微塑料的年度發(fā)文量和年度總引用數

2.2 作者分析

表1中總結了淡水中微塑料研究發(fā)文量前10的學者,并對其發(fā)文量、總引用數、平均引用數、H指數、所在機構和國家進行統(tǒng)計,以便對該領域的頂尖學者有更全面的了解。排名前10的學者中,中國占4位,加拿大、澳大利亞、德國、巴西、荷蘭和意大利各占1位。其中,Shi Huahong和Wang Jun的發(fā)文量均為28篇,其次是Rochman,Chelsea M(25篇)?？傄脭蹬琶?的學者分別為Shi Huahong(3 955)、Li Daoji(2 582)和Wang Jun(2 121),同時其平均引用數均位居前3。H指數[14]是一種簡單而有效的文獻計量指標,被用于評估研究人員的學術產出數量與水平。H指數的計算是基于作者的論文數量及論文被引用次數,可表述為“有H篇論文被引用了不少于H次”。H指數排名前3的作者分別為Shi Huahong、Wang Jun和Rochman Chelsea M。綜上,華東師范大學的Shi Huahong、華南農業(yè)大學的Wang Jun、華東師范大學的Li Daoji和多倫多大學的Rochman Chelsea M是淡水中微塑料研究的領軍人物。

表1 發(fā)文量前10的學者

同時根據普賴斯(Price)提出的核心作者計算公式:

(1)

式中,Nmax為最高產作者的發(fā)文量,M為核心作者發(fā)文量的最小值。發(fā)文量高于N的作者被稱為核心作者。

最高產作者Shi Huahong的發(fā)文量為28,M=3.963,發(fā)文量≥4的作者被稱為該領域的核心作者,統(tǒng)計結果表明,2007至2022年間在淡水中微塑料研究領域的核心作者共719人,占總作者的6.90%。

圖2展示了作者網絡合作圖譜,每個節(jié)點代表一個作者,節(jié)點大小反映合著出版物的數量。節(jié)點之間的連線代表作者間的協(xié)作關系,連線越多表示作者之間協(xié)作關系越密切[15]。相同的顏色表示同一個聚類,即同一個合作集群。圖2顯示出多個密切合作的作者群,例如Shi Huahong和Rochman Chelsea M,及Ni bingjie、Dong Bin和Dai Xiaohu等。此外,多個作者節(jié)點的連線較多,不同合作集群之間聯(lián)系較為緊密,表明淡水中微塑料研究存在較為廣泛的合作。

圖2 VOSviewer生成的作者合作網絡圖譜

2.3 國家/機構分析

一般而言,發(fā)文量反映出一個國家對某一領域的重視程度。由圖3(a)和3(b)可看出,中國在淡水中微塑料領域的發(fā)文量、總引用數和H指數均位居第一。其中,中國以989篇文獻遙遙領先,占總發(fā)文量的32.74%,其次是美國(337篇)和德國(245篇)。與Yao等[16]在2020年所做研究相比,中國已經超過美國成為該領域發(fā)文量的第一。然而,在平均引用數方面,英國以83.72位居第一,其次是美國(66.56)和澳大利亞(62.68),中國(40.84)僅排第7。從圖3(b)可看出,中國在淡水中微塑料領域研究起步較晚,但隨著時間的推移,發(fā)文量呈明顯上升趨勢,且所占比例越來越高,這反映了中國在該領域的研究力量不斷增強。

圖3 ( a) 發(fā)文量前10國家的平均引用數、H指數和總引用數;(b) 2007—2021年發(fā)文量前10國家的年發(fā)文量及中國的占比;(c) Scimago graphica和VOSviewer生成的發(fā)文量前30國家合作網絡圖譜;(d) 發(fā)文量前10機構的發(fā)文量、平均引用數、H指數和總引用數;(e) 發(fā)文量前30個國家的地理位置分布和聚類

圖3(c)展示了淡水中微塑料研究發(fā)文量前30的國家間的合作圖譜。圖中節(jié)點大小代表發(fā)文量的多少,節(jié)點越大發(fā)文量越高。節(jié)點間的連線代表兩個國家間存在合作關系,顏色深淺則反映國家間合作關系的強弱,顏色越深合作關系越緊密。在圖3(c)中,各個國家之間的連線較多,表明淡水中微塑料研究中各個國家間合作較為緊密。特別是中國與多個國家的連線較多且顏色較深,表明我國與其他國家存在緊密的合作關系。圖3(e)表示發(fā)文量前30個國家在地理位置上的分布和聚類,顏色相同的國家被歸為同一個合作集群。由此可以看出,淡水中微塑料研究的國家間合作與其地理位置存在較大關聯(lián),基本分為3個集群:中國、日本、印度等亞洲國家及澳大利亞為一集群;加拿大、美國、巴西等美洲國家及葡萄牙劃分為另一集群;德國、西班牙、意大利等歐洲國家構成第三類群。

