《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》與日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》顏色準(zhǔn)確性的比較①

晏昭敏，袁大剛，陳劍科，呂 揚(yáng)，翁 倩，付宏陽(yáng)，王昌全

《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》與日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》顏色準(zhǔn)確性的比較①

晏昭敏，袁大剛*，陳劍科，呂 揚(yáng)，翁 倩，付宏陽(yáng)，王昌全

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130)

本文旨在確定《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》(1989)和日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》(2014)兩種色卡書(shū)的顏色標(biāo)注是否準(zhǔn)確、二者之間是否存在顯著的差異，以及確定能否也用后者來(lái)確定中國(guó)土壤顏色。首先用日本柯尼卡美能達(dá)CM-600d型分光測(cè)色計(jì)測(cè)定兩種色卡書(shū)所有色片的Munsell色調(diào)(H)、明度(V)和彩度(C)值，再利用均方誤差(MSE)和均方根誤差(RMSE)等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，借助土壤顏色差異等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (微弱、明顯、突出)，評(píng)估色片測(cè)量值與標(biāo)注值的差異，并用廣義線性混合模型(GLMMs)檢查測(cè)量變化的來(lái)源。結(jié)果表明：標(biāo)注值與測(cè)量值的MSE和RMSE在H值方面表現(xiàn)為日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》略高于《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》，而在V值和C值方面表現(xiàn)為日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》比《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》分別低了71.43%、63.49% 和47.17%、39.24%。對(duì)于兩種色卡書(shū)中常用的、有同樣色調(diào)的色片，日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》的290個(gè)色片中有6個(gè)(占2.07%)有“明顯”差異，而《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》的289個(gè)色片中有27個(gè)(達(dá)9.34%)有“明顯”差異，但二者均無(wú)“突出”差異的色片。GLMMs統(tǒng)計(jì)模型顯示兩種色卡書(shū)之間存在顯著性差異(<0.000 1)。日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》在V和C上較《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》有更準(zhǔn)確的顏色表示，但《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》有更豐富的色片且具有中國(guó)特色，更適于我國(guó)土壤顏色的鑒定。

土壤顏色；色卡書(shū)；Munsell顏色；分光測(cè)色計(jì)

土壤顏色是土壤調(diào)查中需觀測(cè)的最醒目的形態(tài)特征之一，是最容易監(jiān)測(cè)的一個(gè)反映土壤物質(zhì)組成及其性質(zhì)的指標(biāo)，是判斷成土環(huán)境、土壤發(fā)育程度及肥力特征的重要依據(jù)[1]。土壤系統(tǒng)分類中土壤顏色的判別主要依據(jù)Munsell色空間繪制的土壤色卡，將土壤顏色用色調(diào)(Hues，H)、明度(Value，V)、彩度(Chroma，C)進(jìn)行解釋，明確土壤顏色在土壤Munsell色卡中的位置[2]。因此，土壤Munsell色卡書(shū)是幾乎所有的土壤科學(xué)家所必備的工具之一。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在土壤調(diào)查研究中對(duì)土壤顏色主要采用目視描述法。在中國(guó)20世紀(jì)三、四十年代的土壤調(diào)查中，參考英國(guó)土色標(biāo)準(zhǔn)，侯光炯配制了48 個(gè)土色標(biāo)準(zhǔn)瓶，成為當(dāng)時(shí)中央地質(zhì)調(diào)查所暫行土色描述標(biāo)準(zhǔn)；在全國(guó)第二次土壤普查中，華中農(nóng)學(xué)院(1982)編制了《標(biāo)準(zhǔn)土色卡》[3]；隨著調(diào)查研究工作的深入，根據(jù)中國(guó)土壤顏色情況，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所和西安光學(xué)精密機(jī)械研究所(1989)聯(lián)合編制了《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》(當(dāng)時(shí)售價(jià)120元)[4]。目前，國(guó)際土壤調(diào)查普遍采用美國(guó)的《Munsell Soil Color Charts》(目前最低售價(jià)約1 600元)[5]和日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》(目前最低售價(jià)約2 000元)[6]描述土壤顏色。在發(fā)展中國(guó)土壤系統(tǒng)分類高級(jí)分類體系的過(guò)程中，《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類》(首次方案)、《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類》(修訂方案)和《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類檢索》(第三版)均推薦使用《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》和《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》。

