引言

土壤礦物包括土壤固相物質中除土壤有機質（SOM）和生物體以外的所有無機質部分，構成了土壤的骨骼，分為原生礦物（如石英、長石、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）。從土壤發生學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特征，次生（粘土）礦物記載著土壤的形成過程、表征土壤風化的發育程度及肥力水平。

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土壤反射光譜特征的影響。這是因為：

（1）土壤礦物屬于土壤學與地質學交叉學科研究對象，土壤學專家研究土壤礦物，一般樣本較少；而地質學家側重巖石，較少研究土壤礦物時空分布。

（2）過去土壤礦物測試成本高，定性、半定量測試，只能得出土壤有何種礦物，無法測定準確含量，難以得到規律性發現。目前，已可以實現土壤礦物的定量測試、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，但本文發現即使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據作為研究對象，進行對比分析，明確土壤礦物對土壤反射光譜特征的影響機理。具體目標包括：（1）粘土礦物和原生礦物哪個是主要影響因素?（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線圖。蒙脫石在460~590nm有相對窄的吸收谷，1400nm之前反射光譜曲線較平緩，沒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構有關；伊利石在1120nm有很強的吸收特征，吸收深度為0.334；高嶺石在1000nm之前沒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）]。對于原生礦物來說，石英在400~2500nm范圍內沒有顯著的吸收特征，比較平緩；方解石在850nm之前很平緩，1900nm附近開始出現比較小的吸收谷；鉀長石在430~610nm有一個細長的吸收谷，1900nm附近有一個小吸收谷；鈉長石在550~810nm同蒙脫石相似，有一個小吸收谷，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線

圖（a）：粘土礦物；（b）：原生礦物

2.2 主要土壤礦物對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，第一個吸收谷比其他土屬的第一個吸收谷小一些，LCACH和SMCH最明顯；LCACH，SMCH和SSMS的伊利石含量也比較高，LCACH和SMCH的第二個吸收谷比其他土屬寬一些，SSMS卻沒有，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，表現出“細長”的特征[圖2（b）和（e）]；SCACH和SFMA第二個吸收谷的吸收特征不太明顯，應該是受到了鉀長石和鈉長石的影響[圖3（b）]，鉀長石的第一個吸收谷在430~600nm之間且吸收深度為0.092，也表現為“細長”特征，鈉長石在第二個吸收谷位置有很小的吸收特征。SCACH和SFMA的反射光譜去包絡線在兩個水分吸收帶（1400和1900nm）前分別有較弱的吸收特征，這是高嶺石對反射光譜特征的影響，高嶺石在1400和1900nm前也存在兩個小的吸收特征[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（％）

當前的研究有對東北四種典型土壤中粘土礦物組成的分析，但測試的樣本比較少；張華安等分析了粘土礦物的反射光譜特征，樣本數雖然多，但當時的礦物測試精度有限，僅能分析出各粘土礦物的相對豐度；而本文對更多的土壤樣本進行分析，并且測試出每個樣本中的各礦物含量，將這兩個分析結合，研究土壤礦物對土壤反射光譜特征的影響。研究發現，土壤礦物會影響土壤的反射光譜特征，且在土屬級別上體現的最明顯。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，但當蒙脫石和伊利石含量比較低時，原生礦物也會起到影響作用。砂性土的反射光譜去包絡線在1400和1900nm水分吸收帶附近前有兩個很小的吸收谷。

2.3 土壤礦物對反射光譜特征影響的比較（土類和土屬）

土壤礦物對土屬反射光譜特征的影響最明顯，而在土類級別上表現的不明顯。圖1（a），（b）和（c）構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。在分析土壤礦物對黑鈣土反射光譜特征的影響時，會比較混亂，因為三種反射光譜特征只對應黑鈣土一種粘土礦物和原生礦物的含量。與土類相比，土屬就不同，土屬是根據成土母質定義的，而成土母質是由很多土壤礦物組成的，所以一個土屬只對應一種反射光譜特征并且對應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）：黃土質石灰性黑鈣土；（b）：砂壤質石灰性黑鈣土；（c）：砂底草甸黑鈣土；（d）：黃土質黑土；（e）：半固定草甸風沙土；（f）：粘壤質石灰性草甸土；（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，粘土礦物對土壤反射光譜特征的影響更大。石英和長石等原生礦物在每個土類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或土屬中所占比例存在差異。

對于粘土礦物來說，蒙脫石是影響土壤反射光譜特征最主要的因素。當蒙脫石含量很高時，主要體現蒙脫石的特征，即使伊利石的含量也很高，伊利石會有所體現，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，因為LCACH和SMCH的蒙脫石特征掩蓋了大部分伊利石特征。對于砂性土來說（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，而與鉀長石和鈉長石這兩個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兩個水分吸收帶前都有較小的吸收特征，而非砂性土的土類或土屬中基本沒有這個特征。這是因為砂性土的蒙脫石和伊利石含量很低，這兩種粘土礦物的反射光譜特征不能體現，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，但通過對每一個樣本反射光譜曲線的分析發現，SCACH和SFMA中的大多數樣本都有這兩個小吸收谷，僅一到兩個樣本沒有這種特征。

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土壤反射光譜特征的影響因素，認為蒙脫石和伊利石是影響土壤反射光譜特征的主要因素，當蒙脫石和伊利石含量較低時，高嶺石和長石類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，樣本數偏少。雖然確定了影響反射光譜特征的主要因素，但應該更進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。對于砂性土來說，蒙脫石和伊利石的含量存在一個閾值，但這個閾值的具體數值是多少，還需要更進一步的研究。

結論

粘土礦物對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，以體現蒙脫石的反射光譜特征為主，體現伊利石的特征為次，當蒙脫石和伊利石的含量都較低時，才以高嶺石的反射光譜特征為主。研究結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、土壤理化參數預測和礦物分布等研究提供理論依據，為土壤精細制圖、土壤和礦物資源的利用和保護提供技術支持。

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審核編輯 黃宇