高精度土壤顏色地圖，提供了我國第一個標準一致、詳細的土壤顏色視圖，是土壤肥力質量評價與空間管理的關鍵參照。
土壤是地球的皮膚，“膚色”各異的土壤蘊藏著地球生命的密碼，有的帶有遠古氣息，有的則暗藏人類活動的蛛絲馬跡。
我國國土面積廣大，土壤景觀復雜多樣，如何繪制較為精細的全國土壤顏色空間分布圖，頗具挑戰(zhàn)。2009—2019年，從事土壤研究的學者們在全國各地選取了近6000個樣點，進行典型土壤剖面調查。他們取回的一抔抔土，建成了我國土壤系統(tǒng)分類基層分類單元土系及土系數據庫。
在此基礎上，本月初，中國科學院(以下簡稱中科院)南京土壤研究所土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室張甘霖團隊繪制生成了我國第一幅高精度土壤顏色地圖——全國土壤顏色三維分布圖，該研究成果于月初發(fā)表于國際著名土壤學期刊《國際土壤科學》上。
腐殖質、礦物質都是土壤的調色師
土壤的形成源自地殼表層巖石的風化。風化殼的表層就是形成土壤的物質基礎——成土母質。暴露在地表的成土母質不僅仍然受風化作用的影響，而且還要與周圍的環(huán)境(包括大氣、水、植物)相互作用，發(fā)生一系列的物質和能量交換，才能形成具有肥力特征的土壤。這就是土壤的形成過程。
“土壤顏色一定程度上反映了土壤的物質組成，可以直觀地傳達出土壤屬性、土壤肥力等信息，在實際應用中有著非常重要的價值。”論文的通訊作者、土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室主任張甘霖研究員說。
這些顏色各異的土壤，究竟是什么力量塑造的?
據了解，土壤里腐殖質含量的多少和礦物質成分的差異，會讓土壤呈現不同的顏色。
土壤腐殖質由動植物殘體演變而成，一般粘附在土粒的表面，它的多少會影響土壤顏色的深淺。黑色的土壤一般是腐殖質含量較高的，因為腐殖質呈黑色和棕色;腐殖質含量較少時，土壤則呈現灰色或灰白色。從灰到黑，顏色隨腐殖質含量的升高呈梯度變化。
此外，礦物質也會影響土壤的顏色。比如，氧化鐵就是土壤礦物質中的“調色高手”，當它在土壤中的含量高時，土色會呈現為偏紅色或棕紅色。同時，氧化鐵又是一種善變的物質，在土壤里它的性狀經常發(fā)生變化。在低洼潮濕的環(huán)境中，氧化鐵極易與水發(fā)生化學反應，轉變?yōu)槠S色的水化氧化鐵，因而這種地方的土壤常顯黃色。當通風不良、氧氣缺乏時，土壤中的氧化鐵又變成了氧化亞鐵，氧化亞鐵積累較多時，土壤就呈現出灰藍色。又如，碳酸鈣、碳酸鈉、氯化鈉等鹽類，或氫氧化鋁等物質在土壤中呈粉末狀存在時，都可能讓土壤呈現偏白的顏色。
在此次研究中，研究團隊對5、10、15、25、35、50、75、100、125厘米共9個深度的土壤顏色進行了推測制圖，發(fā)現總體上土壤顏色隨深度增加而變淺。“一個重要原因是植物凋亡融入土壤形成有機質，在土壤上部累積較多，所以顏色較深，越往下有機質含量往往急劇下降，因此顏色較淺。”論文第一作者、中科院南京土壤研究所劉峰副研究員說，然而并不是所有土壤的顏色都隨深度變化，比如黃土高原一些植被覆蓋不佳的黃土剖面，上下就都是很均一的黃色。
各地自然環(huán)境造就不同“膚色”
2009—2019年，10年間采集的土壤大數據，終于在2020年迎來“出彩”的高光時刻。
此次發(fā)表的高精度土壤顏色地圖，從10年間采集的土壤剖面的孟塞爾顏色(比較色法的標準，常用于泥土研究中顏色描述)數據中，選取了大約4600個土壤剖面，進行數字制圖。“這些土壤剖面取土點最高在西藏海拔約5700米的高山上，最低在接近海平面的沿海地區(qū)，我們將土壤屬性與氣候、地形、植被、土地利用、土壤母質等40多個環(huán)境參數結合，進行了土壤顏色的預測分析。”劉峰說。
