地表基質綜合調查：內涵、分層、填圖與支撐目標

殷志強，陳自然，李 霞，衛曉鋒，邵 海

（1.中國地質環境監測院，北京 100081；2.北京礦產地質研究院有限責任公司，北京 100012；3.中色紫金地質勘查（北京）有限責任公司，北京 100012）

地表基質是地球表層孕育和支撐森林、草原、水、濕地等各類資源的基礎物質[1]，也是地球關鍵帶的主要承載體[2?6]和淺山區流域尺度表層巖土體調查、監測、支撐服務國土空間生態環境保護修復的“主戰場”[7]，其對于認識表層地球關鍵帶結構特征及其土壤透氣性、水文連通機制等具有重要意義[8]。

近年來，多位專家學者圍繞地表基質分類及調查與編圖開展了大量探索性研究工作，初步構建了地表基質三級分類體系，建立了要素與屬性調查指標體系，完成了不同尺度的地表基質編圖試點[9?15]。如葛良勝等[10]提出地表基質調查是自然資源調查監測工作新領域；殷志強等[11?12]開展了地表基質的三級分類研究，并初步提出了地表基質調查的支撐服務目標；侯紅星等[13?14]在保定試點基礎上，提出了地表基質層調查的技術方法、主要內容及要素-屬性指標體系。進一步研究發現在相同或者相似的微環境或者生境空間內，氣溫和降雨等氣候條件很難解釋不同的植物群落組成差異與共存現象，地表基質層時空差異對局地生態系統空間布局具有決定性影響[16?18]。

由于地表基質包括的內容豐富，在植被群落保護、農業生產、土壤多樣性調查等不同領域應用廣泛，尚未取得一致認識，主要表現在：如何在保證科學性前提下構建地表基質的分類體系和標準？不同比例尺的圖面如何表達？調查監測的地表基質核心要素指標有哪些？等等。2020年筆者發表的《地表基質分類及調查初步研究》[11]初步探討了地表基質的科學內涵、三級分類、支撐服務目標、調查與編圖應關注的重點問題等。2021年以來，筆者在承德生態文明示范區地表基質調查和編圖的基礎上，結合東北黑土地、北京、河北、江蘇等不同地區地表基質調查試點工作，進一步厘清了地表基質的科學內涵和支撐服務目標，完善了地表基質統一分類方案和調查深度分層等內容，以期為全國范圍內的地表基質調查與編圖提供參考。

1 地表基質調查的理論、定位與內涵

1.1 地表基質調查理論基礎

地表基質調查是一項服務于生態文明建設的基礎性和公益性綜合地質調查工作（有別于土壤普查），需要以地球系統科學理論為指導，從地質本身出發，堅持大生態觀和大系統觀，將地表基質與自然資源和生態環境緊密聯系（圖1），查清、填繪巖石和表層沉積物的物質組成、空間范圍、厚度、理化性質等屬性，描述其自然性質、表現行為及其對生態環境的約束影響。

圖1 地表基質層位置及剖面結構圖（據文獻[19]，有修改）Fig.1 Cross-sectional structure of the ground substrate layer（modified after Ref.[19]）

地表基質的理化性質指標是多門類自然資源之間相互作用和密切聯系的紐帶，是“山水林田湖草沙”生命共同體的形成基礎，地表基質研究強調的是其自然屬性和生態屬性，需要回歸自然本源。在第三次全國國土調查的基礎上，研究植被覆蓋層下部的土壤、風化殼及包氣帶中水、氣、元素的遷移和交換等，查清地表基質與林草生態植被的協同適宜性，糾正目前部分地區地表基質層與覆蓋層不匹配、土地利用錯位問題，實現調查成果的“一查多用”，支撐服務糧食生產（耕地占補平衡、耕地后備資源潛力區評價，國土整治等）、科學綠化（生態修復）、地質安全（城市建設區沙土液化、山區滑坡崩塌泥石流等地質災害防治）、承載力評價與適宜性區劃、碳儲碳匯評估以及表層地球科學演化研究等。

1.2 地表基質調查目標定位

通過地表基質調查，查清全國地表基質的類型、分布范圍、厚度、剖面結構、理化性質、孔隙度、生態特征及分布規律等屬性，掌握地表基質層中水汽和關鍵養分元素的動態變化，根據地表基質的地質成因，分析地表基質演化規律及其對表生過程和多圈層相互作用的影響和響應。