為深入探討不同國家的各個機構在淡水中微塑料研究所做的貢獻,圖3(d)列舉了在該領域發(fā)文量最高的10個機構。其中,中國占據了5所,法國占2所,德國、意大利和荷蘭各占1所。中國科學院(191篇)發(fā)文量最高,占比6.33%,其次是中國科學院大學(97篇)和華東師范大學(76篇);總引用數和H指數與各機構發(fā)文量基本呈正比;在平均引用數上,荷蘭瓦格寧根大學(100.28)排名第一,其次是華東師范大學(93.87)和中國科學院水生生物研究所(83.14)。

2.4 期刊分析

統(tǒng)計分析淡水中微塑料研究在期刊上的分布,有利于科研人員選擇最佳的期刊發(fā)表其研究成果。對WOS數據庫中導出的3 016篇文獻進行統(tǒng)計分析,列出發(fā)文量前10的期刊的總引用數、平均引用數、H指數、JCR分區(qū)及影響因子(IF)等信息(表2)。排名前十的期刊共發(fā)表了1 780篇文章,占總數的59.02%。其中,Science of the Total Environment發(fā)文量最高,為高產期刊(467篇),占比15.48%,其次是Environment Pollution和Marine Pollution Bulletin,占比分別為9.58%和7.79%?？傄脭底罡叩那?本期刊分別為Science of the Total Environment,Environment Pollution和Marine Pollution Bulletin。Environmental Science &Technology和Water Research的平均引用數位居前兩位,分別為114.67和104.72。根據H指數,排名前3的期刊分別為Science of the Total Environment(79),Environment Pollution(77)和Marine Pollution Bulletin(57)。發(fā)文量前10的期刊的IF在3.53到14.224之間,表明淡水中微塑料領域期刊的權威性差異較大。IF排名前三的期刊分別為Journal of Hazardous Materials(14.224),Environmental Science &Technology(11.357)和Science of the Total Environment(10.754),其他期刊影響因子均在10分以下。綜合多個指標顯示,Science of the Total Environment,Environmental Pollution和Marine Pollution Bulletin是淡水中微塑料研究領域的活躍期刊。

表2 淡水中微塑料研究發(fā)文量前10的期刊

2.5 關鍵詞分析

關鍵詞是文獻核心思想及內容的濃縮與提煉,通過對關鍵詞進行頻次、共現、聚類和突現分析,能夠掌握研究領域的熱點與演進路徑。

2.5.1 關鍵詞頻次和共現分析 關鍵詞的出現頻次和共現能夠反映出研究領域的研究熱點。使用Bibliometrix對淡水中微塑料領域前30個出現頻次的關鍵詞進行統(tǒng)計,以行方向標準化處理后,繪制出關鍵詞與發(fā)文時間分布熱圖(圖4(a))。此外,使用VOSviewer生成該領域研究的關鍵詞共現圖(圖4(b)),節(jié)點大小表示關鍵詞出現頻次,相同顏色的節(jié)點代表相同聚類。結果表明,“微塑料”(microplastic)、“污染”(pollution)、“淡水”(freshwater)、“沉積物”(sediment)、“碎片”(debris)、“攝食”(ingestion)、“微珠”(microbeads)等關鍵詞在該研究領域中出現較早,且隨著時間推移出現頻次越來越高?！拔⑺芰稀?1 756)、“污染”(405)、“淡水”(346)、“沉積物”(197)和“污水處理廠”(178)為出現頻次前5的關鍵詞。

