土壤的光谱特性是什么？

土壤本身是一种复杂的混合物,它是由物理和化学性质各不相同的物质所组成，这些物理和化学性质不同的物质可能会影响土壤的反射和吸收光谱特征。归纳起来,土壤的光谱特性主要受成土矿物(特别是氧化铁)、含水量、有机物和质地等因素的影响。

土壤的许多性状都来源于土壤母质。一般土壤中含有的原生矿物除石英外，还有长石、白云母和少量的角闪石和辉石，其次还有磷灰石、赤铁矿、黄铁矿等。土壤中的石砾、砂粒几乎全是由原生矿物所组成,多以石英为主。粉粒绝大多数也是由石英和原生硅酸盐矿物组成。石英、白云母、钾长石是最稳定的矿物,而辉石、橄榄石则是最不稳定的矿物。因此，在土壤颗粒中常保留有少量石英、白云母和钾长石等矿物。土壤中的次生矿物主要有有三类。①简单的盐类，如碳酸盐、硫酸盐和氯化物等:②含水的氧化铁、氧化铝、氧化硅等氧化物类;③次生层状铝硅酸盐如高岭石、蒙脱石和水化云母类等。分析它们的光谱特征对理解由它们所组成的土壤的综合光谱肯定是有帮助而且是必要的。

土壤水分是土壤的重要组成部分,也是评土壤资源优劣的主要指标之一。当土壤的含水量增加时,土壤的反射率就会下降,在水的各个吸收带处(1.4μm, 1.9μm和2.7μm),反射率的下降尤为明显。对于植物和土壤，造成这种现象显然是同一个原因，即入射辐射在水的特定吸收带处被水强烈吸收所致。在光谱的可见光波段，潮湿土壤与干燥土壤相比，反射率也明显下降，因此下雨的时候，湿的地方光线总是很暗。

作为土壤的重要组成部分,土壤有机质是指土壤中那些来源于生物(主要是植物和微生物)的物质,其中腐殖质是土壤有机质的主体,腐殖质可分为胡敏酸和富里酸。胡敏酸的反射能力特别低，几乎在整个波段为一条平直线,呈黑色。富里酸则在黄红光部分开始强反射，呈棕色。有机质的影响主要是在可见光和近红外波段，而影响最大的是在0.6~0.8μm之间。一般来说，随土壤有机质的增加，土壤的光谱反射率减小。但除有机质含量外，土壤腐殖质中胡敏酸和富里酸的比值(H/F)是影响土壤光谱反射特性的另 一个重要因素。地处不同地带的土壤，尽管其有机质含量相同,但由于H/P不同，土壤的光谱反射特性也会不同。 因此,不仅有机质的含量影响土壤光谱反射特性，而且其不同的组成也对土壤光谱反射特性有显著的影响。

铁在土壤中的存在形式主要是氧化铁，氧化铁是影响土壤光谱反射特性的重要土壤成分,其含量的增加会使反射率减小。一般来说，土壤的氧化铁含量与反射率之间存在一定的负相关,但在波段0. 5~0.7μm的相关性却并不明显，可以这么认为,土壤氧化铁含量增加时,可见光与近红外部分吸收增强,而在0.5~0.7μm波段的吸收增强幅度不很大，因此土壤出现黄红色。在旱作土壤中,氧化铁随结晶水的多少不同而表现出不同颜色。当土壤处于还原状态时，土壤呈现出蓝绿、灰蓝等色，当土壤处于氧化状态时，土壤呈现出红、黄等颜色。同有机质一样，铁的影响主要也在可见光和近红外波段,由于土壤中有机质与氧化铁对土壤的光谱反射特性影响都很大,故定量区分有机质和氧化铁对光谱反射率的贡献难度较大，因此通过遥感技术精确地估算土壤氧化铁含量难度很大。

土壤质地是指土壤中各种粒径的颗粒所占的相对比例。它对土壤光谱反射特性的影响主要表现在两个方面，一是影响土壤持水能力，进而影响土壤光谱反射率;二是土壤颗粒大小本身也对土壤的反射率有很大影响。对于土壤粒径较小的黏粒部分,由于其具有很强的吸湿作用，它在1.4μm,1.9μm,2.7μm等处的水吸收带异常明显，即使在一般风干状态下，黏土的光谱反射曲线的水吸收带也比较明显。风干状态下,土壤光谱曲线的吸收带虽然与黏土壤质地相关明显,但在相同温度条件下，黏粒的持水能力要超过粒径较粗的颗粒，因此,不能笼统地说，土壤颗粒越细，反射率越高。随土壤颗粒变小，颗粒间的空隙减少，比表面积增大,表面更趋平滑,使土壤中粉砂粒的反射率比砂粒高，但当颗粒细至黏粒时，又使土壤持水能力增加,反而降低了反射率。此外，土壤质地影响反射特性的因素不仅是粒径组合及其表面状况,还与不同粒径组合物质的化学组成密切相关，如砂粒和粉砂粒的主要成分是石英和少量原生硅酸盐矿物,色调较浅，反射率较高，只是由于砂粒直径大,表面不平滑，粒间空隙形成阴影，才使反射率低于粉砂粒。黏粒的主要成分是含水的次生硅酸矿物，其他次生矿物和氧化铁富集，色调较深，且富含晶格结构水、层间水和吸附水,故其反射率较低。一般来说，在近红外光谱范围，如果土壤的物理化学性质没有发生变化,则土壤或矿物的光谱反射率随土壤颗粒尺寸的减小而减小。