導(dǎo)讀
2009-2019年，土壤研究者們在全國各地選取了近6000個(gè)樣點(diǎn)，進(jìn)行典型土壤剖面調(diào)查。他們?nèi)』氐囊粧g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(shù)據(jù)庫。
土壤是地球活的皮膚，不同顏色的土壤將地球裝扮得五彩斑斕。“膚色”各異的土壤蘊(yùn)藏著地球生命的密碼，有的帶有遠(yuǎn)古氣息，有的則映襯著人類活動(dòng)的蛛絲馬跡。
我國面積廣大，土壤景觀復(fù)雜多樣，如何繪制較為精細(xì)的全國土壤顏色空間分布，頗具挑戰(zhàn)。2009-2019年，土壤研究者們在全國各地選取了近6000個(gè)樣點(diǎn)，進(jìn)行典型土壤剖面調(diào)查。他們?nèi)』氐囊粧g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(shù)據(jù)庫。
在此基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張甘霖團(tuán)隊(duì)，利用遙感和GIS技術(shù)，對氣候、母質(zhì)、地形地貌等成土環(huán)境因素進(jìn)行定量表征，形成了覆蓋全國的成土環(huán)境數(shù)據(jù)集。近日，他們生成的全國土壤顏色的三維分布圖發(fā)表于國際著名土壤學(xué)期刊《國際土壤科學(xué)》(《Geoderma》)。研究團(tuán)隊(duì)指出，這是我國第一幅高精度土壤顏色地圖。
25cm深度土壤孟塞爾顏色(潤態(tài))分布圖，受訪者供圖
歷時(shí)10年采集約6000個(gè)土壤剖面信息，掌握土壤身份“密碼”
中國古人對土壤的認(rèn)知與探索，從顏色中可見一斑?！渡袝?middot;禹貢》將中原大地的九州土壤分為黃壤、白壤、黑墳、白墳、赤植墳和青黎等。北京中山公園社稷壇展示的五色土，則以青、白、紅、黑、黃指代東西南北中。這或許是我國最早的土壤圖騰崇拜。
“土壤顏色可以直觀表征土壤屬性、土壤肥力，哪里的土壤有什么屬性，酸堿度如何、有機(jī)質(zhì)多少等等，都可以用數(shù)據(jù)圖展示。”論文的通訊作者、土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張甘霖研究員告訴科技日報(bào)記者，1979至1987年，我國曾開展第二次土壤普查，在大規(guī)模土壤剖面觀測和調(diào)查采樣的基礎(chǔ)上，全國分縣勾繪了1:5萬比例尺的多邊形土壤圖，牧區(qū)和邊疆地區(qū)則繪制了1:10萬至1:20萬的多邊形土壤圖，我國土壤資源和土壤肥力的概貌大致清晰起來。
隨著時(shí)代發(fā)展，與土壤相關(guān)的糧食安全、氣候變化、生物多樣性保護(hù)越發(fā)受關(guān)注，亟需獲取土壤空間的精細(xì)準(zhǔn)確信息。2009年，科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”項(xiàng)目啟動(dòng)。此后的10年，土壤研究者們在我國31個(gè)省市區(qū)，共調(diào)查了近6000個(gè)典型土壤剖面，建立了4420個(gè)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(shù)據(jù)庫，為我國數(shù)字土壤建設(shè)提供了重要支撐。
今天看來，這次調(diào)查也是全國土壤顏色地圖的研究起點(diǎn)。
作為該項(xiàng)目的主持單位，中科院南京土壤研究所保留著盛有土壤樣本的瓶瓶罐罐。張甘霖說，“研究過程中，科研人員摸索出一套高效土壤信息調(diào)查的方法，包括怎樣選擇代表性的樣點(diǎn)位置采集土壤剖面樣本等，這些寶貴的剖面樣本，覆蓋了我國各地主要的成土環(huán)境類型，目前都在專門的土壤樣品庫中編號(hào)保存。”
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(gè)代表典型景觀條件的地點(diǎn)挖掘土壤剖面，每個(gè)土坑寬1.2米，深1.5-2米，長2米。”劉峰說，他們對土壤剖面及其局部景觀環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的描述記錄，然后采集各個(gè)土層的土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分析土壤的有機(jī)質(zhì)、pH值、陽離子交換量、容重、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。同時(shí)，科研人員利用現(xiàn)代地理信息技術(shù)，對成土環(huán)境進(jìn)行定量刻畫，建立土壤與成土環(huán)境之間關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行預(yù)測性土壤制圖。
