2020, Vol. 57
紫色土是湿润热带、亚热带地区由紫色岩类风化而成的初育土，土体较薄，剖面层次分化不明显，基本保持母岩理化特征[1]。紫色土具有成土作用迅速、矿质养分含量丰富、耕性好、自然肥力高等特点[2]，分布广，面积大，集中分布在四川盆地丘陵区和海拔800 m以下的低山区，面积约为16万km2，其中，耕地约470万hm2，占全区耕地面积68%，是川渝地区甚至全国重要的粮食和主要经济作物产区[3]。
紫色土以其具有的“紫色”而得名，这种颜色继承并保持了母岩的特征[4]。在中国二十世纪三、四十年代的土壤调查中，参考英国土色标准及Munsell颜色，侯光炯配制了48个土色标准瓶，成为当时中央地质调查所暂行土色标准，其中有红紫、紫、浅紫棕、棕紫等4种带“紫”字的土壤颜色名称[5]；这个时期描述紫色土颜色的名称除上述几个以外，还有红、红棕、粉红棕、棕红、淡棕红等颜色名称[6]。在全国第二次土壤普查中，华中农学院编制了《标准土色卡》[7]，其中有紫灰（2.5YR 6/2）、紫（5YR 6/3）和紫棕（5YR 5/4）3种带“紫”字的土壤颜色名称，使用该色卡描述紫色土及其母岩颜色的除这3个以外，还有红（10R 4/8）、暗棕红（2.5YR 3/6）、淡棕红（2.5YR 5/8）、红橙（2.5YR 7/8）、红棕（5YR 4/6）、淡红棕（5YR 5/8）、灰棕（5YR 5/2）等颜色名称。随着土壤调查研究工作的深入，中国科学院南京土壤研究所和西安光学精密机械研究所联合编制了《中国标准土壤色卡》[8]，与其他Munsell土色卡相比，增加了专供描述紫色土的2.5RP、5RP、7.5RP、10RP和5P等色调，其颜色名称中均带有“紫”字。《中国土壤系统分类检索》（第三版）的诊断特性“岩性特征”中，将“紫色砂、页岩岩性特征”的“紫色”色调定义为2.5RP~10RP，并将“紫色”特征体现在“紫色湿润雏形土”和“紫色正常新成土”两个土类上[9]。
长期以来，各国在土壤调查中对土壤颜色主要采用目视比色法描述。目前国际上土壤调查普遍采用的色卡有美国的Munsell Soil Color Charts[10]、日本的《新版标准土色贴》[11]。在发展中国土壤系统分类高级分类体系的过程中，《中国土壤系统分类》推荐使用《中国标准土壤色卡》和日本《新版标准土色贴》。为克服土色卡测色时的主观性和异读性，近年来发展了分光测色计，可以准确、客观、快速测定土壤颜色[12]。
关于紫色土的中国土壤系统分类归属的研究已有不少[13-22]，但部分研究缺乏母岩的色调信息[15-16]，很多研究中母岩的色调在10RP~5YR[17-22]之间，如果严格按照“紫色”2.5RP~10RP的色调定义，上述研究中很多土壤均不能划为紫色湿润雏形土或紫色正常新成土。2009年起开展的国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”项目（2008FY110600，2014FY110200）也发现了很多“紫色土不紫”的现象，造成了很多地区虽然存在地理发生分类上的紫色土，但却无法在中国土壤系统分类中体现出来的“窘境”。
有关修订中国土壤系统分类检索中“紫色砂、页岩岩性特征”色调的呼声早已出现[19-20]，如唐时嘉等[23]就认为“紫色岩性特征”的颜色可有2.5RP~10RP、2.5R~10R和2.5YR~5YR等诸多色调，而近年来这一修订的呼声日趋高涨，但如何修订至今还没有明确的说法。《中国土壤系统分类检索》是开放的，允许进行必要和适当的修订和完善[9]。同时，“紫色砂、页岩岩性特征”主要表现在土表至125 cm范围内细土或 < 4 cm石砾颜色满足相应规定，而紫色土母质/母岩正是细土和石砾的物质来源且具有很强的继承性，可以反映细土和石砾的颜色特征，因此，本文用《中国标准土壤色卡》、日本《新版标准土色贴》和分光测色计对四川土系调查中45个典型紫色土剖面的母岩样品进行颜色测定，并与《中国土壤系统分类检索（第三版）》中“紫色砂、页岩岩性特征”的紫色（RP）定义进行了比对，在此基础上尝试提出初步的“紫色砂、页岩岩性特征”的“紫色”修订建议，旨在进一步完善我国土壤系统分类研究。
