土壤垂直地带性分析是一个繁琐的实验过程，传统实验教学无法让学生亲历其完整的实验流程。本项目以庐山土壤垂直地带性分析为对象，基于实际观测数据和数值模式，借助信息化技术，实验指导教师精心设计庐山土壤剖面分层观察-垂直地带性分析的虚拟仿真实验，学生可置身于该虚拟环境中，学习剖面分层方法、颗粒度观察、发生层类型判断、土壤类型判断方法，掌握土壤剖面分层原则、土壤剖面发生层特征进行判断，探索土壤分布规律与主要影响因子之间的关系。

学生完成本实验后，能领会地理野外实习中土壤垂直地带性分析需要考虑的各方面因素及其对实验结果的影响，熟练掌握土壤垂直地带性野外调查的实验方法和过程，主要包括：

1）掌握土壤理化性质观测方法。完成从山麓到山顶的典型垂直地带性土壤剖面的挖掘、观察和测定操作，并分析土壤的基本理化性质；

2）建立土壤发育特征分析方法。从气候、地形、植被、母质等成土因素角度阐明不同垂直地带性土壤的发育过程及典型发育特征；

3）实现土壤垂直地带性划分。完成山地剖面不同类型土壤海拔高度界限判断，得到土壤垂直地带分布图，分析垂直地带性土壤分布规律与主要影响因子之间的关系。

随着山地海拔的递增，气候、生物、母质等土壤形成要素发生垂直方向的更替，结合地形及降雨带来的山地坡面物质的运移再分配，导致山地土壤类型从山麓到山顶依次更替，即土壤垂直地带性分布。山地垂直地带土壤形成要素的梯度变化远比平地水平地带变化剧烈，海拔相差数百米即可出现土壤类型垂直地带性变化，是国内外高校《土壤学》、《土壤地理学》等专业学生的必备认知，也是土壤、地貌、气候、植被等多地理要素实习的必修知识。

为此，本虚拟仿真实验基于全景影像、三维空间分析与表达、虚拟现实等技术，构建山地地理要素三维场景来展示庐山不同海拔区域气候、植被、地形等土壤形成要素，通过虚拟土壤剖面挖掘、发生层划分等野外实习操作，明确实习线路上各实习点土壤类型及特征，再将山地剖面土壤类型可视化，以明确土壤垂直带带性分布规律（图 1）。实习点、实习线路、山地剖面、实习区域相结合体现实验内容的综合化；指定实习线路的情景体验式教学可促进学生掌握土壤学、土壤地理学野外实习基本操作，开放实习线路的自主探究式教学可培养学生的科学求真、勇于探索的学科素养以及学位反思能力；而综合运用观察法、对照法、参数控制法、类比法、归纳分析法等多样性的实验方法，有助于提升学生的综合地理学能力。学生通过对实验简介、实习区域分析、土壤剖面观测、自主开放实习、垂直地带性分析等虚拟仿真实验模块的操作，直接参与各个实验环节和分析步骤，有助于掌握土壤学、土壤地理学、自然地理学的关键知识。

图 1 实验原理图

知识点：共10个。

1）实习点的选择

在土壤虚拟仿真环境中，通过课前认知和地理环境信息分析，包括地形地貌、实习点位、实习线路、高程查询等，选择具有区域代表性的土壤剖面实习点。土壤剖面实习点选择的位置在所处观察区域内应具有代表性，还应选择人为干扰少、易于土壤剖面挖掘、观察等实验操作的地段，尽量避免居民点、河流边、沟渠边、堆肥点、废弃物堆积点等易受人为干扰的地段。

2）实习点位置分析

光是地球上所有生物赖以生存和繁衍的最基本能量来源。在北半球，山地坡向朝南的坡为阳坡（又称南坡），山地坡向朝北的坡为阴坡（又称北坡）；南半球则相反。与北坡相比，南坡太阳光照强度更高、水分蒸发量较高，更适合喜阳植物生长；而北坡光照强度更低，水分蒸发量较高，更适合喜阴植物和湿生植物生长。另外，坡顶降雨量较高、水分充足，而坡中和坡底受淋溶作用强烈，土壤呈酸性，且阳离子交换量较低。因此，南坡、北坡、坡中、坡中、坡底等位置朝向要素是影响土壤发育的因素之一，也是判断实习点土壤类型的重要观测指标之一。

