土壤是地球的皮膚，“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，有的則暗藏人類活動的蛛絲馬跡。
我國國土面積廣大，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圖，頗具挑戰(zhàn)。2009—2019年，從事土壤研究的學(xué)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，本月初，中國科學(xué)院（以下簡稱中科院）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)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(xué)期刊《國際土壤科學(xué)》上。
腐殖質(zhì)、礦物質(zhì)都是土壤的調(diào)色師
土壤的形成源自地殼表層巖石的風(fēng)化。風(fēng)化殼的表層就是形成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)——成土母質(zhì)。暴露在地表的成土母質(zhì)不僅仍然受風(fēng)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(zhì)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(zhì)組成，可以直觀地傳達(dá)出土壤屬性、土壤肥力等信息，在實(shí)際應(yīng)用中有著非常重要的價(jià)值。”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說。
這些顏色各異的土壤，究竟是什么力量塑造的？
據(jù)了解，土壤里腐殖質(zhì)含量的多少和礦物質(zhì)成分的差異，會讓土壤呈現(xiàn)不同的顏色。
土壤腐殖質(zhì)由動植物殘?bào)w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(zhì)含量較高的，因?yàn)楦迟|(zhì)呈黑色和棕色;腐殖質(zhì)含量較少時(shí)，土壤則呈現(xiàn)灰色或灰白色。從灰到黑，顏色隨腐殖質(zhì)含量的升高呈梯度變化。
此外，礦物質(zhì)也會影響土壤的顏色。比如，氧化鐵就是土壤礦物質(zhì)中的“調(diào)色高手”，當(dāng)它在土壤中的含量高時(shí)，土色會呈現(xiàn)為偏紅色或棕紅色。同時(shí)，氧化鐵又是一種善變的物質(zhì)，在土壤里它的性狀經(jīng)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(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)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(dāng)通風(fēng)不良、氧氣缺乏時(shí)，土壤中的氧化鐵又變成了氧化亞鐵，氧化亞鐵積累較多時(shí)，土壤就呈現(xiàn)出灰藍(lán)色。又如，碳酸鈣、碳酸鈉、氯化鈉等鹽類，或氫氧化鋁等物質(zhì)在土壤中呈粉末狀存在時(shí)，都可能讓土壤呈現(xiàn)偏白的顏色。
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)，在土壤上部累積較多，所以顏色較深，越往下有機(jī)質(zhì)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(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10年間采集的土壤剖面的孟塞爾顏色（比較色法的標(biāo)準(zhǔn)，常用于泥土研究中顏色描述）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)行了土壤顏色的預(yù)測分析。”劉峰說。
據(jù)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(jī)質(zhì)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?bào)w和凋落物日積月累，土壤有機(jī)質(zhì)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(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、氧化鋁，所以呈現(xiàn)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?yàn)檫@些區(qū)域地勢低洼，排水不暢，母質(zhì)多為河湖相沉積物。”劉峰說。
同時(shí)，土壤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(xiàn)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(cè)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(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(jù)鞋上粘的泥土顏色、泥土中的有機(jī)質(zhì)，可以大致分析出泥土來自哪個(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)鎖定泥土來源地，測定精度還需不斷提高。
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6000個(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。
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。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。
作為該項(xiàng)目的主持單位，中科院南京土壤研究所至今保留著項(xiàng)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(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，土壤剖面通常都是由人工挖掘，土坑的深度以露出母質(zhì)層為宜。
據(jù)了解，自然土壤自上而下依次為表層、腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層、母質(zhì)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(zhì)層、淋溶層）、B層（淀積層）、C層（母質(zhì)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(jìn)行采樣時(shí)，研究人員要根據(jù)顏色、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、松緊度、溫度、植物根系分布等指標(biāo)標(biāo)定區(qū)分出各土層，并進(jìn)行仔細(xì)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(gè)采樣點(diǎn)的取土深度和取樣量應(yīng)一致。
劉峰介紹說，研究人員將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，要分析土壤的有機(jī)質(zhì)、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）