1 材料与方法 1.1 紫色土母岩样品采集与颜色测定根据四川是“紫色土”发现最早、类型最多、面积最大的实际情况，“四川省土系”课题组为此有意调查搜集了四川省“紫色土”的颜色信息。根据《中国土种志》[24]及《四川土种志》[25]中记载的四川紫色土信息，采集了39个红层母岩发育且有母岩样品的紫色土剖面（图 1），土壤类型覆盖酸性、中性和石灰性紫色土3个亚类共45个母岩样品（部分剖面采集2个及以上母岩样品）。供试母岩所属地层及其岩性见表 1。由表 1可见成土母岩多为中生代白垩系、侏罗系的砂岩、泥岩等沉积岩，颜色多呈红棕、浊橙和灰红紫色等。
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图 1 母岩样点分布图 Fig. 1 Distribution of parent rock sampling sites |
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表 1 供试母岩所属地层及其岩性 Table 1 Stratigraphy and lithology of the tested parent rocks |
用《中国标准土壤色卡》、日本《新版标准土色贴》和日本柯尼卡美能达CM-600d型分光测色计对干态母岩岩块进行室内比色和分光测色计测色。由于母岩往往颜色斑杂，既有紫色斑块，也有其他颜色的斑块，而风化形成的细土物质颜色往往又较均匀，为了随后的比较研究，将母岩研磨过10目筛后再进行色卡比色与分光测色计测色。
使用土壤色卡目测比色时，参与比色的实验人员均无色盲、色弱，比色时段控制在上午9点至下午5点之间，靠近窗口比色且避免阳光直接照射。过10目筛后的干态母岩样品需平铺置于白瓷盘内，找出与母岩颜色相当的色调页，并将框格卡覆于色卡上，露出与母岩颜色接近的色片，即可进行比色。湿润母岩粉末比色时用滴管将水滴在风干母岩表面，待水刚渗入时立即测定。实验者同一实验室内判别3次，再由另一实验者判别，无争议后确定土样最终目测颜色并记录。
分光测色计在使用时环境温度介于5~40℃之间，相对湿度为80%以下，且周围环境无烟雾、尘土、化学气体及产生强烈磁场的设备，测量时避免阳光和室内灯光直接照射，测定参数为观测角度2°、内置C光源，测量面积直径为8 mm，且分光测色计在使用前进行标准零校正和白板校准。对《中国标准土壤色卡》和日本《新版标准土色贴》色片的颜色测定结果表明，分光测色计能准确测定物质颜色，因此将其用于本研究中的母岩颜色测定。测量母岩粉末时，将供试母岩样品盛置于配套的粉末测试装置盒中，使样品略多于装置，压实样品并拧紧装置盖，制备成待测样品，即可测量；母岩岩块在上述测量环境及条件下则选较光滑的平面直接比色或手持仪器测量即可。测量结束后仪器内数据通过色彩数据软件Spectra Magic NX进行导出、整合，色调、明度和彩度的测量值被记录并精确到小数点后一位（例如：3.6YR 6.2/2.3）。需指出，母岩岩块只观测了干态颜色，分光测色计只测定干态样品；同时由于母岩岩块往往颜色斑杂，岩块比色与测色时仅选择最接近紫色的区域进行。
1.2 信息统计处理基础信息统计分析采用Microsoft Excel 2013进行。
2 结果与讨论 2.1 紫色土母岩岩块/粉末目视比色的色调特征由图 2可以看出，45个母岩岩块中，用日本《新版标准土色贴》比色的色调介于5RP~5YR之间，色调涉及范围较广，其中色调2.5YR的母岩最多，有15个，占33.3%；其次是5RP色调和10R色调，分别有9个和7个，占20.0%和15.6%。用《中国标准土壤色卡》比色的色调介于5RP~10YR之间，色调涉及范围更广，同样是色调2.5YR的母岩最多，有13个，占28.9%；其次是10RP色调和10R色调，分别有10个和7个，占22.2%和15.6%。依据图 2中紫色母岩的色调统计结果，采用日本《新版标准土色贴》和《中国标准土壤色卡》比色的45个母岩样品中，满足“紫色砂、页岩岩性特征”颜色定义“2.5RP~10RP”的分别占20.0%和33.3%。因此，可以考虑将5YR 5/4、5YR 6/3、2.5YR 6/2等原命名为紫棕、紫、紫灰的颜色信息包含在“紫色”范围内。
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图 2 紫色土母岩岩块色卡比色色调统计（干态） Fig. 2 Color hues of parent rock blocks in line with the color charts |