3）实习点地形分析

地形是影响土壤发育的重要因素之一。洼地易于积蓄水分，长期湿润环境可减缓土壤有机质分解，导致土壤有机质大量积累，并形成暗黑色或灰色的腐殖质层；山坡受降雨影响，成土母质多为坡积、坡积-残积为主，受淋溶作用影响，土壤呈酸性，且阳离子交换量较低，土壤坡面可发育有淋溶层。而平坦地形有利于植被生长，淋溶作用较弱。因此，地形特征也是判断实习点土壤类型的重要观测指标之一。

4）实习点植被类型分析

植物、动物、微生物等生物因素在五大自然成土因素中起主导地位，植物在其中起到关键作用。植物能有选择地吸收分散于母质、水圈和大气中的营养元素，利用太阳能光合作用制造有机质。植物有机残体和根系分泌物是土壤有机质的主要来源，显著受植被类型影响。一般来说，亚热带常绿阔叶林土壤有机质含量高于温带夏绿阔叶林，温带夏绿阔叶林高于寒带针叶林，草甸高于草甸草原，草甸草原高于干草原，干草原高于荒漠。因此，植被类型也是判断实习点土壤类型的重要观测指标之一。参照《植物地理学》所学知识，根据植物地上部分形态判断是乔木、草地、灌丛、竹林；根据叶片性状判断是阔叶林、针叶林；根据树种判断是常绿阔叶林、落叶落叶林。

5）土壤剖面发生层划分

土壤剖面土与地表大致平行的层次是由成土作用形成的，即土壤发生层。土壤发生层划分是土壤调查的基础，其颜色、结构、质地、新生体等特征是土壤发生层的划分依据。目前国内外通常将土壤剖面自上而下划分为六个主要发生层：

枯枝落叶层（O层）：由枯枝落叶等物质组成，包含已分解的或未分解的有机质，一般位于土壤表层。枯枝落叶层物质组成显著受植被类型和气候影响。

腐殖质层（A层）：受生物、气候或人类活动影响形成的有机质积累和物质淋溶表层，有机质含量较高，颜色呈现暗黑色或灰色，一般位于土壤表层或位于O层之下。土壤肥力的高低与腐殖质层的厚度和腐殖质的含量密切相关，因此腐殖质层的状况，常作为评价土壤肥力的标准之一。例如草原或草甸土的腐殖质层较厚，可达30-50厘米以上，腐殖质含量可达5%-10%以上，土壤肥力较高。

淋溶层（E层）：硅酸盐粘粒、铁铝等物质明显淋失，石英或其他抗风化矿物的砂粒或粉粒相对富集的土壤发生层，一般位于A层之下，B层之上。淋溶层的下部，腐殖质含量少，土色较浅或成灰白色，质地较粗，肥力较低。部分土壤淋溶层较薄，难以和淀积层区分开。

淀积层（B层）：位于E层或A层（无E层时）之下，是硅酸盐粘粒、氧化铁、氧化铝、碳酸盐、其他盐类和腐殖质等物质积累的土壤发生层，常位于淋溶层下方。该层较紧实，多形成核状、柱状、棱状结构；该层一般具有明显的成土特征，如黏化作用、脱硅富铁铝化作用、潴育化作用、黄化作用等，是分辨土壤类型的依据之一。

母质层（C层）：位于B层或A层（无B、E层时）之下，是形成土壤的物质基础，是土壤中植物所需矿质养分的最初来源。由岩石风化碎屑残积物或运积物构成，很少受生物作用影响，成土作用不明显，基本上保持着母岩的特点。严格地讲，母质层不属于土壤发生层，其特性并非土壤形成作用所产生。

