土壤矿物对松嫩平原主要土壤类型反射光谱特征的影响机理2.0

引言

土壤矿物包括土壤固相物质中除土壤有机质（SOM）和生物体以外的所有无机质部分，构成了土壤的骨骼，分为原生矿物（如石英、长石、云母、角闪石、辉石等）和次生（粘土）矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母、含水氧化铁、含水氧化铝等）。粘土矿物类型主要包括：蒙蛭组（蒙脱石为主）、水化云母组（伊利石）、高岭组（高岭石）、绿泥石组（绿泥石）。从土壤发生学的角度理解土壤的组成，原生矿物记载了土壤形成之前原始的母质特征，次生（粘土）矿物记载着土壤的形成过程、表征土壤风化的发育程度及肥力水平。

不管是土壤矿物成分的研究还是土壤矿物反射光谱特征的分析，大部分忽略了土壤矿物对土壤反射光谱特征的影响。这是因为：

（1）土壤矿物属于土壤学与地质学交叉学科研究对象，土壤学专家研究土壤矿物，一般样本较少；而地质学家侧重岩石，较少研究土壤矿物时空分布。

（2）过去土壤矿物测试成本高，定性、半定量测试，只能得出土壤有何种矿物，无法测定准确含量，难以得到规律性发现。目前，已可以实现土壤矿物的定量测试、土壤粘土矿物的提取与分离。

（3）已有研究指出，SOM含量2%以上可以掩盖其他特征，SOM的主要光谱范围在400~700，620~660和570~630nm，但本文发现即使SOM含量较高的黑土，也不能完全掩盖土壤矿物的反射光谱特征，尤其是粘土矿物的反射光谱特征。

因此以松嫩平原四种典型土壤和主要原生矿物和粘土矿物的反射光谱数据作为研究对象，进行对比分析，明确土壤矿物对土壤反射光谱特征的影响机理。具体目标包括：（1）粘土矿物和原生矿物哪个是主要影响因素?（2）分析主要矿物影响土壤反射光谱特征的作用大小。

结果与讨论

2.1 主要原生矿物与粘土矿物反射光谱特征

图3为原生矿物与粘土矿物的反射光谱去包络线图。蒙脱石在460~590nm有相对窄的吸收谷，1400nm之前反射光谱曲线较平缓，没有特别明显的吸收特征，水分吸收带（1400和1900nm）有很明显的吸收特征，这与蒙脱石本身的晶体结构有关；伊利石在1120nm有很强的吸收特征，吸收深度为0.334；高岭石在1000nm之前没有特别明显的吸收特征，但在1400和1900nm前分别有较小的吸收特征[图3（a）]。对于原生矿物来说，石英在400~2500nm范围内没有显著的吸收特征，比较平缓；方解石在850nm之前很平缓，1900nm附近开始出现比较小的吸收谷；钾长石在430~610nm有一个细长的吸收谷，1900nm附近有一个小吸收谷；钠长石在550~810nm同蒙脱石相似，有一个小吸收谷，但位置略微右移，而且吸收谷较宽[图3（b）]。

图3原生矿物与粘土矿物反射光谱去包络线

图（a）：粘土矿物；（b）：原生矿物

2.2 主要土壤矿物对土属反射光谱的影响

LCACH，SMCH和SSMS的蒙脱石含量比较高（表2），所以他们的蒙脱石反射光谱特征比较明显，第一个吸收谷比其他土属的第一个吸收谷小一些，LCACH和SMCH最明显；LCACH，SMCH和SSMS的伊利石含量也比较高，LCACH和SMCH的第二个吸收谷比其他土属宽一些，SSMS却没有，可能是蒙脱石特征掩盖了伊利石的特征。SCACH和SFMA的蒙脱石和伊利石含量都比较低（表2），所以SCACH和SFMA的蒙脱石和伊利石特征不明显。SCACH和SFMA的第一个吸收谷大多都是在430~590nm之间，吸收深度分别为0.063和0.081，表现出“细长”的特征[图2（b）和（e）]；SCACH和SFMA第二个吸收谷的吸收特征不太明显，应该是受到了钾长石和钠长石的影响[图3（b）]，钾长石的第一个吸收谷在430~600nm之间且吸收深度为0.092，也表现为“细长”特征，钠长石在第二个吸收谷位置有很小的吸收特征。SCACH和SFMA的反射光谱去包络线在两个水分吸收带（1400和1900nm）前分别有较弱的吸收特征，这是高岭石对反射光谱特征的影响，高岭石在1400和1900nm前也存在两个小的吸收特征[图3（a）]。LBS的蒙脱石含量比较低，伊利石含量较高（表2），所以蒙脱石无法掩盖伊利石的反射光谱，受伊利石影响，LBS反射光谱特征与伊利石相似，但伊利石的特征吸收有些右移。SCAMS自身受“向邻性”影响比较严重，反射光谱特征比较多，很难分析SCAMS受哪种矿物的影响较大。

