白潔, 張國(guó)徽, 徐成斌, 孫學(xué)凱, 馬溪平, *

基于CiteSpace可視化圖譜的污泥土地利用現(xiàn)狀研究分析

白潔1, 2, 張國(guó)徽1, 2, 徐成斌1, 孫學(xué)凱3, 馬溪平1, *

1. 遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 沈陽(yáng) 110036 2. 遼寧省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì), 沈陽(yáng) 110161 3. 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016

以2010—2020年間Web of Science(WoS)核心合集和中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源, 運(yùn)用CiteSpace軟件對(duì)污泥土地利用研究發(fā)文量、研究力量和研究熱點(diǎn)進(jìn)行計(jì)量可視化分析, 旨在探析當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀, 探索前沿動(dòng)態(tài)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果表明, 污泥土地利用研究總發(fā)文數(shù)量變化幅度較小, 該領(lǐng)域研究熱度處于平穩(wěn)狀態(tài); 在兩大數(shù)據(jù)庫(kù)中, 美國(guó)和中國(guó)是該領(lǐng)域中合作研究多且影響力大的國(guó)家, 最活躍的研究機(jī)構(gòu)是中國(guó)科學(xué)院, 作者及研究團(tuán)隊(duì)間的合作相對(duì)較少; 國(guó)際上污泥土地利用研究趨于多元化發(fā)展, 而我國(guó)在該領(lǐng)域的研究方向則比較單一, 偏重于重金屬研究?；谖墨I(xiàn)共現(xiàn)聚類和研究熱點(diǎn)分析, 提出污泥土地利用研究的未來(lái)展望: 在多個(gè)層面開(kāi)展合作研究, 積極研發(fā)無(wú)害化污泥土地利用技術(shù), 全方面跟蹤監(jiān)測(cè)和評(píng)估污泥土地利用對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響, 多部門聯(lián)合制定污泥土地利用相關(guān)政策和技術(shù)規(guī)范。

污泥; 土地利用; CiteSpace; 共現(xiàn)聚類分析; 污染物

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 我國(guó)污水處理廠的數(shù)量逐年遞增, 并在各個(gè)城市廣泛分布著各種規(guī)模的污水處理廠, 而且隨著污水處理能力的提升, 每年污泥產(chǎn)生量非常巨大[1]。那么, 如何科學(xué)合理地處置污泥已成為當(dāng)前亟待解決的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2–3]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道, 截至2019年, 我國(guó)污水處理廠有5476家, 每年產(chǎn)生3904萬(wàn)噸污泥(含水量約80%), 其中污泥土地利用在污泥處置方式中所占比例最大(29.3%)[4]。這主要是由于污泥中富含有機(jī)質(zhì)和N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素, 施入土壤后能有效提高土壤肥力, 體現(xiàn)出較高的土地利用價(jià)值[5–7]。但是, 污泥中含有重金屬、有機(jī)污染物和病原體等有害物質(zhì), 可能會(huì)隨著污泥土地利用進(jìn)入土壤、地下水, 甚至進(jìn)入食物鏈中, 已成為污泥在土地利用方面的嚴(yán)重弊端。因此, 污泥土地利用得到廣泛關(guān)注[8–10]。長(zhǎng)期以來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于污泥土地利用的研究工作, 分析污泥中的有毒有害物質(zhì)[11–13], 研發(fā)污泥土地利用前的無(wú)害化處置方法[14–15], 探討污泥土地利用后對(duì)作物、果蔬、林草、土壤肥力及環(huán)境的影響[16–23 ], 評(píng)價(jià)污泥典型污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[1, 5]。多年來(lái), 關(guān)于污泥土地利用方面的研究已積累了豐碩的成果, 有必要系統(tǒng)梳理現(xiàn)有研究成果, 全面掌握污泥土地利用研究領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀, 探索前沿動(dòng)態(tài)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