母岩层（R层）：非土壤发生层，主要由质地坚硬的岩石组成，位于土壤剖面的最下层，是土壤剖面的重要组成部分，是土壤形成的基础。土层较浅的土壤剖面挖至母岩层，土层较深的土壤剖面挖至母质层即可。

6）土壤颗粒度/质地观察

国际制土壤颗粒度划分是采用机械组分分析法进行定量，划分标准是：石砾（> 2.0 mm）、砂粒（0.02-2.0 mm）、粉粒（0.002-0.02 mm）、黏粒（< 0.002 mm）。在野外一般采用卷搓法进行土壤颗粒度判断，其判断标准如下：

表 1 国际制土壤颗粒度划分判别标准

7）土壤颜色判断

土壤淀积层是硅酸盐粘粒、氧化铁、氧化铝、碳酸盐、其他盐类和腐殖质等物质积累的土层，通常具有显著颜色特征具有明显的成土特征。例如，潴育化过程可形成暗红色的锈纹斑，黄花过程可形成蜡黄色或黄色，红壤具有红白相间的网纹层等。一般要在光线较处进行土壤颜色观察，晴天时避免在直晒下进行观察，颜色可参照土壤比色卡进行判断。

8）土壤发生层特征判断

淀积层通常有特有的成土过程，具备特殊的成土特征：黄化过程：在湿度较大的成土环境下，土壤中的氧化铁高度水化形成一定量的纤铁矿（FeOOH），并与有机质结合形成黄色或蜡黄色，尤以剖面中部的淀积层最为明显，该过程称为土壤的黄化过程。脱硅富铁铝化过程：在高温多雨的指热带、亚热带土壤中，风化淋溶作用强烈进行，硅酸盐类矿物强烈分解，释放出盐基物质，淋溶初期溶液呈中性或碱性，致使硅酸和盐基大量淋失，而含水铁、铝氧化物相对聚集，形成富含铁、铝的红色土体。随着盐基的不断淋溶，风化层上部变为酸性。当酸性达到一定程度时，含水铁、铝氧化物开始溶解，并具有流动性，但一般向下移动不深，旱季可随毛管水上升至表层，经脱水以凝胶形式聚积或形成铁、铝结核体。脱硅富铁铝化是砖红壤和红壤等土壤类型的重要成土过程。潴育化过程：在直接受地下水浸润的土层中，地下水雨季升高，旱季下降，土层干湿交替，引起土壤中铁锰物质处于还原和氧化的交替过程。在土壤浸水时，铁锰被还原迁移，地下水位下降时，铁锰氧化淀积，形成一个有锈纹锈斑，暗红色或黑色铁锰结核的土层。铁锰结核：土壤在渍水还原条件下，铁锰氧化物还原成Fe²⁺、Mn²⁺，在MnO₂催化下，Fe²⁺快速氧化并沉淀在MnO₂表面，土壤进一步变干，周围活性的Fe²⁺、Mn²⁺又被氧化沉淀在铁锰氧化物表面。干湿交替下，氧化还原反复进行，形成铁锰聚合体，又称铁锰结核。在庐山地区山地黄棕壤淀积层中常见褐色的铁锰结核颗粒。锈纹斑：潴育化过程中，土壤浸水时，铁锰被还原迁移，地下水位下降时，铁锰氧化淀积，可形成有锈纹斑。网纹层：热带、亚热带地区红色土层之下具有红、黄、白网状条纹的土层。成土时基质长期受水化、氧化还原反应作用的相互影响而形成各种颜色（红色多为赤铁矿，黄色为铁含水氧化物，白色为铁锰离子的还原淋洗）。

