基于文献计量土壤环境质量指标体系研究

王昕宇，陈月，徐建玲 ， ，王全英，王洋

（1. 东北师范大学 环境学院，长春 130117；2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102）

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，它处于岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互交接的地带，是联结自然界中有机界和无机界的中心环节，也是农业可持续发展的基础。 土壤的环境质量与陆地生态系统的健康运行、粮食产量与动植物和人类的正常生存以及水与大气质量的改善密切相关［1-2］。构建土壤环境质量指标体系进行综合评价，对国家政策规划和农业发展模式选择具有重要参考意义，同时也有利于实现绿色发展。黑土地因其高有机质和营养潜力承担了中国主要作物生产和种植任务，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质量下降，极大影响生态安全和国家粮食安全［3-4］，因此构建更为全面的黑土地土壤环境质量指标体系对评估土壤质量以及指导农业可持续发展尤为重要。

目前土壤环境质量评价指标涉及到物理、化学和生物以及土壤重金属、有机污染等指标［5］，但土壤环境质量指标随地域、土壤类型的变化而有所不同，目前我国东北地区黑土地土壤环境质量评价还未形成系统的理论和方法。基于此，本文结合国内外土壤环境质量健康评价指标体系进行探究分析，为中国黑土地环境质量指标体系的构建过程提供依据，以期为更科学系统地评价我国黑土地土壤环境健康提供参考。

1 研究方法

文献计量方法是科学的利用文献数据信息，应用统计学、数学方法来对文献进行描述、分析、评价与预测的定量分析方法，利用此方法能更清晰地分析土壤环境质量健康指标体系研究的发展现状和未来发展趋势。

数据来源为Web of Science（WOS）核心数据库，搜索主题词为“ 土壤环境质量健康（Soil environmental quality and health）”时间跨度为2012年1 月1 日至2022 年9 月1 日，共检索到文献2 399篇，对文献的发文数量进行统计并结合VOSviewer软件进行可视化分析。

2 结果与讨论

2.1 土壤环境质量指标体系研究领域发文数量

近10 年的文献数据分析结果显示，土壤环境质量指标体系研究领域成果不断增加，图1 所示为对该领域年度发文量的发展情况，2012-2022 年10 年间WOS 中关于土壤环境质量健康指标的发文数量逐渐增加，其中2021 年的发文量最高为446 篇，远高于其他年限，说明随着人们对于环境保护研究的深入，对土壤环境质量的重视程度不断提升。

图1 2012-2022 年研究领域年度发文量

2.2 国家/地区土壤环境质量指标体系研究领域发文及合作情况

国家/地区的发文量和引用次数可以在一定程度上表明国家对该研究领域的重视程度和成果产出情况［6］，表1 所示，中国发文量为623 篇，占比25.97%，位居榜首，美国发文量仅次于中国，为499 篇，占比20.80%。对国家/地区发文量的可视化分析，如图2 所示，可以看出各个国家/地区之间在战略环境评价研究领域合作密切，其中美国合作国家最多，较为密切的主要有中国、意大利、法国等国家。

表1 2012-2022 年度研究领域发文量TOP 5 国家/地区

图2 2012-2022 年度研究领域国家合作关系

2.3 土壤环境质量指标体系研究热点

关键词可以表达文章中心思想，对关键词进行可视化分析能够精确了解研究领域的研究热点和方向，采用VOSviewer 软件对土壤环境质量健康指标体系领域的关键词进行可视化分析，结果如图3 所示。关于土壤环境质量健康指标体系领域的研究大多与污染（comtamination/pollution）、管理（management）、有机物（organic-matter）、指标（organic-matter）、重金属（heavy-mental）相关，学者们对于土地环境健康指标体系的研究大多是管理政策和对重金属等污染物、土壤有机物相关，即通过对土壤污染程度和政府管理政策以及土壤本身的性质进行土地环境健康指标体系的构建。

图3 2012-2022 年度研究领域关键词密度

根据可视化分析结果以及文献内容进行进一步整理可以发现，土壤环境质量指标体系的研究主要体现在以下几个方面：

（1）土壤环境质量指标研究与重金属污染联系更为密切。

对检索到的文献中的引文关键词进行数据统计分析，结果如图4 所示，土壤的污染与修复是土壤环境质量指标研究领域的主要核心问题，即土壤的污染状况和污染后土壤的后续修复，其中土壤的修复主要是关注土壤污染后的修复方法，其中植物修复是研究热点。 土壤污染中重金属研究热度最高［7］，如图5 所示，重金属污染相关研究文献占污染与植物修复研究发文量的78%。来源较多且不易降解使得土壤重金属污染危害程度加大［8］，国内外针对重金属污染的评价指标的研究逐渐增加，且与城市规划和农业生产安全的研究更为密切。

