基于文獻(xiàn)計(jì)量土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系研究

王昕宇，陳月，徐建玲 ， ，王全英，王洋

（1. 東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130117；2. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)春 130102）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)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(lián)結(jié)自然界中有機(jī)界和無(wú)機(jī)界的中心環(huán)節(jié)，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。 土壤的環(huán)境質(zhì)量與陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行、糧食產(chǎn)量與動(dòng)植物和人類的正常生存以及水與大氣質(zhì)量的改善密切相關(guān)［1-2］。構(gòu)建土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)國(guó)家政策規(guī)劃和農(nóng)業(yè)發(fā)展模式選擇具有重要參考意義，同時(shí)也有利于實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。黑土地因其高有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)潛力承擔(dān)了中國(guó)主要作物生產(chǎn)和種植任務(wù)，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(zhì)量下降，極大影響生態(tài)安全和國(guó)家糧食安全［3-4］，因此構(gòu)建更為全面的黑土地土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系對(duì)評(píng)估土壤質(zhì)量以及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

目前土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及到物理、化學(xué)和生物以及土壤重金屬、有機(jī)污染等指標(biāo)［5］，但土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)隨地域、土壤類型的變化而有所不同，目前我國(guó)東北地區(qū)黑土地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)還未形成系統(tǒng)的理論和方法?；诖?，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外土壤環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行探究分析，為中國(guó)黑土地環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的構(gòu)建過(guò)程提供依據(jù)，以期為更科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)我國(guó)黑土地土壤環(huán)境健康提供參考。

1 研究方法

文獻(xiàn)計(jì)量方法是科學(xué)的利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)方法來(lái)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行描述、分析、評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)的定量分析方法，利用此方法能更清晰地分析土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系研究的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)來(lái)源為Web of Science（WOS）核心數(shù)據(jù)庫(kù)，搜索主題詞為“ 土壤環(huán)境質(zhì)量健康（Soil environmental quality and health）”時(shí)間跨度為2012年1 月1 日至2022 年9 月1 日，共檢索到文獻(xiàn)2 399篇，對(duì)文獻(xiàn)的發(fā)文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并結(jié)合VOSviewer軟件進(jìn)行可視化分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系研究領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量

近10 年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系研究領(lǐng)域成果不斷增加，圖1 所示為對(duì)該領(lǐng)域年度發(fā)文量的發(fā)展情況，2012-2022 年10 年間WOS 中關(guān)于土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)的發(fā)文數(shù)量逐漸增加，其中2021 年的發(fā)文量最高為446 篇，遠(yuǎn)高于其他年限，說(shuō)明隨著人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)研究的深入，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的重視程度不斷提升。

圖1 2012-2022 年研究領(lǐng)域年度發(fā)文量

2.2 國(guó)家/地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系研究領(lǐng)域發(fā)文及合作情況

國(guó)家/地區(qū)的發(fā)文量和引用次數(shù)可以在一定程度上表明國(guó)家對(duì)該研究領(lǐng)域的重視程度和成果產(chǎn)出情況［6］，表1 所示，中國(guó)發(fā)文量為623 篇，占比25.97%，位居榜首，美國(guó)發(fā)文量?jī)H次于中國(guó)，為499 篇，占比20.80%。對(duì)國(guó)家/地區(qū)發(fā)文量的可視化分析，如圖2 所示，可以看出各個(gè)國(guó)家/地區(qū)之間在戰(zhàn)略環(huán)境評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域合作密切，其中美國(guó)合作國(guó)家最多，較為密切的主要有中國(guó)、意大利、法國(guó)等國(guó)家。

表1 2012-2022 年度研究領(lǐng)域發(fā)文量TOP 5 國(guó)家/地區(qū)

圖2 2012-2022 年度研究領(lǐng)域國(guó)家合作關(guān)系

2.3 土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系研究熱點(diǎn)

關(guān)鍵詞可以表達(dá)文章中心思想，對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析能夠精確了解研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和方向，采用VOSviewer 軟件對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖3 所示。關(guān)于土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系領(lǐng)域的研究大多與污染（comtamination/pollution）、管理（management）、有機(jī)物（organic-matter）、指標(biāo)（organic-matter）、重金屬（heavy-mental）相關(guān)，學(xué)者們對(duì)于土地環(huán)境健康指標(biāo)體系的研究大多是管理政策和對(duì)重金屬等污染物、土壤有機(jī)物相關(guān)，即通過(guò)對(duì)土壤污染程度和政府管理政策以及土壤本身的性質(zhì)進(jìn)行土地環(huán)境健康指標(biāo)體系的構(gòu)建。