9）土壤pH、有机质含量等物化分析

土壤上部集聚的大量有机质不能彻底分解，进行着以嫌气过程为主的转化作用，未彻底分解的有机质及中间产物在微生物的作用下，进行强烈的腐殖化过程，形成大量的腐殖质，在土壤表层累积为腐殖质层。生物、气候、地形、植被类型等都会影响土壤腐殖质的形成，不同土壤类型腐殖质层理化性质存在差异。例如，地势平坦的山地草甸土腐殖质层pH值要高于淋溶强烈的山坡土壤；山地草甸土腐殖质层有机碳含量显著高于红壤；山地棕壤腐殖质层有机碳含量显著高于山地黄棕壤。因此，可采用便携式pH计和便携式养分测定仪分析腐殖质层土壤pH值、有机碳氮含量，辅助土壤类型判断。

10）庐山地区土壤类型判断

庐山地区不同土壤类型具有不同的剖面特征，应参照各实习点位置朝向、地形、植被类型，结合上述不同土壤类型的剖面分层及发生层特征，综合判断实习点土壤类型：

山地棕壤：在庐山高海拔地区，气候从中亚热带转化为暖温带，降水多于平原地区。山地棕壤主要存在两种成土过程：淋溶过程和黏化过程。较多的降雨导致该地区淋溶作用强烈，土壤盐基离子淋失严重，土壤pH值较低；土壤粘粒随水分运动，从表层迁移至淀积层，呈现出棕色，粘粒含量较多。土壤母质以石英砂岩的残积物和坡积物为主。

山地黄棕壤：海拔高度低于山地棕壤，气候转变为北亚热带，以常绿落叶阔叶混交林为主。主要存在两种成土过程：黏化过程、脱硅富铁铝化过程和有机质积累过程。该类型土壤风化淋溶作用强烈，硅酸盐类矿物强烈分解，释放出盐基物质，淋溶初期溶液呈中性或碱性，致使硅酸和盐基大量淋失，而含水铁、铝氧化物相对聚集，形成富含铁、铝的红色土体。淀积层呈现棕黄色，常见有褐色的铁锰结核颗粒。母质为网纹红土或古红土层。山地黄棕壤腐殖质层有机质含量高于山地棕壤。

山地黄壤：一般海拔低于山地棕壤，其后接近中亚热带，但庐山高海拔地区也存在易于山地黄壤发育的小气候。主要存在两种成土过程：黄化过程和脱硅富铁铝化过程。在湿度较大的成土环境下，土壤中的氧化铁高度水化形成一定量的纤铁矿（FeOOH），并与有机质结合形成黄色或蜡黄色，尤以剖面中部的淀积层最为明显。风化淋溶作用强烈，硅酸盐类矿物强烈分解，释放出盐基物质，淋溶初期溶液呈中性或碱性，致使硅酸和盐基大量淋失，而含水铁、铝氧化物相对聚集，形成富含铁、铝的红色土体。淀积层呈现明显黄色或蜡黄色，铁锰结核几乎不可见。土壤母质以石英砂岩的残积物和坡积物为主。

红壤：庐山低海拔地区，气温较高，典型的中亚热带气候。成土过程主要是强烈的脱硅富铁铝化过程。腐殖质层较薄，淀积层可见大量铁锰结核。土壤母质以第四季红色黏土为主，成土时基质长期受水化、氧化还原反应作用的相互影响而形成红白相间的网纹层，红色多为赤铁矿，黄色为铁含水氧化物，白色为铁锰离子的还原淋洗。

山地草甸土：在庐山山顶局部水湿条件较好的平缓地区。山顶风强，乔木生长困难，仅有灌丛及耐湿性草甸植被覆盖。该地区地下水丰度，温度较低，存在潴育化过程。即在直接受地下水浸润的土层中，地下水雨季升高，旱季下降，土层干湿交替，引起土壤中铁锰物质处于还原和氧化的交替过程。在土壤浸水时，铁锰被还原迁移，地下水位下降时，铁锰氧化淀积，形成一个有锈纹斑的铁锰结核的土层。腐殖质层较厚，有机质含量较高，土壤pH值较淋溶强烈土壤高。