圖4 (a)關鍵詞頻次熱圖;(b)關鍵詞聚類圖

2.5.2 研究熱點分析 關鍵詞聚類分析能夠揭示出研究領域的熱點主題。通過對關鍵詞聚類結果進行匯總,可將淡水中微塑料研究的熱點主題概括為5個方面,即“微塑料的吸附、來源和降解”“微塑料鑒定”“微塑料在淡水環(huán)境中的污染”“微塑料在生物體內的累積”和“微塑料的毒性作用”(表3)。其中,聚類1、聚類4和聚類5揭示了微塑料的生物毒性作用。聚類1重點關注于微塑料吸附有害物質(如重金屬、有機污染物等)充當載體,進而造成“特洛伊木馬”的毒性效應;聚類4表明微塑料因自身特性可在動植物乃至人體內長期累積,進而產生長期的毒性效應;聚類5揭示了生物體通過直接接觸、呼吸和攝食等方式暴露于微塑料中,尤其是納米塑料,從而引起生物行為異常、氧化應激、炎癥反應等毒性效應。同時,聚類1還總結了對污水處理廠作為微塑料在淡水環(huán)境中最大來源之一中微塑料的老化降解反應;聚類2則詳細概述了環(huán)境中微塑料定性和量化的方法;聚類3主要研究了淡水環(huán)境中微塑料的豐度和分布,明確了淡水環(huán)境中微塑料污染的程度,進而揭示了淡水中微塑料的成因和污染現狀。

表3 淡水中微塑料的熱點主題

表4 淡水中微塑料研究的突現關鍵詞

2.5.3 研究趨勢 使用Citespace的Burst Detection Algorithm算法提取出某段時間內頻次快速增加的關鍵詞,以此確定為該領域的研究前沿[17]。突現強度越高表明在某段時間內研究人員對其研究興趣急劇增加,突現歷史距離越近可被視為該領域的研究趨勢。如表5所示,列舉了在淡水中微塑料研究的突現關鍵詞。其中,累積(accumulation)、海洋環(huán)境(marine environment)、碎片(debri)和清潔劑(cleanser)等關鍵詞出現的時間較早且時間跨度均在5年以上,這表明微塑料研究最高開始于海洋環(huán)境中,多研究微塑料累積、分布等方向,且長期受研究者的廣泛關注;紫貽貝(mytilus edulis)、攝食(ingestion)、浮游動物(zooplankton)和持續(xù)性有機污染物(persistent organic pollutant)、勞倫森大湖(laurentian great lake)等為2014到2018年間出現的高突現性關鍵詞,這表明該階段微塑料研究主要轉向淡水環(huán)境(水體、沉積物和生物)中微塑料空間分布、微塑料與持續(xù)性有機污染物的吸附及微塑料毒性(斑馬魚、貽貝和浮游動物等)的研究;合成聚合物(synthetic polymer)、支流(tributary)和紡織品(textile)是近3年出現在文獻中的突現性關鍵詞,可被視為淡水中微塑料研究的新興趨勢。這些關鍵詞表明,研究人員對偏遠地區(qū)和特殊地理條件中微塑料污染及紡織品洗滌釋放的纖維微塑料問題越來越關注。

3 結論和展望

2014年起淡水中微塑料研究越來越受到研究人員的重視,發(fā)文量呈指數增加。我國在該領域的研究后來居上,發(fā)文量逐年攀升,不僅涌現出諸如華東師范大學的Shi Huahong、華南農業(yè)大學的Wang Jun等優(yōu)秀學者,而且中國科學院、華東師范大學和中國科學院大學在該領域表現突出。但眾多研究表明,發(fā)展中國家淡水環(huán)境中微塑料污染問題尤為嚴重[18],我國應進一步加強在該領域的研究。

淡水中微塑料研究的熱點主題包括“微塑料的吸附、來源和降解”“微塑料鑒定”“微塑料在淡水環(huán)境中的污染”“微塑料在生物體內的累積”和“微塑料的毒性作用”5個方面。近3年淡水中微塑料研究的前沿熱點為微塑料與藥物的吸附、微塑料的生態(tài)風險及微塑料對食品安全和人類健康的挑戰(zhàn)。

以往絕大多數研究集中于人口稠密的城市地區(qū),而近些年來,高原湖泊、高山河流等偏遠地區(qū)[19-20]及河口、支流等特殊地理條件[5,21-22]微塑料污染問題越來越受到研究人員的關注。盡管這些地區(qū)人煙稀少,微塑料豐度較低,但由于目前微塑料缺乏有效管理,這些地區(qū)的微塑料污染問題不應該被忽視。加強對偏遠地區(qū)及特殊地理條件中微塑料的研究不僅能補充有關微塑料的數據,更全面地反映微塑料污染,而且對于研究微塑料在環(huán)境中的遷移,從而實施相應的防治措施具有重要意義。紡織品洗滌所釋放的微纖維被認為是淡水環(huán)境中纖維微塑料的重要來源之一。因此,為減少淡水中纖維微塑料的釋放,改進紡織品制造技術、優(yōu)化洗滌條件、延長紡織品壽命及促進紡織品回收再利用等措施是十分必要的。