基于文獻計量土壤環境質量指標體系研究

王昕宇，陳月，徐建玲 ， ，王全英，王洋

（1. 東北師范大學 環境學院，長春 130117；2. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，長春 130102）

土壤是陸地生態系統的重要組成部分，它處于巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈相互交接的地帶，是聯結自然界中有機界和無機界的中心環節，也是農業可持續發展的基礎。 土壤的環境質量與陸地生態系統的健康運行、糧食產量與動植物和人類的正常生存以及水與大氣質量的改善密切相關［1-2］。構建土壤環境質量指標體系進行綜合評價，對國家政策規劃和農業發展模式選擇具有重要參考意義，同時也有利于實現綠色發展。黑土地因其高有機質和營養潛力承擔了中國主要作物生產和種植任務，但黑土地的不合理使用以及外源污染物的排放使得黑土地土壤質量下降，極大影響生態安全和國家糧食安全［3-4］，因此構建更為全面的黑土地土壤環境質量指標體系對評估土壤質量以及指導農業可持續發展尤為重要。

目前土壤環境質量評價指標涉及到物理、化學和生物以及土壤重金屬、有機污染等指標［5］，但土壤環境質量指標隨地域、土壤類型的變化而有所不同，目前我國東北地區黑土地土壤環境質量評價還未形成系統的理論和方法?；诖?，本文結合國內外土壤環境質量健康評價指標體系進行探究分析，為中國黑土地環境質量指標體系的構建過程提供依據，以期為更科學系統地評價我國黑土地土壤環境健康提供參考。

1 研究方法

文獻計量方法是科學的利用文獻數據信息，應用統計學、數學方法來對文獻進行描述、分析、評價與預測的定量分析方法，利用此方法能更清晰地分析土壤環境質量健康指標體系研究的發展現狀和未來發展趨勢。

數據來源為Web of Science（WOS）核心數據庫，搜索主題詞為“ 土壤環境質量健康（Soil environmental quality and health）”時間跨度為2012年1 月1 日至2022 年9 月1 日，共檢索到文獻2 399篇，對文獻的發文數量進行統計并結合VOSviewer軟件進行可視化分析。

2 結果與討論

2.1 土壤環境質量指標體系研究領域發文數量

近10 年的文獻數據分析結果顯示，土壤環境質量指標體系研究領域成果不斷增加，圖1 所示為對該領域年度發文量的發展情況，2012-2022 年10 年間WOS 中關于土壤環境質量健康指標的發文數量逐漸增加，其中2021 年的發文量最高為446 篇，遠高于其他年限，說明隨著人們對于環境保護研究的深入，對土壤環境質量的重視程度不斷提升。

圖1 2012-2022 年研究領域年度發文量

2.2 國家/地區土壤環境質量指標體系研究領域發文及合作情況

國家/地區的發文量和引用次數可以在一定程度上表明國家對該研究領域的重視程度和成果產出情況［6］，表1 所示，中國發文量為623 篇，占比25.97%，位居榜首，美國發文量僅次于中國，為499 篇，占比20.80%。對國家/地區發文量的可視化分析，如圖2 所示，可以看出各個國家/地區之間在戰略環境評價研究領域合作密切，其中美國合作國家最多，較為密切的主要有中國、意大利、法國等國家。

表1 2012-2022 年度研究領域發文量TOP 5 國家/地區

圖2 2012-2022 年度研究領域國家合作關系

2.3 土壤環境質量指標體系研究熱點

關鍵詞可以表達文章中心思想，對關鍵詞進行可視化分析能夠精確了解研究領域的研究熱點和方向，采用VOSviewer 軟件對土壤環境質量健康指標體系領域的關鍵詞進行可視化分析，結果如圖3 所示。關于土壤環境質量健康指標體系領域的研究大多與污染（comtamination/pollution）、管理（management）、有機物（organic-matter）、指標（organic-matter）、重金屬（heavy-mental）相關，學者們對于土地環境健康指標體系的研究大多是管理政策和對重金屬等污染物、土壤有機物相關，即通過對土壤污染程度和政府管理政策以及土壤本身的性質進行土地環境健康指標體系的構建。