國(guó)際上關(guān)于利用標(biāo)準(zhǔn)色卡書(shū)來(lái)評(píng)估土壤顏色的研究已有不少，近年來(lái)利用便于控制測(cè)試條件的測(cè)色儀器，客觀、定量、精確地測(cè)定土壤顏色的方法、設(shè)備也開(kāi)始大量涌現(xiàn)[7-9]。Fernandez和Schulze[10]曾使用一種分光光度計(jì)收集了一份Munsell土壤色卡所有色片的反射光譜，結(jié)果顯示測(cè)量的V值與標(biāo)注值沒(méi)有顯著的不同，而測(cè)量的H和C值與標(biāo)注的H和C值有顯著性差異。Thompson等[11]使用分光色度計(jì)對(duì)《Munsell Soil Color Charts》和《GLOBE Soil Color Book》兩種不同品牌色卡書(shū)的H、V和C值進(jìn)行測(cè)量，并用土壤顏色差異標(biāo)準(zhǔn)(微弱、明顯、突出)評(píng)估了每個(gè)色片的測(cè)量值與標(biāo)注值是否相同，結(jié)果表明這兩種品牌的顏色代表有微弱的差異，主要是 10YR 3/6和10YR 4/6 色片的差異。日本土色卡首次出版以來(lái)不斷重新印刷出版，最新版本為2014年版《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》；《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》(1989)制作時(shí)全部色片Munsell值均經(jīng)精密測(cè)定，且采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)涂色和印刷技術(shù)印制，質(zhì)量得到保證，但第一次出版后便未再版。由于當(dāng)時(shí)制作的數(shù)量有限，因而非常珍貴，現(xiàn)在根本無(wú)法購(gòu)到。為此國(guó)內(nèi)有人也用《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》和《Munsell Soil Color Charts》來(lái)確定土壤顏色，但對(duì)之與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》相比的孰優(yōu)孰劣尚有疑慮，且目前暫無(wú)三者之間的比較研究。為解決這一問(wèn)題，本研究以最為客觀的測(cè)色儀為基準(zhǔn)，考慮到中國(guó)和日本地理位置較為接近，土壤顏色類型上應(yīng)該具有更大的類似性，且《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》以日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》為參考基礎(chǔ)制作，理論上可認(rèn)為《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》更為接近。同時(shí)，中國(guó)土壤系統(tǒng)分類也推薦使用這兩種色卡，因此本文重點(diǎn)定量比較《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》和《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》的標(biāo)注顏色是否準(zhǔn)確、差異是否顯著。

1 材料與方法

1.1 土色卡及其顏色測(cè)量

供試土色卡為《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》(1989)和《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》(2014)，均未污損。用柯尼卡美能達(dá)CM-600d型分光測(cè)色計(jì)測(cè)量每一個(gè)色片的Munsell顏色，該儀器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中反射目標(biāo)色的顏色和色差測(cè)量，是一款輕便、緊湊且精度很高的分光測(cè)色計(jì)。儀器使用時(shí)周圍溫度范圍5 ~ 40℃，相對(duì)濕度為80% 以下，且周圍環(huán)境無(wú)煙霧、塵土、化學(xué)氣體及產(chǎn)生強(qiáng)烈磁場(chǎng)的設(shè)備。測(cè)量試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)量時(shí)避免陽(yáng)光和室內(nèi)燈光直接照射，測(cè)定參數(shù)為觀測(cè)角度2°、內(nèi)置C光源，測(cè)量面積直徑為8 mm。分光測(cè)色計(jì)在第一次使用時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)零校正，并在每本書(shū)測(cè)量開(kāi)始前用標(biāo)準(zhǔn)的白色校正板(CM-A177)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的白板校準(zhǔn)。色卡書(shū)的每一個(gè)色片都被測(cè)量1次，并從每一個(gè)色片的中心收集測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)束后通過(guò)儀器USB端口連接電腦，用色彩數(shù)據(jù)軟件SpectraMagic NX對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出、整合，H、V和C的測(cè)量值被記錄并精確到小數(shù)點(diǎn)后一位 (例如，7.6R 6.5/4.3)。在與第一次測(cè)量環(huán)境條件相同情況下，重復(fù)3次，并用同樣的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出與整合，最后對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行平均值處理。每一個(gè)色片的“標(biāo)注顏色”被認(rèn)為是該色片的標(biāo)準(zhǔn)Munsell顏色，而分光測(cè)色計(jì)測(cè)定的Munsell顏色被認(rèn)為是“測(cè)量顏色”。通過(guò)對(duì)色片標(biāo)注值與測(cè)量值的比較，可以分析兩種色卡書(shū)之間各自的準(zhǔn)確性和相互間的差異。

