近日，中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室張甘霖團隊，繪制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，該成果發(fā)表于國際著名土壤學(xué)期刊《Geoderma》上。
這到底是怎樣的一幅圖？又是如何繪成的？土壤顏色不同背后的原因是什么？未來又該如何利用它的價值呢？我們約請此項研究的參與者、中國科學(xué)院南京土壤研究所楊順華博士向讀者介紹有關(guān)情況。
“五色土”示意圖
問：自古以來人們對土壤顏色就有感性認識，土壤顏色是怎樣形成的？
答：顏色，是人們能夠接受到的最直接的感官體驗。通過顏色，我們能夠飽覽湖光山色、層林盡染，獲得極致的藝術(shù)美學(xué)體驗。
土壤，是地球表面的一層多孔物質(zhì)，因其是動植物生長的樂園，具有保水透氣的效能，常被比作地球的“活皮膚”。但人們似乎很少注意，我們腳下的這層“皮膚”也有著五彩斑斕的顏色。
土壤顏色不僅藏著地球環(huán)境滄桑巨變的密碼，還記錄了人類文明起興盛衰的歷史。因此，土壤顏色的空間變化一直頗受關(guān)注。我國是最早以顏色來認識土壤的國家，《尚書·禹貢》將中原大地的九州土壤分為黃壤、白壤、黑墳、白墳、赤植墳和青黎等區(qū)域。
在我國古代，一直存在著“社稷祭祀”的制度。以五色土建成的社稷壇包含著古代人對土地的崇拜，五種顏色的土壤，由全國各地納貢交來，以表明“普天之下，莫非王土”之意?，F(xiàn)在保存最為完好的社稷壇是北京紫禁城內(nèi)的明清兩代社稷壇。五色土（東青、西白、南紅、北黑、中黃）也是古人對土壤分布的樸素認知。
我國國土面積廣闊、氣候類型多樣，成土環(huán)境非常復(fù)雜，如何繪制一幅高精度的中國國土“膚色”地圖頗具挑戰(zhàn)。
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)。在時間的長河中，暴露于地表的成土母質(zhì)不僅繼續(xù)受風(fēng)化作用的影響，還會與周圍的環(huán)境（包括大氣、水、動植物）相互作用，發(fā)生一系列的物質(zhì)和能量交換，最終形成具有一定結(jié)構(gòu)和層次的土壤。這個從地表垂直向下直至母質(zhì)的土壤縱斷面被稱為土壤剖面，而一個發(fā)育完整的土壤剖面可以劃分出三個最基本的層次，即表土層、心土層和底土層。可見，自然界的土壤是一個有著自身發(fā)生發(fā)展規(guī)律的三維連續(xù)體。
作為土壤物理性質(zhì)的重要指標，土壤顏色不僅能反映土壤物質(zhì)成分和內(nèi)在性質(zhì)，還能間接提示土壤形成的主要過程，因而是表征土壤發(fā)生層次特征的最直觀的標志。但是，土壤顏色復(fù)雜多樣，絕大多數(shù)呈復(fù)合色彩，且隨時間和空間的變化而變化。為了科學(xué)地描述土壤顏色，消除顏色分辨中的主觀成分，真實地反映土壤顏色的本質(zhì)，土壤學(xué)家普遍采用以孟塞爾顏色系統(tǒng)為基礎(chǔ)的標準色卡比色法來規(guī)定土壤顏色。該系統(tǒng)采用色調(diào)、亮度和彩度三種屬性來命名土壤顏色。
色調(diào)是指土壤呈現(xiàn)的顏色，包括紅、黃、綠、藍和紫等五個主色調(diào)，黃紅、綠黃、藍綠、紫藍和紅紫等五個半色調(diào)，每個半色調(diào)又可以被進一步劃分為四個等級；
