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揭开中华五色土的奥秘 精选

已有 4297 次阅读 2020-10-24 11:43 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

揭开中华五色土的奥秘

杨顺华(中国科学院南京土壤研究所)

本文已发表于《北京日报》20201021日科技版头条

近日,中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室张甘霖团队,绘制了我国第一幅高精度土壤颜色地图——全国土壤颜色三维分布图,该成果发表于国际著名土壤学期刊《Geoderma》上。

那么,这到底是怎样的一幅图?又是怎样绘成的?不同土壤颜色背后的原因是什么?未来又该如何发挥它的价值呢?

社稷坛中就有五色土

颜色,是人们能够接受到的最直接的感官。通过颜色,我们能够饱览湖光山色、层林尽染,获得极致的艺术美学体验。 通过颜色,我们能够饱览湖光山色、层林尽染,获得极致的艺术美学体验。

土壤,是地球表面的一层多孔物质,因其是动植物生长的乐园,具有保水透气的效能,常被比作地球的“活皮肤”。但人们似乎很少注意,我们脚下的这层“皮肤”也有着五彩斑斓的颜色。

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北京中山公园社稷坛中的“五色土”

土壤颜色不仅藏着地球环境沧桑巨变的密码,还记录了人类文明起兴盛衰的历史。因此,土壤颜色的空间变化一直颇受关注。

在我国古代,一直存在着“社稷祭祀”的制度。以五色土建成的社稷坛包含着古代人对土地的崇拜,五种颜色的土壤,由全国各地纳贡交来,以表明“普天之下,莫非王土”之意。现在保存最为完好的社稷坛是北京紫禁城内的明清两代社稷坛。五色土(东青、西白、南红、北黑、中黄)也是古人对土壤分布的朴素认知。

我国国土面积广阔、气候类型多样,成土环境非常复杂,如何绘制一幅高精度的中国“肤色”地图颇具挑战。

标准土壤颜色有428种

土壤的形成源自地壳表层岩石的风化。风化壳的表层就是形成土壤的物质基础——成土母质。在时间的长河中,暴露于地表的成土母质不仅继续受风化作用的影响,还会与周围的环境(包括大气、水、动植物)相互作用,发生一系列的物质和能量交换,最终形成具有一定结构和层次的土壤。这个从地表垂直向下直至母质的土壤纵断面被称为土壤剖面,而一个发育完整的土壤剖面可以划分出三个最基本的层次,即表土层、心土层和底土层。可见,自然界的土壤是一个有着自身发生发展规律的三维连续体。

作为土壤物理性质的重要指标,土壤颜色不仅能反映土壤物质成分和内在性质,还能间接提示土壤形成的主要过程,因而是表征土壤发生层次特征的最直观的标志。但是,土壤颜色复杂多样,绝大多数呈复合色彩,且随时间和空间的变化而变化。为了科学地描述土壤颜色,消除颜色分辨中的主观成分,真实地反映土壤颜色的本质,土壤学家普遍采用以孟塞尔颜色系统为基础的标准色卡比色法来规定土壤颜色。该系统采用色调、亮度和彩度三种属性来命名土壤颜色。

色调是指土壤呈现的颜色,包括红、黄、绿、蓝和紫等五个主色调,黄红、绿黄、蓝绿、紫蓝和红紫等五个半色调,每个半色调又可以被进一步划分为四个等级;

亮度是指土壤颜色的相对亮度,从0到10共划分出10等级;

彩度(饱和度)则是指光谱色的相对纯度,从0到8共划分出8个等级。

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土壤颜色示意图(刘峰 制图)

通过结合上述三种属性,一共可以划分出428个标准土壤颜色。由于土壤在干态和润态时的颜色存在一定差别,一般分别测定两种状态下的土壤颜色。

 中国土壤颜色图水平方向上分辨率为1公里

土壤颜色数据来源于野外调查取回的一个个土壤剖面样品。2009年至2019年间,从热情似火的热带雨林到冰天雪地的北方世界、从柔情似水的江南水乡到人迹罕至的塞外荒漠,土壤学家们的足迹遍布祖国的大江南北,选取近6000个土壤剖面样点,进行了极为详尽的土壤资源调查,建成了中国土系数据库。

然而,怎样利用这些离散的、空间不连续的土壤样点数据绘制一张三维土壤颜色地图呢?这还要从土壤形成与环境的关系说起。

土壤发生学理论认为,土壤是成土母质在一定水热条件和生物的作用下,经过一系列物理、化学和生物的作用而形成的。其中,成土母质、气候、生物、地形和时间是土壤形成的五大关键因素。既然土壤颜色与环境之间存在如此千丝万缕的关系,那么是否可以从两者之间的关系入手,推测全国范围内的土壤颜色分布呢?答案是肯定的!