圖3 2012-2022 年度研究領域關鍵詞密度

根據可視化分析結果以及文獻內容進行進一步整理可以發現，土壤環境質量指標體系的研究主要體現在以下幾個方面：

（1）土壤環境質量指標研究與重金屬污染聯系更為密切。

對檢索到的文獻中的引文關鍵詞進行數據統計分析，結果如圖4 所示，土壤的污染與修復是土壤環境質量指標研究領域的主要核心問題，即土壤的污染狀況和污染后土壤的后續修復，其中土壤的修復主要是關注土壤污染后的修復方法，其中植物修復是研究熱點。 土壤污染中重金屬研究熱度最高［7］，如圖5 所示，重金屬污染相關研究文獻占污染與植物修復研究發文量的78%。來源較多且不易降解使得土壤重金屬污染危害程度加大［8］，國內外針對重金屬污染的評價指標的研究逐漸增加，且與城市規劃和農業生產安全的研究更為密切。

圖4 2012-2022年度研究領域年度引文關鍵詞TOP 5占比

圖5 2012-2022 年度污染與植物修復研究引文關鍵詞TOP 5

對土壤重金屬進一步分析，汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、砷（As）等是土壤中常見的污染物，土壤中重金屬含量超標還會引發人體致癌等健康風險［9-10］；朱永娟等人［11］將植物修復與重金屬污染研究相結合，分析了重金屬復合污染條件下植物的響應；馬瑾等人［12］結合多元統計分析和機器學習模型，識別潛在有毒元素污染源并進行評估；Huang 等人［13］結合重金屬來源，對禽畜糞便污染的水源地和受灌溉及排水溝渠污染的農田土壤中的重金屬進行分析，將土壤環境質量與其暴露環境相聯系進行健康評估。 Morrison 等人［14］將重金屬與人體健康結合評價。

（2）土壤基本指標體系更為全面。

將土壤肥力納入土壤環境質量指標體系可以使得評價更加完善，土壤肥料作為土壤基本指標，涵蓋物理、化學和生物三個方面，對土壤的性質進行了綜合反映。物理和化學指標最為常用，其中化學指標應用更為廣泛，例如Dengiz等人［15］就采用了粘土含量、粘土比例、團聚體穩定性等指標。 近年來，區域土壤環境質量指標體系也逐漸加入部分生物指標，物理、化學和生物的三個角度綜合評估土壤環境質量，考慮到生物指標易受到環境影響，生物土壤質量指標要考慮到監測過程中人為因素等的影響。魯海燕等人［16］關注土壤生物指標對重金屬的污染響應情況，分析了重金屬污染土壤酶、微生物群落的變化，Bongiorno［17］則是以新指標添加后對傳統指標體系的敏感程度分析了新指標應用于土壤環境質量指標體系的潛力。Khatoon 等人［18］從農業土壤健康的角度出發選取指標。依據地域特點，選取恰當的生物指標，結合物理與化學指標對土壤環境質量進行探究，可更好地了解土壤環境質量健康狀態，更有利于進行后續規劃。

（3）農業生產是土壤環境質量評價指標體系的研究重點。

對土壤健康所涉及的不同研究方向的發文量進行分析，結果如圖6 所示，關注人與環境相互之間關系及規律的環境科學生態學研究方向發文量位居首位，農業研究方向的發文量以18% 的占比位居第二。糧食生產是國家建設的首要任務，農田環境質量關系國家生命線。

圖6 2012-2022 年度研究方向發文量TOP 5

國內外對農田生態環境、土壤肥力或耕地產出的研究也較多，對評價指標的選擇和分類有多種方式。首先是農業生產耕作所帶來的人為影響，傳統耕作和更新后耕作模式會對土壤生態系統產生影響，進而影響指標的選?。?9］。 其次是農田生態效益，農田土壤肥力關系到農田產出，吳玉紅等人［20］從化學、物理、生態三重指標中采用數理統計的方法選取相關性最高的指標構建最小數據集來綜合評價土壤肥力；Li 等人［21］也結合最小數據集對東北玉米帶的土壤質量進行評價；胡賽等人［22］以農田產出為研究對象，從經濟、生態和社會效益三個角度選取指標來進行效益評價，進而得出土地的利用狀況。陳百明等人［23］提出可以從生態（自然）、經濟、社會3 個方面設置合理的指標體系，以此保證土地可持續利用指標體系的科學性、系統性和實用性。 最后是農田土壤所處的生態環境，呂川等人［24］從土壤環境壓力、土壤環境狀態、土壤環境影響等評價東北黑土地的耕地質量，Tu 等人［25］評估了不同氣候、土壤特性與管理方式的土壤健康，發現氣候和土壤性質是土壤健康的關鍵指標，人為因素對生物指標有較大影響；Zhao 等人［26］將土壤可提供的功能以及產生的生態環境效益綜合選取構建評價指標體系。綜合來講，對于農業土壤環境質量健康指標體系的研究應當要對其農田類型進行精細分類，并在基礎指標的基礎上結合其對標功能進行更為全面的指標選擇。 同時，在進行農業土壤環境質量健康指標體系的選取中不僅要包括土壤基本指標，還要從土壤所處的環境狀況以及其利用方式和產生的相關效益進行指標的選取，從而實現土壤的綜合評價。

