X射线衍射(XRD)光谱是分析土壤粘粒矿物组成的重要手段, 但常规XRD分析存在前处理复杂、 耗时较长、 光谱分辨率低、 扫描不充分等问题。 为此, 该研究依托北京同步辐射装置(BSRF)的4B9A衍射实验站, 以我国东部不同气候带(即温带、 亚热带、 热带)的7种地带性森林土壤(棕色针叶林、 暗棕壤、 棕壤、 黄棕壤、 黄壤、 赤红壤和砖红壤)为研究对象, 利用同步辐射X射线衍射(SR-XRD)光谱对土壤粘粒矿物组成特征进行分析。 结果表明: (1)温带土壤(棕色针叶林、 暗棕壤和棕壤)质地以粘壤土为主, 而亚热带土壤(黄棕壤、 黄壤和赤红壤)分布在粘土和粘壤土的分界线上; 从亚热带到热带, 土壤质地呈现出粘土→壤土→砂土的变化趋势。 (2)土壤硅铝率(Sa)表现为温带土壤(5.22)>热带土壤(4.53)>亚热带土壤(4.49); 同样地, 硅铝铁率(Saf)也呈现出温带土壤(4.06)>热带土壤(3.53)>亚热带土壤(3.36)的变化规律。 (3)从温带到热带, 土壤粘粒矿物中高岭石的含量增加、 结晶度提高, 而伊利石的含量则逐渐减少; 温带土壤以2∶1型粘粒矿物为主, 而热带土壤则以1∶1型矿物为主; 在SR-XRD光谱中鉴定出了伊蒙混层、 长石两种粘粒矿物的存在, 而这两种矿物在常规XRD光谱中未被识别。 (4)与常规XRD法相比, 利用SR-XRD法分析土壤粘粒矿物组成具有以下优势: 一是前处理工作量较少, 常规XRD法需将粘粒样品制成不同类型的载玻片再进行测定, 而SR-XRD法直接测定粘粒样品即可; 二是光谱分辨率高, SR-XRD法的分辨率可达到≤100 nm, 从而能够检测到更多的衍射峰; 三是实验效率提高, SR-XRD法的优化扫描步长可达0.04°, 比常规XRD法增加1倍, 从而提高了测试效率; 四是扫描辨识度增加, SR-XRD法的看光时间可优化为4 min, 是常规XRD法的2倍, 使得样品的扫描更加充分。
SR-XRD光谱 常规XRD光谱 气候带 地带性森林土壤 粘粒矿物 Synchrotron Radiation X-ray diffraction spectrum Conventional X-ray diffraction spectrum Climatic zones Zonal forest soil Clay minerals
1 临沂大学农林科学学院, 山东 临沂 276005
2 临沂大学药学院, 山东 临沂 276005
3 临沂大学资源与环境学院, 山东 临沂 276005
4 中国科学院沈阳应用生态研究所, 辽宁 沈阳 110016
森林土壤富含不同组分和功能的有机碳。 该研究以棕壤和褐土45年林龄的刺槐林下表层及底层土壤为对象, 研究其林下土壤腐殖酸组分在不同土壤类型和不同土层间的差异和变换。 褐土和棕壤表层及底层土壤分别定义为CO和CA, BO和BA。 应用傅里叶变换红外光谱对土壤腐殖质组分的富里酸(FA)、 胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)进行了分析。 结果表明富里酸主要吸收峰为3 400 cm-1处的碳水化合物中—OH形成的氢键伸缩振动, 1 655 cm-1处的芳香环CC伸缩振动, 1 110 cm-1处的脂族C—OH伸缩振动。 与富里酸相比, 胡敏酸所含官能团与其相似, 差异在于其吸收峰强度较弱。 胡敏素在1 110 cm-1处的脂族C—OH伸缩振动和1 030 cm-1处多糖或类多糖物质的C—O伸缩振动较胡敏酸此处的峰吸收强度强。 根据分析, 表层土壤腐殖质官能团结构较底层土壤多且吸收强度强。 另外, 富里酸不同物质官能团数量及强度受土壤类型和土壤深度的影响较胡敏酸和胡敏素小。 根据不同吸收峰对比分析发现, 富里酸组分的芳化程度较强, 而胡敏酸和胡敏素的芳化作用仅表层土壤程度较强。 不同土壤类型胡敏酸组分分析表明, 棕壤表层土壤芳族和脂肪族物质吸收强度明显高于褐土。 综上, 土壤类型和土层显著影响45年林龄的刺槐林下土壤腐殖质组分, 尤其是胡敏酸和胡敏素组分。
腐殖质 傅里叶变换红外光谱分析 土壤类型 土层 森林土壤 Humic substances FTIR analysis Soil type Soil depth Long-term forest soil 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1298
1 东北师范大学 城市与环境科学学院,吉林 长春 130024
2 东北师范大学 国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室,吉林 长春 130024
应用高光谱仪实测了部分典型森林土壤在不同状态下的多角度高光谱偏振反射数据,从光线入射天顶角、探测天顶角、探测方位角、偏振状态、土壤含水量、土壤粒径等不同影响因子对所测土壤的多角度高光谱偏振反射数据进行了初步分析与研究,结果发现这些因子对森林土壤光谱曲线均有影响,但主要影响森林土壤反射比值,对森林土壤光谱谱形影响不大。根据森林土壤光谱特征和实验得出的结论,作者设计出遥感中森林土壤波谱探测的最佳设计方式,保证最佳的森林土壤的遥感状态。这不仅是对森林土壤性质的测试做出了新尝试,而且对多角度偏振高光谱的深入研究具有一定的理论与实践意义。
多角度 偏振 高光谱 遥感 森林土壤 Multi-angles polarization Hyperspectrum Remote sensing Forest soils
