土壤礦物對(duì)松嫩平原主要土壤類型反射光譜特征的影響機(jī)理

引言

土壤反射光譜特征是土壤理化性質(zhì)的綜合反映，被用于土壤理化性質(zhì)預(yù)測(cè)與土壤反射光譜分類，該方法具有非破壞性、快速、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。不同土壤的反射光譜特征存在差異，這種差異是土壤礦物造成的。因?yàn)橥寥赖V物占干土的90%以上，而且成土母質(zhì)決定了土壤反射光譜曲線的基本形狀（骨架）特征，成土母質(zhì)又是由不同的土壤礦物組成的。當(dāng)前對(duì)土壤礦物的研究一般有土壤中礦物的組成、礦物的反射光譜特征等方面。Rossel等以400~2500nm的土壤反射光譜特征為研究對(duì)象，結(jié)合純礦物的光譜特征預(yù)測(cè)土壤中的礦物組成。杜昌文等分析了蒙脫石、伊利石和高嶺石在中紅外波段的反射光譜特征，結(jié)合光譜分析定義了不同區(qū)域土壤的性質(zhì)。梁樹能等分析了綠泥石中不同礦物成分與反射光譜之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)綠泥石礦物的診斷性特征吸收波長位置隨綠泥石中Fe離子含量的增加而向長波方向移動(dòng)。高鵬等認(rèn)為自然條件和人為干擾是土壤礦物質(zhì)空間異質(zhì)性的主要影響因素。張小夢(mèng)等以月球光譜儀成像數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，研究了月球上冷海地區(qū)玄武巖的礦物成分及這些成分的分布特征。

不管是土壤礦物成分的研究還是土壤礦物反射光譜特征的分析，大部分忽略了土壤礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響。

但本文發(fā)現(xiàn)即使SOM含量較高的黑土，也不能完全掩蓋土壤礦物的反射光譜特征，尤其是粘土礦物的反射光譜特征。因此以松嫩平原四種典型土壤和主要原生礦物和粘土礦物的反射光譜數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，進(jìn)行對(duì)比分析，明確土壤礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響機(jī)理。具體目標(biāo)包括：（1）明確影響土壤反射光譜特征的礦物有哪些，粘土礦物和原生礦物哪個(gè)是主要影響因素?

實(shí)驗(yàn)部分

2.1 研究區(qū)概況

以松嫩平原黑龍江部分作為研究區(qū)，松嫩平原位于我國東北地區(qū)中西部，由湖泊河流和風(fēng)沙沖擊形成的一個(gè)沖積平原。黑土、黑鈣土、草甸土、風(fēng)砂土為松嫩平原四種主要土壤類型。黑土分布在東部，由北向南延伸，黑土中含有大量的有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)并且無鈣積層和石灰反應(yīng)；黑鈣土分布在中部，由北向南延伸，黑鈣土中含有碳酸鈣淋溶淀積層，通透性一般；風(fēng)砂土主要分布在西南部，一般存在于江河沿岸洪泛區(qū)等地，土質(zhì)松散，孔隙度在43%左右；草甸土幾乎分布在整個(gè)平原，大多存在于水泊或地勢(shì)低洼處，土壤腐殖質(zhì)含量高，孔隙度在53%~59%之間。采樣點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1采樣點(diǎn)分布圖

2.2 土樣采集與處理

土壤樣本采集于2014年，采集了松嫩平原的四種典型土壤：黑鈣土、草甸土、黑土和風(fēng)砂土，選擇了面積較大的7個(gè)土屬（表1），共計(jì)54個(gè)0~20cm表層土壤樣本作為研究對(duì)象。土壤樣本經(jīng)過研磨、風(fēng)干、過2mm篩等處理并光譜測(cè)試。

表1松嫩平原土類和土屬樣本信息及縮寫

2.3 土壤光譜測(cè)試

可采用萊森光學(xué)的iSpecField系列便攜式地物光譜儀在暗室內(nèi)對(duì)風(fēng)干土樣進(jìn)行光譜測(cè)試。對(duì)得到的光譜反射數(shù)據(jù)進(jìn)行九點(diǎn)平滑、10nm重采樣和去包絡(luò)線處理。

2.4 礦物光譜測(cè)試

對(duì)54個(gè)土壤樣本進(jìn)行礦物含量測(cè)試，樣本涵蓋了4個(gè)土類和7個(gè)土屬。在最新的USGS礦物光譜庫中挑選出松嫩平原主要原生礦物和粘土礦物的反射光譜曲線，包括石英、鉀長石、鈉長石、方解石、蒙脫石、伊利石和高嶺石。將這些反射光譜曲線進(jìn)行九點(diǎn)平滑、10nm重采樣和去包絡(luò)線處理，與測(cè)試的54個(gè)土壤樣本的反射光譜去包絡(luò)線進(jìn)行對(duì)比分析。