文獻(xiàn)計(jì)量分析是研究某個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)、熱點(diǎn)趨勢(shì)的一種文獻(xiàn)定量分析方法。通過(guò)科學(xué)知識(shí)圖譜挖掘數(shù)據(jù)具有科學(xué)、方便、直觀等優(yōu)勢(shì), 并且能為科研人員提高工作效率, 因而受到廣大學(xué)者們普遍歡迎。CiteSpace軟件是具有一定影響力的引文可視化分析工具之一, 因其強(qiáng)大的科學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)、規(guī)律和分布分析能力, 在多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。為深入了解近年來(lái)污泥土地利用的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過(guò)程, 本研究以Web of Science和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ), 運(yùn)用CiteSpace可視化知識(shí)圖譜軟件, 對(duì)污泥土地利用研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜合性分析, 旨在清晰、直觀地展示污泥土地利用這一處置方式的研究趨勢(shì)、研究機(jī)構(gòu)、作者和研究熱點(diǎn), 有針對(duì)性地為相關(guān)學(xué)者探究污泥土地利用提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于 Web of Science(WoS)核心合集和中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)兩大信息數(shù)據(jù)庫(kù), 檢索策略分別采用: TS=(Sludge*)and(Land use)(WoS數(shù)據(jù)庫(kù))和檢索詞: 主題=(污泥)并且(土地利用)(CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)); 時(shí)間跨度為2010—2020年; 數(shù)據(jù)檢索時(shí)間為2020 年 12 月 18 日。經(jīng)文獻(xiàn)檢索共獲得1972篇文章, 其中WoS數(shù)據(jù)庫(kù)1423篇, CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)549篇。為了保證文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的有效性, 剔除重復(fù)文獻(xiàn)以及文章研究?jī)?nèi)容與本研究主題無(wú)關(guān)的文獻(xiàn), 最終獲得1961篇文章。

1.2 研究方法

本研究運(yùn)用CiteSpace(v.5.7.R3)軟件對(duì)已獲取的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)圖譜可視化統(tǒng)計(jì)分析。在選項(xiàng)設(shè)置中, Node Type依次選擇Country、Institution、Author、Keywords; Selection Criteria中閾值選擇TOP N = 50, Pruning選擇Pathfinder和Pruning Sliced Networks, 其它設(shè)置為默認(rèn)。利用國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)、作者等數(shù)據(jù)資料分析科研合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系, 基于學(xué)科類別和關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)信息探討主題領(lǐng)域的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征, 形成共現(xiàn)圖譜, 并利用關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)和聚類分析。通過(guò)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可視化來(lái)探析污泥土地利用這一研究領(lǐng)域在選定時(shí)期內(nèi)的研究熱點(diǎn)、前沿動(dòng)態(tài)及演變過(guò)程等重要信息。運(yùn)用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖, 分析污泥土地利用研究文獻(xiàn)發(fā)文量的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量年份動(dòng)態(tài)變化

在WoS和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中共獲得污泥土地利用研究相關(guān)文章1961篇。如圖1所示, 2010—2020年期間論文發(fā)表的總量呈現(xiàn)較為穩(wěn)定狀態(tài), 發(fā)文數(shù)量波動(dòng)范圍在155—197篇, 最大和最小發(fā)文量分別出現(xiàn)在2017年和2013年。然而, 不同數(shù)據(jù)來(lái)源的發(fā)文量年份變化趨勢(shì)存在較大差異。近11年發(fā)表在WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)呈逐年遞增趨勢(shì), 這表明該項(xiàng)研究在國(guó)際層面上受到廣泛的關(guān)注且處于發(fā)展階段。與之相反, 收錄于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)表文章數(shù)量于2012年達(dá)到了研究時(shí)間區(qū)間的最大值(73篇), 此后發(fā)文量則開(kāi)始下降, 2020年出現(xiàn)最小值(17篇)。

2.2 不同層面研究力量特征

國(guó)家層面研究力量分析結(jié)果如圖 2所示, 圓形節(jié)點(diǎn)表示不同國(guó)家, 節(jié)點(diǎn)大小與該國(guó)以合作方式發(fā)表的論文頻數(shù)呈正比; 紫色外圈代表中介中心性, 其厚度與合作研究活躍程度呈正比; 而圓形節(jié)點(diǎn)的年輪顏色及厚度表示出現(xiàn)年份, 某個(gè)年份的年輪圈層越厚, 對(duì)應(yīng)年份合作發(fā)表論文的頻次越高。圓形節(jié)點(diǎn)間的連線則反映二者共現(xiàn)或共被引關(guān)系, 顏色對(duì)應(yīng)首次共現(xiàn)或共被引年份, 粗細(xì)反映關(guān)系強(qiáng)弱。如表1所示, 在污泥土地利用研究領(lǐng)域方面, 發(fā)文量最多的是美國(guó)(255篇), 其次為中國(guó)(247篇), 從篇數(shù)上看, 美國(guó)和中國(guó)在發(fā)文數(shù)量相當(dāng), 說(shuō)明兩國(guó)在該領(lǐng)域均奠定了一定的研究基礎(chǔ), 在2010—2020年的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新都做出重要貢獻(xiàn)。中介中心性是表示文獻(xiàn)的重要程度, 美國(guó)高中介中心性(0.43)表明該國(guó)發(fā)表的研究論文具有一定的影響力, 我國(guó)中介中心性(0.22)僅次于美國(guó)。

