基于多光谱的兴城土壤与母岩继承关系研究

马佳敏，杨月稳，王建国，李红

吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

土壤是陆地生态系统的重要组成部分,为植物的生长发育不断提供所必须的水分和营养成分。成土母质是土壤重要的物质基础，能直接影响土壤的矿物组成和土壤颗粒组成[1]。卢胜等[2]对土壤痕量重金属元素含量分析发现，片麻岩区发育的土壤痕量重金属含量均大于花岗岩区；郭荣发等[3]在对雷州半岛地区玄武岩发育砖红壤、粤中花岗岩发育赤红壤和粤北石灰岩发育红壤3种自然土壤的研究中表明，玄武岩发育的砖红壤的pH值最小。对母岩与其上覆被土壤关系的研究对于认识土壤特性[4]、精准识别不同地质区域土壤类型[5]，提高土壤的利用效率、优化区域农业生产力布局和土地资源配置都具有极其重要的意义。

目前，在研究土壤与母岩的关系中何腾兵等[6--7]主要是通过测量有机质含量、土壤酸碱性、阳离子交换量等土壤理化性质进行分析，易泽邦[8--12]等主要将光谱学应用于矿物探测、区分岩性信息以及对土壤元素进行估算等，国外学者主要将光谱学用于测量或预测土壤有机质等土壤性质[13--16]。综合国内外研究，目前尚未见用光谱验证土壤和母质的矿物关系的研究。

笔者通过矿物光谱验证土壤和母岩的关系，为研究土壤的物源特征和根据花岗岩岩性特征推测发育的土壤类型提供建议，为土壤和母质的研究提供新的思路。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

兴城市是辽宁省的省辖县级市，位于华北克拉通北缘东段[17]，地理坐标大致介于120°06′～120°50′E，40°16′～40°50′N之间(图1)。地势总体上呈东南地区低而西北地区高，气候属亚湿润性气候区。

图1 兴城遥感影像图

兴城地区出露的地层较为齐全，是典型的华北型序列，太古代结晶基底之上依次发育中--新元古界、古生界、中生界和新生界等火山--沉积地层。其内绥中花岗岩是2.5 Ga年前的太古宙时期形成的最古老的大陆地壳，主要分布在兴城市西南部的望海满族乡、南大满族乡、东辛庄镇北部、沙后所镇等与绥中县相邻的地区和北部的兴城市林场北部、首山周围，还有菊花岛的南部和中部部分地区。

兴城市地处中国北温带亚湿润季风气候区，以淋溶型成土过程为主。形成的土壤主要类型有盐土、水稻土、草甸土和棕壤等4大主要土类，共10个亚类(图2)、29个土属、46个土种，土壤面积21.53万hm2。棕壤是兴城的地带性土壤，面积最大，占兴城土壤总面积的73.39%，广泛分布于兴城市北部和东部，盐土、水稻土和草甸土主要分布于西部的沙后所镇、望海满族乡和东辛庄镇的西部部分地区。

图2 兴城土壤分布图

1.2 数据来源

将兴城土壤图和葫芦岛市分幅(K51C004001)地质图在ArcGIS 10.2中进行校正并矢量化，得到兴城地区土壤类型分布数据与绥中花岗岩地层数据，ASTER数据来源于美国地质勘探局网站[18]，DEM数据来源于地理空间数据云。

1.3 样品采集与测试

1.3.1 样品采集

土壤采集于2016年8月，将兴城市尖山地区和望海满族乡2个地区作为采样点。采集土壤样品时去除覆盖物，分别采集耕作层、心土层、底土层和母质层土壤，放在样品布袋中，统一编号后带入实验室，共采集土壤样品12个。

1.3.2 数据测试

花岗岩光谱数据来源于中国地质调查局项目(DD20160104)成果中2013年兴城走廊带光谱。

在吉林大学光谱实验室利用FieldSpecPro型光谱分析仪[19]对土壤样品进行测定，每个土壤样品测试5次，取其平均值，得到最终的土壤光谱数据。

2 数据处理与结果分析

2.1 遥感影像处理

ASTER遥感影像共有14个波段，对兴城绥中花岗岩基质棕壤土进行研究，需要对兴城的土地利用情况进行简要分析，在此选择近红外可见光(VNIR)的3个波段Band1、Band2和Band3进行研究。对原始影像进行处理和裁剪，采用监督分类法，根据兴城的土地利用状况，将地物主要分为耕地、林草地、建设用地、水域和盐场5类。

用绥中花岗岩作为掩膜提取该地区的地类，得到该地区的土地利用现状分布图(图3),绥中花岗岩所在的区域中棕壤占97.69%，其中69.98%为耕地，还有少部分林草地，基本不含水域、道路和建设用地及盐场。

