我國第一幅高精度土壤顏色地圖，揭開中華五色土奧秘

近日，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，繪製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，該成果發表於國際著名土壤學期刊《Geoderma》上。

這到底是怎樣的一幅圖？又是如何繪成的？土壤顏色不同背後的原因是什麼？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、中國科學院南京土壤研究所楊順華博士向讀者介紹有關情況。

「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，獲得極致的藝術美學體驗。

土壤，是地球表面的一層多孔物質，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。現在保存最為完好的社稷壇是北京紫禁城內的明清兩代社稷壇。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，成土環境非常複雜，如何繪製一幅高精度的中國國土「膚色」地圖頗具挑戰。

土壤的形成源自地殼表層巖石的風化。風化殼的表層就是形成土壤的物質基礎——成土母質。在時間的長河中，暴露於地表的成土母質不僅繼續受風化作用的影響，還會與周圍的環境（包括大氣、水、動植物）相互作用，發生一系列的物質和能量交換，最終形成具有一定結構和層次的土壤。這個從地表垂直向下直至母質的土壤縱斷面被稱為土壤剖面，而一個發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生發展規律的三維連續體。

作為土壤物理性質的重要指標，土壤顏色不僅能反映土壤物質成分和內在性質，還能間接提示土壤形成的主要過程，因而是表徵土壤發生層次特徵的最直觀的標誌。但是，土壤顏色複雜多樣，絕大多數呈複合色彩，且隨時間和空間的變化而變化。為了科學地描述土壤顏色，消除顏色分辨中的主觀成分，真實地反映土壤顏色的本質，土壤學家普遍採用以孟塞爾顏色系統為基礎的標準色卡比色法來規定土壤顏色。該系統採用色調、亮度和彩度三種屬性來命名土壤顏色。

色調是指土壤呈現的顏色，包括紅、黃、綠、藍和紫等五個主色調，黃紅、綠黃、藍綠、紫藍和紅紫等五個半色調，每個半色調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。

通過結合上述三種屬性，一共可以劃分出428個標準土壤顏色。由於土壤在幹態和潤態時的顏色存在一定差別，一般分別測定兩種狀態下的土壤顏色。

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，是通過什麼樣的手段完成的？

答：土壤顏色數據來源於野外調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到冰天雪地的北方世界，土壤學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查，建成了中國土係數據庫。

然而，怎樣利用這些離散的、空間不連續的土壤樣點數據繪製一張三維土壤顏色地圖呢？這還要從土壤形成與環境的關係說起。

土壤發生學理論認為，土壤是成土母質在一定水熱條件和生物的作用下，經過一系列物理、化學和生物的作用而形成的。其中，成土母質、氣候、生物、地形和時間是土壤形成的五大關鍵因素。既然土壤顏色與環境之間存在如此千絲萬縷的關係，那麼是否可以從兩者之間的關係入手，推測全國範圍內的土壤顏色分布呢？答案是肯定的！

隨著現代信息技術的進步，我們已經可以比較輕鬆地獲取空間上呈連續分布的地球環境數據。例如，衛星遙感打開了我們觀察世界的千裡眼、全球定位系統已經成為了人手必備的導航定位神器、地理信息系統極大地提升了我們處理空間數據的能力、機器學習等新興數據分析方法正展現出前所未有的預測效率……所有的這些都為土壤顏色的數字製圖準備了充分的條件。

為土壤顏色製圖塑造的「數字環境」包括了氣候、成土母質、地形、植被、土地利用、地表水分和熱量狀況等多種輔助數據。氣候數據來自於全球氣候資料庫，地形數據是能夠表徵地表起伏的數字高程模型，其他數據則主要從衛星遙感數據中提取。研究團隊建立起土壤顏色與「數字環境」之間的聯繫，成功生成了高精度的三維土壤顏色地圖。

研究團隊製作的這幅中國土壤顏色圖，在水平方向上解析度為1公裡，即在每一個1公裡×1公裡的地表網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釐米等9個層次的土壤顏色圖。

問：通過中國土壤顏色圖的繪製，可以看出我國國土「膚色」有什麼樣的主要特點？

答：土壤的顏色，主要由土壤中腐殖質和礦物質含量的配比關係決定。腐殖質主導土壤黑色的深淺，而各種顏色的礦物質則決定了土壤的其他顏色。中國土壤顏色圖的繪製展示了我國土壤顏色的地理差異，那麼咱們的國土上，究竟有哪些主要的「膚色」呢？

東部地區：長江、淮河和黃河的下遊以及鄱陽湖周圍的土壤母質多為河湖相沉積物。這些區域地形低洼，排水不暢，土壤長期處於淹水狀態，其中的氧化鐵被還原成氧化亞鐵，從而呈現淡褐色，並趨於灰青色。

西北地區：沙漠、荒漠和戈壁區域植被稀疏、蒸散發強烈，土壤有機質含量低，富含碳酸鈣、石膏等白色物質，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：四川盆地大部分被「紫色土」覆蓋，這主要由於土壤繼承了母質（砂巖或頁巖）的顏色特性。在貴州和廣西等以石灰巖為主的喀斯特地區，則可看到較淺的顏色。

南方地區：南方土壤顏色偏紅，尤以江西、湖南和雲南一些區域顏色最紅。這裡氣候悶熱潮溼而又多雨，導致大量易溶於水的土壤物質受雨水衝刷而流失，最終剩下氧化鐵和氧化鋁等顯色礦物，因而呈現紅色。土壤侵蝕導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：東北和青藏高原東部等較溼潤的高寒地區，積累的有機質不易礦化分解，因而土壤顏色較暗、較黑。

中部地區：黃土是在風力吹揚搬運下，在乾旱-半乾旱環境堆積的風成堆積物，經過長距離的搬運和分選，其物質組成具有高度的均一性。由於有機質含量不高，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：繪製這幅高精度的土壤「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。那麼它都有哪些用處呢？

由於土壤顏色一定程度上反映了土壤的物質組成，有經驗的使用者甚至在觀察過程中就能做出關於土壤物質組成、土壤性質及其主要特徵的判斷，這為土壤肥力質量評價與空間管理提供了關鍵參考。

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域，描繪出嫌疑人的活動軌跡，為完善刑偵證據鏈提供支撐。另外，在一些需要土壤屬性作為輸入參數的土壤過程及環境模型中，土壤顏色可以作為重要的輸入信息。

由於具有良好的視覺美學效果，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，因為有機質含量豐富，東北的黑土具有很高的生產潛力，是我國最為肥沃的土壤類型之一。但近年來由於土壤侵蝕和汙染等問題，加劇了土壤的退化，我們更應該像保護大熊貓一樣保護這一稀有的土壤資源。藉助土壤顏色這一橋梁，科學家和公眾之間的溝通可以更為順暢。