基于Cite,Space可视化知识图谱矿区修复研究态势分析

李健明，蒋福祯，卢素锦，祁凯斌，李正鹏

(1.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016；
2.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016)

随着全球对资源需求的增加，开采矿区成为应对资源短缺问题的主要解决手段，并成为经济发展的重要支柱。但带来经济收益的同时，造成采矿地区土地退化、污染严重、采矿废弃地大量出现等生态问题[1]。同时严重破坏了矿区周围的生态平衡，生态系统服务功能因此受到影响，继而驱动矿区及周边生态环境持续恶化，导致灾害和污染问题频发[2-3]。因此矿区修复即修复被破坏的生态系统结构及功能，已然成为全世界亟需解决的问题[4]。

大量的矿区废弃地的遗留造成重金属污染严重，理化性质差，存在修复技术复杂，耗费资金巨大等问题，还导致矿区及周边的生态系统脆弱，矿区修复刻不容缓。因此高效、全面地反映有关矿区修复的研究脉络，把握矿区修复的重点内容，对促进矿区修复的开展和矿区修复技术的改善具有指导意义。

随着科学计量学与信息计量学的快速发展，通过统计学软件快速对相关研究领域的重点进行归纳整理，更加直观的了解该领域的研究内容。相比于传统的综述，统计学软件能够客观、全面的反映学术热点以及研究前沿。例如Cite Space软件，其具有将数据以时间和空间尺度的变化进行可视化的优点，通过将文献中的关键词进行共现和聚类的方法，反映出某领域的研究热点以及该领域的国家、研究者及研究机构之间的合作关系[5]，清晰地展示出某个研究领域的发展历程与研究重点[6]。因此为全面、客观地反映矿区修复领域的学术热点及研究趋势，笔者通过Cite Space软件对矿区修复相关文章进行可视化分析研究，将矿区修复领域的学术热点及研究前沿进行梳理总结，以期为矿区修复提供理论参考。

1.1 数据来源

在CNKI和Web of Science核心数据库中，将时间范围设定在2000年01月01日—2021年12月31日，以“矿区修复”和“Mining Area Restoration”作为关键词进行检索，CNKI数据库检索出633篇文章，WOS数据库检索1811篇文章，共检索出相关文章2444篇，但考虑到搜索内容中存在报纸等非科研论文，通过人工挑选除去109篇，故对其2335篇进行分析。

1.2 研究方法

基于Cite Space V软件，对选取后的文献进行可视化分析，从宏观角度深入了解矿区修复研究领域的热点问题及未来趋势。选用关键词共现网络图谱和关键词突现对矿区修复领域的学术热点进行可视化分析；
关键词可视化图谱中节点的大小具有代表该关键词的文献的被引用次数的含义，圆半径越大，代表该关键词被引频次就越多；
突现关键词是从某个时间段内大量出现的关键词中总结的高频主题词，强度越大，表明该关键词使用频率越高[7]。通过Cite Space对关键词运用“K-均值算法”进行聚类分析，时空聚类分析的意义在于将出现的多个关键词分类，聚类关键词前的数字越小，聚类中包含的关键词就越多[8]。为全面地了解近21年关于矿区修复领域的学术热点及研究趋势，将时间区分设置为1年，演算阈值(Top N% per slice)以50运行，使用Pathfinder、Pruning sliced networks剪切方式。

2.1 矿区修复研究国家合作关系

基于WOS数据库中文章，分析矿区修复领域国家之间的学术合作关系(图1)。结果表明：各个国家间关于矿区修复研究发文数量的国家依次为PEOPLES R CHINA(中国)，USA(美国)，SPAIN(西班牙)、AUSTRALIA(澳大利亚)、BRAZIL(巴西)、CANADA(加拿大)、GERMANY(德国)、POLAND(波兰)、CZECH REPUBLIC(捷克共和国)、FRANCE(法国)、ITALY(意大利)、ENGLAND(英格兰)、INDIA(印度)。中国关于矿区修复发文量和被引用率最高，在矿区修复领域的影响力大，并且与美国、澳大利亚、德国、法国和英国之间有较为密切的合作关系。