表２ 不同土属主要矿物含量（％）

当前的研究有对东北四种典型土壤中粘土矿物组成的分析，但测试的样本比较少；张华安等分析了粘土矿物的反射光谱特征，样本数虽然多，但当时的矿物测试精度有限，仅能分析出各粘土矿物的相对丰度；而本文对更多的土壤样本进行分析，并且测试出每个样本中的各矿物含量，将这两个分析结合，研究土壤矿物对土壤反射光谱特征的影响。研究发现，土壤矿物会影响土壤的反射光谱特征，且在土属级别上体现的最明显。土壤的反射光谱特征主要受蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物影响，但当蒙脱石和伊利石含量比较低时，原生矿物也会起到影响作用。砂性土的反射光谱去包络线在1400和1900nm水分吸收带附近前有两个很小的吸收谷。

2.3 土壤矿物对反射光谱特征影响的比较（土类和土属）

土壤矿物对土属反射光谱特征的影响最明显，而在土类级别上表现的不明显。图1（a），（b）和（c）构成了黑钙土的反射光谱特征，即黑钙土有三种反射光谱特征。在分析土壤矿物对黑钙土反射光谱特征的影响时，会比较混乱，因为三种反射光谱特征只对应黑钙土一种粘土矿物和原生矿物的含量。与土类相比，土属就不同，土属是根据成土母质定义的，而成土母质是由很多土壤矿物组成的，所以一个土属只对应一种反射光谱特征并且对应一种粘土矿物和原生矿物的含量，更容易明确影响反射光谱特征的主要因素。

图1不同土属反射光谱特征

（a）：黄土质石灰性黑钙土；（b）：砂壤质石灰性黑钙土；（c）：砂底草甸黑钙土；（d）：黄土质黑土；（e）：半固定草甸风沙土；（f）：粘壤质石灰性草甸土；（g）：苏打盐化草甸土

2.4 影响反射光谱特征的主要土壤矿物

基于前文分析，粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响更大。石英和长石等原生矿物在每个土类或土属中都占有很大比例，而蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物在不同土类或土属中所占比例存在差异。

对于粘土矿物来说，蒙脱石是影响土壤反射光谱特征最主要的因素。当蒙脱石含量很高时，主要体现蒙脱石的特征，即使伊利石的含量也很高，伊利石会有所体现，但不是特别明显，比如LCACH和SMCH的伊利石含量都高于LBS的伊利石含量，但LBS的伊利石特征最明显，因为LCACH和SMCH的蒙脱石特征掩盖了大部分伊利石特征。对于砂性土来说（SCACH和SFMA），它们的反射光谱特征与粘土矿物的反射光谱特征不同，而与钾长石和钠长石这两个原生矿物的反射光谱特征相似。

2.5 水分吸收带前存在小吸收谷的土属

砂性土（SCACH和SFMA）在1400和1900nm两个水分吸收带前都有较小的吸收特征，而非砂性土的土类或土属中基本没有这个特征。这是因为砂性土的蒙脱石和伊利石含量很低，这两种粘土矿物的反射光谱特征不能体现，而高岭石的含量足够高，蒙脱石和伊利石的特征不能将其掩盖。图1中显示，LCACH，SCACH，SMCH和SFMA中都有这种小的吸收特征，但通过对每一个样本反射光谱曲线的分析发现，SCACH和SFMA中的大多数样本都有这两个小吸收谷，仅一到两个样本没有这种特征。

2.6 研究的不足之处及下一步研究

初步探讨了土壤矿物对土壤反射光谱特征的影响因素，认为蒙脱石和伊利石是影响土壤反射光谱特征的主要因素，当蒙脱石和伊利石含量较低时，高岭石和长石类矿物是决定土壤反射光谱特征的主要因素。但研究样本54个，样本数偏少。虽然确定了影响反射光谱特征的主要因素，但应该更进一步的确定不同蒙脱石和伊利石含量配比情况下的反射光谱特征。对于砂性土来说，蒙脱石和伊利石的含量存在一个阈值，但这个阈值的具体数值是多少，还需要更进一步的研究。

结论

粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响程度依次为蒙脱石>伊利石>高岭石，蒙脱石的含量足够高时，以体现蒙脱石的反射光谱特征为主，体现伊利石的特征为次，当蒙脱石和伊利石的含量都较低时，才以高岭石的反射光谱特征为主。研究结果解释了不同土壤反射光谱特征差异的原因，分析了不同矿物的反射光谱特征，可以为士壤分类、土壤理化参数预测和矿物分布等研究提供理论依据，为土壤精细制图、土壤和矿物资源的利用和保护提供技术支持。

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审核编辑 黄宇