综述：土壤—地下水系统中镉的归趋与迁移研究的文献计量学洞见及研究趋势

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Bibliometric Insights and Research Trends in Cadmium Fate and Transport in Soil–Groundwater Systems

　　

镉（Cd）污染是全球地下水环境与公共健康面临的重大挑战，其高毒性、持久性及在地下环境中的强迁移性使得深入理解其运移机制对风险评估与修复规划至关重要。本研究针对2000年至2025年3月期间全球范围内关于土壤—地下水系统中镉的归趋与迁移研究进行了系统性文献计量分析。研究人员从Scopus数据库检索到597篇相关出版物，并利用VOSviewer软件分析了该领域的发文趋势、核心作者、国家、期刊分布及研究热点。结果显示，自2018年后相关研究产出显著增长，至2023年累计发文量已突破500篇，反映出全球对该问题的关注度持续上升。中国与美国的贡献最为突出，合计占总发文量的35%以上。关键词共现分析揭示了主要研究主题，包括吸附—解吸过程、氧化还原转化、胶体辅助运移及水文地球化学相互作用。新兴研究方向如气候变化影响、基于机器学习（ML）的预测建模以及可持续修复策略正逐渐成为关注焦点。除文献计量结果外，本文还综合阐述了当前对镉运移机制的认识，重点探讨了pH、氧化还原条件、土壤异质性及胶体相互作用对其迁移性的控制作用，并评估了渗透性反应墙（PRB）、生物炭改良及植物修复等技术的适用性与局限性。总体而言，本工作定量且系统地梳理了镉运移研究的演变历程，识别了关键知识缺口，并提出了改进地下水污染评估与可持续修复策略的未来研究方向。

本论文主体内容围绕土壤—地下水系统中镉（Cd）污染的研究现状、迁移机制、区域分布、环境影响及修复技术展开，结构如下：

1. 1.
   引言（Introduction）
   镉因其高毒性和广泛来源成为地下水污染的重要重金属。工业活动、采矿、农业施肥及废弃物处置是主要人为来源。长期摄入含镉地下水可导致肾脏损伤、骨质疏松及癌症等健康问题。镉的迁移受pH、氧化还原电位（Eh）、有机质含量及微生物活动等多因素调控。酸性条件通常增强其溶解度和迁移性，而碱性环境促进其在矿物表面吸附或形成沉淀。胶体（如腐殖质、粘土矿物）可显著提升镉的迁移能力。水稻等农作物易从污染土壤中吸收镉，进而威胁粮食安全。数值模型（如MT3DMS、HYDRUS）和机器学习方法已被用于模拟和预测镉的迁移行为。传统修复技术（如抽出处理法）成本高昂，而原位修复技术（如渗透性反应墙PRB）和生物修复技术正受到更多关注。
2. 2.
   文献计量分析方法（Methodology for bibliometric analysis）
   研究采用文献计量学方法，基于Scopus数据库检索2000–2025年的相关文献，经筛选后获得597篇有效文献。使用VOSviewer软件进行合作网络、共被引及关键词共现分析。结果显示，该领域研究可分为两个阶段：2000–2017年为缓慢增长期，年均发文量低于27篇；2018年后进入快速增长期，2024年达峰值54篇。中国和美国是主要贡献国，中国发文量最高（181篇），美国总被引频次最高（4757次）。核心研究机构集中在环境与冶金领域高校，如中南大学、中国科学院等。高影响力期刊包括《Science of the Total Environment》《Environmental Pollution》等。
3. 3.
   镉在地下水中的归趋与迁移（Fate and transport of cadmium in groundwater）
   镉的迁移是物理、化学及生物过程共同作用的结果。主要迁移机制包括对流、弥散、扩散及吸附。Langmuir和Freundlich等温线模型常用于描述其吸附行为。竞争离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）可通过离子交换作用影响镉的滞留。土壤质地显著影响迁移速率：砂质土壤迁移快，粘土则阻滞其运动。氧化还原条件决定镉的形态，氧化性条件下以Cd²⁺形式存在，还原性条件下易形成CdS沉淀。胶体（有机胶体、无机胶体、生物胶体及新兴污染物如微塑料）可通过携带作用促进镉的远程迁移。水文气候条件（如降雨、灌溉）及季节性水位变化也会影响镉的释放与迁移。数学模型（如HYDRUS-1D结合Richards方程和溶质运移方程）被广泛用于模拟这些过程。
4. 4.
   印度、亚洲及其他地区的镉污染热点（Cadmium contaminations and the hotspots in India, Asia and other countries in the world）
   全球镉污染呈现区域性特征。印度部分邦（如北方邦、马哈拉施特拉邦）因电子工业和农业施肥导致地下水镉超标。亚洲地区（如中国、泰国、孟加拉国）的污染主要与采矿、冶炼及农业活动有关。实验室柱实验表明，pH降低和离子强度升高会增强镉的迁移性，而蒙脱石等矿物涂层可有效吸附镉。野外研究证实，含水层非均质性、季节性水文变化及人类活动（如矿山开采）显著影响污染羽的扩散。数值模拟工具（如MODFLOW、MT3DMS、HYDRUS）已成功应用于预测污染迁移及优化修复方案。全球范围内，尼日利亚Ogun州的地下水镉浓度最高（130 μg/L），远超世界卫生组织（WHO）的饮用水标准（3 μg/L）。
5. 5.
   镉污染的环境与健康影响（Environmental and health impacts of cadmium contamination）
   镉暴露途径包括饮用污染地下水、食用富集镉的农作物（尤其是稻米）及直接接触污染土壤。长期低剂量暴露会导致肾功能障碍、骨骼疾病及癌症。儿童、孕妇及矿区居民为高风险人群。镉在生态系统中可沿食物链富集，危害水生生物及陆地生态系统，降低土壤肥力并改变微生物群落结构。现有监管标准在不同国家间存在差异，亟需加强监测与管控。
6. 6.
   镉污染地下水修复技术（Remediation techniques for cadmium-contaminated groundwater）
   物理化学修复技术中，渗透性反应墙（PRB）对镉的去除率可达99.5%，电凝法去除率约99%。吸附材料（如生物炭、羟基磷灰石涂层滤料）因成本低、效率高而被广泛应用。生物修复利用微生物或植物的吸收、固定作用，虽环境友好但周期较长。调节pH和氧化还原条件是控制镉迁移的有效辅助手段。集成多种技术的联合修复策略（如生物炭联合微生物）显示出更好的应用前景。
7. 7.
   修复技术的经济考量（Economic considerations of remediation）
   修复成本因技术类型而异：电动力学修复成本最高（30–120美元/立方米），PRB和生物修复成本较低（5–50美元/立方米）。纳米材料修复效率高但合成成本昂贵。预防性措施（如控制工业排放、合理使用化肥）比后期治理更具经济性。
8. 8.
   研究缺口与未来方向（Research gaps and future directions）
   未来研究需加强复杂水文地球化学条件下的镉行为模拟，深化胶体运移机制认识，并探索气候变化（如极端降雨、海水入侵）对镉迁移的影响。需开展更多野外尺度验证研究，优化PRB填料及生物修复菌剂性能。应发展实时监测与预测模型耦合的智能修复系统，并注重低成本、可持续技术的社区推广应用。
9. 9.
   结论（Conclusion）
   镉在地下水中的迁移受多因素共同控制，其污染治理需融合水文地质学、地球化学与环境工程学的跨学科协作。文献计量分析表明该领域正处于快速发展阶段，未来应着力于提升预测模型的准确性，推动全球数据共享，以保障地下水资源的可持续安全。