来源：土地生态课题组（2025年8月22日）

本文发表于国际期刊Soil and Tillage Research，2025年第254卷，通讯作者为中国科学院东北地理与生态农业研究所的宋开山研究员。
文章认为，耕作导致土壤退化，土壤颜色是最直接的指标。本研究考察了近30年的耕作对土壤颜色的影响。从东北农田中采集表土样品1273份，得到7种孟塞尔土色。结合Landsat遥感影像和成土因子，对1990-2020年每5年进行一次土壤颜色预测。引入逐步分类方法进行建模，分类验证精度为0.61-0.72，总体平均色差为1.60。根据“黑土”的定义，将七种土壤颜色分为两类：黑土颜色和非黑土颜色，导致了四种类型的变化：持续黑土色、正变化（非黑土颜色过渡到黑土颜色）、负变化（黑土颜色过渡到非黑土颜色）和持续非黑土色。利用现有复垦历史和土壤有机碳（SOC）数据集，分析了土壤颜色变化趋势。试验结果表明：1.东北地区连续耕作30年后，23.16%的耕地土壤颜色发生负变化；2.在连续耕作30年后土壤颜色长期负变化的地区，SOC变化范围为-1.45g·kg−1至-3.38g·kg−1，而在长期正变化的地区，SOC变化范围为7.4g·kg−1至11.68g·kg−1；3.自然地转为耕地后黑土颜色比例下降，其中森林转用时减少最为显著。在耕种11-15年的地区，黑土颜色比例平均每5年下降8.09%。土壤颜色变化主要发生在彩度，其次是明度。研究表明，耕地复垦对土壤颜色变化有显著影响。为了更好地保护黑土，建议采取适当的农业政策和管理措施。研究结果为东北黑土区土壤颜色变化提供了重要参考，凸显了土壤颜色在黑土养护中的关键作用。这些结果为制定有效的土壤管理策略提供了科学依据。

研究区位于中国东北地区，行政范围包括吉林、辽宁、黑龙江、内蒙古等省。西部是大兴安岭，北部由大兴安山脉和小兴安山组成丘陵。东部地区有长白山脉，而中部地区则拥有中国最大的平原，包括三江、松嫩和辽河平原。

2021年4月和10月，本研究在秸秆覆盖较少的耕地中从表土（0-20cm）采集土壤样本，土壤样品点的空间分布遵循相邻样品之间至少间隔超过1km。颜色测量过程共计3次，结果显示样本为最常确定的颜色。最终，在湿润状态下共获得1273种土壤颜色。为了简化分类过程，本研究将土壤颜色的确定涉及选择与最近的孟塞尔色卡相对应的符号。例如，如果土壤颜色介于10YR3/1和10YR2/1之间且更接近10YR2/1，则将该土壤样品的最终颜色归类为10YR2/1。

本研究所使用环境变量包括平均和最高温度、地表温度、降水量、蒸散量、地形和基岩深度。1990-2020年分辨率为1000m的月平均气温（MAT）、月最高气温（MMT）和月平均降水量（MAP）数据来自中国国家科技基础设施国家地球系统科学数据中心；1990-2020年的地表温度（LST）数据分辨率为30m，来自Google地球引擎（GEE）；蒸散发（ET）数据分辨率为1000m，来自1982-2019年全球实际蒸散发的综合；DEM分辨率为30m；基岩深度（BD）数据分辨率为250m。

本研究选取了1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的土地利用数据，以与土壤颜色测绘的目标时期保持一致。不同土地利用类型的提取方法相同，非耕地被特定土地利用类型（草地、森林和湿地）取代。以2020年耕地为基准，逐步提取区域：2015年未开垦但2020年开垦的面积被划为开垦期为1-5年；2010年未开垦但2015年和2020年开垦的地区被划为开垦期为6-10年，以此类推。本研究选择了1-5年、6-10年、11-15年、16-20年、21-25年和26-30年的开垦期数据。本研究选择了1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的SOC数据，该数据基于不同时期采集的东北黑土区耕地2140份表层土壤样品（0-20cm）。

（图片来自原文）

本研究共鉴定出七种不同的孟塞尔颜色，均表现出色相为10YR、明度为2-4，彩度为1-3。研究根据随机森林的MDA（mean decrease accuracy）和MDG（mean decrease gini）两个指标筛选了协变量。采用逐步分类法将实测的孟赛尔颜色数据分为A组（10YR2、10YR3和10YR4）、B组（10YR3/1、10YR3/2、10YR3/3）和C组（10YR4/1、10YR4/2、10YR4/3）。

