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描绘“地球肤色”,揭秘我国首幅高精度土壤颜色地图

2020-09-11 14:27:53      点击:878    评论:0      来源:科技日报

土壤是地球活的皮肤,不同颜色的土壤将地球装扮得五彩斑斓。“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,有的则映衬着人类活动的蛛丝马迹。

我国面积广大,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,颇具挑战。2009-2019年,土壤研究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,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,利用遥感和GIS技术,对气候、母质、地形地貌等成土环境因素进行定量表征,形成了覆盖全国的成土环境数据集。近日,他们生成的全国土壤颜色的三维分布图发表于国际著名土壤学期刊《国际土壤科学》(《Geoderma》)。研究团队指出,这是我国第一幅高精度土壤颜色地图。

25cm深度土壤孟塞尔颜色(润态)分布图,受访者供图

历时10年采集约6000个土壤剖面信息,掌握土壤身份“密码”

中国古人对土壤的认知与探索,从颜色中可见一斑。《尚书·禹贡》将中原大地的九州土壤分为黄壤、白壤、黑坟、白坟、赤植坟和青黎等。北京中山公园社稷坛展示的五色土,则以青、白、红、黑、黄指代东西南北中。这或许是我国最早的土壤图腾崇拜。

“土壤颜色可以直观表征土壤属性、土壤肥力,哪里的土壤有什么属性,酸碱度如何、有机质多少等等,都可以用数据图展示。”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告诉科技日报记者,1979至1987年,我国曾开展第二次土壤普查,在大规模土壤剖面观测和调查采样的基础上,全国分县勾绘了1:5万比例尺的多边形土壤图,牧区和边疆地区则绘制了1:10万至1:20万的多边形土壤图,我国土壤资源和土壤肥力的概貌大致清晰起来。

随着时代发展,与土壤相关的粮食安全、气候变化、生物多样性保护越发受关注,亟需获取土壤空间的精细准确信息。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。

今天看来,这次调查也是全国土壤颜色地图的研究起点。

作为该项目的主持单位,中科院南京土壤研究所保留着盛有土壤样本的瓶瓶罐罐。张甘霖说,“研究过程中,科研人员摸索出一套高效土壤信息调查的方法,包括怎样选择代表性的样点位置采集土壤剖面样本等,这些宝贵的剖面样本,覆盖了我国各地主要的成土环境类型,目前都在专门的土壤样品库中编号保存。”

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,他们对土壤剖面及其局部景观环境进行详细的描述记录,然后采集各个土层的土壤样品,带回实验室分析土壤的有机质、pH值、阳离子交换量、容重、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。同时,科研人员利用现代地理信息技术,对成土环境进行定量刻画,建立土壤与成土环境之间关系的数据模型,进行预测性土壤制图。

25cm深度土壤颜色(润态)局部细节图:西安区域(左)和成都区域(右)

提取约4600个土壤剖面的数据进行推测制图

2009-2019十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,从十年间采集的土壤剖面的孟塞尔颜色数据中,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,进行土壤颜色的预测分析。”论文的第一作者刘峰说。

西北的沙漠、荒漠和戈壁区域,土壤颜色以白色和灰色为主,“这些区域植被稀疏或完全处于荒漠戈壁环境,土壤有机质含量低,游离碳酸盐或盐分含量高。”刘峰说。

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的较湿润的高寒地区,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而含量较高,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铝,所以呈现红色。”刘峰解释。

四川盆地大部分被“紫色”土壤覆盖,这里的土壤母质为中生代的砂岩或页岩,所以预测为暗红色;在贵州和广西以石灰岩为主的地区,可看到较浅的颜色。

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,“因为这些区域地形低洼,排水不畅,母质多为河湖相沉积物。”刘峰说。

同时,颜色地图也刻画出土壤颜色变异的空间细节,如西安和成都窗口区域,就显示出土壤颜色随着地形地貌部位的不同而变异。

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。

5cm(左列)和50cm(右列)深度土壤颜色(润态)孟塞尔色调、明度和彩度分布图,受访者供图

气候、母质和地形是土壤颜色的“推手”

这些颜色各异的土壤分布,究竟是什么力量塑造的?“太阳辐射、风化层厚度以及海拔高度等环境变量,在土壤颜色推测中具有相对较高的重要性,温湿度、母质和地形对我国土壤颜色空间分布有重要影响。”刘峰解释,太阳辐射决定了土壤所处的温度带,高原的太阳辐射强,昼夜温差大,岩石物理风化较强,使土壤颜色多变。风化层厚度意味着土壤受侵蚀或沉积的环境、地表物质分布、水和热储存的情况。

此外,土壤颜色与土壤矿物质有关。例如,针铁矿呈黄色或深棕色,赤铁矿呈红色,铁水合物呈暗红色,托棱石呈黑色,方解石呈白色,石膏呈浅棕色,石英呈浅灰色。

“土壤颜色与作用于土壤的次生矿物,特别是铁和锰的氧化还原也相关。”刘峰说。

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30厘米左右累积较多,所以颜色较深,越往下有机质含量往往急剧降低,颜色较浅。”刘峰说,当然,不是所有土壤的颜色都是随深度而变化的,有些土壤剖面从上到下都是黑色或者红色、黄色,比如黄土高原一些植被覆盖不好的黄土剖面,上下都是很均一的黄色。

“土壤颜色背后隐藏的是土壤功能,例如土壤肥力如何,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数。”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,例如从鞋上粘的泥土颜色、泥土中的有机质,可以大致分析泥土来自那个区域,从而判断相关对象是否去过某个区域。不过,要想精准锁定来源地,预测的精度还需不断提高。

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