25cm深度土壤顏色(潤態(tài))局部細(xì)節(jié)圖：西安區(qū)域(左)和成都區(qū)域(右)
提取約4600個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行推測制圖
2009-2019十年間采集的土壤大數(shù)據(jù)，終于在2020年迎來“出彩”的高光時(shí)刻。
此次發(fā)表的高精度土壤顏色地圖，從十年間采集的土壤剖面的孟塞爾顏色數(shù)據(jù)中，選取了大約4600個(gè)土壤剖面，進(jìn)行數(shù)字制圖。“這些土壤剖面取土點(diǎn)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(zhì)等40多個(gè)環(huán)境參數(shù)結(jié)合，進(jìn)行土壤顏色的預(yù)測分析。”論文的第一作者劉峰說。
西北的沙漠、荒漠和戈壁區(qū)域，土壤顏色以白色和灰色為主，“這些區(qū)域植被稀疏或完全處于荒漠戈壁環(huán)境，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，游離碳酸鹽或鹽分含量高。”劉峰說。
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的較濕潤的高寒地區(qū)，植被條件好，植物根系殘?bào)w和凋落物日積月累，土壤有機(jī)質(zhì)不易礦化而含量較高，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(zhì)經(jīng)歷較為快速的風(fēng)化和淋溶后，土壤相對富含氧化鐵鋁，所以呈現(xiàn)紅色。”劉峰解釋。
四川盆地大部分被“紫色”土壤覆蓋，這里的土壤母質(zhì)為中生代的砂巖或頁巖，所以預(yù)測為暗紅色;在貴州和廣西以石灰?guī)r為主的地區(qū)，可看到較淺的顏色。
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?yàn)檫@些區(qū)域地形低洼，排水不暢，母質(zhì)多為河湖相沉積物。”劉峰說。
同時(shí)，顏色地圖也刻畫出土壤顏色變異的空間細(xì)節(jié)，如西安和成都窗口區(qū)域，就顯示出土壤顏色隨著地形地貌部位的不同而變異。
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(cè)的四川盆地地區(qū)則呈紅色。
5cm(左列)和50cm(右列)深度土壤顏色(潤態(tài))孟塞爾色調(diào)、明度和彩度分布圖，受訪者供圖
氣候、母質(zhì)和地形是土壤顏色的“推手”
這些顏色各異的土壤分布，究竟是什么力量塑造的?“太陽輻射、風(fēng)化層厚度以及海拔高度等環(huán)境變量，在土壤顏色推測中具有相對較高的重要性，溫濕度、母質(zhì)和地形對我國土壤顏色空間分布有重要影響。”劉峰解釋，太陽輻射決定了土壤所處的溫度帶，高原的太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，巖石物理風(fēng)化較強(qiáng)，使土壤顏色多變。風(fēng)化層厚度意味著土壤受侵蝕或沉積的環(huán)境、地表物質(zhì)分布、水和熱儲(chǔ)存的情況。
此外，土壤顏色與土壤礦物質(zhì)有關(guān)。例如，針鐵礦呈黃色或深棕色，赤鐵礦呈紅色，鐵水合物呈暗紅色，托棱石呈黑色，方解石呈白色，石膏呈淺棕色，石英呈淺灰色。
“土壤顏色與作用于土壤的次生礦物，特別是鐵和錳的氧化還原也相關(guān)。”劉峰說。
在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)對5，10，15，25，35，50，75，100，125厘米共9個(gè)深度的土壤顏色進(jìn)行了推測制圖，發(fā)現(xiàn)總體上土壤顏色隨深度增加而變淺。“一個(gè)重要原因是植物凋亡融入土壤形成有機(jī)質(zhì)，在土壤上部30厘米左右累積較多，所以顏色較深，越往下有機(jī)質(zhì)含量往往急劇降低，顏色較淺。”劉峰說，當(dāng)然，不是所有土壤的顏色都是隨深度而變化的，有些土壤剖面從上到下都是黑色或者紅色、黃色，比如黃土高原一些植被覆蓋不好的黃土剖面，上下都是很均一的黃色。
“土壤顏色背后隱藏的是土壤功能，例如土壤肥力如何，這幅高精度土壤顏色地圖，提供了我國第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一致、詳細(xì)的土壤顏色視圖，是土壤肥力質(zhì)量評價(jià)與空間管理的關(guān)鍵參數(shù)。”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，例如從鞋上粘的泥土顏色、泥土中的有機(jī)質(zhì)，可以大致分析泥土來自那個(gè)區(qū)域，從而判斷相關(guān)對象是否去過某個(gè)區(qū)域。不過，要想精準(zhǔn)鎖定來源地，預(yù)測的精度還需不斷提高。
