生態地質調查方法與評價體系研究

李歡 鄭祺愷 王穎 張沁瑞 王立發 黃勇 陳喜友

摘 要：生態地質作為一門新興交叉學科，諸多學者對其研究內容、工作思路、技術手段、服務目標等進行了探索。以京西“一線四礦”為研究對象，闡述了以服務于生態保護和修復為目標的生態地質調查總體思路和工作方法，建立了生態地質分區評價指標體系。研究結果表明：生態地質分區評價能夠直觀反映生態地質本底特征，是生態地質條件優劣的直接表現；“地理+地質+生態”三要素融合的生態地質分區評價模式，建立了1個目標層、3個準則層、10個指標層的評價指標體系，其中地理環境權重0.122 6，地質環境權重0.601 1，生態環境權重0.276 3。以地質建造為分類單元，地表基質層支撐力由強到弱分別是中性侵入巖建造、陸源碎屑巖建造、中性噴出巖建造、基性噴出巖建造、碳酸鹽巖建造。京西“一線四礦”地區（287 km2）生態地質條件良好區面積105.9 km2，占比36.9%；一般區面積78.7 km2，占比27.4%；較差區面積102.4 km2，占比35.7%。在京西“一線四礦”及周邊區域協同發展概念規劃總體策劃范圍（99 km2），圈定出喬木生長適宜區面積58.6 km2，灌木生長適宜區面積40.4 km2。

關鍵詞：生態地質；評價體系；地表基質層；地表覆蓋層；植被恢復與保育；京西“一線四礦”

Research on ecological geological survey methods and evaluation system — a case study of "One Line and Four Mines" area in western Beijing

LI Huan1， ZHENG Qikai1， WANG Ying2， ZHANG Qinrui1， WANG Lifa1，

HUANG Yong1， CHEN Xiyou1

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China；

2.Beijing Institute of Geology， Beijing 100195， China）

Abstract： Ecological geology is an emerging interdisciplinary field. Many scholars have explored its research content， work ideas， technical means， and service objectives. Taking the "One Line and Four Mines" area in western Beijing as the research object， this paper elaborates on the overall idea and working methods of ecological geological survey with the goal of serving ecological protection and restoration， and establishes an ecological geological zoning evaluation index system. The research results show that the evaluation of ecological geological zoning can directly reflect the background characteristics of ecological geology and is a direct manifestation of the advantages and disadvantages of ecological geological conditions. This paper proposes an ecological geological zoning evaluation model using the "geography+geology+ecology" method， and establishes an evaluation index system consisting of 1 target layer， 3 criteria layers， and 10 indicator layers. The weight of the geographical environment is 0.122 6， the weight of the geological environment is 0.6011， and the weight of the ecological environment is 0.276 3. Taking geological formation as the classification unit， the supporting force of surface matrix layer from strong to weak is neutral intrusive rock formation， terrigenous clastic rock formation， neutral volcanic rock formation， basic volcanic rock formation and carbonate rock formation. The area with good ecological and geological conditions in the "One Line and Four Mines" area of western Beijing （287 km2） is 105.9 km2， accounting for 36.9%. The general area is 78.7 km2， accounting for 27.4%. The area of the poor area is 102.4 km2， accounting for 35.7%. In the overall planning scope of the concept plan for coordinated development of the "One Line and Four Mines" and surrounding areas in western Beijing （99 km2）， the suitable area for tree growth is delineated as 58.6 km2， and the suitable area for shrub growth is 40.4 km2.

Keywords： ecological geology; evaluation system; ground substrate layer; ground cover layer; vegetation restoration and conservation; “One Line and Four Mines”; western Beijing

生態地質學結合了生態學、環境學、地質學等學科特點（侯紅星等，2021；聶洪峰等，2021；彭建兵等，2022；殷志強等，2020），涉及生態水文地質、生態工程地質、生態環境地質、生態災害地質、生態景觀地質、生態城市地質、生態礦山地質、生態海洋地質等諸多方面，可見其涵蓋領域眾多。作為一門新興交叉學科，在支撐服務國土空間規劃、自然資源管理、生態環境保護等方面的意義重大（陳國光等，2022；竇衍光等，2021）。

袁國禮等（2023）系統闡述了以服務生態文明為目標，基于表生地質過程對地表生態發育制約作用的生態地質調查研究思路；孫立廣等（2017）提出了以糞土層為載體，運用微觀生物地球化學技術還原過去生態環境信息的人類世生態地質學研究方法；曾銳等（2020）通過研究云南蒙自巖溶斷陷盆地的農作物生態需水量，提出了科學可行的農業種植建議；張瓔凌（2020）運用遙感技術探究了地質環境與植被覆蓋度之間的關系，為認識地質本底對生態環境的影響奠定了基礎。上述學者從不同角度探索了生態地質調查的理論體系、目標任務、技術方法與成果應用，不同程度上推動了我國生態地質調查工作的開展。

