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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!

2020-09-18 科技日报 金凤
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高精度土壤顔色地圖,提供了我國第一個標准一致、詳細的土壤顔色視圖,是土壤肥力質量評價與空間管理的關鍵參照

  土壤是地球的皮膚,“膚色”各異的土壤蘊藏著地球生命的密碼,有的帶有遠古氣息,有的則暗藏人類活動的蛛絲馬迹。

  我國國土面積廣大,土壤景觀複雜多樣,如何繪制較爲精細的全國土壤顔色空間分布圖,頗具挑戰。2009—2019年,從事土壤研究的學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國家重點實驗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。

  腐殖質、礦物質都是土壤的調色師

  土壤的形成源自地殼表層岩石的風化。風化殼的表層就是形成土壤的物質基礎——成土母質。暴露在地表的成土母質不僅仍然受風化作用的影響,而且還要與周圍的環境(包括大氣、水、植物)相互作用,發生一系列的物質和能量交換,才能形成具有肥力特征的土壤。這就是土壤的形成過程。

  “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。”論文的通讯作者、土壤与农业可持续发展國家重點實驗室主任张甘霖研究员说。

  這些顔色各異的土壤,究竟是什麽力量塑造的?

  據了解,土壤裏腐殖質含量的多少和礦物質成分的差異,會讓土壤呈現不同的顔色。

  土壤腐殖質由動植物殘體演變而成,一般粘附在土粒的表面,它的多少會影響土壤顔色的深淺。黑色的土壤一般是腐殖質含量較高的,因爲腐殖質呈黑色和棕色;腐殖質含量較少時,土壤則呈現灰色或灰白色。從灰到黑,顔色隨腐殖質含量的升高呈梯度變化。

  此外,礦物質也會影響土壤的顔色。比如,氧化鐵就是土壤礦物質中的“調色高手”,當它在土壤中的含量高時,土色會呈現爲偏紅色或棕紅色。同時,氧化鐵又是一種善變的物質,在土壤裏它的性狀經常發生變化。在低窪潮濕的環境中,氧化鐵極易與水發生化學反應,轉變爲偏黃色的水化氧化鐵,因而這種地方的土壤常顯黃色。當通風不良、氧氣缺乏時,土壤中的氧化鐵又變成了氧化亞鐵,氧化亞鐵積累較多時,土壤就呈現出灰藍色。又如,碳酸鈣、碳酸鈉、氯化鈉等鹽類,或氫氧化鋁等物質在土壤中呈粉末狀存在時,都可能讓土壤呈現偏白的顔色。

  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。”論文第一作者、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。

  各地自然環境造就不同“膚色”

  2009—2019年,10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顔色地圖,從10年間采集的土壤剖面的孟塞爾顔色(比較色法的標准,常用于泥土研究中顔色描述)數據中,選取了大約4600個土壤剖面,進行數字制圖。“這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,進行了土壤顔色的預測分析。”劉峰說。

  據劉峰介紹,在我國西北部的沙漠、荒漠和戈壁地區,土壤有機質含量低,遊離碳酸鹽或鹽分含量高,土壤顔色以白色和灰色爲主。

  中部的黃土高原,包括甘肅、甯夏、陝西、山西和河南西部等地,土壤顔色主要是黃色;東北和青藏高原東部等較濕潤的高寒地區,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且含量較高,土壤顔色較暗較黑。

  南方土壤顔色偏紅,尤其是江西、湖南和雲南一些區域顔色最紅。“這些地區土壤的母質經曆較爲快速的風化和淋溶後,土壤相對富含氧化鐵、氧化鋁,所以呈現紅色。”劉峰說。

  東部地區的長江、淮河和黃河的下遊以及鄱陽湖周圍土壤呈淡褐色,趨于灰青色,“因爲這些區域地勢低窪,排水不暢,母質多爲河湖相沈積物。”劉峰說。

  同時,土壤顔色地圖也刻畫出土壤顔色變異的空間細節,如西安和成都區域,就顯示出土壤顔色隨著地形地貌的改變而發生變化,主要表現爲: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。

  “这幅高精度土壤顔色地圖,提供了我國第一個標准一致、詳細的土壤顔色視圖,是土壤肥力質量評價與空間管理的關鍵參照。”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個剖面破譯土壤“密碼”

  土壤類型和屬性的空間分布信息是生態水文模擬、全球變化研究、資源環境管理所需的基礎數據。

  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”項目啓動。此後的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,爲我國數字土壤建設提供了重要支撐。

  作爲該項目的主持單位,中科院南京土壤研究所至今保留著項目中收集到的土壤樣本。

  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。“我們在平原、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。”劉峰說,土壤剖面通常都是由人工挖掘,土坑的深度以露出母質層爲宜。

  據了解,自然土壤自上而下依次爲表層、腐殖質層、淋溶層、澱積層、母質層和母岩層。而一般典型的自然土壤剖面分爲A層(表層、腐殖質層、淋溶層)、B層(澱積層)、C層(母質層、母岩層)。對B層發育不完整(不發育)的山地土壤,只采A、C兩層。在對土壤剖面進行采樣時,研究人員要根據顔色、結構、質地、松緊度、溫度、植物根系分布等指標標定區分出各土層,並進行仔細觀察;將剖面形態、特征自上而下逐一記錄。隨後在各土層的中間位置自下而上逐層采樣,每個采樣點的取土深度和取樣量應一致。

  劉峰介紹說,研究人員將土壤樣品帶回實驗室後,要分析土壤的有機質、PH值、陽離子交換量、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。

打印 責任編輯:張芳丹

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