Visual MINTEQ在水_土环境重金属形态研究中的应用与展望.pdf
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1、第51卷第4期2023 年8 月D0I:10.7631/issn.1000-2243.22153Visual MINTEQ在水/土环境重金属形态研究中的应用与展望福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol.51 No.4Aug.2023文章编号:10 0 0-2 2 43(2 0 2 3)0 4-0 57 4-0 8吴名秀,曾悦12,李云琴,金晓英,陈志波,张新颖(1.福州大学环境与安全工程学院,福建福州350 10 8;2.福建省水土流失遥感监测评估与灾害防治重点实验室,福建福州350 10 8;
2、3.福建省污染控制与资源循环利用重点实验室,福建福州350 0 0 7)摘要:以CNKI与Webof ScienceTM(W O S)核心合集中2 0 0 2 2 0 2 0 年Visual MINTEQ(VM)为主题的文献作为数据来源,借助CiteSpace,从发文量、国家、机构、作者和研究热点等方面整理、归纳并评述VM在重金属形态研究中的运用热点及趋势.结果表明:1)发文量呈逐年波动增长趋势,中国的国际影响力最高,布-阿里大学、中国科学院、浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室等为主要中英文发文机构,GustafssonJP被引频次最高,作者间以国内协作为主.2)VM在重金属形态研究中的
3、使用热点主要在模拟不同环境因子对水/土环境介质中重金属形态影响和不同水/土环境介质中重金属矿物的沉淀或溶解,以及使用DLM、CD-M U SIC、NICA-Donnan等表面络合模型计算处理不同吸附行为.3)VM将来还可运用于沉积物中重金属迁移、生物体内重金属毒理性及大气中痕量金属络合等方面研究.关键词:VisualMINTEQ;重金属;形态;水土环境;CiteSpace中图分类号:X131Bibliometric analysis of heavy metal forms research in water and soilWU Mingxiu,ZENG Yue-2,LI Yunqin,JI
4、N Xiaoying,CHEN Zhibo,ZHANG Xinying(1.College of Environment and Safety Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Remote Sensing of Soil Erosion,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China;3.Key Laboratory of Resource Cycle and Pollution Control
5、of Fujian Province,Fujian Normal University,Abstract:The Visual MINTEQ(VM)-themed literature from 2002 to 2020 in the CNKI and Web ofScienceTM(WOS)was taken as the data source.The application hotspots and trends of VM in the studyof heavy metal forms were summarized and reviewed from the aspects of
6、the number of publications,countries,institutions,authors and research hotspots with the help of CiteSpace.The results show thatthe number of publications has been fluctuating year by year,and the country with the strongestinternational influence in this field is China;Bu Ali Sina Univ,Chinese Acad
7、Sci,and the MOE KeyLab of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering,Zhejiang Univ,are the main publishing institu-tions in both Chinese and English;the most frequently cited author is Gustafsson J P;the collaborationamong authors is mainly domestic.The application hotspots of VM in the study of he
8、avy metal formsincludes:simulating the influence of different environmental factors on the heavy metal forms in water/soil environmental media,precipitation or dissolution of heavy metal minerals in different water/soilenvironmental media and using DLM,CD-MUSIC,NICA-Donnan and other surface complexa