（4）指標體系研究緊密聯系模型并綜合其他學科。

農業生態系統中的土壤質量對于使用可持續的土壤和土地資源是必要的，為了更好地確定指標或指標權重，研究人員構建了不同模型，對研究方法進行了改進的同時還聯系其他學科實現指標體系的全面性。由于重金屬和養分之間存在復雜的非線性關系，地質累積指數、多變量指示可立克法等傳統方法很難將重金屬和養分結合起來評價土壤質量，Martinez 等人［28］利用地質累積指數評價了城市中不同區域重金屬污染程度，Sun 等人［29］采用地統計方法分析了中國亞熱帶丘陵地區土壤性質的時空變化和土壤質量變化問題。 Obade 等人［30］認為數字技術創造了機會來確定潛在的關注領域、進行實驗和開發新的客觀指標，可以為評估土地利用做法的環境合規性提供跟蹤機制。 綜合來講，土壤環境質量指標體系僅僅依靠對選取指標的測定是不夠的，還要結合數理統計、計算機等各學科領域對選取的指標進行篩選優化，并分析指標選取的合理性，以便能夠對土壤環境質量進行科學全面的評估。

東北黑土地目前存在大量環境質量問題，如有機質含量大幅下降、土壤流失、土地沙化鹽堿化、土壤污染等［31］。 目前黑土地面臨的主要問題有：

（1）水土流失嚴重，導致黑土地可耕作層變薄。由于黑土區處于凍融區、夏秋季降水集中以及坡狀耕地流水侵蝕作用強，導致土壤流失［32］。

（2）有機質含量下降。不合理的耕作方式使得黑土地理化性質逐步惡化，長期的高強度利用加之水土流失，黑土區土壤肥力下降［33］。

（3）土壤污染。農業生產中農藥化肥的使用以及大氣沉降、工農業發展使得土壤開始出現有機污染、重金屬污染以及抗生素污染等狀況。

近年來，國家針對上述情況出臺了一系列的黑土地保護措施，《全國農業可持續發展規劃（2015-2030）》把東部黑土地保護列為重要任務；2017 年出臺了《東北黑土地保護規劃綱要（2017-2030）》；2020 年，農業農村部、財政部聯合印發了《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020-2025）》，逐步形成了黑土地保護的機制政策，為更好對黑土地進行拯救性保護，建立科學有效的黑土地土壤環境質量評價體系尤為重要。

3 結論與展望

3.1 結論

本文基于文獻計量，對土壤環境質量評價指標體系的研究現狀進行了綜合探究，主要得出以下結論。

（1）關于土壤環境質量指標體系的研究重視程度增加，發文量不斷上升，中國的發文量最高且各個國家/地區合作關系密切。

（2）土壤環境質量指標體系不斷完善，生物學指標逐漸應用到體系研究中，污染物指標中重金屬污染占據主要位置，且與人類生產生活，諸如暴露風險、食品健康等聯系更加密切。

（3）農田土壤環境質量指標體系的研究成為重要的研究方向，指標體系的選取與農田的可持續利用的研究規劃相聯系，關于農田的指標研究應當細化分類后根據土壤功能進行精確評估，例如基本農田、東北黑土地等高標準農田等，還要考慮農田分類后的生產效益及其生產方式對選取指標的影響等。

（4）東北黑土地土壤環境質量問題較多，指標體系研究相對不完善，構建現實可行的東北黑土地土壤環境質量評價指標體系為實現黑土地質量全面的評估尤為重要。

3.2 展望

隨著人們對土壤功能了解的深入和科技的不斷發展，土壤環境質量健康指標體系研究不斷深入，未來建議從以下幾個方面進一步深入研究。

（1）加強對東北農田土壤環境質量指標體系的研究。根據田塊的尺度和其作物體系構建不同指標體系，同時根據其主要功能進行指標的篩選，將指標選取標準與其應用模式相結合，實現土壤的可持續利用。

（2）構建東北黑土地土壤大數據共享平臺。土壤系統受到多方面諸如氣候、土壤類型、社會經濟等因素的影響，土壤大數據庫有利于及時掌握土壤動態變化，合理選取評價指標。

（3）擴大參與評價主體范圍。土壤環境質量健康指標體系研究不應局限于科研部門，要聯系農戶、政府和企業等，確定最佳選取指標，形成更為精確的評價結果。