1.2 典型土壤樣品及其顏色測(cè)量

2015—2016年在川中丘陵區(qū)采集了27個(gè)土壤剖面并制成備用土樣，從中選取一個(gè)典型紫色土剖面(3個(gè)土樣)，分別用《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》、《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》和柯尼卡美能達(dá)CM-600d型分光測(cè)色計(jì)對(duì)典型土壤樣品進(jìn)行比色和測(cè)色，比較分析兩種色卡書(shū)實(shí)際比色差異是否顯著。利用兩種土色卡目測(cè)比色時(shí)，參與比色的實(shí)驗(yàn)人員均無(wú)色盲、色弱，比色時(shí)段控制在日出后3 h至日落前3 h之間，靠近窗口比色且避免陽(yáng)光直接照射。將土樣平鋪置于白瓷盤(pán)內(nèi)，找出與土色相當(dāng)?shù)纳{(diào)頁(yè)，并將框格卡覆于色卡上，露出與土壤顏色接近的色片，即可進(jìn)行比色。濕潤(rùn)土比色時(shí)用滴管將水滴在風(fēng)干土表面，待水剛滲入土壤時(shí)立即測(cè)定。若測(cè)得的土壤Munsell顏色值位于兩色片之間，可取其中間值。實(shí)驗(yàn)者同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)判別3次，再由另一實(shí)驗(yàn)者判別，無(wú)爭(zhēng)議后確定土樣最終目測(cè)顏色并記錄。用分光測(cè)色計(jì)測(cè)量土樣時(shí)，將供試土樣盛置于配套的粉末測(cè)試裝置盒中，使土樣略多于裝置，擰緊裝置蓋，制備成待測(cè)土樣。其余步驟按1.1部分進(jìn)行，最后記錄土壤Munsell顏色值。

1.3 土色卡顏色差異比較

1.3.1 統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較 用描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)極大值、極小值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值、均方誤差(MSE)和均方根誤差(RMSE)比較兩種色卡書(shū)測(cè)量值與標(biāo)注值的差異，方法間平均值越接近，MSE、RMSE越接近于0，表明差異越小[12]，即測(cè)量值越接近色卡標(biāo)注值，說(shuō)明色卡顏色表示有更好的準(zhǔn)確度。需注意，在土壤Munsell色卡中，H由2.5的整數(shù)倍與英文顏色縮寫(xiě)組合作為一個(gè)色調(diào)，如2.5R、5YR、7.5Y等，在計(jì)算描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí)，為了使H數(shù)量化將字母轉(zhuǎn)換為數(shù)值，實(shí)驗(yàn)將2.5R計(jì)為2.5，2.5YR計(jì)為12.5，2.5Y計(jì)為22.5[1]，以此類推。

表1 顏色對(duì)比的判定規(guī)則

注：表中F(faint)表示微弱，D(distinct)表示明顯，P(prominent)表示突出。如果顏色△V≤2.49且△C≤1.49，那么差異等級(jí)為F，同時(shí)不用考慮H差值。