圖3 2012-2022 年度研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞密度

根據(jù)可視化分析結(jié)果以及文獻(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步整理可以發(fā)現(xiàn)，土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)研究與重金屬污染聯(lián)系更為密切。

對(duì)檢索到的文獻(xiàn)中的引文關(guān)鍵詞進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4 所示，土壤的污染與修復(fù)是土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)研究領(lǐng)域的主要核心問(wèn)題，即土壤的污染狀況和污染后土壤的后續(xù)修復(fù)，其中土壤的修復(fù)主要是關(guān)注土壤污染后的修復(fù)方法，其中植物修復(fù)是研究熱點(diǎn)。 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(guān)研究文獻(xiàn)占污染與植物修復(fù)研究發(fā)文量的78%。來(lái)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(guó)內(nèi)外針對(duì)重金屬污染的評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究逐漸增加，且與城市規(guī)劃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的研究更為密切。

圖4 2012-2022年度研究領(lǐng)域年度引文關(guān)鍵詞TOP 5占比

圖5 2012-2022 年度污染與植物修復(fù)研究引文關(guān)鍵詞TOP 5

對(duì)土壤重金屬進(jìn)一步分析，汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鉻（Cr）、砷（As）等是土壤中常見(jiàn)的污染物，土壤中重金屬含量超標(biāo)還會(huì)引發(fā)人體致癌等健康風(fēng)險(xiǎn)［9-10］；朱永娟等人［11］將植物修復(fù)與重金屬污染研究相結(jié)合，分析了重金屬?gòu)?fù)合污染條件下植物的響應(yīng)；馬瑾等人［12］結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，識(shí)別潛在有毒元素污染源并進(jìn)行評(píng)估；Huang 等人［13］結(jié)合重金屬來(lái)源，對(duì)禽畜糞便污染的水源地和受灌溉及排水溝渠污染的農(nóng)田土壤中的重金屬進(jìn)行分析，將土壤環(huán)境質(zhì)量與其暴露環(huán)境相聯(lián)系進(jìn)行健康評(píng)估。 Morrison 等人［14］將重金屬與人體健康結(jié)合評(píng)價(jià)。

（2）土壤基本指標(biāo)體系更為全面。

將土壤肥力納入土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系可以使得評(píng)價(jià)更加完善，土壤肥料作為土壤基本指標(biāo)，涵蓋物理、化學(xué)和生物三個(gè)方面，對(duì)土壤的性質(zhì)進(jìn)行了綜合反映。物理和化學(xué)指標(biāo)最為常用，其中化學(xué)指標(biāo)應(yīng)用更為廣泛，例如Dengiz等人［15］就采用了粘土含量、粘土比例、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等指標(biāo)。 近年來(lái)，區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系也逐漸加入部分生物指標(biāo)，物理、化學(xué)和生物的三個(gè)角度綜合評(píng)估土壤環(huán)境質(zhì)量，考慮到生物指標(biāo)易受到環(huán)境影響，生物土壤質(zhì)量指標(biāo)要考慮到監(jiān)測(cè)過(guò)程中人為因素等的影響。魯海燕等人［16］關(guān)注土壤生物指標(biāo)對(duì)重金屬的污染響應(yīng)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(biāo)添加后對(duì)傳統(tǒng)指標(biāo)體系的敏感程度分析了新指標(biāo)應(yīng)用于土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的潛力。Khatoon 等人［18］從農(nóng)業(yè)土壤健康的角度出發(fā)選取指標(biāo)。依據(jù)地域特點(diǎn)，選取恰當(dāng)?shù)纳镏笜?biāo)，結(jié)合物理與化學(xué)指標(biāo)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行探究，可更好地了解土壤環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)，更有利于進(jìn)行后續(xù)規(guī)劃。