随着现代信息技术的进步,我们已经可以比较轻松地获取空间上呈连续分布的地球环境数据。例如,卫星遥感打开了我们观察世界的“上帝之眼”、全球定位系统已经成为了人手必备的导航定位神器、地理信息系统极大地提升了我们处理空间数据的能力、机器学习等新兴数据分析方法正展现出前所未有的预测效率……所有的这些都为土壤颜色的数字制图准备了充分的条件。

为土壤颜色制图塑造的“数字环境”包括了气候、母质、地形、植被、土地利用、地表水分和热量状况等多种辅助数据。气候数据来自于全球气候数据库,地形数据为能够表征地表起伏的数字高程模型,其他数据则主要从卫星遥感数据中提取。研究团队建立起土壤颜色与“数字环境”之间的联系,成功地生成了高精度的三维土壤颜色地图。

研究团队制作的这幅中国土壤颜色图,在水平方向上分辨率为1公里,即在每一个1公里×1公里的地表网格都可以用一种单独的颜色表示。在垂直方向上,共有5、10、15、25、35、50、75、100和125厘米等9个层次的土壤颜色图。

色彩斑斓的中国“肤色”

土壤的颜色,主要由土壤中腐殖质和矿物质含量的配比关系决定。腐殖质主导土壤黑色的深浅,而各种颜色的矿物质则决定了土壤的其他颜色。中国土壤颜色图的绘制展示了我国土壤颜色的地理差异,那么咱们的国土上,究竟有哪些主要的“肤色”呢?

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土壤整段(剖面)样品

东部地区长江、淮河和黄河的下游以及鄱阳湖周围的土壤母质多为河湖相沉积物。这些区域地形低洼,排水不畅,土壤长期处于淹水状态,其中的氧化铁被还原成氧化亚铁,从而呈现淡褐色,并趋于灰青色。

西北地区沙漠、荒漠和戈壁区域植被稀疏、蒸散发强烈,土壤有机质含量低,富含碳酸钙、石膏等白色物质,加上可溶性盐在土壤表层聚集,所以变成了白色或灰色。

西南地区四川盆地大部分被“紫色土”覆盖,这主要由于土壤继承了母质(砂岩或页岩)的颜色特性。在贵州和广西等以石灰岩为主的喀斯特地区,则可看到较浅的颜色。

南方地区南方土壤颜色偏红,尤以江西、湖南和云南一些区域颜色最红。这里气候闷热潮湿而又多雨,导致大量易溶于水的土壤物质受雨水冲刷而流失,最终剩下氧化铁和氧化铝等显色矿物,因而呈现红色。土壤侵蚀导致埋藏的红层出露也是原因之一。

东北和青藏高原东部地区东北和青藏高原东部等较湿润的高寒地区,积累的有机质积累不易矿化分解,因而土壤颜色较暗、较黑。

中部地区黄土是在风力吹扬搬运下,在干旱-半干旱环境堆积的风成堆积物,经过长距离的搬运和分选,其物质组成具有高度的均一性。由于有机质含量不高,在石英、长石和碳酸钙等矿物的相互作用下,主要为黄色。

在广袤无垠的祖国大地上,正是不同的地理环境因素以不同形式的方式组合,在时间和人类活动的作用下,造就了如今色彩斑斓的中国“肤色”。

土壤颜色是地点的“证人”

这幅高精度的土壤“肤色”地图,是我国第一幅标准一致、详细的土壤颜色三维视图。那么它都有哪些用处呢?

由于土壤颜色一定程度上反映了土壤的物质组成,有经验的使用者甚至在观察过程中就能做出关于土壤物质组成、土壤性质及其主要特征的判断,这为土壤肥力质量评价与空间管理提供了关键参考。

土壤颜色还是地点的告密者,可为法庭土壤物证溯源提供辅助。例如通过分析鞋裤上少量土壤的矿物组成与颜色,可以大致分析其来自哪个区域,描绘出嫌疑人的活动轨迹,为完善刑侦证据链提供支撑。另外,在一些需要土壤属性作为输入参数的土壤过程及环境模型中,土壤颜色可以作为重要的输入信息。

由于具有良好的视觉美学效果,土壤颜色图还具有科普教育和交流展示的功用,甚至还能作为艺术品展示,老少皆宜。以丰富的颜色为窗口,公众可以直观地了解我国土壤资源地理分布,也可以与科学家之间无障碍地交流土壤类型的多样性及其保护。例如,因为有机质含量丰富,东北的黑土具有很高的生产潜力,是我国最为肥沃的土壤类型之一。但近年来由于土壤侵蚀和污染等问题,加剧了土壤的退化,我们更应该像保护大熊猫一样保护这一稀有的土壤资源。借助土壤颜色这一桥梁,科学家和公众之间的沟通可以更为顺畅。

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博物馆中的土壤整段(剖面)标本

参考文献:LIU F, ROSSITER D G, ZHANG G-L, et al. 2020. A soil colour map of China. Geoderma [J], 379: 114556.

论文DOI:10.1016/j.geoderma.2020.114556



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