通過(guò)CiteSpace軟件分析研究機(jī)構(gòu), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)國(guó)際上共有288個(gè)機(jī)構(gòu)從事污泥土地利用研究。從論文發(fā)表數(shù)量角度, 國(guó)際上排名靠前的機(jī)構(gòu)分別是中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)、加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部、皇家墨爾本理工大學(xué)、東京大學(xué)、瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)等, 其中中國(guó)科學(xué)院機(jī)構(gòu)發(fā)文量最多, 達(dá)到59篇。從中介中心性來(lái)看, 如圖3所示, 中國(guó)科學(xué)院的中介中心性最高, 為0.12,該研究機(jī)構(gòu)與農(nóng)業(yè)食品與生物科學(xué)研究所、寧波大學(xué)、加州大學(xué)等多個(gè)機(jī)構(gòu)有合作關(guān)系; 排名較前的其他研究機(jī)構(gòu)分別是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部和昆士蘭大學(xué), 他們的中介中心性分別為0.11、0.06和0.04。

圖1 污泥土地利用研究文章發(fā)表量的年動(dòng)態(tài)變化(2010—2020)

Figure 1 Annual dynamic changes of published papers on sludge land use research from 2010 to 2020

圖2 國(guó)家合作特征圖譜

Figure 2 Network map of country cooperation

表1 2010—2020年發(fā)文量前13的國(guó)家合作特征

圖3 機(jī)構(gòu)合作特征圖譜

Figure 3 Network map of institutional cooperation

在作者學(xué)術(shù)交流與合作方面, CiteSpace軟件分析結(jié)果表明, 國(guó)外的研究學(xué)者間并未形成緊密的學(xué)術(shù)合作關(guān)系, 而我國(guó)學(xué)者則有著較為密切的合作。如圖4所示, 劉洪濤(14篇)、陳同斌(14篇)、鄭國(guó)砥(10篇)和高定(10篇)等4人之間的學(xué)術(shù)合作均較為密切且文獻(xiàn)發(fā)表量較多; 此外, 學(xué)者南忠仁、高冬香、曾正中等與駱永明、申榮艷、李定龍、鄭正等學(xué)者之間的合作關(guān)系較緊密。

2.3 研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜能夠體現(xiàn)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)頻次, 對(duì)厘清污泥土地利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)有重要指示作用。如圖5和圖6所示, 在WoS數(shù)據(jù)庫(kù)檢索獲得的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜中, “積累(accumulation)”, “能量(energy)”, “吸附(adsorption)”, “鋅(zinc)”, “沼氣能源(biogas energy)”, “礦化作用(mineralization)”, “生命周期評(píng)估(life cycle assessment)”等關(guān)鍵詞有較高的共現(xiàn)頻次(＞9); 而 CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析顯示“重金屬”, “污水處理廠”, “污泥處理”, “污泥土地利用”, “污泥”, “資源化”, “污泥處理處置”等關(guān)鍵詞具有較高的共現(xiàn)頻次, 達(dá)10次以上。關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析結(jié)果顯示, 我國(guó)國(guó)內(nèi)學(xué)者該領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)與國(guó)際具有一定的差異性。

如圖7所示, WoS數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析結(jié)果發(fā)現(xiàn), 排名前十位的關(guān)鍵詞類群分別是“生命周期評(píng)估(life cycle assessment)”、“細(xì)菌浸礦(bioleaching)”、“沼氣(biogas)”、“生物利用度(bioavailability)”、“藥物(pharmaceuticals)”、“土壤肥力(soil fertility)”、“硝化作用(nitrification)”、“廢活性污泥(waste activated sludge)”、“修復(fù)(amendment)”和“鋅(zinc)”。這10個(gè)類群的樣本數(shù)量均大于30, 聚類類群的剪影值均大于0.8, 表明類群間緊密程度好,有較好的聚類效果。CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵詞與WoS數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵詞的聚類類群特征存在一定差異。如圖8所示, CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中得到的關(guān)鍵詞聚類分析結(jié)果表明, 排名靠前的關(guān)鍵詞類群分別是“重金屬”、“資源化”、“污泥土地利用”、“污泥處理”、“焚燒”、“現(xiàn)狀”、“城鎮(zhèn)污泥”、“處理”、“污泥堆肥”(類群樣本量＞10, 剪影值＞0.9), 且類群間關(guān)系緊密, 有較好的聚類效果。

圖4 作者合作特征圖譜

Figure 4 Network map of author cooperation

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜(WoS)

Figure 5 Network map of keywords co-occurrence (WoS)

圖6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜(CNKI)

Figure 6 Network map of keywords co-occurrence network (CNKI)

圖7 關(guān)鍵詞聚類圖譜(WoS)

Figure 7 Cluster map of keywords (WoS)

圖8 關(guān)鍵詞聚類圖譜(CNKI)

Figure 8 Cluster map of keywords (CNKI)