（图片来自原文）

从1990-2020年东北地区土壤颜色结果中可看出，研究区内出现了一个颜色较深的明显的条带状区域，从黑龙江省中部延伸到与内蒙古接壤的边界，穿过吉林省中部。该地区主要土壤颜色为10YR3/1和10YR3/2，并存在较深的颜色，如10YR2/1。从该地区向西南移动，颜色逐渐变浅：在黑龙江省与吉林省交界处、吉林省西部、辽宁省和内蒙古南部地区，耕地土壤颜色为10YR3/3、10YR4/1、10YR4/2和10YR4/3。东部耕地土壤颜色较深，以10YR3/1等颜色为主，少量为10YR2/1。根据从2020年的SOC结果中提取的与土壤颜色样本点相对应的SOC含量可知，颜色越深，则该区域SOC水平越高。

Soil and Tillage Research|近30年东北黑土区耕地土壤颜色变化

（图片来自原文）

将东北地区耕地划分为2个区域：1990-2020年期间连续耕作30年（连续耕作30年）的耕地，2个包括同期新增耕地。连续耕作30年的耕地土壤颜色分为“黑土色”和“非黑土色”。以1990年土壤颜色图谱结果为参考，观察到随着耕作时间的增加，土壤颜色发生了4种变化：持续黑土色、正变化、负变化和持续非黑土色。

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例如，考虑到1990年至1995年的土壤颜色变化，两年都保留黑土颜色的地区被认为持续黑土色。相反，如果土壤颜色在1990年为非黑色，并在1995年变为黑色土壤颜色，则被认为是正变化。当土壤颜色从1990年的黑色土壤颜色转变为1995年的非黑色土壤颜色时，出现了负变化。总体趋势表明，随着复垦时间的延长，黑土颜色无变化面积逐渐减小，负变化面积显著增加。

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持续黑土色和持续非黑土色面积显著大于正负变化面积。1990-2020年，持续黑土色区和持续非黑土色区SOC均呈负变化，且变化幅度小于正和负变化区。在持续黑土色区，10YR3/1土色比例由93.53%下降至81.18%，但颜色最深的10YR2/1比例增加。在长期非黑土色区，10YR4/1土壤色占比从38.82%下降到7.35%，伴随10YR4/2和10YR4/3占比的增加。虽然整体颜色保持相对稳定，但仍有土壤颜色变淡的趋势，对应SOC的下降。

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综上，研究结果表明，在连续耕作30年的地区，与1990-1995年相比，1990-2020年持续黑土色区比例下降了11.94%。这些地区主要向负变化转变，此类地区比例增加了11.73%。在坡度较陡的地区，由于水和水土流失导致的土壤颜色变化更为明显。主要来源于林地的21-25年和26-30年耕地比主要来源于草地的1-5年、6-10年和11-15年耕地高出19.52%-26.66%。源于林地的耕地土壤颜色下降在耕作初期最为突出，在后续时期逐渐稳定。相比之下，源自草地的耕地最初会经历土壤颜色变深，随后变亮。湿地土壤颜色以黑色为主，与林地和草地相比，湿地中黑色土壤颜色比例的下降幅度很小，这可能是由于土壤含水率的影响。SOC对上述土壤颜色变化进行了相应的分析，取得了良好的结果。这强调了土壤颜色与SOC之间的定性关系不仅体现在空间和点维度上，而且随着时间的推移也表现出稳健的性能。

本研究在以下方面进行了突破：1.完成了1990-2020年土壤颜色全区域制图；2.分析连续开垦30年耕地和新开垦耕地黑土颜色变化趋势，并利用SOC数据进行验证；3.探究不同复垦时期土壤颜色的转变规律。本研究为黑土区土壤质量快速监测提供了一种新方法，揭示了土壤颜色变化的规律。讨论部分指出本研究仍存在一些不足：1.用于模型构建的数据集存在固有缺陷，润湿风干样品的测量湿度与田间条件难以一致，加之孟塞尔颜色选择的主观性，可能导致颜色表征失真；2.由于样本数量有限，可能无法代表该地区的整体色谱，因此以土壤样本稀缺为特征的地区可能代表性不强；3.Landsat影像未考虑秸秆覆盖，所展现相关区域颜色可能比实际颜色更深；4.本研究进行30年预测仅基于现有数据，未涵盖潜在新颜色。

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