亮度是指土壤顏色的相對亮度，從0到10共劃分出十個等級；
彩度（飽和度）則是指光譜色的相對純度，從0到8共劃分出八個等級。
通過結(jié)合上述三種屬性，一共可以劃分出428個標準土壤顏色。由于土壤在干態(tài)和潤態(tài)時的顏色存在一定差別，一般分別測定兩種狀態(tài)下的土壤顏色。
博物館中的土壤整段（剖面）標本
土壤整段（剖面）樣品
問：這幅全國土壤顏色三維分布圖，是通過什么樣的手段完成的？
答：土壤顏色數(shù)據(jù)來源于野外調(diào)查取回的一個個土壤剖面樣品。2009年至2019年間，從熱情似火的熱帶雨林到人跡罕至的塞外荒漠，從柔情似水的江南水鄉(xiāng)到冰天雪地的北方世界，土壤學(xué)家們的足跡遍布祖國的大江南北，選取近6000個土壤剖面樣點，進行了極為詳盡的土壤資源調(diào)查，建成了中國土系數(shù)據(jù)庫。
然而，怎樣利用這些離散的、空間不連續(xù)的土壤樣點數(shù)據(jù)繪制一張三維土壤顏色地圖呢？這還要從土壤形成與環(huán)境的關(guān)系說起。
土壤發(fā)生學(xué)理論認為，土壤是成土母質(zhì)在一定水熱條件和生物的作用下，經(jīng)過一系列物理、化學(xué)和生物的作用而形成的。其中，成土母質(zhì)、氣候、生物、地形和時間是土壤形成的五大關(guān)鍵因素。既然土壤顏色與環(huán)境之間存在如此千絲萬縷的關(guān)系，那么是否可以從兩者之間的關(guān)系入手，推測全國范圍內(nèi)的土壤顏色分布呢？答案是肯定的！
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步，我們已經(jīng)可以比較輕松地獲取空間上呈連續(xù)分布的地球環(huán)境數(shù)據(jù)。例如，衛(wèi)星遙感打開了我們觀察世界的千里眼、全球定位系統(tǒng)已經(jīng)成為了人手必備的導(dǎo)航定位神器、地理信息系統(tǒng)極大地提升了我們處理空間數(shù)據(jù)的能力、機器學(xué)習(xí)等新興數(shù)據(jù)分析方法正展現(xiàn)出前所未有的預(yù)測效率……所有的這些都為土壤顏色的數(shù)字制圖準備了充分的條件。
為土壤顏色制圖塑造的“數(shù)字環(huán)境”包括了氣候、成土母質(zhì)、地形、植被、土地利用、地表水分和熱量狀況等多種輔助數(shù)據(jù)。氣候數(shù)據(jù)來自于全球氣候數(shù)據(jù)庫，地形數(shù)據(jù)是能夠表征地表起伏的數(shù)字高程模型，其他數(shù)據(jù)則主要從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中提取。研究團隊建立起土壤顏色與“數(shù)字環(huán)境”之間的聯(lián)系，成功生成了高精度的三維土壤顏色地圖。
研究團隊制作的這幅中國土壤顏色圖，在水平方向上分辨率為1公里，即在每一個1公里×1公里的地表網(wǎng)格都可以用一種單獨的顏色表示。在垂直方向上，共有5、10、15、25、35、50、75、100和125厘米等9個層次的土壤顏色圖。
問：通過中國土壤顏色圖的繪制，可以看出我國國土“膚色”有什么樣的主要特點？