9、tionmodels to calculate and deal with different adsorption behaviors.VM may also be applied to studyheavy metal transport in sediments,heavy metal toxicology in organisms,and trace metal complexationin the atmosphere.Keywords:Visual MINTEQ;heavy metal;forms;water and soil environment;CiteSpace文献标识码:
10、Aenvironment based on Visual MINTEQFuzhou,Fujian 350007,China)收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 1通信作者:曾悦(197 3-),女,副教授,主要从事环境与资源管理方面的研究,基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2 0 18 J01745);福建省环保科技计划项目(2 0 2 3R008)第4期0引言随着现代城市化、工业化及农业生产的发展,我国重金属污染问题日益突出,全国各地开展了一系列土壤污染调查工作.结果显示,以镉(Cd)污染为主的重金属污染是影响农用地土壤质量的主要污染来源 1.资料显示,全国约6 0%的地下水污染严重,
11、重金属污染是污染的主要类型 2 .重金属不易被生物降解,具有挥发难、毒性大及隐蔽性强等特点,易在土壤累积,被植物吸收并富集在生物体内,进而危害人体健康。重金属的毒性不仅与其总量有关,更大程度上取决于其形态 3.以铬(Cr)和砷(As))为例,Cr(II)毒性小,对人体影响较低,但Cr(VI)毒性强,能对消化系统及呼吸系统产生损伤,且为致癌物;As(II)能够干扰肾脏及肝脏细胞代谢,增加肝癌、膀胱癌等风险,毒性远大于As(VI)4.重金属形态研究能揭示不同环境介质中重金属的迁移转化规律、存在状态、毒理性,以及可能产生的环境效应等,对预测重金属在不同介质中的动态变化和环境风险具有重要意义 5.目前
12、,用于重金属形态分析的方法主要分为3类:化学提取法、电化学测定法和模型计算法 6 .其中,化学提取法包括单级提取法、多级提取法;电化学测定法包括伏安法、离子选择性电极法;模型计算法可使用的软件有VisualMINTEQ(VM)、PH R EEQ C等,该方法克服了传统单级提取法只能进行一次提取且不适用于土壤中重金属形态迁移转化的研究,多级提取法提取步骤多、耗费时间长、结果重现性不好、数据无可比性,电化学测定法易受溶液环境条件的影响等缺点,是研究重金属形态的重要方法之一 6 .VM是一款化学平衡模型,具有强大的热力学数据库,可用来计算不同环境介质中的金属形态、吸附、气相分配、固相饱和状态和沉淀/
13、溶解,以及各种化学平衡过程,其用于模拟阳离子与溶解有机物(DOM)结合的模型主要有斯德哥尔摩腐殖质模型(Stockholm humic model,SH M)和NICA-Donnan模型,用于处理吸附行为的表面络合模型主要有三层模型(triple-layermodel,T L M)、三平面模型(three-planemodel,T PM)、漫反射层模型(diffuselayermodel,D L M)、CD-M U SIC模型等.与PHREEQC等化学平衡软件相比,VM不需要掌握计算机编程语言,操作简单,吸附和络合反应的最新描述与易于使用的菜单和选项相结合,能直接在Excel中读取和导出数据.
14、此外,该软件具有PHREEQC所缺少的预测部分金属有机络合物的功能.文献计量学在文献情报分析中广泛用于评价某领域科学发展的现状及当前的水平 7 ,因此本研究通过文献计量的方法,利用CiteSpace软件,对选取的2 0 0 2 一2 0 2 0 年间以VM为主题的文献进行分析,目的在于了解有关VM文献发文量及变化趋势、主要研究国家、机构及作者情况,并通过对关键词的分析展示该软件在重金属形态模拟方面的应用热点及运用前景,以期为将来有关重金属形态模拟研究提供参考.1数据来源及统计方法1.1楼数据来源与处理数据样本来源于CNKI和Web of Science(W O S)核心合集,WOS核心合集中最
15、早出现以VM为主题的文献资料的时间为2 0 0 2 年.因此,本研究于2 0 2 1年5月2 8 日选取了库中2 0 0 2 一2 0 2 0 年的文献资料.在CNKI中以“VM”为主题的检索结果一共有2 93篇,中文类文献7 3篇.同时,以“VM”为主题对WOS核心合集进行检索,共获取英文文献338 篇.CNKI和WOS核心合集中的重复文献共16 0 篇.1.2统计方法CiteSpace 是一款文献计量分析软件,因其知识图谱的鲜明特征,可对选定领域的文献集合进行分析计量,得出各种可视化图谱并从中分析总结出该领域的研究热点及发展潜能 8 ,被广泛地运用于从CNKI和WOS核心合集中导出数据文本
16、,在CNKI中使用CiteSpace(5.7.R5W)进行分析的文献输出类型为“Refworks”格式,在WOS核心合集中使用CiteSpace进行分析的文献输出类型为“TXT”文档并按照格式要求保存为“download_xxx”.将时间跨度设置为2 0 0 2 一2 0 2 0 年,设置YearsPerSlice(时间节点)为1年,NodeType(节点类型)相应勾选,其余为默认参数,对国家、机构、作者、关键词等进行分析并得到可视图表.2结果分析2.1关于VM的发文量及年间变化趋势一般来说,某主题相关的发文量及年间变化趋势可以反映出研究者对此领域研究热点的关注程度及吴名秀,等:VisualM
17、INTEQ在水/土环境重金属形态研究中的应用与展望575http:/576此主题的变化情况.本研究统计有关VM的中文文献7 3篇,英文文献338 篇,如图1所示,研究期内的中文发文量整体发展趋势呈波动状增长,在2 0 17年中文发文量出现一个小的高峰期,增长率为120.0%,特别在2 0 17 一2 0 19年期间发文量占总发文量的45.8%.关于VM的英文与中文发文量增长趋势相似,并且在2 0 13年英文发文量增长率达到一个小的高峰期,增长率为31.5%,2 0 13一2 0 2 0 年期间发文量占总发文量的6 9.1%.原因是在2 0 13年以前,VM主要被运用于水环境中重金属离子形态计算