（3）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究重點(diǎn)。

對(duì)土壤健康所涉及的不同研究方向的發(fā)文量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 所示，關(guān)注人與環(huán)境相互之間關(guān)系及規(guī)律的環(huán)境科學(xué)生態(tài)學(xué)研究方向發(fā)文量位居首位，農(nóng)業(yè)研究方向的發(fā)文量以18% 的占比位居第二。糧食生產(chǎn)是國(guó)家建設(shè)的首要任務(wù)，農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量關(guān)系國(guó)家生命線。

圖6 2012-2022 年度研究方向發(fā)文量TOP 5

國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、土壤肥力或耕地產(chǎn)出的研究也較多，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇和分類有多種方式。首先是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作所帶來(lái)的人為影響，傳統(tǒng)耕作和更新后耕作模式會(huì)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響指標(biāo)的選取［19］。 其次是農(nóng)田生態(tài)效益，農(nóng)田土壤肥力關(guān)系到農(nóng)田產(chǎn)出，吳玉紅等人［20］從化學(xué)、物理、生態(tài)三重指標(biāo)中采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法選取相關(guān)性最高的指標(biāo)構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集來(lái)綜合評(píng)價(jià)土壤肥力；Li 等人［21］也結(jié)合最小數(shù)據(jù)集對(duì)東北玉米帶的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；胡賽等人［22］以農(nóng)田產(chǎn)出為研究對(duì)象，從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益三個(gè)角度選取指標(biāo)來(lái)進(jìn)行效益評(píng)價(jià)，進(jìn)而得出土地的利用狀況。陳百明等人［23］提出可以從生態(tài)（自然）、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)3 個(gè)方面設(shè)置合理的指標(biāo)體系，以此保證土地可持續(xù)利用指標(biāo)體系的科學(xué)性、系統(tǒng)性和實(shí)用性。 最后是農(nóng)田土壤所處的生態(tài)環(huán)境，呂川等人［24］從土壤環(huán)境壓力、土壤環(huán)境狀態(tài)、土壤環(huán)境影響等評(píng)價(jià)東北黑土地的耕地質(zhì)量，Tu 等人［25］評(píng)估了不同氣候、土壤特性與管理方式的土壤健康，發(fā)現(xiàn)氣候和土壤性質(zhì)是土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)，人為因素對(duì)生物指標(biāo)有較大影響；Zhao 等人［26］將土壤可提供的功能以及產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益綜合選取構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。綜合來(lái)講，對(duì)于農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系的研究應(yīng)當(dāng)要對(duì)其農(nóng)田類型進(jìn)行精細(xì)分類，并在基礎(chǔ)指標(biāo)的基礎(chǔ)上結(jié)合其對(duì)標(biāo)功能進(jìn)行更為全面的指標(biāo)選擇。 同時(shí)，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系的選取中不僅要包括土壤基本指標(biāo)，還要從土壤所處的環(huán)境狀況以及其利用方式和產(chǎn)生的相關(guān)效益進(jìn)行指標(biāo)的選取，從而實(shí)現(xiàn)土壤的綜合評(píng)價(jià)。

（4）指標(biāo)體系研究緊密聯(lián)系模型并綜合其他學(xué)科。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的土壤質(zhì)量對(duì)于使用可持續(xù)的土壤和土地資源是必要的，為了更好地確定指標(biāo)或指標(biāo)權(quán)重，研究人員構(gòu)建了不同模型，對(duì)研究方法進(jìn)行了改進(jìn)的同時(shí)還聯(lián)系其他學(xué)科實(shí)現(xiàn)指標(biāo)體系的全面性。由于重金屬和養(yǎng)分之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，地質(zhì)累積指數(shù)、多變量指示可立克法等傳統(tǒng)方法很難將重金屬和養(yǎng)分結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量，Martinez 等人［28］利用地質(zhì)累積指數(shù)評(píng)價(jià)了城市中不同區(qū)域重金屬污染程度，Sun 等人［29］采用地統(tǒng)計(jì)方法分析了中國(guó)亞熱帶丘陵地區(qū)土壤性質(zhì)的時(shí)空變化和土壤質(zhì)量變化問(wèn)題。 Obade 等人［30］認(rèn)為數(shù)字技術(shù)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)來(lái)確定潛在的關(guān)注領(lǐng)域、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)新的客觀指標(biāo)，可以為評(píng)估土地利用做法的環(huán)境合規(guī)性提供跟蹤機(jī)制。 綜合來(lái)講，土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系僅僅依靠對(duì)選取指標(biāo)的測(cè)定是不夠的，還要結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)等各學(xué)科領(lǐng)域?qū)x取的指標(biāo)進(jìn)行篩選優(yōu)化，并分析指標(biāo)選取的合理性，以便能夠?qū)ν寥拉h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)全面的評(píng)估。