答：土壤的顏色，主要由土壤中腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)含量的配比關(guān)系決定。腐殖質(zhì)主導(dǎo)土壤黑色的深淺，而各種顏色的礦物質(zhì)則決定了土壤的其他顏色。中國土壤顏色圖的繪制展示了我國土壤顏色的地理差異，那么咱們的國土上，究竟有哪些主要的“膚色”呢？
東部地區(qū)：長江、淮河和黃河的下游以及鄱陽湖周圍的土壤母質(zhì)多為河湖相沉積物。這些區(qū)域地形低洼，排水不暢，土壤長期處于淹水狀態(tài)，其中的氧化鐵被還原成氧化亞鐵，從而呈現(xiàn)淡褐色，并趨于灰青色。
西北地區(qū)：沙漠、荒漠和戈壁區(qū)域植被稀疏、蒸散發(fā)強烈，土壤有機質(zhì)含量低，富含碳酸鈣、石膏等白色物質(zhì)，加上可溶性鹽在土壤表層聚集，所以變成了白色或灰色。
西南地區(qū)：四川盆地大部分被“紫色土”覆蓋，這主要由于土壤繼承了母質(zhì)（砂巖或頁巖）的顏色特性。在貴州和廣西等以石灰?guī)r為主的喀斯特地區(qū)，則可看到較淺的顏色。
南方地區(qū)：南方土壤顏色偏紅，尤以江西、湖南和云南一些區(qū)域顏色最紅。這里氣候悶熱潮濕而又多雨，導(dǎo)致大量易溶于水的土壤物質(zhì)受雨水沖刷而流失，最終剩下氧化鐵和氧化鋁等顯色礦物，因而呈現(xiàn)紅色。土壤侵蝕導(dǎo)致埋藏的紅層出露也是原因之一。
東北和青藏高原東部地區(qū)：東北和青藏高原東部等較濕潤的高寒地區(qū)，積累的有機質(zhì)不易礦化分解，因而土壤顏色較暗、較黑。
中部地區(qū)：黃土是在風(fēng)力吹揚搬運下，在干旱-半干旱環(huán)境堆積的風(fēng)成堆積物，經(jīng)過長距離的搬運和分選，其物質(zhì)組成具有高度的均一性。由于有機質(zhì)含量不高，在石英、長石和碳酸鈣等礦物的相互作用下，主要為黃色。
在廣袤無垠的祖國大地上，正是不同的地理環(huán)境因素以不同的方式組合，在時間和人類活動的作用下，造就了如今色彩斑斕的中國“膚色”。
問：繪制這幅高精度的土壤“膚色”地圖，都有哪些用處？
答：這幅高精度的土壤“膚色”地圖，是我國第一幅標準一致、詳細的土壤顏色三維視圖。那么它都有哪些用處呢？
由于土壤顏色一定程度上反映了土壤的物質(zhì)組成，有經(jīng)驗的使用者甚至在觀察過程中就能做出關(guān)于土壤物質(zhì)組成、土壤性質(zhì)及其主要特征的判斷，這為土壤肥力質(zhì)量評價與空間管理提供了關(guān)鍵參考。
土壤顏色還是地點的“證人”，可為法庭土壤物證溯源提供輔助。例如通過分析鞋褲上少量土壤的礦物組成與顏色，可以大致分析其來自哪個區(qū)域，描繪出嫌疑人的活動軌跡，為完善刑偵證據(jù)鏈提供支撐。另外，在一些需要土壤屬性作為輸入?yún)?shù)的土壤過程及環(huán)境模型中，土壤顏色可以作為重要的輸入信息。
由于具有良好的視覺美學(xué)效果，土壤顏色圖還具有科普教育和交流展示的功用，甚至還能作為藝術(shù)品展示，老少皆宜。以豐富的顏色為窗口，公眾可以直觀地了解我國土壤資源地理分布，也可以與科學(xué)家之間無障礙地交流土壤類型的多樣性及其保護。例如，因為有機質(zhì)含量豐富，東北的黑土具有很高的生產(chǎn)潛力，是我國最為肥沃的土壤類型之一。但近年來由于土壤侵蝕和污染等問題，加劇了土壤的退化，我們更應(yīng)該像保護大熊貓一樣保護這一稀有的土壤資源。借助土壤顏色這一橋梁，科學(xué)家和公眾之間的溝通可以更為順暢。