图4 2012-2022年度研究领域年度引文关键词TOP 5占比

图5 2012-2022 年度污染与植物修复研究引文关键词TOP 5

对土壤重金属进一步分析，汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）、砷（As）等是土壤中常见的污染物，土壤中重金属含量超标还会引发人体致癌等健康风险［9-10］；朱永娟等人［11］将植物修复与重金属污染研究相结合，分析了重金属复合污染条件下植物的响应；马瑾等人［12］结合多元统计分析和机器学习模型，识别潜在有毒元素污染源并进行评估；Huang 等人［13］结合重金属来源，对禽畜粪便污染的水源地和受灌溉及排水沟渠污染的农田土壤中的重金属进行分析，将土壤环境质量与其暴露环境相联系进行健康评估。 Morrison 等人［14］将重金属与人体健康结合评价。

（2）土壤基本指标体系更为全面。

将土壤肥力纳入土壤环境质量指标体系可以使得评价更加完善，土壤肥料作为土壤基本指标，涵盖物理、化学和生物三个方面，对土壤的性质进行了综合反映。物理和化学指标最为常用，其中化学指标应用更为广泛，例如Dengiz等人［15］就采用了粘土含量、粘土比例、团聚体稳定性等指标。 近年来，区域土壤环境质量指标体系也逐渐加入部分生物指标，物理、化学和生物的三个角度综合评估土壤环境质量，考虑到生物指标易受到环境影响，生物土壤质量指标要考虑到监测过程中人为因素等的影响。鲁海燕等人［16］关注土壤生物指标对重金属的污染响应情况，分析了重金属污染土壤酶、微生物群落的变化，Bongiorno［17］则是以新指标添加后对传统指标体系的敏感程度分析了新指标应用于土壤环境质量指标体系的潜力。Khatoon 等人［18］从农业土壤健康的角度出发选取指标。依据地域特点，选取恰当的生物指标，结合物理与化学指标对土壤环境质量进行探究，可更好地了解土壤环境质量健康状态，更有利于进行后续规划。

（3）农业生产是土壤环境质量评价指标体系的研究重点。

对土壤健康所涉及的不同研究方向的发文量进行分析，结果如图6 所示，关注人与环境相互之间关系及规律的环境科学生态学研究方向发文量位居首位，农业研究方向的发文量以18% 的占比位居第二。粮食生产是国家建设的首要任务，农田环境质量关系国家生命线。

图6 2012-2022 年度研究方向发文量TOP 5

国内外对农田生态环境、土壤肥力或耕地产出的研究也较多，对评价指标的选择和分类有多种方式。首先是农业生产耕作所带来的人为影响，传统耕作和更新后耕作模式会对土壤生态系统产生影响，进而影响指标的选取［19］。 其次是农田生态效益，农田土壤肥力关系到农田产出，吴玉红等人［20］从化学、物理、生态三重指标中采用数理统计的方法选取相关性最高的指标构建最小数据集来综合评价土壤肥力；Li 等人［21］也结合最小数据集对东北玉米带的土壤质量进行评价；胡赛等人［22］以农田产出为研究对象，从经济、生态和社会效益三个角度选取指标来进行效益评价，进而得出土地的利用状况。陈百明等人［23］提出可以从生态（自然）、经济、社会3 个方面设置合理的指标体系，以此保证土地可持续利用指标体系的科学性、系统性和实用性。 最后是农田土壤所处的生态环境，吕川等人［24］从土壤环境压力、土壤环境状态、土壤环境影响等评价东北黑土地的耕地质量，Tu 等人［25］评估了不同气候、土壤特性与管理方式的土壤健康，发现气候和土壤性质是土壤健康的关键指标，人为因素对生物指标有较大影响；Zhao 等人［26］将土壤可提供的功能以及产生的生态环境效益综合选取构建评价指标体系。综合来讲，对于农业土壤环境质量健康指标体系的研究应当要对其农田类型进行精细分类，并在基础指标的基础上结合其对标功能进行更为全面的指标选择。 同时，在进行农业土壤环境质量健康指标体系的选取中不仅要包括土壤基本指标，还要从土壤所处的环境状况以及其利用方式和产生的相关效益进行指标的选取，从而实现土壤的综合评价。