18、和迁移转化方面 10 ,随着VM的各类吸附模型不断完善及数据库不断充实,其逐步被运用到其他复杂环境介质中,例如:用于计算土壤环境中重金属的溶解度平衡、饱和指数、吸附 11-12】,以及预测酸碱度依赖的浸出行为 13、模拟重金属与有机物络合 14 等,因此有关主题的发文量也随之增加。2.2关于VM的主要研究主体2.2.1主要研究国家分析一个国家在某个领域研究的活跃程度可在该领域的发文量中体现 15。从WOS核心合集中检索出各国所发表的有关VM的文献,将发文量数据按发文量由高至低排序并筛选出排名前10 的国家,中介中心性指的是一个节点位于其他两个节点之间最短路径的次数,用于衡量该节点的重要性.如表
19、1所示在发文量与中介中心性两个方面中国均位列第一,说明中国在该研究领域国际影响力最高,对比伊朗,虽然其发文量排名第三,但其中介中心性较低,仅0.0 5,说明其在该研究领域较为活跃,但研究成果的国际影响力低.国家发文量/篇中介中心性国家发文量/篇中介中心性国家发文量/篇中介中心性中国89美国55伊朗30法国252.2.2三主要研究机构分析利用CiteSpace中的Institution分析功能对研究机构进行分析,由此统计出国内外发文量排名前10 的研究机构,如表2 所示.机构Bu Ali Sina UnivChinese Acad SciKTH Royal Inst TechnolKunming
20、 Univ Sci&TechnolChongqing UnivKatholieke Univ LeuvenUniv FloridaS China Univ TechnolUniv CantabriaStockholm Univ福州大学学报(自然科学版)4032FWebof ScienceTM文献2421191615128844图1CNKI和WOS核心合集关于VM的发文量Fig.1 Number of publications on VM in CNKI and WOS表1关于VM发文量前10 的国家Tab.1Top 10 countries with the most posts about
21、VM0.430.210.050.30Tab.2Top 10 institutions with the most posts about VM英文发文量/篇15浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室15西南交通大学地球科学与环境工程学院7东南大学能源与环境学院6四川九诚检测技术有限公司5四川省生态环境监测总站5南京大学环境学院5重庆水利电力职业技术学院4同济大学热能与环境工程研究所4河海大学环境科学与工程学院4中国科学院青海盐湖研究所第51卷CNKI文献3532332927282525164年份西班牙23瑞典20比利时18巴西16表2 关于VM发文量前10 的机构机构50.08韩国0.03印
22、度0.2205130.08110.11中文发文量/篇191919191922221http:/第4期在WOS核心合集中排名第一的机构是布-阿里大学(Bu Ali Sina Univ)和中国科学院(Chinese AcadSci),各发表了15篇,比第二瑞典皇家理工学院(KTHRoyal Inst Technol)多8 篇.由表1和表2 可知,中国科学院是中国在此领域的主要研究力量中国科学院在2 0 192 0 2 0 年发表了5篇,占总发文量的三分之一。中国科学院将VM主要运用于重金属形态的预测 16 、计算各种形态的重金属配合物的比例 17 ,以及金属离子与有机物和无机物的络合【18 等方面
23、的研究,例如利用VM模拟不同条件下汞(Hg)的形态,结果表明,与DOM相关的Hg(OH),是万山地表水溶解相中Hg的主要形式 19.CNKI数据库中中文发文集中在“浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室”等5个机构,显著高于其他机构.2.2.3作者发文量及作者共被引分析作者的共被引分析不仅可以得到某个领域中高被引作者的分布,确定该领域有影响的学者,而且高频次共被引作者通常在该研究领域的理论和方法上有所创新,对研究领域的发展有较为突出的贡献 2 0 。对国内外作者的合作图谱进行分析(见图2),学者更倾向于国内的合作,国际合作偏少,大部分作者都有较为稳定的合作团队并且每个团队的核心作者至少为两位
24、及以上.国内外发文量排名前10 的作者见表3.由表3可知,在这些作者中,国外作者GustafssonJP与国内的Bai SJ、L i C L,以及Wen SM发文量并列第一,各发文5篇,构成了核心作者的较大集群.发文量排名并列第一中4位作者中就有3位中国作者,由此可以说明我国学者在此研究的国际活跃度很高.JANONYMOUST20022004STUMMWGUSTAFSSONJPELENTESSIERASAUVESMANGYZHANGHNSWORTHERKINNIBURGHDG注:节点大小代表作者的发文量,节点与节点之间的连线表明作者之间的合作图2 WOS核心合集中作者合作图谱Fig.2 Aut
25、hor collaboration chart in WOS共被引频次排名前10 的作者见表4.由表4可知,GustafssonJP的共被引频次最高,为119次,根据相关文献分析,GustafssonJP共被引高的原因如下:起步时间早,GustafssonJP及其团队在2 0 0 8 年的时候就利用VM中的SHM模型模拟DOM对稀土元素(REE)形态的作用分析,并最终根据VM物种形成计算,得出所有水域中的所有REE都与溶解的有机物大量相关,而与碳酸盐无关 2 1;研究对象具有典型性,GustafssonJP及其团队使用VM对瑞典河流中As和钒(V)的总浓度及形态进行分析,同时使用SHM来计算胶
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