據劉峰介紹，在我國西北部的沙漠、荒漠和戈壁地區(qū)，土壤有機質含量低，游離碳酸鹽或鹽分含量高，土壤顏色以白色和灰色為主。
中部的黃土高原，包括甘肅、寧夏、陜西、山西和河南西部等地，土壤顏色主要是黃色;東北和青藏高原東部等較濕潤的高寒地區(qū)，植被條件好，植物根系殘體和凋落物日積月累，土壤有機質不易礦化且含量較高，土壤顏色較暗較黑。
南方土壤顏色偏紅，尤其是江西、湖南和云南一些區(qū)域顏色最紅。“這些地區(qū)土壤的母質經歷較為快速的風化和淋溶后，土壤相對富含氧化鐵、氧化鋁，所以呈現紅色。”劉峰說。
東部地區(qū)的長江、淮河和黃河的下游以及鄱陽湖周圍土壤呈淡褐色，趨于灰青色，“因為這些區(qū)域地勢低洼，排水不暢，母質多為河湖相沉積物。”劉峰說。
同時，土壤顏色地圖也刻畫出土壤顏色變異的空間細節(jié)，如西安和成都區(qū)域，就顯示出土壤顏色隨著地形地貌的改變而發(fā)生變化，主要表現為：在25厘米深度處，西安北部的黃土高原地區(qū)土壤呈黃色，中部的渭河谷地呈淺黃色，南部的秦嶺地區(qū)則呈褐色。同樣深度的成都地區(qū)，西北部的山區(qū)呈褐色，東南側的四川盆地地區(qū)則呈紅色。
“這幅高精度土壤顏色地圖，提供了我國第一個標準一致、詳細的土壤顏色視圖，是土壤肥力質量評價與空間管理的關鍵參照。”張甘霖說，土壤顏色地圖還可為法庭土壤物證溯源提供支撐，例如根據鞋上粘的泥土顏色、泥土中的有機質，可以大致分析出泥土來自哪個區(qū)域，從而判斷相關對象是否去過某個區(qū)域。不過，要想精準鎖定泥土來源地，測定精度還需不斷提高。
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6000個剖面破譯土壤“密碼”
土壤類型和屬性的空間分布信息是生態(tài)水文模擬、全球變化研究、資源環(huán)境管理所需的基礎數據。
2009年，科技部基礎性工作專項“我國土系調查與《中國土系志》編制”項目啟動。此后的10年，土壤研究者們在我國31個省市區(qū)共調查了近6000個典型土壤剖面，建立了4420個土系，最終建立了我國土壤系統(tǒng)分類基層分類單元土系及土系數據庫，為我國數字土壤建設提供了重要支撐。
作為該項目的主持單位，中科院南京土壤研究所至今保留著項目中收集到的土壤樣本。
中科院南京土壤研究所劉峰副研究員曾在2011年赴安徽采集土壤剖面樣本。“我們在平原、丘陵、沿江、山地等地貌不同的景觀部位選擇了約180個代表典型景觀條件的地點挖掘土壤剖面，每個土坑寬1.2米、深1.5—2米、長2米。”劉峰說，土壤剖面通常都是由人工挖掘，土坑的深度以露出母質層為宜。
據了解，自然土壤自上而下依次為表層、腐殖質層、淋溶層、淀積層、母質層和母巖層。而一般典型的自然土壤剖面分為A層(表層、腐殖質層、淋溶層)、B層(淀積層)、C層(母質層、母巖層)。對B層發(fā)育不完整(不發(fā)育)的山地土壤，只采A、C兩層。在對土壤剖面進行采樣時，研究人員要根據顏色、結構、質地、松緊度、溫度、植物根系分布等指標標定區(qū)分出各土層，并進行仔細觀察;將剖面形態(tài)、特征自上而下逐一記錄。隨后在各土層的中間位置自下而上逐層采樣，每個采樣點的取土深度和取樣量應一致。
劉峰介紹說，研究人員將土壤樣品帶回實驗室后，要分析土壤的有機質、PH值、陽離子交換量、碳酸鈣、氮磷鉀含量等基本土壤屬性，從而獲得覆蓋全國的第一手土壤樣本資料。(記者 金 鳳)