（4）指标体系研究紧密联系模型并综合其他学科。

农业生态系统中的土壤质量对于使用可持续的土壤和土地资源是必要的，为了更好地确定指标或指标权重，研究人员构建了不同模型，对研究方法进行了改进的同时还联系其他学科实现指标体系的全面性。由于重金属和养分之间存在复杂的非线性关系，地质累积指数、多变量指示可立克法等传统方法很难将重金属和养分结合起来评价土壤质量，Martinez 等人［28］利用地质累积指数评价了城市中不同区域重金属污染程度，Sun 等人［29］采用地统计方法分析了中国亚热带丘陵地区土壤性质的时空变化和土壤质量变化问题。 Obade 等人［30］认为数字技术创造了机会来确定潜在的关注领域、进行实验和开发新的客观指标，可以为评估土地利用做法的环境合规性提供跟踪机制。 综合来讲，土壤环境质量指标体系仅仅依靠对选取指标的测定是不够的，还要结合数理统计、计算机等各学科领域对选取的指标进行筛选优化，并分析指标选取的合理性，以便能够对土壤环境质量进行科学全面的评估。

东北黑土地目前存在大量环境质量问题，如有机质含量大幅下降、土壤流失、土地沙化盐碱化、土壤污染等［31］。 目前黑土地面临的主要问题有：

（1）水土流失严重，导致黑土地可耕作层变薄。由于黑土区处于冻融区、夏秋季降水集中以及坡状耕地流水侵蚀作用强，导致土壤流失［32］。

（2）有机质含量下降。不合理的耕作方式使得黑土地理化性质逐步恶化，长期的高强度利用加之水土流失，黑土区土壤肥力下降［33］。

（3）土壤污染。农业生产中农药化肥的使用以及大气沉降、工农业发展使得土壤开始出现有机污染、重金属污染以及抗生素污染等状况。

近年来，国家针对上述情况出台了一系列的黑土地保护措施，《全国农业可持续发展规划（2015-2030）》把东部黑土地保护列为重要任务；2017 年出台了《东北黑土地保护规划纲要（2017-2030）》；2020 年，农业农村部、财政部联合印发了《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020-2025）》，逐步形成了黑土地保护的机制政策，为更好对黑土地进行拯救性保护，建立科学有效的黑土地土壤环境质量评价体系尤为重要。

3 结论与展望

3.1 结论

本文基于文献计量，对土壤环境质量评价指标体系的研究现状进行了综合探究，主要得出以下结论。

（1）关于土壤环境质量指标体系的研究重视程度增加，发文量不断上升，中国的发文量最高且各个国家/地区合作关系密切。

（2）土壤环境质量指标体系不断完善，生物学指标逐渐应用到体系研究中，污染物指标中重金属污染占据主要位置，且与人类生产生活，诸如暴露风险、食品健康等联系更加密切。

（3）农田土壤环境质量指标体系的研究成为重要的研究方向，指标体系的选取与农田的可持续利用的研究规划相联系，关于农田的指标研究应当细化分类后根据土壤功能进行精确评估，例如基本农田、东北黑土地等高标准农田等，还要考虑农田分类后的生产效益及其生产方式对选取指标的影响等。

（4）东北黑土地土壤环境质量问题较多，指标体系研究相对不完善，构建现实可行的东北黑土地土壤环境质量评价指标体系为实现黑土地质量全面的评估尤为重要。

3.2 展望

随着人们对土壤功能了解的深入和科技的不断发展，土壤环境质量健康指标体系研究不断深入，未来建议从以下几个方面进一步深入研究。

（1）加强对东北农田土壤环境质量指标体系的研究。根据田块的尺度和其作物体系构建不同指标体系，同时根据其主要功能进行指标的筛选，将指标选取标准与其应用模式相结合，实现土壤的可持续利用。

（2）构建东北黑土地土壤大数据共享平台。土壤系统受到多方面诸如气候、土壤类型、社会经济等因素的影响，土壤大数据库有利于及时掌握土壤动态变化，合理选取评价指标。

（3）扩大参与评价主体范围。土壤环境质量健康指标体系研究不应局限于科研部门，要联系农户、政府和企业等，确定最佳选取指标，形成更为精确的评价结果。