图1 矿区修复领域国际合作关系

2.2 矿区修复发文量分析

2000—2021年CNKI收录有关“矿区修复”的文章有633篇(图2a)。CNKI数据库中近21年矿区修复领域的文献数量波动上升。在2000-2005年仅有17篇收录，该领域的发展还处在萌芽阶段，2021年出现发文量高潮。WOS数据库中文献数量逐年递增，在2021年达到高峰(图2b)。WOS数据库中收录的关于矿区修复领域文章数量明显多于CNKI数据库，是CNKI中收录文章数量的3.24倍，表明国外数据库中关于矿区修复领域的研究相比于国内研究时间更早，研究内容相对全面(图2)。CNKI和WOS数据库发文数均有增加趋势，在2021年发文量最多，表明矿区修复正在成为国内外研究的热点话题。

图2 矿区修复发文量统计(a：CNKI；
b：WOS)

2.3 研究热点分析

2.3.1 矿区修复关键词共现分析

CNKI数据库收录文章中，主要形成以生态修复、矿区、重金属、植物修复、土壤修复、修复技术和生物炭等关键词的研究网络体系(图3a)。生态修复主要体现以自然恢复与人为修复相结合，使矿区生态系统具有较为稳定的抵抗力和恢复力[9]。矿区修复中土壤重金属污染严重，一般是通过植物将土壤中重金属离子吸收从而达到重金属污染的治理，但是不同植物种类对于重金属吸收能力不同，需要筛选植物种类治理矿区重金属污染[10]，同时植物种类增加导致生物多样性增加，矿区生态系统稳定性得到恢复。矿区的修复技术包括物理、化学、生物修复，生物修复(主要是植物修复)相较于物理修复与化学修复的优点在于成本低，不仅能够使土壤的结构更加稳定，而且对于矿区景观多样性也起到良好修复效果[11]。生物炭对于矿区重金属土壤修复有着重要的作用，生物炭能够增加矿区土壤的碳源，且由于其疏松多孔的结构，可以吸附重金属，从而治理矿区土壤重金属污染[12]。

图3 矿区修复相关文献关键词共现网络图谱(a：CNKI，b：WOS)

WOS数据库收录文章中，发现以restoration(恢复)、soil(土壤)、vegetation(植被)、ecological restoration(生态修复)、diversity(多样性)、heavy metal(重金属)等为主要关键词的研究网络(图3b)。WOS数据库相较于CNKI数据库关键词增加了“多样性”，关于矿区生物多样性的研究主要针对植物多样性，但动物多样性也同样重要。相关研究表明，与未受干扰的区域相比，矿区恢复区域的物种密度和丰富度通常较低，相比于植物群落的自然演替，动物群落的重新定居具有异质性[13]；
植被修复后会影响动物的再定居与繁殖[14]；
生物多样性的恢复对矿区生态系统的恢复力稳定性和抵抗力稳定性的增加起到非常重要的作用。

晚饭后，父亲照样悄悄地推着车子出去了，我也装作若无其事，弯着腰，悄悄地，眼睛紧盯着父亲的背影，生怕丢失。这样走了有五六里地，到了一条大路边，那里还有四五个中年人，都推着车子。我看了一会儿，终于明白了：包括我父亲在内的几个人，用自己的车子把路边的砂礓推到不远处的路上，用来铺平路面，这就变成了石子路。

2.3.2 矿区修复突现关键词分析

通过关键词突现分析，CNKI数据库中频数高的关键词有植物修复、生物炭、气象(图4a)。植物修复在2012-2013年提出的频率较高。2019年生物炭在矿区修复领域出现，持续到2021仍然频数较高。“气象”在2003-2011突现强度高，是矿区修复领域研究起始阶段所研究的重要内容，气候能够影响植被生长以及植物种类形成顶级群落，在不同气候类型下的植物演替趋势存在显著差异，在热带和中温带的植被结构相比于寒带更能够朝着目标植被演替[15]。通过气象资料还可以分析矿区的NDVI值与植被覆盖度的时序变化，揭示人工修复与原始植被间的协同演变规律[16]。

