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首幅土壤颜色地图描绘“中国肤色” 来看看你的家乡是什么色号!

科技日报 2020-09-18 10:23:18

高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照。

土壤是地球的皮肤,“肤色”各异的土壤蕴藏着地球生命的密码,有的带有远古气息,有的则暗藏人类活动的蛛丝马迹。

我国国土面积广大,土壤景观复杂多样,如何绘制较为精细的全国土壤颜色空间分布图,颇具挑战。2009—2019年,从事土壤研究的学者们在全国各地选取了近6000个样点,进行典型土壤剖面调查。他们取回的一抔抔土,建成了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库。

在此基础上,本月初,中国科学院(以下简称中科院)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生成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,该研究成果于月初发表于国际著名土壤学期刊《国际土壤科学》上。

腐殖质、矿物质都是土壤的调色师

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。暴露在地表的成土母质不仅仍然受风化作用的影响,而且还要与周围的环境(包括大气、水、植物)相互作用,发生一系列的物质和能量交换,才能形成具有肥力特征的土壤。这就是土壤的形成过程。

“土壤颜色一定程度上反映了土壤的物质组成,可以直观地传达出土壤属性、土壤肥力等信息,在实际应用中有着非常重要的价值。”论文的通讯作者、土壤与农业可持续发展国家重点实验室主任张甘霖研究员说。

这些颜色各异的土壤,究竟是什么力量塑造的?

据了解,土壤里腐殖质含量的多少和矿物质成分的差异,会让土壤呈现不同的颜色。

土壤腐殖质由动植物残体演变而成,一般粘附在土粒的表面,它的多少会影响土壤颜色的深浅。黑色的土壤一般是腐殖质含量较高的,因为腐殖质呈黑色和棕色;腐殖质含量较少时,土壤则呈现灰色或灰白色。从灰到黑,颜色随腐殖质含量的升高呈梯度变化。

此外,矿物质也会影响土壤的颜色。比如,氧化铁就是土壤矿物质中的“调色高手”,当它在土壤中的含量高时,土色会呈现为偏红色或棕红色。同时,氧化铁又是一种善变的物质,在土壤里它的性状经常发生变化。在低洼潮湿的环境中,氧化铁极易与水发生化学反应,转变为偏黄色的水化氧化铁,因而这种地方的土壤常显黄色。当通风不良、氧气缺乏时,土壤中的氧化铁又变成了氧化亚铁,氧化亚铁积累较多时,土壤就呈现出灰蓝色。又如,碳酸钙、碳酸钠、氯化钠等盐类,或氢氧化铝等物质在土壤中呈粉末状存在时,都可能让土壤呈现偏白的颜色。

在此次研究中,研究团队对5、10、15、25、35、50、75、100、125厘米共9个深度的土壤颜色进行了推测制图,发现总体上土壤颜色随深度增加而变浅。“一个重要原因是植物凋亡融入土壤形成有机质,在土壤上部累积较多,所以颜色较深,越往下有机质含量往往急剧下降,因此颜色较浅。”论文第一作者、中科院南京土壤研究所刘峰副研究员说,然而并不是所有土壤的颜色都随深度变化,比如黄土高原一些植被覆盖不佳的黄土剖面,上下就都是很均一的黄色。

各地自然环境造就不同“肤色”

2009—2019年,10年间采集的土壤大数据,终于在2020年迎来“出彩”的高光时刻。

此次发表的高精度土壤颜色地图,从10年间采集的土壤剖面的孟塞尔颜色(比较色法的标准,常用于泥土研究中颜色描述)数据中,选取了大约4600个土壤剖面,进行数字制图。“这些土壤剖面取土点最高在西藏海拔约5700米的高山上,最低在接近海平面的沿海地区,我们将土壤属性与气候、地形、植被、土地利用、土壤母质等40多个环境参数结合,进行了土壤颜色的预测分析。”刘峰说。

据刘峰介绍,在我国西北部的沙漠、荒漠和戈壁地区,土壤有机质含量低,游离碳酸盐或盐分含量高,土壤颜色以白色和灰色为主。

中部的黄土高原,包括甘肃、宁夏、陕西、山西和河南西部等地,土壤颜色主要是黄色;东北和青藏高原东部等较湿润的高寒地区,植被条件好,植物根系残体和凋落物日积月累,土壤有机质不易矿化且含量较高,土壤颜色较暗较黑。

南方土壤颜色偏红,尤其是江西、湖南和云南一些区域颜色最红。“这些地区土壤的母质经历较为快速的风化和淋溶后,土壤相对富含氧化铁、氧化铝,所以呈现红色。”刘峰说。

东部地区的长江、淮河和黄河的下游以及鄱阳湖周围土壤呈淡褐色,趋于灰青色,“因为这些区域地势低洼,排水不畅,母质多为河湖相沉积物。”刘峰说。

同时,土壤颜色地图也刻画出土壤颜色变异的空间细节,如西安和成都区域,就显示出土壤颜色随着地形地貌的改变而发生变化,主要表现为:在25厘米深度处,西安北部的黄土高原地区土壤呈黄色,中部的渭河谷地呈浅黄色,南部的秦岭地区则呈褐色。同样深度的成都地区,西北部的山区呈褐色,东南侧的四川盆地地区则呈红色。

“这幅高精度土壤颜色地图,提供了我国第一个标准一致、详细的土壤颜色视图,是土壤肥力质量评价与空间管理的关键参照。”张甘霖说,土壤颜色地图还可为法庭土壤物证溯源提供支撑,例如根据鞋上粘的泥土颜色、泥土中的有机质,可以大致分析出泥土来自哪个区域,从而判断相关对象是否去过某个区域。不过,要想精准锁定泥土来源地,测定精度还需不断提高。

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6000个剖面破译土壤“密码”

土壤类型和属性的空间分布信息是生态水文模拟、全球变化研究、资源环境管理所需的基础数据。

2009年,科技部基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目启动。此后的10年,土壤研究者们在我国31个省市区共调查了近6000个典型土壤剖面,建立了4420个土系,最终建立了我国土壤系统分类基层分类单元土系及土系数据库,为我国数字土壤建设提供了重要支撑。

作为该项目的主持单位,中科院南京土壤研究所至今保留着项目中收集到的土壤样本。

中科院南京土壤研究所刘峰副研究员曾在2011年赴安徽采集土壤剖面样本。“我们在平原、丘陵、沿江、山地等地貌不同的景观部位选择了约180个代表典型景观条件的地点挖掘土壤剖面,每个土坑宽1.2米、深1.5—2米、长2米。”刘峰说,土壤剖面通常都是由人工挖掘,土坑的深度以露出母质层为宜。

据了解,自然土壤自上而下依次为表层、腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层。而一般典型的自然土壤剖面分为A层(表层、腐殖质层、淋溶层)、B层(淀积层)、C层(母质层、母岩层)。对B层发育不完整(不发育)的山地土壤,只采A、C两层。在对土壤剖面进行采样时,研究人员要根据颜色、结构、质地、松紧度、温度、植物根系分布等指标标定区分出各土层,并进行仔细观察;将剖面形态、特征自上而下逐一记录。随后在各土层的中间位置自下而上逐层采样,每个采样点的取土深度和取样量应一致。

刘峰介绍说,研究人员将土壤样品带回实验室后,要分析土壤的有机质、PH值、阳离子交换量、碳酸钙、氮磷钾含量等基本土壤属性,从而获得覆盖全国的第一手土壤样本资料。(记者 金 凤)

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