1.4 廣義線性混合模型分析

為簡(jiǎn)便利用廣義線性混合模型(GLMMs)來(lái)檢查測(cè)量變化的來(lái)源，本文將前文中“差異等級(jí)”結(jié)果為微弱(F)的用0表示，明顯和突出(D和P)的均用1表示，這樣數(shù)據(jù)就被簡(jiǎn)化為二分類數(shù)據(jù)集(微弱和不微弱)，具有相關(guān)關(guān)系的二分類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)就可以用廣義線性混合模型(GLMMs)分析來(lái)檢查測(cè)量變化的來(lái)源。在具體統(tǒng)計(jì)分析中，只選擇兩種色卡書(shū)包含共同Munsell色調(diào)的色片數(shù)據(jù)，其中以品牌(中國(guó)與日本)為固定因素，測(cè)量次數(shù)為隨機(jī)因素，H、V和C為預(yù)測(cè)因子。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件

描述性統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)處理利用MicrosoftExcel 2016，廣義線性混合模型(GLMMs)分析用IBM Statistics SPSS20。

2 結(jié)果與分析

2.1 色卡設(shè)計(jì)差異

《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》共有15張色調(diào)頁(yè)，28種色調(diào)，426個(gè)色片，色片比《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》多37個(gè)，最顯著的差異在于RP和R色調(diào)的色片設(shè)置，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》與《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》相比，增加了2.5RP、5RP、7.5RP、10RP、2.5R和5R等色調(diào)[14]，而《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》僅僅在書(shū)的末尾有RP色調(diào)的7個(gè)低C值色片。與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》相比，《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》缺少的色片主要集中在高C值區(qū)域。

表2 中國(guó)《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》和日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》色片分布情況

注：表中R = 2.5R、5R、7.5R和10R；YR = 2.5YR、5YR、7.5YR和10YR；Y = 2.5Y、5Y、7.5Y和10Y；其他 = 5GY、10GY、5G、10G、5BG、10BG、5B、10B、5PB和N。

2.2 色卡測(cè)量偏差

2.2.1 統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較 由表3可知，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》H值范圍為7.73 ~ 36.57，平均值較《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》偏黃1.01，即偏黃0.4個(gè)色調(diào)，MSE和RMSE分別為2.18和1.48，比《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》分別僅低0.16和0.05?！吨袊?guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》V值范圍為2.70 ~ 7.81，平均值為4.96，C值范圍為0.37 ~ 8.59，平均值為2.93，與《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》較一致。但《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》V值和C值的MSE、RMSE均比《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》低，MSE分別低了0.2(71.43%)和0.4(63.49%)，RMSE分別低了0.25(47.17%)和0.31(39.24%)，表明《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》的V和C值偏離程度更低，測(cè)量值與色卡標(biāo)注值差異較小，即《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》在V值和C值的顏色表示上有更好的準(zhǔn)確度。

2.2.2 絕對(duì)偏差比較 標(biāo)注和測(cè)量的Munsell顏色所得到的絕對(duì)偏差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)表明，兩種色卡書(shū)在Munsell顏色的表示上有一致的差異?？偟膩?lái)說(shuō)，《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》中V和C的絕對(duì)偏差比《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》更小，而H值的絕對(duì)偏差在兩種色卡書(shū)中相似，這與表3所得結(jié)果一致。在分別考慮H、V和C值的差異時(shí)，《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》除了2.5Y和5Y表現(xiàn)出標(biāo)注顏色值和測(cè)量值之間較小的差異，其余所有情況都顯示出較大差異，但《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》也是如此。在所有的類別中，標(biāo)注和測(cè)量的C值之間的偏差往往大于V值的偏差。