WOS数据库中排在前25位的关键词中突现强度(Strength)较高的有spontaneous succession(自然演替)、establishment(建立)、rehabilitation(恢复)、succession(演替)、revegetation restoration(植被恢复)、enzyme activity(酶活性)(图4b)。自然演替突现强度最高，矿区生态系统中存在的物种经过自然演替逐渐成为适应矿区气候、地形等生态环境因子的优势种，形成演替顶级格局，使矿区生态系统的结构和功能得到恢复[17]。植被恢复是在2019-2021年大量关键词中总结的高频主题词，其植被恢复后的下一阶段景观重建也许会是未来矿区修复领域的学术热点。土壤酶活性对矿区植物的生长以及微生物的活性起着重要的作用。相关研究表明，随着矿区植被恢复年限的增加，土壤酶活性和菌类的数量也表现出增加的趋势[18]，土壤中过氧化氢酶活性和脲酶活性分别与土壤全钾含量和全氮含量成正相关[19]。突现关键词中出现的arbuscular mycorrhizal fungi(丛枝菌根真菌)和bacteria community(细菌群落)是2019-2021年持续出现的关键词。根据相关研究，丛枝菌根真菌能够有效缓解矿区重金属污染以及提高植物的抗逆性[20]。土壤细菌对矿区土壤的修复具有重要作用，不仅能对重金属离子进行吸附和络合作用来减轻矿区重金属污染，还使植物的生长速率提高[21]，因此丛枝菌根真菌以及细菌群落的研究可能是矿区修复领域的重点研究方向。

图4 矿区修复文献突现关键词(a：CNKI；
b：WOS)

2.3.3 矿区修复研究的时空聚类分析

根据关键词间的关联性，CNKI收录文章的关键词可聚类为11大类，包括植物修复、生态修复、矿区、土壤、修复等(图5)。根据关键词聚类可以看出，国内学者对于矿区植被恢复、生态恢复以及土壤恢复非常重视。2003年开始，在生物修复、重金属和生态修复的领域已有研究。在2006年已经开展了利用植被修复矿区土壤，以及矿区土壤生态环境修复的相关研究。国内数据库中对于矿区土壤修复与改良的研究较多，主要针对矿区土壤重金属污染的修复。CNKI数据库的研究时空聚类关键词分析涉及面较窄，集中体现在植物修复、生态修复和土壤修复三个方面。

图5 CNKI矿区修复研究历程时空聚类

WOS 数据库中出现loess plateau(黄土高原)为主的关键词聚类，其次是soil properties(土壤特性)、phytoremediation(植物修复)、rehabilitation(恢复)、plant growth(植物生长)等(图6)。表明黄土高原矿区修复的研究较多，针对矿区土壤特性也进行了大量研究，主要修复的矿区类型为露天煤矿。WOS数据库中的文章从生态学的角度去探讨矿区生物多样性的重要作用；
并且在植物根际环境方面(植物根系与微生物互作)开展了相关研究，重点在丛枝菌根真菌(微生物层次)对矿区土壤修复技术深入研究，为矿区生态修复的高效性和经济性提供了强力的支撑。

图6 WOS矿区修复研究历程时空聚类

3.1 讨论

通过综合分析两大数据库中有关矿区修复的研究文章，近年来矿区修复研究重点为矿区生态的修复。矿区生态修复需要以生物修复为基础，与各种物理修复、化学修复以及工程技术手段相结合，研究出最优修复方案，即让修复效果达到最佳和耗费最低的一种综合的修复污染环境的方法[22]。前人通过对矿区生态稳定性、植物与土壤修复过程研究，认为矿区生态修复有利于植物群落和土壤结构的稳定及恢复，最终将提高矿区的生态稳定性[23]，因此在今后的相关研究中，要重视修复矿区生态系统结构上的完整，功能上的多样，以此增强矿区生态系统的抵抗力稳定性和恢复力稳定性，使人工建植的植被能够进行自然演替，继而恢复矿区生物多样性、稳定矿区生态系统及景观要素。相关研究表明，在矿区种植本土植物种类经过自然演替，能有效增加矿区的生物多样性[24]；
种植乔木和灌木能够为动植物提供生境，从而提高矿区生态系统的生物多样性，使矿区生态系统结构逐渐恢复完整，景观多样性也会随之改善[25]；
矿区的土壤水分、有机质、全氮和速效钾与植物物种多样性呈正相关，土壤pH和土壤容重与植物物种多样性呈负相关[26]。生物多样性的增加还依赖于土壤的理化性质，而植物覆盖是矿区退化土壤恢复的最佳措施[27]，因此，矿区土壤修复和改良与矿区生态的恢复密切相关。