現階段是地表基質的概念內涵、三級分類體系和調查編圖等技術方法的探索階段，迫切需要結合已有的基礎地質調查工作，率先開展華北山前平原區、長三角沿江地區、西北黃土沙漠過渡區、東北黑土地典型發育區、福建海南等南方強風化區和承德等農牧過渡帶地區的地表基質層試點調查，形成陸域與海岸帶，地上與地下，山區、丘陵與盆地、平原，河流與湖泊，沙漠與戈壁等不同區域的地表基質調查工作模式和技術方法。如通過對東北黑土地貫穿不同氣候、地貌、景觀、植被區的典型剖面調查，分析黑土地關鍵帶的生態地質特征，系統揭示黑土地資源數量、質量、生態和結構的變化趨勢，提出黑土地變薄、變瘦和變硬的地球系統科學解決方案。

1.3 地表基質約束植被群落的科學內涵

地表基質是表生地質作用的主要承載體，也是各種物理和化學風化、土壤形成發育的發生帶[20]，更是人類土地利用與管理的主要對象。地表基質是林草植被孕育和生長的基礎，并影響著生態環境的形成演化過程和穩定性。不同的地表基質類型孕育了不同的生態系統和植被類型，決定著林草生態要素孕育的本底特征，制約著生態要素的空間格局和演化趨勢。如承德的板栗、山楂等的果實籽粒對基巖-風化殼-土壤中富集的有益、有害元素有很好的響應關系[16]。

不同地質成因的地表基質類型具有不同的沉積構造、分層結構、厚度、孔隙度、巖性等理化性質，直接影響表土的地氣和水分交換、微生物群落類型和有機質組成，為植被提供不同的營養和有害成分。同一氣候條件下，不同的地表基質類型區生長有不同的植被群落類型和覆蓋密度，地表基質對植被類型及組合有明顯影響?；|內含有的營養元素將促進植被生長，如花崗巖和玄武巖礦物類型豐富，風化殼在成壤化過程中富集了較多的營養成分，基質區適宜生長喬木；而砂巖和粉砂巖風化殼區由于顆粒小且致密，風化殼因礦物相對單一而缺乏足夠的營養元素，基質區的植被類型往往以草本和灌木為主。因此，地表基質異質性直接影響著植被的類型和空間展布格局。

2 地表基質分類及綜合調查

2.1 地表基質分類

《地表基質分類方案（試行）》[21]根據粒徑、質地、組成、成因等把地表基質劃分為4個一級類和14個二級類，但方案存在類型劃分標準不統一、地質含義不明確、缺少科學性等問題，造成實際地表基質填圖中難以操作、生態修復和經濟建設中無法落地的窘境。筆者根據承德市地表基質調查研究實際案例，提出了地表基質的三級分類方案。

關于地表基質三級分類，筆者根據承德市地表基質編圖實踐，建議在物質組成、成因類型、地貌形態、粒級、厚度、有機質等基礎上，巖石以成因類型+地貌形態+粒級等進行命名，如巖漿巖半裸露型巖石、巖漿巖殘積粗粒，還可以在巖性前面加限定修飾詞；第四系松散沉積物增加成因質地（反映原生沉積環境）進行命名，命名方式可采用成因類型（地貌形態）+粒級（質地），如沖洪積扇（alluvial fan）粗礫（gravel）（Qa?g）。實際編圖中可用花紋表示成因類型（或地貌形態），顏色表示粒級（質地）。對于一定深度的地表基質，通過地質剖面圖展示其分層特征，標出不同深度的巖性及其厚度。

理論上地表基質應該是陸域和海域全覆蓋。按照地表基質的原始定義，自然成因的基礎物質才屬于地表基質類型。但隨著人類活動增加，按現實情況和治理需要，人工填埋物已經不可忽視，占地表很大比重，尤其是在人群密集的工業區、城市、村落，因此建議把人工填埋物作為一個獨立的地表基質類型劃分出來。當人工填土厚度大于1 m時，單獨在地表基質剖面圖頂部畫出人工填土層的厚度，在平面圖上用人工填土符號表示。

2.2 地表基質綜合調查內容

地表基質綜合調查包括調查、監測、評價、區劃等內容。重點是以地球多圈層相互作用為主線，調查監測圈層之間相互作用的有聯系的那些關鍵指標。在調查之前，需要根據地貌、氣候、地質等對調查地域進行分區，根據地表基質在地球表層的分布特征，可分為基巖裸露區、半裸露區和風化殼區，平原盆地（含高原）第四紀沉積區、人工填土堆積區（建筑覆蓋區、垃圾場等）和水域等。

