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描繪“地球膚色”揭秘我國首幅高精度土壤顏色地圖

發布時間:2020年09月14日10:17 來源:科技日報

  科技日報記者 金鳳

  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?!澳w色”各異的土壤蘊藏著地球生命的密碼,有的帶有遠古氣息,有的則映襯著人類活動的蛛絲馬跡。

  我國面積廣大,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,頗具挑戰。2009-2019年,土壤研究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分類基層分類單元土系及土系數據庫。

  在此基礎上,中國科學院南京土壤研究所土壤與農業可持續發展國家重點實驗室張甘霖團隊,利用遙感和GIS技術,對氣候、母質、地形地貌等成土環境因素進行定量表征,形成了覆蓋全國的成土環境數據集。近日,他們生成的全國土壤顏色的三維分布圖發表于國際著名土壤學期刊《國際土壤科學》(《Geoderma》)。研究團隊指出,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)分布圖,受訪者供圖

  歷時10年采集約6000個土壤剖面信息,掌握土壤身份“密碼”

  中國古人對土壤的認知與探索,從顏色中可見一斑?!渡袝び碡暋穼⒅性蟮氐木胖萃寥婪譃辄S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、有機質多少等等,都可以用數據圖展示?!闭撐牡耐ㄓ嵶髡?、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室主任張甘霖研究員告訴科技日報記者,1979至1987年,我國曾開展第二次土壤普查,在大規模土壤剖面觀測和調查采樣的基礎上,全國分縣勾繪了1:5萬比例尺的多邊形土壤圖,牧區和邊疆地區則繪制了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。

  隨著時代發展,與土壤相關的糧食安全、氣候變化、生物多樣性保護越發受關注,亟需獲取土壤空間的精細準確信息。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,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。

  今天看來,這次調查也是全國土壤顏色地圖的研究起點。

  作為該項目的主持單位,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查的方法,包括怎樣選擇代表性的樣點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境類型,目前都在專門的土壤樣品庫中編號保存?!?/p>

  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?!拔覀冊谄皆?、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?!眲⒎逭f,他們對土壤剖面及其局部景觀環境進行詳細的描述記錄,然后采集各個土層的土壤樣品,帶回實驗室分析土壤的有機質、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,科研人員利用現代地理信息技術,對成土環境進行定量刻畫,建立土壤與成土環境之間關系的數據模型,進行預測性土壤制圖。

25cm深度土壤顏色(潤態)局部細節圖:西安區域(左)和成都區域(右)

  提取約4600個土壤剖面的數據進行推測制圖

  2009-2019十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據中,選取了大約4600個土壤剖面,進行數字制圖?!斑@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,我們將土壤屬性與氣候、地形、植被、土地利用、土壤母質等40多個環境參數結合,進行土壤顏色的預測分析?!闭撐牡牡谝蛔髡邉⒎逭f。

  西北的沙漠、荒漠和戈壁區域,土壤顏色以白色和灰色為主,“這些區域植被稀疏或完全處于荒漠戈壁環境,土壤有機質含量低,游離碳酸鹽或鹽分含量高?!眲⒎逭f。

  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,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、湖南和云南一些區域顏色最紅?!斑@些地區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鋁,所以呈現紅色?!眲⒎褰忉?。

  四川盆地大部分被“紫色”土壤覆蓋,這里的土壤母質為中生代的砂巖或頁巖,所以預測為暗紅色;在貴州和廣西以石灰巖為主的地區,可看到較淺的顏色。

  東部地區的長江、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,“因為這些區域地形低洼,排水不暢,母質多為河湖相沉積物?!眲⒎逭f。

  同時,顏色地圖也刻畫出土壤顏色變異的空間細節,如西安和成都窗口區域,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土壤呈黃色,中部的渭河谷地呈淺黃色,南部的秦嶺地區則呈褐色。同樣深度的成都地區,西北部的山區呈褐色,東南側的四川盆地地區則呈紅色。

5cm(左列)和50cm(右列)深度土壤顏色(潤態)孟塞爾色調、明度和彩度分布圖,受訪者供圖

  氣候、母質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、風化層厚度以及海拔高度等環境變量,在土壤顏色推測中具有相對較高的重要性,溫濕度、母質和地形對我國土壤顏色空間分布有重要影響?!眲⒎褰忉?,太陽輻射決定了土壤所處的溫度帶,高原的太陽輻射強,晝夜溫差大,巖石物理風化較強,使土壤顏色多變。風化層厚度意味著土壤受侵蝕或沉積的環境、地表物質分布、水和熱儲存的情況。

  此外,土壤顏色與土壤礦物質有關。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?!眲⒎逭f。

  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,發現總體上土壤顏色隨深度增加而變淺?!耙粋€重要原因是植物凋亡融入土壤形成有機質,在土壤上部30厘米左右累積較多,所以顏色較深,越往下有機質含量往往急劇降低,顏色較淺?!眲⒎逭f,當然,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數?!睆埜柿卣f,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、泥土中的有機質,可以大致分析泥土來自那個區域,從而判斷相關對象是否去過某個區域。不過,要想精準鎖定來源地,預測的精度還需不斷提高。

(來源:科技日報 責任編輯:張娟)

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