本虚拟仿真实验共设置3个实验阶段，5个虚拟仿真模块，共计17个交互性步骤。

实验阶段一：实验背景及介绍

本阶段即为模块一：实验简介，包含1个交互式步骤。

实验模块一：实验简介模块，包含：步骤1。

步骤1：实验简介

目的：让学生了解实习意义、实习环境及地理要素介绍等实验概况，明确实验目的、实验线路、实验内容。

效果：学生通过查看本实验的基本情况、重要原理和相关知识测试，对实验的背景、目的、原理、步骤等有一定了解，明确本实验要做什么，并完成知识点预习考核。

实验阶段二：实验操作及分析

本阶段包含3个实验模块，共14个交互式步骤。

模块二：实习区域观察，包含：步骤2。

目的：包括实习区域观察、区域地理要素观察以及指定实习线路及实习点观察、实习点选择顺序及观测机制。

效果：按照指定实习线路选择合适的实习点，确定不同类型土壤的海拔高度界限。

步骤2：选择实习点位（指定实习线路实习）

选择庐山为研究区域，使用DEM叠加卫星影像为庐山整体场景，可以使用鼠标进行浏览查看，场景中展示多个实习点位，串成一条完整线路，以第三视角观察地形地貌，需要其中一个实习点，点击“进入场景”按钮，开始实验。土壤剖面实习点选择的位置在所处观察区域内应具有代表性，还应选择人为干扰少、易于土壤剖面挖掘、观察等实验操作的地段，尽量避免居民点、河流边、沟渠边、堆肥点、废弃物堆积点等易受人为干扰的地段。

模块三：土壤剖面观测，包含：步骤3~步骤14。

目的：包括实习区域观察、区域地理要素观察以及指定实习线路及实习点观察、实习点选择顺序及观测机制。对实习点周围环境进行观测，获得位置朝向、地形特征、植被类型等信息；开挖剖面后，进行剖面分层、剖面取样、各发生层观测、颗粒度观察、发生层类型判断、土壤颜色选择、发生层特征判断、物化分析等判断；综合上述信息，判断土壤类型。

效果：按照指定实习线路选择合适的实习点后，对每个实习点进行土壤类型判断，以判断不同类型土壤的海拔高度界限。

步骤3：位置朝向（指定实习线路实习）

进入实习点场景中，以第一视角观测实习点周边地形地貌，结合地形图方向标、水准仪、地质罗盘仪、周围地形植被分布综合判断观察位点位置朝向。

步骤4：地形特征（指定实习线路实习）

点击右上角区域点击“地形分析图”按钮，展示实习点区域地形图，结合周围场景判断观察位点地形特征。

步骤5：植被类型（指定实习线路实习）

点击右上角区域“植被实景图”，弹框展示空中、地面全景影像，根据植物形态判断是乔木、草地、灌丛、竹林；根据叶片性状判断是阔叶林、针叶林；根据树种判断是常绿阔叶林、落叶落叶林。

步骤6：开挖剖面（指定实习线路实习）

在选择好剖面位置后，以第一人称漫游到土壤剖面点，就开始进行剖面的挖掘，根据提示，点击铁锹，进行挖坑操作。土壤的剖面一般为宽1m，长2m，其深度则随土壤情况而定，一般1.5~2.0m。在地下水埋深小于2m的地方，以挖至地下水面为止。土层较浅的挖至母质层即可。挖掘土壤剖面时，应注意以下几点：

1）尽量使剖面观察面垂直并面向阳光，以便观察；

2）挖出的底土和表土应分开堆放，以便填坑时恢复原状；

3）观察面上方不应堆土或任意走动踩踏，以免破坏表层结构、影响剖面形态的描述及采样；

4）剖面挖好后要进行修整，一边修成光面，以便观察颜色、新生体等；一边修成粗糙面，以便观察结构等；

步骤7：剖面分层（指定实习线路实习）

点击“标尺”工具，进入剖面分层角度，土壤剖面尺在土壤左侧展示，右侧展示剖面分层面板，通过调整右侧面板实现与场景分层页面的联动，实现剖面的分层，记录对应分层坐标信息，方便比对标准答案进行评分， 分层过程中如果误差特别大，则提示学生需要修改分层高度信息，直到分层数量及高度与标准答案偏差值在允许范围内，则进入下一步；