2.2.1 地表基質調查

重點開展地表基質層的垂向結構（母巖-母質-土壤-植被中的類型、質地、含水率、有機質含量等）、地表地形地貌（山地-山前過渡帶-階地-平原-湖沼）及其物質運移方式（河流、湖泊、風力、地下水、包氣帶水等的下滲、蒸發、淀積等物質搬運表現）、地表基質的本底特征和理化性質、土地開發利用情況和土地、生態保護現狀等調查，同時還要兼顧巖石的礦物組成對表生地質作用的影響調查，如花崗巖區與砂巖區植被不一樣，原因是母巖對土壤性質的控制作用及對資源環境稟賦的影響有差異。

在承德地表基質調查過程中發現，山區和平原區地表基質調查的側重點有所不同。由于山區的山坡上主要為基巖風化殼和殘坡積物，且河谷區第四系沉積物面積較小，因此，從支撐服務植被群落的角度，主要調查風化殼和殘坡積物厚度、沙礫混雜程度指標；而平原區（高原區）的土壤母質主要為第四系沖洪積物或風成沉積物，且主要服務于農業生產，需著重調查地表基質的成因（風成沙或黃土、河流階地或灘涂）、厚度、有機質、容重等指標。

2.2.2 地表基質監測

重點是地表基質與母巖-母質-土壤-植被關系，監測地表基質不同層位厚度、溫度、地下水位、土壤含水率及有機質等趨勢變化。監測的具體內容需要根據監測目的進行部署，比如含水率監測是為了評價包氣帶水的來源和遷移方式，晝夜地溫變化監測是為了評價包氣帶水的凝結貢獻、冰川凍土地溫監測是為了計算消融量等。

2.2.3 地表基質評價

開展地表基質的宜林則林、宜草則草、宜耕則耕、宜荒則荒等地質生態適宜性評價，重點評價風化殼、鹽堿地、沙地、裸地等對生態和農業的綜合潛力和宜林、宜草、宜耕、宜荒的地表基質類型。

2.2.4 地表基質區劃

在氣候-地貌分區基礎上，開展地表基質區劃。根據地表基質成因類型編制等厚線圖、地表基質層與地表覆蓋層耦合關系圖、地表基質區劃圖等。

2.3 地表基質調查分層

在查清地表基質區域尺度基巖風化殼、風成沉積物、水成沉積物平面異質性的基礎上，利用野外露頭觀測，剖面測量（橫向和垂向），物探、工程地質鉆探（背包鉆）、微動、探槽等山地工程，土壤、水等物理參數快速監測、古環境古地理演化代用指標及年代學樣品采集測試等手段，對巖石與第四系沉積物的厚度進行分層，進而部署相應的調查手段和調查任務。根據地表基質垂向支撐的內容不同，分為生產層、生態層和生活層。

2.3.1 生產層

調查深度一般為0～1 m，最深為2 m，主要支撐農作物種植和農業生產。調查深度確定為1 m的理由是一般農作物根系的深度在1 m以內（主要集中在20～30 cm），少數作物最大根系深度可達2 m（如玉米）。這一層主要是耕地的土壤層或耕作層，也是土壤微生物的主要活動層位，由于主要支撐糧食生產，故命名為生產層。建議同一種土壤類型單元部署一個控制性調查點，因為這一層與農業生產密切相關，從糧食安全的角度出發，需要開展常規定期監測，強化管控。

2.3.2 生態層

調查深度一般為0～5 m，最深為20 m，主要服務植被群落科學綠化。調查深度確定為20 m以淺的理由是大多數植被的根系最大深度為20 m，如西北地區民勤盆地的沙棗樹。這一層是地下水與林草濕等植被群落的物質和能量交換層位，主要支撐植被群落生長和演替，故命名為生態層。建議同一類地層單元部署一個地質鉆孔或露頭剖面，調查精度相對較低，需要開展長期觀測，提高地質與生態制約的認知水平。

2.3.3 生活層

調查深度為0～50 m，主要支撐城市規劃建設。調查深度確定的理由是目前城市空間向下開發的深度一般約50 m。這一層主要是人類利用地下空間生產生活的層位，如城市地鐵或建筑地下空間，故命名為生活層。生活層是地表基質層形成演化、沙土液化、滑坡松散堆積物等研究（年代學、沉積古環境、三維立體模型）的主要層位，需要在典型微地貌區部署垂向鉆探或橫向地質剖面，通過精細探測，獲取三維立體剖面結構，解析地表深部50 m以淺地質演化信息，揭示自然資源賦存的地質背景和表生地質作用過程。