3 討論

污泥土地利用是目前污泥處置方式中較為主要且有效的污泥處置方式之一。污泥土地利用主要包括農(nóng)田利用(《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》NY525—2021實(shí)施前)[17]、林地利用[7]、園林綠化利用[19]、土地改良利用[24]等, 能有效熟化土壤, 利于植物生長(zhǎng), 促進(jìn)植被恢復(fù)。關(guān)于污泥處理處置方面, 呂亮國(guó)等[25]基于1970—2018年中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù), 運(yùn)用CiteSpace可視化軟件梳理了“污泥處理”的研究狀況, 將我國(guó)污泥處理的研究歷程劃分為三個(gè)階段: 探索階段、成長(zhǎng)階段和成熟階段, 闡明了含油污泥、土地利用、處理處置等5個(gè)方面的研究熱點(diǎn)。袁續(xù)勝等[26]則從污泥處理處置技術(shù)的角度, 借助CiteSpace軟件分析了CNKI以“污泥處理”或“污泥處置”為主題詞的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(1992—2019年), 研究結(jié)果表明, 我國(guó)污泥處置的技術(shù)將在污泥減量化(水解酸化)、穩(wěn)定化(污泥厭氧消化)、無(wú)害化(污泥堆肥)等方向上重點(diǎn)突破。而且, 在污泥處理處置的發(fā)展趨勢(shì)方面的結(jié)論一致, 均是由污染治理模式向資源利用模式轉(zhuǎn)換[25–26]。這些基于文獻(xiàn)計(jì)量方法的綜述, 為環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)污泥處理或污泥處置的深入了解奠定了重要基礎(chǔ)。但是, 這些研究主要集中于我國(guó)的污泥處理或處置的技術(shù)方法, 且文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)源較為單一, 對(duì)于污泥土地利用方面具體研究工作聚焦程度尚顯不足。

為了探明當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于污泥土地利用研究現(xiàn)狀, 探索前沿動(dòng)態(tài)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。本文明確了污泥類型屬于城鎮(zhèn)污水處理廠的污泥, 并依據(jù)我國(guó)已發(fā)布的《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284-2018)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》(CJ/T 362-2011)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》(GB/T 23486-2009)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》(GBT 24600-2009)等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中, 指出了城鎮(zhèn)污水處理廠污泥的定義: “城鎮(zhèn)污水處理廠在污水凈化處理過(guò)程中產(chǎn)生的含水率不同的半固態(tài)和固態(tài)物質(zhì), 不包括柵渣、浮渣和沉砂池砂礫?！爆F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)“污泥園林綠化利用”的途徑進(jìn)行了詳細(xì)描述, 即: “將處理后污泥用于城鎮(zhèn)綠地系統(tǒng)或郊區(qū)林地的建造和養(yǎng)護(hù)過(guò)程, 一般用作栽培介質(zhì)土、土壤改良材料, 也可作為制作有機(jī)肥的原料?！痹跉W盟和美國(guó)等國(guó)家, 污泥分為兩種類型, 一種是污水處理廠產(chǎn)生且未經(jīng)處理的液態(tài)污泥, 另一種是經(jīng)過(guò)好氧或厭氧消化、熱干燥、堆肥、酸氧化/消毒等處理后的污泥[27]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)發(fā)布了《聯(lián)邦條例準(zhǔn)則的第40法令(2018年7月1日)》, 在503條款中描述了污泥的使用或處置標(biāo)準(zhǔn), 其中污泥土地利用是指在地表撒施污泥、向地表以下注入污泥或?qū)⑽勰嗷烊胪寥乐? 以改良調(diào)節(jié)土壤, 增加土壤肥力, 促進(jìn)的作物或植被生長(zhǎng)[28–29]。本文通過(guò)檢索2010—2020年WoS和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中污泥土地利用研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn), 對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析, 并獲得了發(fā)文量、研究力量和熱點(diǎn)分布情況。

發(fā)文量的年份動(dòng)態(tài)變化能夠反映該研究領(lǐng)域在的發(fā)展速度。從WoS中得到的數(shù)據(jù)可以看出, 在檢索的時(shí)間段內(nèi)污泥土地利用研究領(lǐng)域的發(fā)文量呈逐年上升趨勢(shì)。對(duì)比收錄于CNKI的發(fā)文量, 近些年呈下降態(tài)勢(shì)。主要是由于近年來(lái)國(guó)內(nèi)的一些科研院所、高等院校等科研機(jī)構(gòu)非常重視研究科技成果的國(guó)際影響力, 更傾向于在國(guó)際權(quán)威或頂級(jí)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文。此外, 由于污水處理廠的污水來(lái)源十分復(fù)雜, 導(dǎo)致不同污水處理階段產(chǎn)生的污泥所含污染物類別、濃度有著較大差異, 那么污泥在土地利用過(guò)程中存在著安全問(wèn)題和諸多不確定性, 使得國(guó)內(nèi)開(kāi)展污泥土地利用研究進(jìn)入階段性瓶頸期。因此, 最近幾年國(guó)內(nèi)出現(xiàn)發(fā)文數(shù)量下降的現(xiàn)象。