表3 兩種色卡書(shū)統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較

未在表4中表達(dá)出來(lái)的信息表明，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》測(cè)量的H值大部分比標(biāo)注值大，而《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》則相反。同樣地，在《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》和《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》中，除了V=2和3，其余V的測(cè)量值幾乎都低于標(biāo)注值；而彩度的測(cè)量值并不總是比標(biāo)注值更大或更低。大體上來(lái)說(shuō)，當(dāng)標(biāo)注V值較低時(shí)，C的測(cè)量值往往比標(biāo)注值低，當(dāng)標(biāo)注V值較高時(shí)，C的測(cè)量值往往比標(biāo)注值高；相反地，對(duì)于低C值的色片，C的測(cè)量值往往比標(biāo)注值要高，而在高C值色片中，C的測(cè)量值往往比標(biāo)注值低。這些結(jié)果與Thompson等[11]利用分光色度計(jì)(柯尼卡美能達(dá)CR-400)對(duì)《Munsell Soil Color Charts》和《GLOBE Soil Color Book》H、V和C的測(cè)量結(jié)果一致。

如表4所示，對(duì)于兩種色卡書(shū)來(lái)說(shuō)，H、V、C的測(cè)量值和標(biāo)注值之間出現(xiàn)最大的偏差通常發(fā)生在低V值的色片中(V = 2和3)。這些結(jié)果也與Fernandez和Schulze[10]的發(fā)現(xiàn)相似，他們發(fā)現(xiàn)在《Munsell Soil Color Charts》中，V值的測(cè)量結(jié)果在低V值范圍內(nèi)(V= 2和2.5)高于標(biāo)注值，C值的測(cè)量結(jié)果在高C值范圍內(nèi)(C ≥4)低于標(biāo)注值。

由表5可知，在《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》的290個(gè)色片測(cè)量結(jié)果中，有6個(gè)(僅占2.07%)在測(cè)量顏色和標(biāo)注顏色之間有明顯的差異，而在《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》的289個(gè)色片測(cè)量結(jié)果中，則有27個(gè)(達(dá)9.34%)在測(cè)量顏色和標(biāo)注顏色之間有明顯的差異。在所有測(cè)量的色調(diào)中，兩種色卡書(shū)都在Y色調(diào)區(qū)域出現(xiàn)最少有明顯差異的色片。對(duì)那些有明顯差異的色片的檢查表明，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》中與標(biāo)注顏色偏差的來(lái)源主要是測(cè)量的C值的差異，在有明顯差異的27個(gè)色片中，有24個(gè)所測(cè)的C值比標(biāo)注值低1.5個(gè)單位；《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》中有4個(gè)顏色偏差的來(lái)源是測(cè)量的H值的差異，4個(gè)色片分別是7.5R 2/1、7.5R 1.7/1、10R 2/1和10R 1.7/1；另外兩個(gè)則是C值偏差，分別為10R 3/6和2.5YR 2/4。

統(tǒng)計(jì)模型也顯示，兩種不同品牌的色卡之間存在顯著性差異(< 0.000 1)，表明《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》有更準(zhǔn)確的顏色表示，但兩者在H、V和C之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(0.301，0.095和0.584)。考慮到中國(guó)比日本幅員更為遼闊，土壤類型及其顏色更為豐富多樣，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》有426個(gè)色片，比日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》多37個(gè)，實(shí)際上更能滿足我國(guó)土壤顏色的確定。

2.3 實(shí)際案例

3種測(cè)色工具對(duì)川中武勝地區(qū)紫色土的Munsell顏色測(cè)定結(jié)果如表6所示，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》對(duì)同一剖面不同發(fā)生層干態(tài)土壤的顏色比色結(jié)果均為2.5YR 4/3，潤(rùn)態(tài)土壤H值也為2.5YR，0 ~ 17 cm 土層的V/C值為3/2，其余則為2/4，表層土壤較深層土壤高一個(gè)明度值，低兩個(gè)彩度值?！缎掳鏄?biāo)準(zhǔn)土色貼》對(duì)該土壤剖面的比色結(jié)果與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》不盡相同，潤(rùn)態(tài)土壤比色結(jié)果與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》差別不大；干態(tài)土壤中，0 ~ 27 cm 土層的H值為5YR，比《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》的比色結(jié)果偏黃一個(gè)單位(2.5)，V值和C值差別不大。由于分光測(cè)色計(jì)對(duì)潤(rùn)態(tài)土壤進(jìn)行測(cè)量有所不便，因此只對(duì)干態(tài)土壤進(jìn)行了測(cè)量。兩種色卡書(shū)對(duì)同一土壤剖面的比色結(jié)果有細(xì)微的差別，但與分光測(cè)色計(jì)測(cè)量結(jié)果的差異等級(jí)均為F，表明兩種色卡書(shū)本身的色片誤差都比較小，均可滿足中國(guó)地區(qū)土壤顏色的測(cè)定。

