基于多光譜的興城土壤與母巖繼承關(guān)系研究

馬佳敏，楊月穩(wěn)，王建國，李紅

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,為植物的生長發(fā)育不斷提供所必須的水分和營養(yǎng)成分。成土母質(zhì)是土壤重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，能直接影響土壤的礦物組成和土壤顆粒組成[1]。盧勝等[2]對土壤痕量重金屬元素含量分析發(fā)現(xiàn)，片麻巖區(qū)發(fā)育的土壤痕量重金屬含量均大于花崗巖區(qū)；郭榮發(fā)等[3]在對雷州半島地區(qū)玄武巖發(fā)育磚紅壤、粵中花崗巖發(fā)育赤紅壤和粵北石灰?guī)r發(fā)育紅壤3種自然土壤的研究中表明，玄武巖發(fā)育的磚紅壤的pH值最小。對母巖與其上覆被土壤關(guān)系的研究對于認(rèn)識土壤特性[4]、精準(zhǔn)識別不同地質(zhì)區(qū)域土壤類型[5]，提高土壤的利用效率、優(yōu)化區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力布局和土地資源配置都具有極其重要的意義。

目前，在研究土壤與母巖的關(guān)系中何騰兵等[6--7]主要是通過測量有機(jī)質(zhì)含量、土壤酸堿性、陽離子交換量等土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，易澤邦[8--12]等主要將光譜學(xué)應(yīng)用于礦物探測、區(qū)分巖性信息以及對土壤元素進(jìn)行估算等，國外學(xué)者主要將光譜學(xué)用于測量或預(yù)測土壤有機(jī)質(zhì)等土壤性質(zhì)[13--16]。綜合國內(nèi)外研究，目前尚未見用光譜驗證土壤和母質(zhì)的礦物關(guān)系的研究。

筆者通過礦物光譜驗證土壤和母巖的關(guān)系，為研究土壤的物源特征和根據(jù)花崗巖巖性特征推測發(fā)育的土壤類型提供建議，為土壤和母質(zhì)的研究提供新的思路。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

興城市是遼寧省的省轄縣級市，位于華北克拉通北緣東段[17]，地理坐標(biāo)大致介于120°06′～120°50′E，40°16′～40°50′N之間(圖1)。地勢總體上呈東南地區(qū)低而西北地區(qū)高，氣候?qū)賮啙駶櫺詺夂騾^(qū)。

圖1 興城遙感影像圖

興城地區(qū)出露的地層較為齊全，是典型的華北型序列，太古代結(jié)晶基底之上依次發(fā)育中--新元古界、古生界、中生界和新生界等火山--沉積地層。其內(nèi)綏中花崗巖是2.5 Ga年前的太古宙時期形成的最古老的大陸地殼，主要分布在興城市西南部的望海滿族鄉(xiāng)、南大滿族鄉(xiāng)、東辛莊鎮(zhèn)北部、沙后所鎮(zhèn)等與綏中縣相鄰的地區(qū)和北部的興城市林場北部、首山周圍，還有菊花島的南部和中部部分地區(qū)。

興城市地處中國北溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，以淋溶型成土過程為主。形成的土壤主要類型有鹽土、水稻土、草甸土和棕壤等4大主要土類，共10個亞類(圖2)、29個土屬、46個土種，土壤面積21.53萬hm2。棕壤是興城的地帶性土壤，面積最大，占興城土壤總面積的73.39%，廣泛分布于興城市北部和東部，鹽土、水稻土和草甸土主要分布于西部的沙后所鎮(zhèn)、望海滿族鄉(xiāng)和東辛莊鎮(zhèn)的西部部分地區(qū)。

圖2 興城土壤分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

將興城土壤圖和葫蘆島市分幅(K51C004001)地質(zhì)圖在ArcGIS 10.2中進(jìn)行校正并矢量化，得到興城地區(qū)土壤類型分布數(shù)據(jù)與綏中花崗巖地層數(shù)據(jù)，ASTER數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站[18]，DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

1.3 樣品采集與測試

1.3.1 樣品采集

土壤采集于2016年8月，將興城市尖山地區(qū)和望海滿族鄉(xiāng)2個地區(qū)作為采樣點。采集土壤樣品時去除覆蓋物，分別采集耕作層、心土層、底土層和母質(zhì)層土壤，放在樣品布袋中，統(tǒng)一編號后帶入實驗室，共采集土壤樣品12個。

1.3.2 數(shù)據(jù)測試

花崗巖光譜數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局項目(DD20160104)成果中2013年興城走廊帶光譜。

在吉林大學(xué)光譜實驗室利用FieldSpecPro型光譜分析儀[19]對土壤樣品進(jìn)行測定，每個土壤樣品測試5次，取其平均值，得到最終的土壤光譜數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 遙感影像處理

ASTER遙感影像共有14個波段，對興城綏中花崗巖基質(zhì)棕壤土進(jìn)行研究，需要對興城的土地利用情況進(jìn)行簡要分析，在此選擇近紅外可見光(VNIR)的3個波段Band1、Band2和Band3進(jìn)行研究。對原始影像進(jìn)行處理和裁剪，采用監(jiān)督分類法，根據(jù)興城的土地利用狀況，將地物主要分為耕地、林草地、建設(shè)用地、水域和鹽場5類。

用綏中花崗巖作為掩膜提取該地區(qū)的地類，得到該地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀分布圖(圖3),綏中花崗巖所在的區(qū)域中棕壤占97.69%，其中69.98%為耕地，還有少部分林草地，基本不含水域、道路和建設(shè)用地及鹽場。