廣義的生態地質是以服務于生態文明建設為目標，其研究內容包羅萬象，只要是能夠助力生態文明建設的直接或間接研究工作均可納入其中。狹義的生態地質是以服務于生態保護和修復為具體目標，重點關注以地表植被為典型要素的生態環境特征。本文注重研究生態地質調查支撐服務地表植被恢復與保育的探索實踐，從總體思路、工作方法、評價體系建立等方面系統闡述了生態地質調查的主要工作內容與技術要求，構建生態地質分區評價體系，結合生態支撐力評估與生態地質分區評價結果，提出了京西“一線四礦”地區植被恢復與保育的對策建議，以期為該區域的規劃建設提供地學依據。

1 ?研究區概況

京西“一線四礦”位于北京市門頭溝區東部（圖1），其中“一線”指“門大線”鐵路（門頭溝站—木城澗站），線路全長33.4 km，全線共設12座車站，在門頭溝站與市郊鐵路“京門線”接軌；“四礦”則為沿“門大線”依次分布的王平村、大臺、木城澗和千軍臺4座煤礦（李歡等，2023）。研究區面積287 km2，地處北京西部山區，屬中緯度大陸性季風氣候，年平均氣溫11.7℃，年平均降水量528 mm，主要河流為永定河，自西北向東南穿過研究區。

結合沉積韻律、巖漿活動及地層巖性的空間展布規律（劉洪等，2023；劉清俊等，2023；張騰蛟等，2021），研究區的地質建造劃分為第四紀沉積建造、早—中侏羅紀火山碎屑巖建造、中—晚侏羅紀陸源碎屑巖建造、早侏羅紀中性噴出巖建造、晚侏羅紀基性噴出巖建造、三疊—石炭紀陸源碎屑巖建造、奧陶—寒武紀碳酸鹽巖建造、青白口紀碳酸鹽巖—陸源碎屑巖建造、侏羅紀中世中性侵入巖建造，見圖2。

2 ?研究方法

2.1 ?生態地質調查總體思路

生態地質調查是查明生態地質要素資源的類型、物質組成、分布特征，研究各類生態地質要素資源的互饋關系，揭示地表基質層（巖石層、母質層、土壤層）與地表覆蓋層（植被層）之間的支撐孕育特征和耦合關系，以服務植被保育和生態保護為目標，以地球系統科學理論為指導的調查研究工作。

本次研究注重巖石風化成土過程對地表生態景觀、分布、演變的影響，偏向于巖石、母質、土壤與植被之間的交互作用，旨在探索地表基質層對地表生態層的支撐能力。以地表基質層為研究對象，查明巖石轉化為土壤的形成過程；以地表覆蓋層為研究對象，識別巖石、母質、土壤對植被的支撐能力。地表基質層對地表生態層的支撐作用是動態過程，而土壤水和植物水是其中的關鍵紐帶，將四者有機結合起來（圖3）。受研究基礎限制，本文重點探討地表基質層與地表生態層之間的互饋關系，土壤水和植物水在生態地質動態循環系統中發揮的作用將會在后續研究中跟進。

2.2 ?生態地質調查工作方法

整個生態地質調查過程大致可分為3個階段，即前期準備階段、具體實施階段和綜合研究階段（圖4）。前期準備階段主要是資料收集與分析、工作方案編制，重點收集區域地質、地質礦產、地球化學、土壤類型等地質類相關資料和氣候、地形地貌、植物、水系等生態類資料。具體實施階段分為2部分內容，一是通過遙感手段進行影像預處理，對坡度、坡向、高程、植被覆蓋度、河流水系、土地利用等信息進行解譯，選擇的影像分辨率可根據調查精度進行適當調整；二是開展植物樣方調查、生態地質路線調查、樣品采集與實驗測試等生態地質本底值調查。遙感數據處理與地質解譯工作開始的時間應適當早于生態地質本底值調查工作，便于有針對性地指導調查、采樣等野外工作。綜合研究階段是在整理分析歷史調查成果、遙感解譯成果、野外實地調查數據、實驗測試數據的基礎上，開展地表基質層與地表覆蓋層耦合關系研究、生態地質分區研究、生態支撐力評估、生態適宜性評價等方面的工作，提出植被恢復與保育的對策建議。