表4 Munsell參數(shù)測(cè)量平均值與標(biāo)注值的絕對(duì)偏差

表5 測(cè)量值與標(biāo)注值有明顯差異的色片分布情況(個(gè))

表6 兩種色卡和分光測(cè)色計(jì)實(shí)測(cè)土樣的Munsell顏色

3 討論

土壤顏色是土壤中許多物理和化學(xué)指標(biāo)如有機(jī)物質(zhì)和氧化鐵含量等的反映[15]。不同類型土壤常具有不同的顏色，因而土壤顏色能輔助野外土壤類型的識(shí)別[16]，Munsell土壤色卡書(shū)因其便攜性和易操作性在土壤的分類和野外定名中應(yīng)用廣泛。本研究用日本柯尼卡美能達(dá)CM-600d型分光測(cè)色計(jì)測(cè)定《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》(1989)和《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》(2014)中所有色片的H、V、C值，MSE和RMSE等描述性統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)果顯示，在中、日色卡有共同色調(diào)的部分中，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》H值的MSE和RMSE比《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》略低，但V、C值的MSE和RMSE比《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》高得多，即《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》在V值和C值的觀測(cè)上有更高的準(zhǔn)確度。通過(guò)測(cè)量值與色卡標(biāo)注值的差異等級(jí)劃分對(duì)2種土色卡有共同色調(diào)部分的色片進(jìn)行比較，結(jié)果顯示《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》差異在“微弱”等級(jí)的數(shù)量高達(dá)98% 左右，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》略少，但也能保持在90% 以上。《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》出現(xiàn)明顯差異的色片數(shù)量較多且集中體現(xiàn)在彩度值的偏差上，這可能是由于出版時(shí)間不同、色彩色差技術(shù)和涂色印刷技術(shù)的不同導(dǎo)致色片本身存在一定的系統(tǒng)誤差。2014年出版的《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》在色片制作精度與色差等技術(shù)上可能比1989年出版的《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》更精準(zhǔn)。建議國(guó)內(nèi)科技工作者采用最先進(jìn)的色彩色差技術(shù)和涂色印刷技術(shù)，進(jìn)一步提高色片制作精度、減小色片偏差以完善我國(guó)土色卡系統(tǒng)，為以后我國(guó)土壤顏色研究提供可靠參考。由于《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》目前已經(jīng)無(wú)法購(gòu)到，土壤科學(xué)工作者可以選用《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》來(lái)測(cè)定中國(guó)土壤。另外，針對(duì)同一批土壤，務(wù)必要用同一個(gè)色卡，且色卡書(shū)在使用過(guò)程中不能長(zhǎng)時(shí)間曝光，更不能在強(qiáng)烈陽(yáng)光下直射，以防顏色發(fā)生變化。接下來(lái)的研究將進(jìn)一步比較美國(guó)《Munsell Soil Color Charts》與日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》、《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》的顏色準(zhǔn)確性差異。