图3 兴城土地利用现状分布图

2.2 光谱特征分析

2.2.1 兴城地区花岗岩和棕壤的光谱特征

绥中花岗岩的岩石成分为二长花岗岩，经过查询，2013年兴城走廊带中二长花岗岩共有2个岩石标本，均取自望海地区，分为风化面和新鲜面，编号分别是WH1002F、WH1002X和WH2079F、WH2079X。利用ViewSpecPro软件计算得到岩石5次测量结果的平均值，绘制岩石光谱图。

棕壤样本采自于兴城的尖山地区和望海满族乡，土壤剖面由上至下分别为耕作层、心土层、底土层和母质层，在不同土壤层中分别取适量土壤样品，带回实验室进行测试。为保证样品测量的准确性，减小实验可能造成的误差，每份土壤样品通过ASD光谱分析仪的测量得到5次结果，经过ViewSpecPro软件的计算分别得到其平均值，由此得到其土壤光谱曲线(图4)。

a1.WH1002花岗岩光谱曲线；a2.WH2079花岗岩光谱曲线；b1.尖山土壤光谱曲线；b2.望海土壤光谱曲线。

取自尖山地区和望海满族乡不同剖面棕壤的土壤光谱曲线(图4 b1、b2)变化趋势一致，光谱吸收位置相同，但望海地区土壤光谱反射率明显大于尖山地区土壤光谱反射率，可以推测两地棕壤的理化性质不同。望海地区二长花岗岩编号为WH1002和WH2079岩石标本的光谱曲线略有不同，但变化趋势大体一致，均在1 000 nm和1 850 nm处出现明显的吸收峰，吸收峰出现的位置也大致相同。对比望海地区土壤光谱曲线与二长花岗岩光谱曲线，土壤光谱的光谱吸收位置与编号为WH2079的岩石标本的光谱吸收位置相同，但是土壤光谱反射率与岩石光谱反射率不同，岩石光谱反射率较高。由此推测，望海地区二长花岗岩发育的棕壤是编号WH2079的花岗岩发育而来，而光谱反射率不同是因为经过漫长的成土过程，花岗岩由母质慢慢发育为土壤，其矿物成分含量随着时间的流逝相应的减少。

2.2.2 花岗岩和棕壤的矿物光谱特征分析

绥中花岗岩以似斑状黑云二长花岗岩为主[20]，在ENVI遥感光谱库中，参考USGS矿物波谱数据库，二长花岗岩的组成矿物包括钾长石、斜长石、石英和黑云母，其光谱吸收峰位置如图5所示。

a.钾长石光谱曲线；b.斜长石光谱曲线；c.石英光谱曲线；d.云母光谱曲线。

根据编号为WH2079的二长花岗岩新鲜面的光谱曲线图，光谱在可见光波段范围内，在0.65 μm的位置有一个较小的吸收峰；在近红外短波和近红外长波范围内，在1.0 μm、1.83 μm和1.9 μm处有较大的吸收光谱，在1.32 μm、1.4 μm和2.20 μm处有较小的吸收光谱。依据阳离子和振动基的光谱特征[21--22](表1)可知，二长花岗岩中可能含较多的OH-和Fe2+。

表1 常见阳离子和振动基的光谱特征

棕壤的矿物成分以云母为主，还有一定量的高岭石、蒙脱石和少量的绿泥石和蛭石；矿物中含有铁和锰等金属元素。观察尖山和望海地区棕壤土样品的光谱曲线可以看出，光谱在0.65 μm、1.34 μm、1.42 μm以及2.20 μm处有较小的吸收峰，在1.0 μm、1.85 μm和1.9 μm处有较大的吸收峰。

3 讨论

易泽邦等研究表明近红外光谱分析技术引用于土壤矿物分析可行[8]。本文利用土壤和岩石的光谱，参考韦晶利用矿物波谱进行矿物识别的方法[10]，通过对比美国USGS矿物波谱库中标准矿物的光谱特征，以及矿物元素的波谱吸收位置，验证兴城地区的棕壤的矿物成分主要从绥中花岗岩母质继承而来这一结论，为研究土壤和岩石的矿物继承关系提供了新的思路。

4 结论

(1)绥中花岗岩与棕壤空间分布一致，且望海地区二长花岗岩与棕壤的波谱形状大致相同，光谱吸收峰位置一致，可以判定该地区棕壤与绥中花岗岩具有明显的继承关系。

(2)结合绥中花岗岩矿物成分波谱特征分析和棕壤的矿物成分特征分析，二者具有相似的阳离子和振动基的光谱特征，可以推测得出：兴城地区棕壤和绥中花岗岩中的矿物成分具有一致性特征。