将母岩岩块研磨过10目筛后的45个样品采用日本《新版标准土色贴》和《中国标准土壤色卡》进行干态和润态比色，颜色信息如表 2所示。由表 2可知，无论干态还是润态，色调为RP的母岩均很少，用《中国标准土壤色卡》比色的45个母岩干态样品中仅有1个呈RP色调，日本《新版标准土色贴》比色结果中甚至没有一个呈RP色调。过筛后的母岩粉末所测得RP色调与母岩岩块相比均急剧减少，可能是由于母岩岩块本身颜色斑杂，研磨过程容易使其他不符合“紫色”条件的部分掺杂进来，进而影响到整体的颜色，但它们的主要色调仍是2.5YR和5YR。这样，绝大部分成土母岩达不到RP色调，无法将其划分为“紫色湿润雏形土”或“紫色正常新成土”，确实需要对“紫色”定义进行修订，除了原来规定的“2.5RP~10RP”，还应包含5YR或更红色调中的部分颜色。
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表 2 母岩10目粉末色卡比色色调统计 Table 2 Color hues of parent rock powders(ground to pass a 10 mesh sieve)in line with the color charts |
图 3为供试母岩5RP~5YR色调的岩块及过10目筛的样品所对应的明度和彩度信息。由图 3a和图 3b可知，无论使用中国色卡还是日本色卡比色，母岩岩块5RP~5YR色调的明度均分布在3~7范围内，以5~6为主，分别占79.5%和70.5%；彩度分布在1~8范围内，以1~6为主，分别占97.7%和95.5%。由图 3c和图 3d可知，使用中国色卡和日本色卡比色时，干态母岩粉末5RP~5YR色调的明度分布在3~7范围内，以5和6为主，分别占81.1%和78.4%；彩度分布在1~6范围内，以2~4为主，占78.4%和81.1%；润态母岩粉末5RP~5YR色调的明度分布在2~6范围内，以3和4为主，分别占82.9%和94.9%；彩度主要分布在1~6范围内，以2~4为主，分别占58.5%和71.8%。同一母岩样品干态和润态相比，润态明度一般较干态明度低1~3个单位，润态和干态彩度之间也会有1~2个单位的差异。
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图 3 母岩岩块及粉末目视比色明度彩度信息 Fig. 3 Value and chroma of parent rock samples in block and in powder in line with the color charts |
分光测色计能准确获取物质颜色信息[12]。参考美国《土壤描述与采样野外手册》[26]拟定的“Munsell颜色差异等级表”，当两个色调值之间的差异小于0.5个单位（即ΔH < 0.5）时（1个ΔH单位为2.5个H计算值），可以认为它们之间的差异等级为微弱。因此，为统一色卡测色和分光测色计的差异，将色调值介于8.75R~1.24YR之间的统一归为10R，将色调值介于1.25YR~3.74YR之间的统一归为2.5YR，色调值介于3.75YR~6.24YR之间的统一归为5YR，以此类推。明度值之间的差异小于0.5时认为它们之间的差异等级为微弱，例如明度值介于0.50~1.49之间的归为1，介于1.50~2.49之间的归为2；彩度值的统计方法同明度值一样。基于以上归类基础整理出分光测色计对母岩岩块及粉末的测色信息统计结果如图 4所示。由图 3a可以看出，测色计所测得母岩的色调全部分布在YR色调区域，而没有RP色调，表明没有一个母岩样品在色调上符合《中国土壤系统分类检索》“紫色”2.5RP~10RP的色调定义。无论是岩块还是粉末，色调为2.5YR或5YR的均达到总数的82.2%。由图 3b和图 3c可知，测色计测得母岩岩块和粉末的明度分布在2~7范围内，以3~6为主，分别占95.6%和100%；彩度值分布在1~5范围内，以2~4为主，均占62.2%，与色卡比色的明度彩度值较为一致。