隨著土壤顏色與土壤理化性質(zhì)關(guān)系研究的深入，采用Munsell色卡目視比色不再是唯一判別土壤顏色的方法。測(cè)色儀能獲取多種色度空間、色度指標(biāo)，利于擴(kuò)展土壤顏色研究的色度空間種類和土壤顏色測(cè)量的精度，因此各類測(cè)色儀逐漸應(yīng)用于土壤顏色的測(cè)定。馮力威等[17]利用分光測(cè)色計(jì)CM700d測(cè)定河南仰韶村遺址剖面色度指標(biāo)，以反映該地區(qū)古氣候變化特征。Stiglitz等[18]研究了相對(duì)便宜且無(wú)Munsell色度參數(shù)的顏色傳感器(NixTMPro)測(cè)量土壤顏色的精確度，結(jié)果表明顏色傳感器(NixTMPro)在土壤顏色測(cè)量中是精確的，并且無(wú)論干土或濕土的測(cè)量結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)色度計(jì)相當(dāng)。Islam等[19]使用Cary 5000紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)中可見(jiàn)光波段間接測(cè)定土壤Munsell顏色，其測(cè)定結(jié)果與目測(cè)值決定系數(shù)R均保持在0.84以上，具有良好相關(guān)關(guān)系。雖然各類測(cè)色儀之間存在一定差異，但均能與目測(cè)保持較好的一致性。因此，研究者在使用土壤Munsell色卡判別土壤顏色時(shí)可以選用合適的測(cè)色儀進(jìn)行輔助，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，減少土壤顏色偏離問(wèn)題產(chǎn)生，當(dāng)然更希望能有適宜野外工作的便攜、快速的測(cè)色儀出現(xiàn)。

4 結(jié)論

基于測(cè)色儀的信息，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》出現(xiàn)明顯差異的色片數(shù)量達(dá)9.34%，而日本《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》出現(xiàn)明顯差異的色片僅占2.07%，后者有相對(duì)更為準(zhǔn)確的顏色參考。與《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》相比，《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》V值和C值的MSE和RMSE分別低了71.43%、47.17% 和63.49%、39.24%，有更好的準(zhǔn)確度。但《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》是根據(jù)中國(guó)土壤顏色情況而研制的標(biāo)準(zhǔn)色卡，色調(diào)頁(yè)和色片數(shù)量都超過(guò)了國(guó)外同類土壤色卡，相對(duì)于《新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼》，《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》增加了專供描述紫色土的2.5RP、5RP、7.5RP、10RP、5P 等色調(diào)，也增加了2.5R和5R色調(diào)的色片，可為有“紫色砂、頁(yè)巖巖性特征”和“紅色砂、頁(yè)巖、砂礫巖和北方紅土”分布的地區(qū)提供顏色參考，仍可滿足我國(guó)土壤顏色描述的需要。

[1] Rossel R A V, Minasny B, Roudier P, et al. Colour space models for soil science[J]. Geoderma, 2006, 133(3): 320–337

[2] 龔子同. 中國(guó)土壤系統(tǒng)分類:理論·方法·實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1999

[3] 華中農(nóng)學(xué)院(朱敬初, 楊補(bǔ)勤). 標(biāo)準(zhǔn)土色卡(第2版)[M]. 武昌: 華中農(nóng)學(xué)院比色卡印制廠, 1982

[4] 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所, 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡[M]. 南京: 南京出版社, 1989

[5] Munsell color and X-Rite. Munsell soil color charts. 2009 revised edition[M]. Grand Rapids: Munsell color and X-Rite , 2013

[6] 小山正忠, 竹原秀雄. 新版標(biāo)準(zhǔn)土色貼(第36 版)[M]. 東京: 富士平工業(yè)株式會(huì)社, 2014

[7] Gómez-Robledo L, López-Ruiz N, Melgosa M, et al. Using the mobile phone as Munsell soil-colour sensor: An experiment under controlled illumination conditions[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2013, 99(7): 200–208

[8] Levin N, BenaDor E, Singer A. A digital camera as a tool to measure colour indices and related properties of sandy soils in semiaarid environments[J]. International Journal of Remote Sensing, 2005, 26(24): 5475–5492

[9] Baumann K, Sch?ning I, Schrumpf M, et al. Rapid assessment of soil organic matter: Soil color analysis and fourier transform infrared spectroscopy[J]. Geoderma, 2016, 278: 49–57