2.3 ?生態地質分區評價體系建立

2.3.1 ?評價單元劃分

生態地質分區評價具有承上啟下的作用，既是對地表基質層與地表覆蓋層耦合關系研究、生態支撐力評估的總結，也是開展生態適宜性評價的基礎。

評價單元劃分的方式有多種，既可以劃分為若干個大小、形狀相同的網格單元，也可以用行政區作為評價單元。本文將地理單元（由水系、山脊劃分而成）和地質建造單元進行物理疊加，經交叉切割后劃分出不規則狀的評價單元。研究區內共有地質建造單元50個，地理單元153個，將二者進行疊加切割后得到600個評價單元，并對2 500 m2（50 m × 50 m）以下的微小單元按地質建造類型進行合并，最終得到533個評價單元。

2.3.2 ?評價因子選取

結合生態地質調查的總體思路、目標任務、工作內容和預期成果，基于層次分析法，筆者提出了“地理+地質+生態”三要素融合的生態地質分區評價體系（圖5）。10個評價指標中，與生態地質分區評價呈正相關的指標為坡向、植被覆蓋度、植被生長狀況、水系密度、土壤有機質、地質建造，其他指標均呈負相關。

生態地質分區評價旨在探索地理環境-地質環境-生態環境之間的相互作用與協調平衡關系，整個評價體系反映的是對生態地質分區的三維立體化評價，可以通過地面、地面以下、地面以上3個角度來剖析該評價體系；地理環境反映的是地面處的生態地質條件狀況，地質環境反映的是地面以下的生態地質條件狀況，生態環境反映的是地面以上的生態地質條件狀況。

2.3.3 ?主觀賦權

層次分析法是將難以準確量化的復雜系統分解成不同層次和因素，逐層次地對各種因素進行對比，確定出系統的整體特征，最終得到權重。層次分析法確權過程可分為建立層次結構模型、構造判斷矩陣、計算權向量并做一致性檢驗。本研究基于“yaahp”層次分析軟件，通過咨詢相關專家并結合各學者的研究經驗來構造判斷矩陣最終得到各項評價指標的權重（表1）。

層次分析法主觀賦權結果顯示：在生態地質分區評價指標體系中，地質環境指標所占權重最大，為0.601 1，其次為生態環境指標，為0.276 3，地理環境指標整體權重較小，僅為0.122 6；各3級指標權重由大到小依次為地質建造、植被生長狀況、土壤有機質、土壤環境風險、植被覆蓋度、坡度、水環境質量、水系密度、坡向、高程。

3 ?結果與討論

3.1 ?生態支撐力評估

3.1.1 ?整體規律分析

巖石風化成土能力越強，地表基質層對生態層的支撐力越強，也就越適宜植被生長。不同成巖環境下形成的巖石風化能力有一定差異（Scarciglia et al.，2007；Stewart et al.，1998；楊駿雄等，2016；張莉等，2015），風化層的空間結構也存在顯著不同，風化層厚度（母質層和土壤層的厚度之和）能夠反映巖石風化成土能力。

在評估生態支撐力時，以地質建造為單元進行分類討論。研究區中性侵入巖建造主要巖性為花崗閃長巖，風化能力明顯高于其他類型巖石，出露巖體基本已全部發生了不同程度的風化（圖6-a），母質層、土壤層平均厚度分別為300 cm、34 cm。陸源碎屑巖建造主要巖性為砂巖，抗風化能力中等，能夠見到較為清晰的母質層及土壤層（圖6-b），母質層、土壤層平均厚度分別為98 cm、56 cm。中性噴出巖建造主要分布安山巖（圖6-c），母質層、土壤層平均厚度分別為51 cm、26 cm?；試姵鰩r建造巖性為有氣孔杏仁狀玄武巖和蝕變玄武巖，其中氣孔杏仁狀玄武巖分布區多見薄層土壤與巖石直接接觸（圖6-d），土壤層平均厚度為10～20 cm；而蝕變玄武巖則易形成一定厚度的母質層及土壤層（圖6-e），平均厚度分別為63 cm、28 cm。碳酸鹽巖建造主要巖性為灰巖，風化形成的土壤層較薄，平均厚度為32 cm，基本不可見母質層（圖6-f）。

巖石在原生環境中物理、化學成分相對穩定，當進入表生環境后，氧氣、水分、溫度等條件完全不同于原生環境，即會發生風化作用（Wang et al.，2008；李歡等，2021）。從巖石形成環境分析，侵入巖形成初期埋藏于地表以下，而噴出巖和陸源碎屑巖形成初期便暴露于地表。由此可見，在地質作用影響下侵入巖暴露于地表后，發生的風化作用要強于噴出巖和陸源碎屑巖，從而導致侵入巖建造風化層厚度明顯大于噴出巖建造和陸源碎屑巖建造（圖7）。