步骤8：剖面取样（指定实习线路实习）

点击“剖面取样”进入取样状态，点击对应单个分层，展示采集录入信息，左侧展示当前分层的实景采集图片素材，可鼠标放上边进行放大观察，右侧为当前分层进行命名，确保对每层进行取样操作，才可以进入下一步；

步骤9：土壤颗粒度观察（指定实习线路实习）

点击“土壤颗粒度观察”，点击对应单个分层，展示采集录入信息，左侧展示当前分层的实景采集图片素材，可鼠标放上边进行放大观察，右侧为当前分层颗粒度观察信息，确保对每层进行颗粒度观察操作，才可以进入下一步；

步骤10：发生层类型判断（指定实习线路实习）

点击下一步，进入“发生层类型判断”页面，点击对应单个分层，展示采集录入信息，左侧展示当前分层的实景采集图片素材，可鼠标放上边进行放大观察，学生对发生层类型进行判断，选择发生层类型，可选的发生层类型有：枯枝落叶层（O）、腐殖质层（A）、淋溶层（E）、淀积层（B）、母质层（C）、母岩层（R）。确保对每层进行判断操作，才可以进入下一步；

步骤11：土壤颜色选择（指定实习线路实习）

点击“下一步”，进入土壤颜色选择页面，点击所选分层必须为淀积层，否则弹出错误提示，右侧面板通过门塞尔比色卡对比，选择淀积层土壤分层的颜色选项，并记录；

步骤12：发生层特征（指定实习线路实习）

点击“下一步”，进入“发生层特征”页面，点击所选分层必须为淀积层，结合发生层土壤颜色、颗粒物颜色、地下水分布等因素判断发生特征（多选）；

步骤13：物化分析（指定实习线路实习）

点击“下一步”，进入“物化分析”页面，点击所选分层必须为腐殖质层(A)，点击左侧“便携式pH计”，仪器设备展示当前场景的数字，录入右下角对应pH值；点击“养分测定仪”，仪器设备展示对应TOC值、TN值；

步骤14：综合判断土壤类型（指定实习线路实习）

点击“下一步”，进入综合判断土壤类型页面，点击场景页面，结合地形特征、植被类型、土壤分层数量、分层高度、发生层颜色、发生层特征、腐殖质层理化性质等数据，综合判断选择土壤剖面类型。

模块四：自主开放实习，包含：步骤15。

目的：参照指定实习线路及各土壤类型特征，在庐山区域自主选择实习点和实习线路进行土壤类型判断；至少选择8个实习点用以判断不同类型土壤海拔高度界限。

效果：按照自主实习线路，并选择合适的实习点后，对每个实习点进行土壤类型判断，以判断不同类型土壤的海拔高度界限。

步骤15：自主开放实习

完成指定实习线路及各土壤类型特征的判别后，系统会激活开放实习观测，实验进入自主开放实习，然后可在庐山区域自主选择实习点和实习线路进行土壤类型判断。

实验阶段三、实验结果及报告

本阶段即为实验模块五，包含1个交互式步骤。

模块五：垂直地带性分析及实验报告，包含：步骤16。

目的：完成指定线路实习点数据和开放线路实习点数据汇总；比较相关数据，进行庐山土壤垂直地带性分析。

效果：完成山地剖面不同类型土壤海拔高度界限判断，得到庐山土壤垂直地带分布图；并完成实验报告。

步骤16：土壤垂直地带分析规律探究

所有实习点完成后，点击“下一步”，进入剖面柱生成页面，中间展示剖面柱三维模型，右侧展示土壤剖面观察数据，供学生观察土壤剖面效果；完成指定线路实习点数据和开放线路实习点数据汇总，包括土壤剖面柱生成、数据对比分析；进入庐山垂直地带分布土壤剖面的观察数据对比表，观察对比后在土壤垂直分布规律探究界面判断山地剖面不同类型土壤南北坡海拔高度界限，得到庐山土壤垂直地带分布图。