東北黑土地目前存在大量環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題，如有機(jī)質(zhì)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(wèn)題有：

（1）水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致黑土地可耕作層變薄。由于黑土區(qū)處于凍融區(qū)、夏秋季降水集中以及坡?tīng)罡亓魉治g作用強(qiáng)，導(dǎo)致土壤流失［32］。

（2）有機(jī)質(zhì)含量下降。不合理的耕作方式使得黑土地理化性質(zhì)逐步惡化，長(zhǎng)期的高強(qiáng)度利用加之水土流失，黑土區(qū)土壤肥力下降［33］。

（3）土壤污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥化肥的使用以及大氣沉降、工農(nóng)業(yè)發(fā)展使得土壤開(kāi)始出現(xiàn)有機(jī)污染、重金屬污染以及抗生素污染等狀況。

近年來(lái)，國(guó)家針對(duì)上述情況出臺(tái)了一系列的黑土地保護(hù)措施，《全國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015-2030）》把東部黑土地保護(hù)列為重要任務(wù)；2017 年出臺(tái)了《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017-2030）》；2020 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)了《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃（2020-2025）》，逐步形成了黑土地保護(hù)的機(jī)制政策，為更好對(duì)黑土地進(jìn)行拯救性保護(hù)，建立科學(xué)有效的黑土地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系尤為重要。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文基于文獻(xiàn)計(jì)量，對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合探究，主要得出以下結(jié)論。

（1）關(guān)于土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的研究重視程度增加，發(fā)文量不斷上升，中國(guó)的發(fā)文量最高且各個(gè)國(guó)家/地區(qū)合作關(guān)系密切。

（2）土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系不斷完善，生物學(xué)指標(biāo)逐漸應(yīng)用到體系研究中，污染物指標(biāo)中重金屬污染占據(jù)主要位置，且與人類生產(chǎn)生活，諸如暴露風(fēng)險(xiǎn)、食品健康等聯(lián)系更加密切。

（3）農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的研究成為重要的研究方向，指標(biāo)體系的選取與農(nóng)田的可持續(xù)利用的研究規(guī)劃相聯(lián)系，關(guān)于農(nóng)田的指標(biāo)研究應(yīng)當(dāng)細(xì)化分類后根據(jù)土壤功能進(jìn)行精確評(píng)估，例如基本農(nóng)田、東北黑土地等高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田等，還要考慮農(nóng)田分類后的生產(chǎn)效益及其生產(chǎn)方式對(duì)選取指標(biāo)的影響等。

（4）東北黑土地土壤環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題較多，指標(biāo)體系研究相對(duì)不完善，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)可行的東北黑土地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為實(shí)現(xiàn)黑土地質(zhì)量全面的評(píng)估尤為重要。

3.2 展望

隨著人們對(duì)土壤功能了解的深入和科技的不斷發(fā)展，土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系研究不斷深入，未來(lái)建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入研究。

（1）加強(qiáng)對(duì)東北農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)體系的研究。根據(jù)田塊的尺度和其作物體系構(gòu)建不同指標(biāo)體系，同時(shí)根據(jù)其主要功能進(jìn)行指標(biāo)的篩選，將指標(biāo)選取標(biāo)準(zhǔn)與其應(yīng)用模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用。

（2）構(gòu)建東北黑土地土壤大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。土壤系統(tǒng)受到多方面諸如氣候、土壤類型、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的影響，土壤大數(shù)據(jù)庫(kù)有利于及時(shí)掌握土壤動(dòng)態(tài)變化，合理選取評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）擴(kuò)大參與評(píng)價(jià)主體范圍。土壤環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系研究不應(yīng)局限于科研部門(mén)，要聯(lián)系農(nóng)戶、政府和企業(yè)等，確定最佳選取指標(biāo)，形成更為精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。