3.1.2 ?負面案例分析

筆者于2022年8月進行野外調查時發現，研究區某地山坡上槐樹出現了壞死、枯死現象（圖8左）；2023年6月再訪該區域時發現，死亡槐樹已全部被砍伐（圖8右）。該區域主要巖性為奧陶系馬家溝組粉晶灰巖、白云質灰巖，根據生態支撐力評估結果，碳酸鹽巖地層分布區土壤層平均厚度為32 cm，地表基質層對生態層的支撐力較差?；睒渥鳛楸狈降貐^的鄉土樹種，雖耐寒、喜光，不耐陰濕而抗旱，且在堿性、酸性及輕鹽堿的土壤上均可正常生長，但其根系發達，喜土層深厚、排水良好的沙壤土，具有深根性。由此可見，碳酸鹽巖分布區不適宜種植類似槐樹的高大喬木，適宜種植灌木。

3.2 ?生態地質分區評價

生態地質分區評價是在得到各評價單元綜合分數的基礎上，以自然斷點法將評價單元劃分為較差區、一般區、良好區3個等級。

京西“一線四礦”地區處于門頭溝水土保持與森林修復區的重要地帶。生態地質條件良好的區域面積105.9 km2，占研究區總面積的36.9%（圖9）；生態地質條件一般的區域面積78.7 km2，占比27.4%；生態地質條件較差的區域面積102.4 km2，占比35.7%。各鄉鎮的統計結果顯示（圖10），門頭溝城區、龍泉鎮、軍莊鎮生態地質條件整體較好。

3.3 ?植被恢復與保育的對策建議

系統揭示研究區（287 km2）巖石-母質-土壤-植被之間耦合關系，準確判斷地表基質層（巖石層、母質層、土壤層）對地表覆蓋層（植被層）的支撐能力，在生態地質分區評價的基礎上，結合京西“一線四礦”及周邊區域協同發展概念規劃總體策劃范圍（99 km2），進行科學合理的生態適宜性區劃，既對植物種植類型（喬、灌、草、花等）科學合理地選擇具有重要意義，也對服務京西“一線四礦”地區規劃建設具有重要支撐作用。生態地質條件特征、生態支撐力、生態適宜性及生態管控措施的對應關系如表2。

京西“一線四礦”規劃區域生態地質本底良好區域（喬木生長適宜區）面積58.6 km2，占比59.2%；生態地質本底較差區域（灌木生長適宜區）面積40.4 km2，占比40.8%。從空間分布情況來看（圖11），整個帶狀規劃區域的生態適宜性可分為3段：門頭溝站—野溪站為喬木生長適宜區；野溪站—落坡嶺站為灌木生長適宜區；落坡嶺站—千軍臺站主要為喬木生長適宜區，其中木城澗站—千軍臺站南側的局部區域為灌木生長適宜區。通過準確劃分規劃建設區的生態適宜性，合理確定生態產品開發資金投入，既能夠節省規劃建設資金成本，也能夠起到精準服務的效果。

4 ?結論

1）地表基質層支撐力是影響生態層質量狀況的關鍵因素，以地質建造為分類單元，京西“一線四礦”地區地表基質層支撐力由強到弱分別是中性侵入巖建造、陸源碎屑巖建造、中性噴出巖建造、基性噴出巖建造、碳酸鹽巖建造，文中列舉的負面案例也進一步證實了該結果。

2）生態地質分區評價可對生態地質環境狀況進行判定，是生態地質條件優劣的直接表現。京西“一線四礦”地區生態地質條件良好、一般、較差的區域面積占比分別為36.9%、27.4%、35.7%。

3）結合生態支撐力評估、生態地質分區評價、生態適宜性評價結果以及京西“一線四礦”及周邊區域協同發展概念規劃總體策劃范圍，圈定出喬木生長適宜區面積58.6 km2，灌木生長適宜區面積40.4 km2。未來在植被恢復與保育時，不能過度植樹造林，宜喬則喬，宜灌則灌。最大程度地發揮生態地質本底潛力作用，避免地質資源的浪費。

4）本文重點論述了地表基質層與地表覆蓋層的支撐孕育特征和耦合關系，根據生態地質調查總體思路，尚缺乏土壤水和植物水的賦存、運移等方面的研究工作，有待后續開展研究。

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