不同層面研究力量(國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)和作者)展示了在污泥土地利用研究領(lǐng)域各個(gè)層面的合作交流關(guān)系。如表1所示, 從論文發(fā)表數(shù)量上看, 美國(guó)和中國(guó)分別位于全球第一和第二, 但我國(guó)中介中心性(0.22)與美國(guó)相比, 仍存在著較大差距(0.21), 說(shuō)明我國(guó)在污泥土地利用研究方面仍需進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作, 提高學(xué)術(shù)影響力。法國(guó)雖然發(fā)文量排名第11位, 數(shù)量?jī)H52篇, 但其中介中心性值(0.19)略低于中國(guó), 表現(xiàn)出在該研究領(lǐng)域較為活躍的狀態(tài)。研究機(jī)構(gòu)層面上, 我國(guó)的中國(guó)科學(xué)院的發(fā)文量貢獻(xiàn)最為突出, 且與美國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本、瑞典等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)均有較緊密的合作關(guān)系。此外, 機(jī)械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所、北京環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院、上海園林科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量排名靠前。在國(guó)內(nèi)各機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)上, 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心等機(jī)構(gòu)有著密切的合作關(guān)系。各機(jī)構(gòu)為污泥土地利用研究領(lǐng)域的迅速發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。利用CiteSpace不僅能夠識(shí)別出國(guó)家或機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系, 還能直觀地發(fā)現(xiàn)某研究領(lǐng)域值得關(guān)注的研究學(xué)者及學(xué)者間的關(guān)系, 為評(píng)價(jià)研究人員的學(xué)術(shù)影響力提供參考。從CNKI中檢索的發(fā)文量最高且合作密切的作者集群: 劉洪濤、陳同斌來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 他們?cè)谖勰嗤恋乩醚芯款I(lǐng)域發(fā)文量較多, 主要圍繞城市污泥重金屬方面開(kāi)展了諸多研究。然而, 在合作方面, 國(guó)內(nèi)大部分研究人員均有各自的團(tuán)隊(duì), 由于各團(tuán)隊(duì)的研究方向不同而導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)之間的關(guān)聯(lián)性變?nèi)? 正如圖4所示, 形成了一個(gè)個(gè)小的研究網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞共現(xiàn)和聚類分析在了解污泥土地利用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方面發(fā)揮著重要作用。2010—2020年期間, 國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)與國(guó)際上的有所不同, 國(guó)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的是重金屬毒害作用、污泥資源化利用與處理處置, 而國(guó)際上對(duì)污泥土地利用研究則趨于多元化, 研究方向包括了能量、沼氣、礦化、吸附等。通過(guò)對(duì)WoS數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析, 按照聚類論文平均年份可以發(fā)現(xiàn), 在排名前十位類群中“生命周期評(píng)估”、“沼氣”、“硝化作用”、“廢棄活性污泥”等4個(gè)聚類類群是近幾年出現(xiàn)的, 說(shuō)明現(xiàn)階段國(guó)際上關(guān)于污泥土地利用研究正朝著這幾個(gè)方向轉(zhuǎn)變。如圖8所示的關(guān)鍵詞聚類類群名稱可以看出, 關(guān)于污泥土地利用研究國(guó)內(nèi)學(xué)者則更加關(guān)注“重金屬”、“資源化”。此外, 聚類類群的平均年份分析發(fā)現(xiàn), 只有“重金屬”的研究平均年份比較靠前(2015年), 其他關(guān)鍵詞的研究平均年份為2012年。由此可見(jiàn), 從國(guó)內(nèi)發(fā)表文章的角度, 我國(guó)在該領(lǐng)域的研究是相對(duì)滯后的。這一分析結(jié)果驗(yàn)證了劉洪濤等[27]的研究結(jié)論。這主要原因是我國(guó)污水處理廠污泥量非常大, 且逐年增加, 那么如何進(jìn)行污泥資源化利用, 如何降低重金屬等污染物在污泥土地利用過(guò)程中帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn), 仍是我國(guó)當(dāng)前亟待解決的技術(shù)壁壘問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

從2010—2020年的發(fā)文量看, 國(guó)內(nèi)外關(guān)于污泥土地利用研究熱度較為穩(wěn)定。但與WoS數(shù)據(jù)庫(kù)和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)文量年份動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)截然不同。WoS數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)文量年份動(dòng)態(tài)變化呈上升趨勢(shì), 而CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)文量于2012年開(kāi)始呈下降態(tài)勢(shì)。