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注：图中a）表示分光测色计对母岩岩块和过10目筛母岩粉末的色调测量信息，b）和c）表示分光测色计对母岩岩块和过10目筛母岩粉末的明度彩度测量信息Notes：In the Figure，a）shows hue of the parent rock samples in block and in powder measured with a spectrophotometer；b) and c) shows value and chroma of the parent rock samples in block and in powder measured with a spectrophotometer 图 4 母岩岩块及粉末的分光测色计测色信息统计 Fig. 4 Colors of parent rock samples in block and in powder measured with a spectrophotometer |
岩性特征指土表至125cm范围内土壤性状明显或较明显保留母岩或母质的岩石学特征。如果土壤具有“紫色砂、页岩岩性特征”表明细土或土中 < 4 cm石砾的色调和其他性状符合相应要求，细土符合色调要求的往往较少，土中石砾色调可通过其母岩色调反映，基于此，紫色土母岩颜色结果可用于“紫色砂、页岩岩性特征”颜色的修订。通过对四川紫色土母岩颜色信息的统计分析，无论是使用中国色卡还是日本色卡，四川紫色土母岩的色调主要为2.5YR和5YR，其次是10R，只有小部分才呈RP色调；而分光测色计对母岩粉末的测色结果均无RP色调。这与慈恩等[14]对重庆市紫色土系统分类高级单元划分研究中紫色土颜色的研究结果一致，说明中国土壤系统分类对“紫色砂、页岩岩性特征”关于色调的定义过于狭窄，与实际有较大差异，因此有必要对其进行修订。对明度和彩度的统计结果显示，总体而言，紫色母岩干态明度介于2~7之间，彩度介于1~6之间，润态明度介于1~6之间，彩度介于1~6之间。使用土壤色卡比色时，干态和润态色调值一般没有差异，明度可相差1~3个单位，彩度相差1~2个单位，因此在用土壤色卡比色时，还应注明土样的干湿状态。
根据前边的分析，建议在保留土壤系统分类中“色调为2.5RP~10RP”规定的同时，扩大色调范围，使其涵盖5YR或更红的色调，从而将20世纪土壤调查中使用的5~6R-YR/4（红紫色）、5R-YR/4（紫色）、5YR/4~2（浅紫棕色）、4YR/2（棕紫色）、2.5YR 6/2（紫灰色）、5YR 6/3（紫色）、5YR 5/4（紫棕色）等带“紫”字的土壤颜色包含在内，同时避免与“红色砂页岩、砂砾岩和北方红土”[9]的颜色重叠。考虑到彩度为1时颜色偏暗；而彩度 > 6时颜色又偏亮，根据韩春兰等[27]对“红色砂、页岩、砂砾岩和北方红土岩性特征”颜色的研究结果，结合Munsell颜色系统的自身特征及《中国土壤系统分类检索》的相关规定，将“色调为2.5R~10R或2.5YR~5YR，明度为4~6，彩度≥6”的划为“红色”更合适。因此可将“紫色”修改为：“色调为2.5RP~10RP；或色调为2.5R~5YR，干态明度为3~6，干态彩度为2~4”。
根据上述修订，统计出符合修订“紫色”定义的母岩岩块及母岩粉末信息如图 5所示。《中国标准土壤色卡》和日本《新版标准土色贴》对干态紫色土母岩岩块和10目粉末的比色结果显示，分别有32、33个岩块和28、30个粉末样品符合修订的“紫色”定义，占母岩总数的71.1%、73.3%和62.2%、66.7%。分光测色计对干态母岩和10目粉末的测色结果显示，分别有34个岩块和33个粉末样品符合修订的“紫色”定义，占母岩总数的75.6%和73.3%。由图 5可以看出符合修订的“紫色”定义的母岩岩块较母岩粉末样品更多，且色调范围更宽泛。
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注：图中a）表示符合修订的“紫色”的母岩岩块信息，图中b）表示符合修订的“紫色”的母岩粉末信息Notes：In the Figure，a) shows percentages of the parent rock samples in block meeting the revised definition of“purple”；and b) percentage of the parent rock samples in powder 图 5 母岩岩块及粉末符合修订的“紫色”的样品信息统计 Fig. 5 Percentages of the parent rock samples in block and in powder meeting the revised definition of"purple" |
