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

引言

土壤反射光谱特征是土壤理化性质的综合反映，被用于土壤理化性质预测与土壤反射光谱分类，该方法具有非破坏性、快速、环保等优点。不同土壤的反射光谱特征存在差异，这种差异是土壤矿物造成的。因为土壤矿物占干土的90%以上，而且成土母质决定了土壤反射光谱曲线的基本形状（骨架）特征，成土母质又是由不同的土壤矿物组成的。当前对土壤矿物的研究一般有土壤中矿物的组成、矿物的反射光谱特征等方面。Rossel等以400~2500nm的土壤反射光谱特征为研究对象，结合纯矿物的光谱特征预测土壤中的矿物组成。杜昌文等分析了蒙脱石、伊利石和高岭石在中红外波段的反射光谱特征，结合光谱分析定义了不同区域土壤的性质。梁树能等分析了绿泥石中不同矿物成分与反射光谱之间的关系，发现绿泥石矿物的诊断性特征吸收波长位置随绿泥石中Fe离子含量的增加而向长波方向移动。高鹏等认为自然条件和人为干扰是土壤矿物质空间异质性的主要影响因素。张小梦等以月球光谱仪成像数据为研究对象，研究了月球上冷海地区玄武岩的矿物成分及这些成分的分布特征。

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。

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）明确影响土壤反射光谱特征的矿物有哪些，粘土矿物和原生矿物哪个是主要影响因素?

实验部分

2.1 研究区概况

以松嫩平原黑龙江部分作为研究区，松嫩平原位于我国东北地区中西部，由湖泊河流和风沙冲击形成的一个冲积平原。黑土、黑钙土、草甸土、风砂土为松嫩平原四种主要土壤类型。黑土分布在东部，由北向南延伸，黑土中含有大量的有机质和腐殖质并且无钙积层和石灰反应；黑钙土分布在中部，由北向南延伸，黑钙土中含有碳酸钙淋溶淀积层，通透性一般；风砂土主要分布在西南部，一般存在于江河沿岸洪泛区等地，土质松散，孔隙度在43%左右；草甸土几乎分布在整个平原，大多存在于水泊或地势低洼处，土壤腐殖质含量高，孔隙度在53%~59%之间。采样点分布图见图1。

图1采样点分布图

2.2 土样采集与处理

土壤样本采集于2014年，采集了松嫩平原的四种典型土壤：黑钙土、草甸土、黑土和风砂土，选择了面积较大的7个土属（表1），共计54个0~20cm表层土壤样本作为研究对象。土壤样本经过研磨、风干、过2mm筛等处理并光谱测试。

表1松嫩平原土类和土属样本信息及缩写

2.3 土壤光谱测试

可采用莱森光学的iSpecField系列便携式地物光谱仪在暗室内对风干土样进行光谱测试。对得到的光谱反射数据进行九点平滑、10nm重采样和去包络线处理。

2.4 矿物光谱测试

对54个土壤样本进行矿物含量测试，样本涵盖了4个土类和7个土属。在最新的USGS矿物光谱库中挑选出松嫩平原主要原生矿物和粘土矿物的反射光谱曲线，包括石英、钾长石、钠长石、方解石、蒙脱石、伊利石和高岭石。将这些反射光谱曲线进行九点平滑、10nm重采样和去包络线处理，与测试的54个土壤样本的反射光谱去包络线进行对比分析。

结果与讨论

3.1 主要土属反射光谱特征

图2为不同土属反射光谱去包络线。黑钙土的三个土属表现出三种反射光谱特征[图2（a），（b）和（c）]，LCACH的第一个吸收谷深度一般在0.071，第二个在0.057，第一个吸收谷深度普遍大于第二个吸收谷深度；SCACH的第一个吸收谷比较对称而且较深，第二个吸收谷特别小；SMCH前两个吸收谷的深度基本相同，体现出“W”型特征。图2（d）和（e）分别是LBS和SFMA，LBS和SFMA的反射光谱特征都只有一种变化趋势，LBS的前两个吸收谷特别深，第一个吸收谷不太明显；SFMA的变化趋势与SCACH相似，但SF-MA的第一个吸收谷更对称，对称度为0.5。图2（f）和（g）是两种草甸土（SCAMS和SSMS），SCAMS有两种反射光谱特征，这两种光谱特征分别和LCACH与LBS的反射光谱特征相似；SSMS的反射光谱特征与砂性土相似，但第二个吸收谷更深一些，第四个吸收谷明显比砂性土深。

图2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

3.2 松嫩平原主要土壤矿物含量分析

表2为松嫩平原7个土属的矿物含量，表中各土属的矿物含量由每个土属样本矿物含量取平均值求得。从表2中可以看出，7个土属的石英含量很高，钾长石和钠长石的含量比较高，石英和两种长石的含量占比达到60%~80%左右。松嫩平原的主要成土母质细粒矿物类型有花岗岩残积母质、山麓冲积-洪积物、黄土性淤积物等。这些成土母质矿物中，石英和长石含量比较高。矿物含量第三高的是蒙脱石，不同土属蒙脱石含量差异比较大。SCACH和SFMA蒙脱石含量比较低，LBS和SCAMS比它俩的蒙脱石含量高一些，其他土属的蒙脱石含量相近且含量比较高。伊利石、闪石、高岭石和方解石的含量所占比例较小，总含量占比只有10%左右，伊利石的含量整体比其他三类矿物的含量高一些。基于上述分析，每个土属的石英、长石含量都很高，闪石和方解石的含量比较低，所以蒙脱石和伊利石是对土壤反射光谱曲线产生影响的主要因素，高岭石可能也对土壤反射光谱曲线产生影响。

表2不同土属主要矿物含量（%）

结论

以松嫩平原四种典型土壤耕层 (0~20cm)和主要土壤矿物的反射光谱数据为研究对象，通过矿物含量和矿物的反射光谱特征分析影响土壤反射光谱特征的主要因素，得出如下结论: (1) 粘土矿物是影响土壤反射光谱特征的主要因素，特别是蒙脱石和伊利石，蒙脱石影响土壤反射光谱曲线的第一个吸收谷，伊利石影响第二个吸收谷，在蒙脱石和伊利石不同含量配比下，形成了不同土属的前两个吸收谷的形状差异

(2)蒙脱石和伊利石的含量较高时，掩盖了高岭石和原生矿物的反射光谱特征，蒙脱石和伊利石的含量偏低时，高岭石和长石类矿物共同影响土壤的反射光谱特征，高岭石决定了水分吸收带前的两个小吸收谷。

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审核编辑 黄宇