美國(guó)和中國(guó)的發(fā)文量多且中介中心性較高, 是該領(lǐng)域國(guó)際合作多、影響力大、研究活躍的兩個(gè)國(guó)家。污泥土地利用研究的機(jī)構(gòu)主要來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、加拿大等, 其中中國(guó)科學(xué)院是進(jìn)行該領(lǐng)域研究最為活躍的機(jī)構(gòu), 且與國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)有緊密的合作關(guān)系。然而, 國(guó)內(nèi)外作者的合作交流大多是圍繞研究者科研團(tuán)隊(duì)的研究方向和內(nèi)容開(kāi)展工作, 彼此之間的合作相對(duì)較少, 在某種程度上可能會(huì)阻礙污泥土地利用技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

通過(guò)關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析得出, 國(guó)際上污泥土地利用研究熱點(diǎn)具有多學(xué)科領(lǐng)域交叉、多元化的特征, 趨勢(shì)上向能源利用方向發(fā)展。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究方向雖比較單一, 且偏重于污泥土地利用的重金屬污染研究, 這與我國(guó)現(xiàn)階段污泥土地利用的政策、法規(guī)以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范相符合。在污泥土地利用的技術(shù)壁壘問(wèn)題方面, 我國(guó)研究機(jī)構(gòu)、管理部門及相關(guān)人員任重而道遠(yuǎn)。

本研究結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量分析結(jié)果對(duì)未來(lái)污泥土地利用領(lǐng)域研究提出如下展望和建議:

(1)污泥產(chǎn)生量與日俱增, 如何處置污泥已成為世界各國(guó)面臨的共性問(wèn)題。目前, 污泥土地利用是最主要的一種污泥處置方式, 其安全性和可持續(xù)性應(yīng)得到高度重視。污泥雖是一類有用的生物資源, 但由于污泥中有毒有害物質(zhì)可能會(huì)長(zhǎng)期累積于土壤中, 并對(duì)土壤、植物、地下水等產(chǎn)生潛在威脅。因此, 在2021年6月1日起實(shí)施的《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》(NY525- 2021)中, 污泥被列為有機(jī)肥禁用原料。盡管如此, 污泥在土地利用這一處理途徑方面仍具有較大的空間, 可應(yīng)用于園林綠化、沙化土壤改良、礦山修復(fù)等方面。但不論將污泥用于何處, 污泥土地利用的前置條件即是污泥須具有一定的安全性, 在土地利用過(guò)程中不會(huì)對(duì)生物要素(植物、動(dòng)物、微生物、人類)、非生物要素(土壤、地下水、大氣)產(chǎn)生潛在威脅?？梢?jiàn), 土地利用前的污泥來(lái)源、泥質(zhì)等分析工作十分必要。同時(shí), 亦應(yīng)關(guān)注污泥的施用量和施用方式的研究, 做到污泥土地利用科學(xué)合理。

(2)加強(qiáng)污泥土地利用的交叉合作研究。應(yīng)從多部門、多機(jī)構(gòu)、多學(xué)科、多區(qū)域、多國(guó)別等多個(gè)維度, 合作開(kāi)展污泥土地利用途徑的污泥無(wú)害化處理技術(shù)研發(fā), 一方面有針對(duì)性地解決污泥中污染物的危害問(wèn)題; 另一方面探討降低進(jìn)入食物鏈風(fēng)險(xiǎn)的途徑, 分析施用污泥與被施用土壤的匹配性, 做到有的放矢, 實(shí)現(xiàn)“安全處置污泥和合理改良土壤”的雙重效益。

(3)污泥土地利用研究所關(guān)注的污染物類型應(yīng)盡量多元化。通過(guò)研究熱點(diǎn)的共現(xiàn)聚類分析可知, 污泥重金屬方面的研究在WoS和CNKI兩大數(shù)據(jù)庫(kù)中均有較高熱度, 但污泥中同樣含有有機(jī)污染物(如持久性有機(jī)物、農(nóng)藥、化學(xué)染色劑等)、病原微生物等其他類型污染物, 在土地利用過(guò)程中可能會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此, 對(duì)于污泥土地利用的研究應(yīng)納入污泥污染物的所有類型, 分析污泥土地利用后陸地生態(tài)系統(tǒng)的水、土壤、大氣、生物的響應(yīng)及其變化規(guī)律, 探討污泥土地利用后土壤、植物固碳增匯在實(shí)現(xiàn)“碳中和”中的作用, 從生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)角度探析污泥土地利用的正負(fù)反饋效應(yīng), 對(duì)于全面客觀評(píng)估污泥土地利用可行性具有重要的參考意義。