《中国土种志》87个紫色土土种中有81个记录有颜色信息，其中符合修订“紫色”定义的土种共有55个（表 3），占总数的67.9%。除浙江省6个土种无色调、明度和彩度信息外，其他有紫色土的地区均有紫色土土种符合修订“紫色”的定义。由表 3可以看出，符合修订的紫色土土种中，5YR色调的土种最多，共有43个，占总数的78.2%，2.5YR色调的土种占14.5%，10R色调的土种占7.3%，无P~RP色调。
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表 3 《中国土种志》符合修订“紫色”定义的紫色土土种统计 Table 3 Purplish soil series meeting the revised definition of "purple" in the "Soil Series of China" |
迄今为止，在土壤颜色确定上，细土或母质/母岩颜色的确定均是观察者利用色卡来确定。但目前国际上普遍采用的色卡均不能完全满足土壤调查的实际需要，需要进一步完善，如《中国标准土壤色卡》尽管具备2.5R和5R色调，但缺乏低彩度（< 4）系列色卡；美国和日本的土壤色卡也处于不断修订中，《中国标准土壤色卡》第一版印刷发行至今，已有近30年的历史，迫切需要新版《中国标准土壤色卡》问世。同时，同一土壤样品在使用不同土色卡进行比色时可能结果不同。根据前面的研究结果，用《中国标准土壤色卡》对同一批紫色母岩或其粉末比色时较日本《新版标准土色贴》有更多的RP色调，原因在于两本书RP和R色调的色片设置差异上。《中国标准土壤色卡》与《新版标准土色贴》相比，增加了2.5RP、5RP、7.5RP、10RP、2.5R和5R等色调[28]，而《新版标准土色贴》仅是在书的末尾有RP色调的7个低彩度值色片。分光测色计对紫色母岩的测色结果表明，几乎所有紫色岩的色调均分布在YR区域。
用土壤色卡确定土壤颜色时，受光源条件、天气状况、观察时间、周围色调、土壤表面特征及人眼对光的反应等影响，具有较大的主观性和异读性[29]，同时由于色卡中相邻色调之间往往存在非常近似的颜色，因此确定的土壤颜色往往可能在色调上相差1~2个级别。而使用测色仪可以控制测试条件，客观、精确、定量地测定土壤颜色，并且测色仪能够获得多种颜色空间的色度参数指标，便于后续数据的定量分析处理。为避免土壤色卡测色时的环境及人为影响，必须规范统一比色过程，条件许可的话，建议最好能够采用可自动读取颜色信息的便携式测色仪[30]或颜色传感器[31]。
最后需要强调的是，在《中国土壤系统分类检索》中“紫色”的色调定义还没有正式得到“权威”修订之前，还是应该严格按照原来的2.5RP~10RP色调，比色时严格依据推荐的色卡要求进行，避免“为紫色而紫色”的做法。此外，紫色土母岩往往颜色斑杂，比色时应该选择岩块中“紫色”的部分，才能保证精确地确定是否符合“紫色砂、页岩岩性特征”。
4 结论根据四川省45个典型紫色土母岩的颜色信息统计结果，《中国标准土壤色卡》和日本《新版标准土色贴》对母岩岩块的比色结果中分别有20.0%和33.3%的样品符合《中国土壤系统分类检索》（第三版）中“紫色砂、页岩岩性特征” “紫色”（色调为2.5RP~10RP）的定义，而对母岩粉末的比色结果仅《中国标准土壤色卡》有2.2%符合条件；用能客观准确测色的分光测色计对母岩岩块和粉末测色没有一个呈RP色调。结合对紫色和红色的已有定义，建议在开展紫色土系统分类时，将“紫色”修改为：“色调为2.5RP~10RP；或色调为2.5R~5YR，干态明度为3~6，干态彩度为2~4”，同时修订完善现有土壤色卡系统，使用可客观、准确、自动读取Munsell颜色信息的便携式测色仪。由于紫色土母岩往往颜色斑杂，比色时建议选择用母岩岩块中“紫色”区域来确定颜色。
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