3 柴白河流域地表基質填圖

3.1 柴白河流域地質概況

筆者以承德市的柴白河流域為例，研究野外地表基質調查的深度。柴白河流域位于承德盆地南緣，流域面積為481.98 km2。出露地層主要為中元古代薊縣群的霧迷山組和少量長城群高于莊組的泥晶白云巖、砂質白云巖、粉晶白云巖等，分布于柴白河流域的南部地區；侏羅紀后城組第二、三巖性段的砂巖、粉砂夾泥巖、透鏡狀礫巖，分布于柴白河流域東北部地區；侏羅紀張家口組的流紋質火山碎屑巖，分布于柴白河流域北部地區，呈斷層接觸關系，巖漿巖主要為侏羅紀中細粒二長花崗巖，分布于柴白河流域西北部地區。

3.2 地表基質填圖單元厚度確定

野外調查發現，山體坡向（陰坡或陽坡）、坡度、海拔等因素控制地表殘坡積層的厚度，而后者的覆蓋深度又與植被發育程度密切相關。

通過分析在該流域獲取的104組不同巖石殘積物和坡積物厚度與植被數據，發現殘坡積層厚度總體是陽坡小于陰坡，且坡度越大，殘坡積層厚度越小。殘坡積層厚度越小，植物發育程度就越差，如陽坡的殘積層區，植被類型主要為矮小的灌木，且灌木高度大多小于1 m；而在陰坡的殘積層區，由于殘積層厚度較陽坡大，植被發育雖然也為灌木，但高度可達1.5 m。

在陽坡的坡積層區，坡積層厚度相對較厚，植被類型中灌木和喬木均勻分布，且灌木和喬木分布比例相當；但在陰坡的坡積層區，坡積層厚度相對更厚，植被主要以喬木為主。筆者在砂巖、白云巖、花崗巖、片麻巖及泥頁巖等5種不同的巖石風化后的殘積物和坡積物區域內，調查發現殘、坡積層的厚度在各個巖性之間存在細小差別，但總體趨勢與前面總結的規律一致，即殘積層的厚度總體小于20 cm，天然植被主要為草本和灌木；而坡積層的厚度普遍大于20 cm，植被類型以喬木為主（圖2）。因此，這里筆者以殘、坡積層的厚度20 cm為界線進行填圖單元劃分，從支撐植被的角度出發，<20 cm的殘積物（風化殼）以母巖巖石類型命名為基巖填圖單元，而≥20 cm的區域作為第四系沉積類型（坡積物）的地表基質填圖單元。

圖2 柴白河流域殘坡積物平均厚度統計圖Fig.2 Statistical histogram of the average thickness of the eluvium and deluvium deposits in the Chaibai River basin

3.3 地表基質填圖單元劃分

根據前面的地表基質三級分類理論，綜合巖性組合特征，對出露較少的地質單元進行合并，在承德市柴白河流域地區劃分了砂礫巖類基巖、白云巖類基巖、流紋巖類基巖、花崗巖類基巖、粗安巖類基巖、片麻巖類基巖、砂礫巖類坡積沙礫、流紋巖類坡積沙礫、花崗巖類坡積沙礫、粗安巖類坡積沙礫、白云巖類坡積沙礫、片麻巖類坡積沙礫、砂礫巖類殘積粗礫、白云巖類殘積粗礫、流紋巖類殘積粗礫、花崗巖類殘積粗礫、粗安巖類殘積粗礫、片麻巖類殘積粗礫、沖洪積粗礫、沖洪積沙、風積粉沙、沖洪積黏土等22個地表基質三級類填圖單元（圖3）。

圖3 承德柴白河流域地表基質三級填圖單元Fig.3 Third-level mapping unit of ground substrate in the Chaibai River Basin of Chengde

這里說明一下，文中將第四系的沉積物命名為沙，由于各種巖石的風化殼及殘坡積物均為第四系沉積物，故統一為沙。

4 壩上高原地表基質調查支撐科學綠化與生態修復實踐

4.1 支撐塞罕壩地區植樹造林優化布局

2019——2021年，筆者在位于河北北部的張家口——承德（張承）壩上高原地區開展地表基質調查，結果顯示塞罕壩地區地表基質類型主要是玄武巖、花崗巖、風積物和河湖沉積物，其他類型還有凝灰巖、安山巖、流紋巖等。目前的人工林主要種植于風積物和玄武巖基質區。

