引言

土壤礦物包括土壤固相物質(zhì)中除土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）和生物體以外的所有無(wú)機(jī)質(zhì)部分，構(gòu)成了土壤的骨骼，分為原生礦物（如石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石、輝石等）和次生（粘土）礦物（如高嶺石、蒙脫石、水云母、含水氧化鐵、含水氧化鋁等）。粘土礦物類(lèi)型主要包括：蒙蛭組（蒙脫石為主）、水化云母組（伊利石）、高嶺組（高嶺石）、綠泥石組（綠泥石）。從土壤發(fā)生學(xué)的角度理解土壤的組成，原生礦物記載了土壤形成之前原始的母質(zhì)特征，次生（粘土）礦物記載著土壤的形成過(guò)程、表征土壤風(fēng)化的發(fā)育程度及肥力水平。

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。這是因?yàn)椋?/p>

（1）土壤礦物屬于土壤學(xué)與地質(zhì)學(xué)交叉學(xué)科研究對(duì)象，土壤學(xué)專(zhuān)家研究土壤礦物，一般樣本較少；而地質(zhì)學(xué)家側(cè)重巖石，較少研究土壤礦物時(shí)空分布。

（2）過(guò)去土壤礦物測(cè)試成本高，定性、半定量測(cè)試，只能得出土壤有何種礦物，無(wú)法測(cè)定準(zhǔn)確含量，難以得到規(guī)律性發(fā)現(xiàn)。目前，已可以實(shí)現(xiàn)土壤礦物的定量測(cè)試、土壤粘土礦物的提取與分離。

（3）已有研究指出，SOM含量2%以上可以掩蓋其他特征，SOM的主要光譜范圍在400~700，620~660和570~630nm，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）粘土礦物和原生礦物哪個(gè)是主要影響因素?（2）分析主要礦物影響土壤反射光譜特征的作用大小。

結(jié)果與討論

2.1 主要原生礦物與粘土礦物反射光譜特征

圖3為原生礦物與粘土礦物的反射光譜去包絡(luò)線(xiàn)圖。蒙脫石在460~590nm有相對(duì)窄的吸收谷，1400nm之前反射光譜曲線(xiàn)較平緩，沒(méi)有特別明顯的吸收特征，水分吸收帶（1400和1900nm）有很明顯的吸收特征，這與蒙脫石本身的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；伊利石在1120nm有很強(qiáng)的吸收特征，吸收深度為0.334；高嶺石在1000nm之前沒(méi)有特別明顯的吸收特征，但在1400和1900nm前分別有較小的吸收特征[圖3（a）]。對(duì)于原生礦物來(lái)說(shuō)，石英在400~2500nm范圍內(nèi)沒(méi)有顯著的吸收特征，比較平緩；方解石在850nm之前很平緩，1900nm附近開(kāi)始出現(xiàn)比較小的吸收谷；鉀長(zhǎng)石在430~610nm有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的吸收谷，1900nm附近有一個(gè)小吸收谷；鈉長(zhǎng)石在550~810nm同蒙脫石相似，有一個(gè)小吸收谷，但位置略微右移，而且吸收谷較寬[圖3（b）]。

圖3原生礦物與粘土礦物反射光譜去包絡(luò)線(xiàn)

圖（a）：粘土礦物；（b）：原生礦物

2.2 主要土壤礦物對(duì)土屬反射光譜的影響

LCACH，SMCH和SSMS的蒙脫石含量比較高（表2），所以他們的蒙脫石反射光譜特征比較明顯，第一個(gè)吸收谷比其他土屬的第一個(gè)吸收谷小一些，LCACH和SMCH最明顯；LCACH，SMCH和SSMS的伊利石含量也比較高，LCACH和SMCH的第二個(gè)吸收谷比其他土屬寬一些，SSMS卻沒(méi)有，可能是蒙脫石特征掩蓋了伊利石的特征。SCACH和SFMA的蒙脫石和伊利石含量都比較低（表2），所以SCACH和SFMA的蒙脫石和伊利石特征不明顯。SCACH和SFMA的第一個(gè)吸收谷大多都是在430~590nm之間，吸收深度分別為0.063和0.081，表現(xiàn)出“細(xì)長(zhǎng)”的特征[圖2（b）和（e）]；SCACH和SFMA第二個(gè)吸收谷的吸收特征不太明顯，應(yīng)該是受到了鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的影響[圖3（b）]，鉀長(zhǎng)石的第一個(gè)吸收谷在430~600nm之間且吸收深度為0.092，也表現(xiàn)為“細(xì)長(zhǎng)”特征，鈉長(zhǎng)石在第二個(gè)吸收谷位置有很小的吸收特征。SCACH和SFMA的反射光譜去包絡(luò)線(xiàn)在兩個(gè)水分吸收帶（1400和1900nm）前分別有較弱的吸收特征，這是高嶺石對(duì)反射光譜特征的影響，高嶺石在1400和1900nm前也存在兩個(gè)小的吸收特征[圖3（a）]。LBS的蒙脫石含量比較低，伊利石含量較高（表2），所以蒙脫石無(wú)法掩蓋伊利石的反射光譜，受伊利石影響，LBS反射光譜特征與伊利石相似，但伊利石的特征吸收有些右移。SCAMS自身受“向鄰性”影響比較嚴(yán)重，反射光譜特征比較多，很難分析SCAMS受哪種礦物的影響較大。