(4)管理部門和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)重視污泥土地利用后的跟蹤監(jiān)測(cè)和定期評(píng)估, 確保污泥得到安全處理處置。因此, 應(yīng)針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)類型建立污泥施用長(zhǎng)期觀測(cè)樣地, 開(kāi)展土壤、植物、水體中污染物的跟蹤監(jiān)測(cè), 評(píng)估污泥土地利用的土壤改良效果, 可有效降低污泥土地利用風(fēng)險(xiǎn), 提高污泥資源化利用水平。更重要的是, 未來(lái)的研究應(yīng)充分運(yùn)用連續(xù)監(jiān)測(cè)和定期評(píng)估的結(jié)果, 規(guī)范污泥土地利用的污泥類型、施用對(duì)象、施用量、施用方式、施用安全年限等技術(shù)參數(shù), 加強(qiáng)多部門合作, 共同出臺(tái)污泥土地利用政策, 編制相關(guān)技術(shù)指南, 保障污泥土地利用安全和實(shí)施效果。

[1] 李娟, 李金香, 楊妍妍. 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)監(jiān)測(cè)及資源化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2021, 42(4): 1956–1966.

[2] CHEN Guanyi, ZHANG Rui, GUO Xiang, et al. Comparative evaluation on municipal sewage sludge utilization processes for sustainable management in Tibet[J]. Science of the Total Environment, 2021, 765: 142676.

[3] MININNI G, BLANCH A R, LUCENAF, et al. EU policy on sewage sludge utilization and perspectives on new approaches of sludge management[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(10): 7361–7374.

[4] WEI Liangliang, ZHU Fengyi, LI Qiaoyang, et al. Development, current state and future trends of sludge management in China: based on exploratory data and CO2-equivaient emissions analysis[J]. Environment International, 2020, 144: 106093.

[5] 楊喆程, 杜子文, 孫德智, 等. 城市污泥產(chǎn)品林地施用效果與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2021, 15(4): 1432–1443.

[6] CRISTINA G, CAMELIN E, PUGLIESE M, et al. Evaluation of anaerobic digestates from sewage sludge as a potential solution for improvement of soil fertility[J]. Waste Management, 2019, 99: 122–134.

[7] XUE Jianming, KIMBERLEY M O, ROSS C, et al. Ecological impacts of long-term application of biosolids to a radiata pine plantation[J]. Science of the Total Environment, 2015, 530: 233–240.

[8] 趙霞, 胡自航, 鄭景明, 等. 污泥與園林廢棄物混合堆肥對(duì)波斯菊生長(zhǎng)及重金屬積累的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2019, 38(3): 810–817.

[9] KAPANEN A, VIKMAN M, RAJAS?RKK? J. Biotests for environmental quality assessment of composted sewage sludge[J]. Waste Management, 2013, 33: 1451–1460.

[10] DONG Y, SAFFERMAN S I, NEJADHASHEMI, A P. Computational modeling of wastewater land application treatment systems to determine strategies to improve carbon and nitrogen removal[J]. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 2019, 54(7): 657–667.

[11] ASHEKUZZAMAN S M, FORRESTAL P, RICHARDS K, et al. Dairy industry derived wastewater treatment sludge: generation, type and characterization of nutrients and metals for agricultural reuse[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 230: 1266–1275.

[12] WLODARCZYK E, WOLNY L, WOLSKI P. Evaluation of dewatered sludge properties from a selected municipal sewage treatment plant[J]. Desalination and Water Treatment, 2014, 52(19/21): 3852–3858.

[13] 陳涇濤, 唐治, 耿宇聰, 等. 厭氧消化對(duì)污泥中重金屬及病原微生物的影響研究[J]. 中國(guó)沼氣, 2015, 33(3): 10–16.

[14] 王霄, 徐素, 詹俊, 等. 農(nóng)村有機(jī)固廢兩段式好氧協(xié)同堆肥效果分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2021, 15(5): 1708–1715.

[15] 李麗, 馬達(dá), 趙志賓, 等. 秦皇島市城市污泥堆肥土地利用的可行性研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2016, 39(S2): 223–226.

[16] 李焱, 史弋, 王宇翔, 等. 城市污泥施用對(duì)沙地油菜的影響及效果評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2018, 20(6): 88–95.

[17] 張宏娜, 溫蓓, 馬義兵, 等. 大田條件下污泥施用土壤中全氟烷酸化合物的玉米吸收和傳輸[J]. 環(huán)境化學(xué), 2018, 37(9): 1885–1894.

[18] 王社平, 程曉波, 劉新安, 等. 施用污泥堆肥對(duì)草莓生長(zhǎng)及土壤重金屬的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2017, 11(7): 4375–4382.