風積物基質區：因地下水位埋深較深（一般大于10 m），土壤養分含量較低，人工種植喬木林后，灌木和草本因水分和養分不足出現植被群落結構單一現象。

玄武巖基質區：調查發現玄武巖基質區表層土壤厚度為0.1～0.3 m，風化殼厚度為0.5～1.0 m，土壤中N和K元素含量較高。致密塊狀玄武巖垂向柱狀節理裂隙發育，可為落葉松等淺根喬木樹種根系生長提供物理空間和水分通道；蜂窩狀和杏仁狀玄武巖保水性較好，適宜樟子松、白樺等深根喬木樹種生長，在山坡上種植的喬木生物多樣性較好（圖4）。

圖4 張承壩上高原典型地表基質與植被生長約束Fig.4 Typical ground substrate and vegetation growth constraints in the Bashang Plateau of Zhangjiakou——Chengde

花崗巖基質區：土壤層厚0.2～0.5 m，風化殼層厚1.0～2.0 m，土壤中N和K元素含量較高，巖石保水性較好，適宜樟子松、榆樹等以深根為主的喬木生長，也可作為周邊擴大造林規劃的區域。適宜的花崗巖基質區主要分布在塞罕壩地區中部、豐寧縣大灘鎮和外溝門鄉等地。

因此，周邊擴大造林宜優先規劃在玄武巖基質區，重點推廣針闊混交林，并增加蒙古櫟、白樺和榆等鄉土樹種。適宜的玄武巖基質區主要分布在塞罕壩地區中部、豐寧縣大灘——魚兒山鎮一帶和草原鄉、圍場縣御道口牧場及御道口鎮等地。

4.2 支撐壩上高原狼毒草防治

對壩上高原御道口牧場區42 處狼毒草分布區進行樣方調查，測量株數、株高等，發現9處為密集斑塊類型，6處為稀疏斑點類型，27處為零散點狀類型。其中“風積+水積”類二元地質結構單元更易出現狼毒草，在河湖相+薄層風積沙土壤結構單元內狼毒草空間展布呈面狀和帶狀密集分布（圖5）；在沙地區域內和河道兩側及低洼區域內呈零散點狀分布。由于二元結構單元對水分、養分的供給能力較強，利于狼毒草產生“肥島”。密集斑塊狀型地表基質層中 N、P、K、Ca、Mg、S 等元素含量明顯高于狼毒草零散點狀區，且粒度組分以沙為主，水土條件優良，“肥島”效應顯著，利于狼毒根系對表層至深層土壤的利用效率，產生較多的根系沉淀，而根系活動能維持“肥島”的功能和發育，狼毒和“肥島”相互促進有利于狼毒種群的大面積擴張。相反，沙地區和低洼區水土條件差異顯著，不利于“肥島”效應發生，延緩狼毒草的擴散。

圖5 御道口牧場區不同地表基質層垂向結構與植被約束特征Fig.5 Constraint characteristics of vertical structure of different ground substrates on vegetation in the Yudaokou pasture area

5 結論與建議

（1）地表基質調查，需要從地質本身出發，將地表基質與自然資源和生態環境緊密聯系，查清其自然性質及其可能的表現行為。

（2）同一氣候條件下，不同地表基質類型對植被類型及其組合有明顯影響，地表基質異質性直接影響著植被的類型和空間展布格局。

（3）地表基質的三級分類可在物質組成、成因類型、地貌形態基礎上，巖石以成因類型+地貌形態+粒級等進行命名，第四系松散沉積物以成因類型（地貌形態）+粒級（質地）等進行命名。

（4）地表基質綜合調查包括調查、監測、評價、區劃等內容，根據地表基質垂向支撐的內容不同，可分為生產層、生態層和生活層。

由于土壤是氣候、植被和地表基質相互綜合作用的產物，地表基質多樣性一定程度上決定了土壤多樣性，而土壤多樣性又影響著植物多樣性[22]，故建議后續在地表基質調查過程中增加地表基質異質性（或多樣性調查），也建議在目前正在開展的土壤“三普”中將土壤多樣性與地表基質多樣性結合起來進行統一調查。