圖3 興城土地利用現(xiàn)狀分布圖

2.2 光譜特征分析

2.2.1 興城地區(qū)花崗巖和棕壤的光譜特征

綏中花崗巖的巖石成分為二長花崗巖，經(jīng)過查詢，2013年興城走廊帶中二長花崗巖共有2個巖石標(biāo)本，均取自望海地區(qū)，分為風(fēng)化面和新鮮面，編號分別是WH1002F、WH1002X和WH2079F、WH2079X。利用ViewSpecPro軟件計算得到巖石5次測量結(jié)果的平均值，繪制巖石光譜圖。

棕壤樣本采自于興城的尖山地區(qū)和望海滿族鄉(xiāng)，土壤剖面由上至下分別為耕作層、心土層、底土層和母質(zhì)層，在不同土壤層中分別取適量土壤樣品，帶回實驗室進(jìn)行測試。為保證樣品測量的準(zhǔn)確性，減小實驗可能造成的誤差，每份土壤樣品通過ASD光譜分析儀的測量得到5次結(jié)果，經(jīng)過ViewSpecPro軟件的計算分別得到其平均值，由此得到其土壤光譜曲線(圖4)。

a1.WH1002花崗巖光譜曲線；a2.WH2079花崗巖光譜曲線；b1.尖山土壤光譜曲線；b2.望海土壤光譜曲線。

取自尖山地區(qū)和望海滿族鄉(xiāng)不同剖面棕壤的土壤光譜曲線(圖4 b1、b2)變化趨勢一致，光譜吸收位置相同，但望海地區(qū)土壤光譜反射率明顯大于尖山地區(qū)土壤光譜反射率，可以推測兩地棕壤的理化性質(zhì)不同。望海地區(qū)二長花崗巖編號為WH1002和WH2079巖石標(biāo)本的光譜曲線略有不同，但變化趨勢大體一致，均在1 000 nm和1 850 nm處出現(xiàn)明顯的吸收峰，吸收峰出現(xiàn)的位置也大致相同。對比望海地區(qū)土壤光譜曲線與二長花崗巖光譜曲線，土壤光譜的光譜吸收位置與編號為WH2079的巖石標(biāo)本的光譜吸收位置相同，但是土壤光譜反射率與巖石光譜反射率不同，巖石光譜反射率較高。由此推測，望海地區(qū)二長花崗巖發(fā)育的棕壤是編號WH2079的花崗巖發(fā)育而來，而光譜反射率不同是因為經(jīng)過漫長的成土過程，花崗巖由母質(zhì)慢慢發(fā)育為土壤，其礦物成分含量隨著時間的流逝相應(yīng)的減少。

2.2.2 花崗巖和棕壤的礦物光譜特征分析

綏中花崗巖以似斑狀黑云二長花崗巖為主[20]，在ENVI遙感光譜庫中，參考USGS礦物波譜數(shù)據(jù)庫，二長花崗巖的組成礦物包括鉀長石、斜長石、石英和黑云母，其光譜吸收峰位置如圖5所示。

a.鉀長石光譜曲線；b.斜長石光譜曲線；c.石英光譜曲線；d.云母光譜曲線。

根據(jù)編號為WH2079的二長花崗巖新鮮面的光譜曲線圖，光譜在可見光波段范圍內(nèi)，在0.65 μm的位置有一個較小的吸收峰；在近紅外短波和近紅外長波范圍內(nèi)，在1.0 μm、1.83 μm和1.9 μm處有較大的吸收光譜，在1.32 μm、1.4 μm和2.20 μm處有較小的吸收光譜。依據(jù)陽離子和振動基的光譜特征[21--22](表1)可知，二長花崗巖中可能含較多的OH-和Fe2+。

表1 常見陽離子和振動基的光譜特征

棕壤的礦物成分以云母為主，還有一定量的高嶺石、蒙脫石和少量的綠泥石和蛭石；礦物中含有鐵和錳等金屬元素。觀察尖山和望海地區(qū)棕壤土樣品的光譜曲線可以看出，光譜在0.65 μm、1.34 μm、1.42 μm以及2.20 μm處有較小的吸收峰，在1.0 μm、1.85 μm和1.9 μm處有較大的吸收峰。

3 討論

易澤邦等研究表明近紅外光譜分析技術(shù)引用于土壤礦物分析可行[8]。本文利用土壤和巖石的光譜，參考韋晶利用礦物波譜進(jìn)行礦物識別的方法[10]，通過對比美國USGS礦物波譜庫中標(biāo)準(zhǔn)礦物的光譜特征，以及礦物元素的波譜吸收位置，驗證興城地區(qū)的棕壤的礦物成分主要從綏中花崗巖母質(zhì)繼承而來這一結(jié)論，為研究土壤和巖石的礦物繼承關(guān)系提供了新的思路。

4 結(jié)論

(1)綏中花崗巖與棕壤空間分布一致，且望海地區(qū)二長花崗巖與棕壤的波譜形狀大致相同，光譜吸收峰位置一致，可以判定該地區(qū)棕壤與綏中花崗巖具有明顯的繼承關(guān)系。

(2)結(jié)合綏中花崗巖礦物成分波譜特征分析和棕壤的礦物成分特征分析，二者具有相似的陽離子和振動基的光譜特征，可以推測得出：興城地區(qū)棕壤和綏中花崗巖中的礦物成分具有一致性特征。