3.1.2 矿区生物修复技术

矿区生物修复技术主要包括植物修复与微生物修复。由于矿区复垦土壤理化性质非常差、有机质、氮、磷、钾等养分含量极低和土壤重金属污染严重等成为了制约矿区生态修复的主要因素，因此矿区修复的过程中氮、磷、碳的循环与固定和重金属污染得到有效治理至关重要。目前通过人工建立植被来修复矿区在近年来矿区修复已经取得了良好的成效，经过长期的植被恢复提高了矿区土壤肥力和土壤微生物群落多样性[28]，且恢复后的矿区生境的价值要高于采矿前的自然生境[29]。通过选择不同的先锋植物稳定矿区的生态系统，土壤结构得到改良，土壤养分含量也得到提升，李永红等在青海省木里煤矿将披碱草等草种的播种影响改善了矿区生态结构，使高寒矿区生态系统稳定性增加[30]；
王哲等对内蒙古稀土矿区的修复的研究，发现了猪毛菜等矿区的先锋植物能够富集较多的重金属，可以高效地治理稀土矿区土壤重金属污染[31]；
张变华等在矿区复垦土壤中种植豆科作物毛苕子，增加了矿区土壤中微生物的物种多样性，因此微生物代谢功能多样性得到增加，土壤质量也得到提升[32]。

微生物将有机质分解后释放出养分能够供给植物生长，产生腐殖质，以此改善土壤的结构和肥力[33]。土壤中还存在大量的固氮、解磷、解钾微生物等功能性微生物，故矿区复垦土壤中微生物的研究对于矿区生态修复是至关重要的环节。由于微生物与植物之间存在着重要的互作关系，因此微生物修复与植物修复之间存在着密切的联系，植物可以通过根系分泌次级代谢物影响根际微生物，同样根际微生物可以通过自身的功能结构提取土壤中的营养元素供给植物，使宿主植物能够正常生长、具有更高的抗逆性，使其能够在矿区极端恶劣的环境下生存[34]。利用丛枝菌根真菌对矿区土壤进行修复是其能够改变介质中重金属形态，促进宿主植物水分的吸收、光合过程中碳水化合物的交换，从而促进植物生长及其对重金属胁迫的耐受性[35]，矿区种植植物上接种丛枝菌根真菌后，宿主植物中的氮磷等元素显著提高，促进矿区植被的恢复[36，37]。通过接种植物根际促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria)，将矿区土壤内矿质养分溶解，为植物发育提供养分[38]，并与植物根系结合，通过在胞外产生特殊的聚合物将重金属离子络合，从而对矿区重金属污染进行治理[39]。因此在未来的矿区生态修复研究中微生物修复与植物修复相互结合的修复技术，能够以更高的效率来修复矿区生态环境。

3.2 结论

基于可视化知识图谱分析，以“矿区修复”和“Mining Area Restoration”作为关键词，分析2000-2021年国内外期刊上发表的相关研究的文章，通过关键词共现、突现及聚类分析，在一定程度上反映矿区修复领域的研究热点及研究趋势。

中国在矿区修复研究方面的发文量和被引用率在国际上处于领先地位，具有较大的影响力。CNKI数据库中的文章少于WOS数据库，WOS数据库相比CNKI数据库具有多元化、更深入的特点，历史时空聚类关键词相较于CNKI数据库涉及面宽；
CNKI数据库集中体现在植物修复、生态修复和土壤修复。CNKI和WOS数据库发文数均有增加趋势，矿区修复正在成为国内外研究的热点话题。

矿区修复研究热点包括生态修复、重金属、植物修复、土壤修复、修复技术、生物炭、酶活性和多样性等。矿区修复的研究主要以生态修复为主。目前针对矿区重金属污染和矿区土壤的修复主要使用植物修复、生物联合修复以及生物炭等修复技术。WOS数据库中的收录的文章具有数量多、关键词范围大、研究更具体的特点，且能够从生物多样性的角度加深对矿区修复过程中生态修复的探讨，以及加深微生物在矿区修复的理解。该研究结果可为促进矿区修复的开展和改善矿区修复技术提供理论参考。

目前国内外研究者虽然对矿区修复相关领域的研究已初具规模，但由于矿区土壤理化性质非常差，修复难度极大，投入资金极多，从而限制矿区生态修复的研究的进展。矿区修复领域的研究需要修复的空间尺度较大，因而空间异质性对生物修复的效果的影响较大，并且矿区修复效率也不高。因此，未来该领域还需针对矿区空间异质性对生物修复的影响程度进行研究，并加深植被与微生物联合修复技术的理解，以最大程度压缩矿区修复的经济成本，探索新的处理技术和方法，为未来矿区修复提高修复效率和降低经济成本提供新的理论依据。