基于"核心+区域"框架的黑土区稻田土壤健康评价研究——以三江平原为例

《Applied Soil Ecology》：Research on rice paddy soil health evaluation in black soil regions based on a “core + regional” framework: A case study of the Sanjiang Plain

　　

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  建立黑土区稻田土壤健康指标体系
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  研究区土壤健康水平以中等为主。
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  土壤健康指数与作物产量呈显著正相关。
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  识别不同区域的关键影响因素并实施分区管理
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  东北区域需要进行酸性改良和增施磷肥。

引言

土壤是人类生存和发展的物质基础，受到众多国际组织和科研机构的高度重视。在联合国制定的17个可持续发展目标中，有13个与土壤直接或间接相关（Liang和Wu，2013；Zhang等，2022）。鉴于不同地区土壤特性固有的异质性以及人类活动的差异（如灌溉、农药和化肥使用），土壤健康评估指标的选取往往不同。因此，选择科学合理且具有适用性的指标尤为重要，因为它们直接影响土壤健康评估的结果（Geng等，2018）。

国际上，已开发出多种土壤健康评估框架以标准化评估实践。美国农业部（USDA）于20世纪90年代开发了土壤管理评估框架（SMAF），该框架考虑了敏感性、测量可重复性等多项原则，并利用最小数据集（MDS）筛选出13个土壤生态特征指标（Andrews等，2004）。康奈尔土壤健康评估方法（CASH）是基于敏感性、主导性、独立性和实用性原则的土壤健康评估方法，从39个指标中选取了5个物理指标、4个化学指标和4个生物指标，形成最小数据集（Moebius-Clune等，2017）。哈尼测试和土壤健康工具根据微生物活性、微生物呼吸以及样品中碳氮比来计算土壤健康得分（Karlen等，1997；Singh等，2020）。尽管取得了上述进展，但由于气候、土壤类型、种植制度和管理实践的差异导致区域特殊性显著，目前尚未建立普遍适用的土壤健康评估体系。作为定量评估工具，土壤健康指数（SHI）通过整合土壤生物学、化学和物理特性的多维指标，为评估农田生态系统的可持续生产能力提供了科学依据（Hussain等，2022；Sharma和Arora，2010）。研究表明，该指数受气候变异性、土壤类型差异和种植制度的显著影响（Bünemann等，2018），导致不同区域在相同SHI值下产量表现存在差异，这种空间异质性主要源于温度和湿度等环境因素的梯度变化（Lenka等，2022）。基于最小数据集的评估体系因其效率而在生产系统比较和退化诊断中广泛应用（Biswas等，2017；Karlen等，1997）。该体系由三个核心步骤组成：（1）指标评分转换；（2）最小数据集的识别；（3）将所有指标评分整合为单一SHI值（Andrews等，2004；Karlen等，2003）。本研究所面临的主要挑战是如何从复杂的土壤评估体系中选出最具代表性的指标，并整合定性与定量特征，以准确反映区域土壤健康特征（Guo等，2017）。

黑龙江省是中国最大的农业省份和重要的商品粮基地，其黑土耕地约占中国典型黑土区的56.1%（约1040万公顷）（Du等，2019；Liu等，2023）。在这些区域中，三江平原是东北地区主要的稻米产区（Liu等，2013）。近年来，稻田种植面積持续扩大，反映出该地区在稻米生产方面战略地位的增强。然而，长期的集约化耕作已导致黑土区土壤显著退化，包括养分失衡、有机质下降、酸化和水蚀等问题（Dai等，2024；Zhang等，2023）。这些问题威胁着土壤健康和作物生产的可持续性。以往该区域的研究主要集中在土壤肥力或单一功能方面，而整合物理、化学和生物学多个维度的土壤健康系统评估仍显不足。此外，现有评估框架往往缺乏同时捕捉普遍土壤属性和区域特异性决定因素的能力，未能提供黑土区精准分区管理和对比分析的有效工具（Xiao等，2025）。因此，一个关键科学问题亟待解决：如何构建一个土壤健康评估指标体系，有效整合具有普遍意义的"核心"指标与本地敏感的"区域"指标，从而实现对稻田土壤健康的准确评估和靶向管理？

为解决这一研究空白并回答上述科学问题，本研究提出了一种新颖的"核心+区域"双维度评估框架。该框架旨在：（i）评估三江平原不同典型区域稻田土壤指标的状况；（ii）建立黑土稻田核心通用指标与区域特异性指标相结合的土壤健康评估体系，计算并评估各区域土壤健康状况，并基于作物产量验证研究结果；（iii）针对不同区域特征提出相应的管理策略和措施。本研究提出以下假设：（1）核心指标可作为三江平原所有稻田的通用基准；（2）区域特异性指标对当地环境条件和管理实践具有敏感性，揭示不同子区域的关键限制因素；（3）所构建的土壤健康指数与水稻产量呈显著正相关，验证了其作为实用评估工具的可靠性。本研究旨在建立科学稳健且具有实用价值的土壤健康指数（SHI）。该评估框架为黑土区不同区域稻田的靶向土壤管理和可持续农业实践提供了科学依据。

各章节摘要

研究区

三江平原位于黑龙江省东北部（北纬43°50′～48°24′，东经129°11′～134°46′），总面积约为10.89×10⁴ km²。该区域由黑龙江、乌苏里江和松花江的冲积沉积物形成，是一片广阔平坦的平原，平均海拔50–100 m。该地区属温带湿润-半湿润大陆性季风气候。年平均气温约为2.5°C（范围1.6–3.9°C），年平均

土壤健康指标的统计特征与变异性

在土壤物理性质方面，容重（BD）总体差异相对较小，但D区域表现出最强的空间异质性（CV=20.17%）；不同区域土壤质地差异显著，其中D区域砂粒含量的变异性最为明显（CV=35.99%）。化学性质方面，pH值表现出显著的空间变异，D区域接近中性且变异性较高（CV=14.29%），而A区域

土壤健康指标的统计特征与变异性

本研究区土壤物理性质的时空异质性反映了自然土壤形成过程与人类管理活动的综合作用。例如，D区域容重（BD）的高变异系数可能归因于该区域内大规模机械化耕作与小农人力耕作强度不均所致。不同程度的机械压实可导致土壤孔隙结构产生差异性改变（Daniel等，2023；

结论

本研究对三江平原五个典型稻作区的土壤健康进行了系统评估，并验证了研究假设。结果表明，pH值、有机质（OM）和砂粒含量是整个区域三个通用的核心指标，对整体评估的贡献率为38%–48%。这些指标为区域间土壤健康比较提供了统一基准。同时，本研究还识别了区域特异性指标，如速效磷（AP），

资金支持

本研究受北大荒黑土典型土壤生态调查与评估技术开发与实施项目（2023）和生态环境部与北大荒集团北大荒黑土生态环境保护联合实验室（资助号：BDHYJY-YJ-02-I-2023-1220064）资助。

CRediT作者贡献声明

崔建涛：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，形式化分析，数据整理。王明霞：概念构思，形式化分析，方法论，资源提供，写作——审阅与编辑。王士浩：概念构思，方法论，项目管理，验证，可视化呈现，写作——审阅与编辑。赵琛：资金获取，调查，项目管理，资源提供，软件，监督指导。陈坤：数据整理，形式化分析，方法论，验证，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Jiantao Cui|Mingxia Wang|Shihao Wang|Chen Zhao|Kun Chen|Rong Zhang|Meizhi Zhang|Wenfeng Tan|Chao Wang