基于手持色度计的德国北部低地勃兰登堡西南部红壤土壤颜色调查

《European Journal of Soil Science》：Handheld-Colorimeter-Based Soil Color Survey of Red Soils in SW Brandenburg, North German Lowlands

　　

手持色度计是土壤科学中相对新颖的工具，可客观测量土壤颜色，甚至可能原位进行。研究人员旨在评估两种低成本色度计在模拟野外条件下的测量重现性。研究人员通过近地表土壤样品的颜色调查，研究德国勃兰登堡西南部一种明显红壤的空间分布。这些土壤通常可归类为红砂质土（铬红/红），其特征是总铁以及致红铁氧化物赤铁矿（α-Fe₂O₃）和可能的磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）浓度升高。一种区域非典型的铁氧化物动态过程在历史上被称为副红化作用（para-rubefication），其在实际成土条件下的确切机制仍处于讨论和持续研究中。研究人员表明，使用Nix Pro 2和Nix Mini 3色度计对未研磨的湿润土壤样品进行直接设备-土壤接触测量，可获得几乎同样可靠的色度值。使用色度计可直接应用其他颜色表示系统如CIELab，无需转换Munsell颜色。这在通过改进的定性土壤红度指数检测土壤红色时被证明是有益的，因为相对较宽的Munsell色调色片可能掩盖土壤中较微弱的红色痕迹。研究人员的土壤红色调查表明，副红化作用似乎是在肩坡和背坡位置高度局部化的过程，在水平方向几米和垂直方向几分米内变得活跃。本研究促进了新型传感器技术在土壤科学中的应用，并首次提供了副红化作用的高分辨率制图，有助于进一步研究受影响的复杂铁氧化物动态及其空间分布。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

土壤颜色是土壤分类系统的主要诊断标准之一，因其可作为众多重要土壤化学性质和相关成土过程的代用指标，且易于在野外测定。传统上，土壤颜色表征采用Munsell土壤比色卡，但该方法存在主观性（源于个体颜色感知差异和光照条件变化）以及精度局限（比色片颜色分辨率较粗）等长期讨论的问题。此外，基于Munsell颜色值的红度指数在预测成土氧化铁和碳酸钙浓度方面效果不佳。手持色度计作为一种客观、定量的替代工具逐渐被采用，尤其是便携、轻巧且价格相对低廉的设备（如Konica-Minolta Chroma Meter、Pantone Capture RM200-PT03、Nix Pro 2和Nix Mini 3）的出现。然而，在德国北部低地，一种值得关注的现象是明显红壤的零星分布，这种红化（rubefication）与砂质沉积物中升高的铁氧化物浓度相关，这在通常与温暖干旱环境相关联的红壤背景下显得反常。这种红化过程在德国被称为副红化作用（para-rubefication），其确切的成土参数和反应链尚未得到充分解释。现有理论多基于受控实验室实验，而原位记录缺失。研究人员认为，研究该过程的关键缺失信息是受影响土壤的精确空间范围，以及它们与邻近非红化土壤边界的性质（渐变或过渡），这有助于重建控制该过程的环境参数及其组合。

**研究目的与设计**

本研究旨在：（1）评估手持色度计在受控实验室条件下检测土壤红色的有效性和实用性，并评估其未来直接野外应用的潜力；（2）在已知存在副红化土壤的区域进行土壤颜色调查。具体目标包括：比较两种低成本便携式色度计在未研磨土壤样品上的测量重现性；评估通过玻璃介质进行非接触色度测量的稳定性；评估基于CIELab的常见红度指数识别副红化作用的适用性；评估研究区域内199个样点的红度范围和空间聚类。本研究不仅旨在推动新型传感器技术在土壤研究中的应用，还希望促进对副红化土壤空间分布和复杂铁氧化物动态的进一步研究。论文发表在《European Journal of Soil Science》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键方法：①使用两种低成本手持色度计（Nix Pro 2和Nix Mini 3）进行色度测量，设备均为三刺激值CIE XYZ色度计，但光源和尺寸不同；②基于CIELab颜色空间计算红度指数，包括Barrón和Torrent（1986）提出的传统红度指数（RB&T）以及研究人员改进的定性红度指数（R_PR）；③通过主成分分析（PCA）和K均值聚类对土壤红色、总铁浓度（Fe_T，使用便携式X射线荧光光谱仪Niton XLT3测定）、磁化率（χ_lf，使用Bartington MS2B仪器在460 Hz下测定）和地形高度进行统计分析；④样本来源为德国勃兰登堡西南部Elbe-Elster低地，共199个风倒树根盘（windthrow）的土壤样品，采集自Ah层下方约10 cm处，并记录确切位置（使用Emlid Reach RS+ DGNSS结合SAPOS HEPS NTRIP服务）。

**研究结果**

**4.1 验证研究**

**4.1.1 色度计测量稳定性**
通过比较Nix Pro 2和Nix Mini 3在干燥和湿润状态下对三种土壤（农业土壤Ap层、红砂质土B层、黄土B层）的重复测量（各10次），发现色度值（L*、a*、b*）的变异系数（Cv）整体很低，湿润样品略高于干燥样品。颜色差异值ΔE整体较低，表明颜色变化几乎不可察觉。Nix Pro 2在红砂质土上显示出更低的红度变异性和更低的ΔE，表明其稳定性略优，但实际野外使用中差异可能很小。