[19] 連鵬, 李志茹, 范周周, 等. 城市污泥與園林廢棄物混合堆肥施用對(duì)紫穗槐生長(zhǎng)及土壤環(huán)境的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 40(4): 58–66.

[20] CARPIO M J, RODRíGUEZ-CRUZ M S, GARCíA- DELGADO C, et al. Mobility monitoring of two herbicides in amended soils: a field study for modeling applications[J]. Journal of Environmental Management, 2020, 260: 110161.

[21] 薛萬(wàn)來(lái), 李法虎. 污泥不同利用形式及利用量對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(4): 130–137.

[22] 楊雨浛, 易建婷, 張成, 等. 施用不同污泥堆肥品對(duì)土壤溫室氣體排放的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2017, 38(4): 1647–1653.

[23] 李霞, 李法云, 榮湘民, 等. 城市污泥改良沙地土壤過(guò)程中氮磷的淋溶特征與風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(4): 93–97.

[24] HAMDI H, HECHMI S, KHELIL M N, et al. Repetitive land application of urban sewage sludge: effect of amendment rates and soil texture on fertility and degradation parameters[J]. Catena, 2019, 172: 11–20.

[25] 呂亮國(guó), 尹新正, 袁亞林, 等. 基于CiteSpace的我國(guó)污泥處理熱點(diǎn)研究[J]. 給水排水, 2019, 55(S1): 55–59.

[26] 袁續(xù)勝, 高紅, 賀自帥, 等. 中國(guó)污泥處理處置技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)量分析與未來(lái)展望[J]. 人民珠江, 2020, 41(10): 102–108.

[27] COLLIVIGNARELLI M C, CANATO M, ABBà A et al. Biosolids: what are the different types of reuse?[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 238: 117844.

[28] ALVARENGA P, MOURINHA C, FARTO M, et al. Sewage sludge, compost and other representative organic wastes as agricultural soil amendments: Benefits versus limiting factors[J]. Waste Management, 2015, 40: 44–52.

[29] ARANDA V, MACCI C, PERUZZI E, et al. Biochemical activity and chemical-structural properties of soil organic matter after 17 years of amendments with olive-mill pomace co-compost[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 147: 278–285.

Current status and future prospects of sludge land use based on CiteSpace visualization mapping analysis

BAI Jie1, 2, ZHANG Guohui1, 2, XU Chengbin1, SUN Xuekai3, MA Xiping1, *

1. College of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China 2. Liaoning Provincial Society for Environmental Sciences, Shenyang 110161, China 3. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

Sludge land use is one of the most important ways in sludge disposal. Containing toxic and harmful substances, it has been seriously discussed by governments and researchers in the process of sludge land use. In order to understand the current research status, frontiers and future trends of sludge land use, we collected a total of 1961 published articles from Web of Science and CNKI databases (2010-2020), and then measured and visualized the volume of China's domestic and international publications, research forces and hotspots in this field using CiteSpace software. The results showed that: (1) Total number of published papers in sludge land use research did not change too much from 2010 to 2020. Research has been keeping attention in the field. (2) The world's most influential researches in this field came from the United Statesof America and China among countries, and the Chinese Academy of Sciences accounted for the highest number of published articles among institutes. However, there is relatively less cooperation cross authors and research teams. (3) The international research on the sludge land use tends to be diversified in the future, while current research topic in China is relatively sole, which only focusing on the heavy metal research. Based on the analysis of literature co-occurrence clustering and hotspot, we proposed several points about sludge land use should be given more attention in the future, such as collaborative research at multiple levels, study on harmless sludge land use technology, monitoring and evaluation the effects of sludge land use on terrestrial ecosystem, setting policies and technical specifications by multi-departments.

sludge; land use; CiteSpace; co-occurrence cluster analysis; pollutants

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.023

X799

A

1008-8873(2024)01-195-08

2021-08-05;

2021-12-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401262); 沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(23-407-3-12); 遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019-MS-341); 遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(LFW202002); 遼寧大學(xué)教改項(xiàng)目(LNDXJG20182036); 沈陽(yáng)市生態(tài)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

白潔(1982—), 女, 遼寧錦州人, 博士生, 高級(jí)工程師, 主要從事環(huán)境工程與生態(tài)恢復(fù)研究, E-mail: sbaijie@126.com

通信作者:馬溪平, 女, 碩士, 教授, 主要從事環(huán)境工程微生物研究, E-mail: ldmxp_2019@163.com

白潔, 張國(guó)徽, 徐成斌, 等. 基于CiteSpace可視化圖譜的污泥土地利用現(xiàn)狀研究分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 195–202.

BAI Jie, ZHANG Guohui, XU Chengbin, et al. Current status and future prospects of sludge land use based on CiteSpace visualization mapping analysis[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 195–202.