結(jié)果與討論

3.1 主要土屬反射光譜特征

圖2為不同土屬反射光譜去包絡(luò)線。黑鈣土的三個(gè)土屬表現(xiàn)出三種反射光譜特征[圖2（a），（b）和（c）]，LCACH的第一個(gè)吸收谷深度一般在0.071，第二個(gè)在0.057，第一個(gè)吸收谷深度普遍大于第二個(gè)吸收谷深度；SCACH的第一個(gè)吸收谷比較對(duì)稱而且較深，第二個(gè)吸收谷特別??；SMCH前兩個(gè)吸收谷的深度基本相同，體現(xiàn)出“W”型特征。圖2（d）和（e）分別是LBS和SFMA，LBS和SFMA的反射光譜特征都只有一種變化趨勢(shì)，LBS的前兩個(gè)吸收谷特別深，第一個(gè)吸收谷不太明顯；SFMA的變化趨勢(shì)與SCACH相似，但SF-MA的第一個(gè)吸收谷更對(duì)稱，對(duì)稱度為0.5。圖2（f）和（g）是兩種草甸土（SCAMS和SSMS），SCAMS有兩種反射光譜特征，這兩種光譜特征分別和LCACH與LBS的反射光譜特征相似；SSMS的反射光譜特征與砂性土相似，但第二個(gè)吸收谷更深一些，第四個(gè)吸收谷明顯比砂性土深。

圖2不同土屬反射光譜特征

（a）：黃土質(zhì)石灰性黑鈣土；（b）：砂壤質(zhì)石灰性黑鈣土；（c）：砂底草甸黑鈣土；（d）：黃土質(zhì)黑土；（e）：半固定草甸風(fēng)沙土；（f）：粘壤質(zhì)石灰性草甸土；（g）：蘇打鹽化草甸土

3.2 松嫩平原主要土壤礦物含量分析

表2為松嫩平原7個(gè)土屬的礦物含量，表中各土屬的礦物含量由每個(gè)土屬樣本礦物含量取平均值求得。從表2中可以看出，7個(gè)土屬的石英含量很高，鉀長石和鈉長石的含量比較高，石英和兩種長石的含量占比達(dá)到60%~80%左右。松嫩平原的主要成土母質(zhì)細(xì)粒礦物類型有花崗巖殘積母質(zhì)、山麓沖積-洪積物、黃土性淤積物等。這些成土母質(zhì)礦物中，石英和長石含量比較高。礦物含量第三高的是蒙脫石，不同土屬蒙脫石含量差異比較大。SCACH和SFMA蒙脫石含量比較低，LBS和SCAMS比它倆的蒙脫石含量高一些，其他土屬的蒙脫石含量相近且含量比較高。伊利石、閃石、高嶺石和方解石的含量所占比例較小，總含量占比只有10%左右，伊利石的含量整體比其他三類礦物的含量高一些。基于上述分析，每個(gè)土屬的石英、長石含量都很高，閃石和方解石的含量比較低，所以蒙脫石和伊利石是對(duì)土壤反射光譜曲線產(chǎn)生影響的主要因素，高嶺石可能也對(duì)土壤反射光譜曲線產(chǎn)生影響。

表2不同土屬主要礦物含量（%）

結(jié)論

以松嫩平原四種典型土壤耕層 (0~20cm)和主要土壤礦物的反射光譜數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，通過礦物含量和礦物的反射光譜特征分析影響土壤反射光譜特征的主要因素，得出如下結(jié)論: (1) 粘土礦物是影響土壤反射光譜特征的主要因素，特別是蒙脫石和伊利石，蒙脫石影響土壤反射光譜曲線的第一個(gè)吸收谷，伊利石影響第二個(gè)吸收谷，在蒙脫石和伊利石不同含量配比下，形成了不同土屬的前兩個(gè)吸收谷的形狀差異

(2)蒙脫石和伊利石的含量較高時(shí)，掩蓋了高嶺石和原生礦物的反射光譜特征，蒙脫石和伊利石的含量偏低時(shí)，高嶺石和長石類礦物共同影響土壤的反射光譜特征，高嶺石決定了水分吸收帶前的兩個(gè)小吸收谷。

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審核編輯 黃宇