**4.1.2 接触式与非接触式测量比较**
仅使用Nix Pro 2对湿润红砂质土样品进行100次重复测量，通过玻璃盖（硼硅酸盐培养皿）进行非接触测量时，L*、a*、b*值平均分别降低22%、21%、23%，而RB&T增加了271%。尽管尝试通过平均差值校正，但校正后值变异性增加，尤其是L*。由于实际接触测量中传感器污染和表面粗糙度影响可控（通过清洁和样品平整），研究人员未进一步优化校正因子。

**4.1.3 测量副红化作用的红色**
传统红度指数RB&T对L*变化高度敏感（L*的10%下降可导致RB&T近90%上升），导致高有机质土壤（如农业土壤）出现虚假高值。对于副红化土壤，其多成因特征（如褐铁矿化、潜育化叠加）导致RB&T效率低下。研究人员提出改进的定性红度指数R_PR = a* × (a*/b*)，该指数不依赖L*，仅关注红色纯度（a*/b*）和红色强度（a*），在本数据集中表现出更稳定的测量结果。

**4.2 应用研究**

**4.2.1 红色与其他变量的相关性**
199个样点数据显示，红色（R_PR）与总铁浓度（Fe_T）、磁化率（χ_lf）相关性较弱（Spearman秩相关），表明某些土壤可能红而不富铁，或富铁而不红。通过分析a*与b*的关系，发现当a* ≤ 12.7时，a*与b*呈显著正相关（存在针铁矿和纤铁矿共存）；当a* > 12.7时，相关性消失（表明赤铁矿和/或磁赤铁矿主导）。研究人员提出a* > 12.7和/或R_PR > 6.9可作为初步筛选标准。主成分分析（PCA）结合K均值聚类（K=3）将样品分为三类：Cluster 1（n=35）位于较高地形，具有较高红色和磁化率但总铁不高；Cluster 2（n=13）位于边缘较高位置，红色、磁化率和总铁均最高，符合副红化特征；Cluster 3（n=151）位于低洼地形，无副红化迹象。

**4.2.2 空间分布**
空间分布显示，高红色和磁化率值倾向于出现在古河道残余洼地边缘的高地位置。最大红色值与青铜时代墓葬群相邻。Cluster 2样品（副红化土壤）与Cluster 3样品在水平距离仅约5米、垂直距离0.26米内共存，表明副红化作用在非常局部的尺度上发生。这种空间分布提示，副红化作用的铁源可能主要来自地表水（古河道漫流），而非地下水。

**4.2.3 局限性**
采样基于风倒树根盘，深度限于约0.4米，可能未覆盖深层红化。Cluster 2样品数量（n=13）较少，结论需谨慎对待。采样分辨率不足以详细描述过渡带特征。

**4.2.4 土壤颜色阈值**
基于CIELab的红度指数比Munsell比色片能更清晰地区分副红化土壤。约40%的Cluster 1样品满足基于Munsell色调的红色标准（如Rubic、Chromic），而CIELab阈值（a* > 12.7, R_PR > 6.9）能更精细地筛选。将磁化率纳入复合指数不可行，因为Cluster 2内红色与磁化率无明确相关性。

**结论与讨论**

研究人员通过验证研究证实，两种低成本手持色度计（Nix Pro 2和Nix Mini 3）在未研磨、湿润样品上具有可比且可靠的测量重现性，直接设备-土壤接触可行（传感器污染可控）。改进的定性红度指数R_PR比传统RB&T指数更稳定，适用于多成因的副红化土壤。应用研究首次提供了勃兰登堡地区副红化土壤的高分辨率表面制图，表明该过程高度局部化，空间尺度为水平方向数米、垂直方向数分米。研究提出初始颜色阈值（a* > 12.7, R_PR > 6.9）用于识别副红化土壤，但需进一步验证其鲁棒性。研究结论部分翻译如下：两种色度计具有可比的测量重现性，Nix Pro 2在红壤上表现略优。在湿润、未研磨样品上使用CIELab颜色系统测量土壤颜色会导致一些异质性，尤其因明度（L*）的微小变化而影响敏感的RB&T指数。改进的红度指数（R_PR）相比RB&T大大降低了测量异质性，同时提供了足够的红色定性度量。直接设备-土壤接触测量可行，因为富含强染色赤铁矿的土壤不会显著污染传感器。对于未来的副红化土壤调查，研究人员认为直接野外应用色度计不存在障碍。土壤颜色调查提供了勃兰登堡副红化土壤空间分布的初步指示，证实了文献中关于该过程局限于小空间尺度的假设，并可在水平数米和垂直数分米内生效。进一步研究应沿横断面详细描述土壤形态和理化变化，以检测副红化作用的过渡带和边缘区。尽管基于颜色参数检测副红化土壤存在不确定性（因该过程处于休眠状态且可能被其他成土过程叠加），但本研究给出了研究区域初始颜色阈值（a* > 12.7, R_PR > 6.9），其鲁棒性和适用性需通过更多空间范围和矿物学分析数据进一步研究。