表２ 不同土屬主要礦物含量（％）

當(dāng)前的研究有對(duì)東北四種典型土壤中粘土礦物組成的分析，但測(cè)試的樣本比較少；張華安等分析了粘土礦物的反射光譜特征，樣本數(shù)雖然多，但當(dāng)時(shí)的礦物測(cè)試精度有限，僅能分析出各粘土礦物的相對(duì)豐度；而本文對(duì)更多的土壤樣本進(jìn)行分析，并且測(cè)試出每個(gè)樣本中的各礦物含量，將這兩個(gè)分析結(jié)合，研究土壤礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，土壤礦物會(huì)影響土壤的反射光譜特征，且在土屬級(jí)別上體現(xiàn)的最明顯。土壤的反射光譜特征主要受蒙脫石、伊利石和高嶺石等粘土礦物影響，但當(dāng)蒙脫石和伊利石含量比較低時(shí)，原生礦物也會(huì)起到影響作用。砂性土的反射光譜去包絡(luò)線(xiàn)在1400和1900nm水分吸收帶附近前有兩個(gè)很小的吸收谷。

2.3 土壤礦物對(duì)反射光譜特征影響的比較（土類(lèi)和土屬）

土壤礦物對(duì)土屬反射光譜特征的影響最明顯，而在土類(lèi)級(jí)別上表現(xiàn)的不明顯。圖1（a），（b）和（c）構(gòu)成了黑鈣土的反射光譜特征，即黑鈣土有三種反射光譜特征。在分析土壤礦物對(duì)黑鈣土反射光譜特征的影響時(shí)，會(huì)比較混亂，因?yàn)槿N反射光譜特征只對(duì)應(yīng)黑鈣土一種粘土礦物和原生礦物的含量。與土類(lèi)相比，土屬就不同，土屬是根據(jù)成土母質(zhì)定義的，而成土母質(zhì)是由很多土壤礦物組成的，所以一個(gè)土屬只對(duì)應(yīng)一種反射光譜特征并且對(duì)應(yīng)一種粘土礦物和原生礦物的含量，更容易明確影響反射光譜特征的主要因素。

圖1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

2.4 影響反射光譜特征的主要土壤礦物

基于前文分析，粘土礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響更大。石英和長(zhǎng)石等原生礦物在每個(gè)土類(lèi)或土屬中都占有很大比例，而蒙脫石、伊利石和高嶺石等粘土礦物在不同土類(lèi)或土屬中所占比例存在差異。

對(duì)于粘土礦物來(lái)說(shuō)，蒙脫石是影響土壤反射光譜特征最主要的因素。當(dāng)蒙脫石含量很高時(shí)，主要體現(xiàn)蒙脫石的特征，即使伊利石的含量也很高，伊利石會(huì)有所體現(xiàn)，但不是特別明顯，比如LCACH和SMCH的伊利石含量都高于LBS的伊利石含量，但LBS的伊利石特征最明顯，因?yàn)長(zhǎng)CACH和SMCH的蒙脫石特征掩蓋了大部分伊利石特征。對(duì)于砂性土來(lái)說(shuō)（SCACH和SFMA），它們的反射光譜特征與粘土礦物的反射光譜特征不同，而與鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石這兩個(gè)原生礦物的反射光譜特征相似。

2.5 水分吸收帶前存在小吸收谷的土屬

砂性土（SCACH和SFMA）在1400和1900nm兩個(gè)水分吸收帶前都有較小的吸收特征，而非砂性土的土類(lèi)或土屬中基本沒(méi)有這個(gè)特征。這是因?yàn)樯靶酝恋拿擅撌鸵晾亢艿?，這兩種粘土礦物的反射光譜特征不能體現(xiàn)，而高嶺石的含量足夠高，蒙脫石和伊利石的特征不能將其掩蓋。圖1中顯示，LCACH，SCACH，SMCH和SFMA中都有這種小的吸收特征，但通過(guò)對(duì)每一個(gè)樣本反射光譜曲線(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，SCACH和SFMA中的大多數(shù)樣本都有這兩個(gè)小吸收谷，僅一到兩個(gè)樣本沒(méi)有這種特征。

2.6 研究的不足之處及下一步研究

初步探討了土壤礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響因素，認(rèn)為蒙脫石和伊利石是影響土壤反射光譜特征的主要因素，當(dāng)蒙脫石和伊利石含量較低時(shí)，高嶺石和長(zhǎng)石類(lèi)礦物是決定土壤反射光譜特征的主要因素。但研究樣本54個(gè)，樣本數(shù)偏少。雖然確定了影響反射光譜特征的主要因素，但應(yīng)該更進(jìn)一步的確定不同蒙脫石和伊利石含量配比情況下的反射光譜特征。對(duì)于砂性土來(lái)說(shuō)，蒙脫石和伊利石的含量存在一個(gè)閾值，但這個(gè)閾值的具體數(shù)值是多少，還需要更進(jìn)一步的研究。

結(jié)論

粘土礦物對(duì)土壤反射光譜特征的影響程度依次為蒙脫石>伊利石>高嶺石，蒙脫石的含量足夠高時(shí)，以體現(xiàn)蒙脫石的反射光譜特征為主，體現(xiàn)伊利石的特征為次，當(dāng)蒙脫石和伊利石的含量都較低時(shí)，才以高嶺石的反射光譜特征為主。研究結(jié)果解釋了不同土壤反射光譜特征差異的原因，分析了不同礦物的反射光譜特征，可以為士壤分類(lèi)、土壤理化參數(shù)預(yù)測(cè)和礦物分布等研究提供理論依據(jù)，為土壤精細(xì)制圖、土壤和礦物資源的利用和保護(hù)提供技術(shù)支持。

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審核編輯 黃宇