[10] Fernandez R N, Schulze D G. Calculation of soil color from reflectance spectra[J]. Soil Science Society of America Journal, 1987, 51(5): 1277–1282

[11] Thompson J A, Pollio A R, Turk P J. Comparison of Munsell Soil Color Charts and the GLOBE Soil Color Book[J]. Soil Science Society of America Journal, 2013, 77(6): 2089–2093

[12] 謝文, 趙小敏, 郭熙, 等. 基于組合模型的廬山森林土壤有效鐵光譜間接反演研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(3): 601–612

[13] Schoeneberger P J, Wysocki D A, Benham E C, et al. Field book for describing and sampling soils, Version 3.0[M]. Lincoln: Natural Resources Conservation Service, National Soil Survey Centre, 2012

[14] 余建軍, 陳沅, 白曉梅, 等. 《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)土壤色卡》中芒塞爾顏色系統(tǒng)的建立[J]. 土壤, 1997, 29(4): 212–214

[15] Santana O A, Encinas J I, Amorim L B D, et al. Relationship between redness index of soil and carbon stock of aerial biomass in Cerrado vegetation[J]. Ciência Florestal, 2013, 23(4): 783–794

[16] Han P, Dong D, Zhao X, et al. A smartphone-based soil color sensor: For soil type classification[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2016, 123: 232–241

[17] 馮力威, 吳克寧, 查理思, 等. 仰韶文化遺址區(qū)古土壤色度特征及其氣候意義[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(5): 892–897

[18] Stiglitz R, Mikhailova E, Post C, et al. Evaluation of an inexpensive sensor to measure soil color[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2016, 121(C): 141–148

[19] Islam K, McBratney A B, Singh B. Estimation of soil colour from visible reflectance spectra[A]//SuperSoil Committee. SuperSoil 2004: 3rd Australian New Zealand Soils Conference[C]. Sydney: The Regional Institute, 2004

Comparison of Color Accuracy Between Chinese Standard Soil Color Charts and Japanese New Standard Soil Color Book

YAN Zhaomin, YUAN Dagang*, CHEN Jianke, Lü Yang, WENG Qian, FU Hongyang, WANG Changquan

(College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130,)

The purposes of this paper are comparing the accuracies and differences between Chinese Standard Soil Color Charts (1989, abbreviated as Chinese Charts) and Japanese New Standard Soil Color Book (2014, abbreviated as Japanese Charts), and determining whether the latter can also be used to determine the color of Chinese soil. Firstly, the Munsell hues (H), value (V) and chroma (C) values of all the color chips of the two color charts were measured with the Japanese Konica Minolta CM-600d spectrophotometer, then the differences between the measured and the stated values were evaluated by using statistical parameters such as mean square error (MSE) and root mean square error (RMSE) with the help of a soil color difference grade standard (faint, distinct, prominent), and finally the sources of the measurement variation were examined by the generalized linear mixed model (GLMMs). The results showed that MSE and RMSE of the stated and measured values are shown in H as Japanese Charts slightly higher than Chinese Charts. In terms of V and C, Japanese Charts is far below Chinese Charts, which are 71.43%, 63.49% and 47.17% and 39.24%, respectively. For those color chips which are commonly used and have the same color hues in the two charts, 6 (only 2.07%) of the 290 color chips in Japanese Charts have distinct differences, while 27 (9.34%) of the 289 color chips in Chinese Charts have distinct differences, but there are no prominent differences between the two charts. The GLMMs statistical model showed a significant difference between the two charts (< 0.000 1). Japanese Charts is more accurate in V and C than Chinese Charts, however, Chinese Charts has more colorful chips with Chinese characteristics and is more suitable for the identification need of Chinese soil color.

Soil color; Soil color charts; Munsell color space; Spectrophotometer

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671218)和國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014FY110200A12)資助。

690654034@qq.com)

晏昭敏(1995—)，女，四川瀘州人，碩士研究生，主要從事土壤資源可持續(xù)利用研究。E-mail: 1756000941@qq.com

S152.2+4

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.028