低山丘陵區(qū)黑土地地表基質(zhì)調(diào)查研究思路
——以扎蘭屯地區(qū)為例

■ 陳 彭/侯紅星/馬駿馳/魯 敏/秦 天

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065099；2.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；3.華北科技創(chuàng)新中心，天津 300170）

0 引言

“地表基質(zhì)”是自然資源領(lǐng)域的一個(gè)新概念，其含義是指地球表層孕育和支撐森林、草原、水、濕地等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì)[1]。從定義來看，地表基質(zhì)屬于“地球關(guān)鍵帶”[2]的一部分，其不包括植物冠層，是地球關(guān)鍵帶中自地表向下最為活躍的土壤層、母質(zhì)層（風(fēng)化層）、母巖頂板及水體底質(zhì)的總和，是多門類自然資源之間相互作用和密切聯(lián)系的紐帶[3]。許多學(xué)者針對地表基質(zhì)調(diào)查工作的目標(biāo)任務(wù)、工作思路、分類標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)方法和成果表達(dá)等內(nèi)容進(jìn)行了初步研究[4-7]。地表基質(zhì)調(diào)查是自然資源調(diào)查的新領(lǐng)域，雖然并非一項(xiàng)全新的專項(xiàng)資源調(diào)查工作[8]，但其聚焦國家生態(tài)安全和糧食安全，面向國土空間規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)修復(fù)和農(nóng)林牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等目標(biāo)，具有全新的調(diào)查內(nèi)容和生命力。

1 地表基質(zhì)調(diào)查的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)

1.1 地表基質(zhì)的科學(xué)內(nèi)涵

在自然資源部印發(fā)的《地表基質(zhì)分類方案（試行）》（以下簡稱《分類方案》）中，將地表基質(zhì)定義做了進(jìn)一步延伸：“當(dāng)前出露于地球陸域地表淺部或水域水體底部，主要由天然物質(zhì)自然作用形成，正在或可以孕育和支撐森林、草原、水等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì)。[9]”此定義明確了地表基質(zhì)的天然屬性和資源屬性，突出了其是各類自然資源生成和存貯的基礎(chǔ)。按照“系統(tǒng)、聯(lián)系、發(fā)展”的觀點(diǎn)對各類自然資源要素進(jìn)行分層，將孕育和支撐森林、草原、水、濕地等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì)層稱為地表基質(zhì)層，即不同類型的地表基質(zhì)通過復(fù)雜的自然作用過程，與水、氣、生物等有機(jī)組合，分布在地球陸域地表或水體底部，形成的具有一定厚度，能夠支撐地球表層生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的層狀體。地表基質(zhì)層是“水圈、土壤圈、大氣圈、巖石圈、生物圈、人類圈”相互作用所構(gòu)成的復(fù)雜開放的系統(tǒng)[10]。

筆者認(rèn)為，地表基質(zhì)既是地球表層生態(tài)系統(tǒng)的主要承載體，又是其各種作用后的產(chǎn)物。而不同類型的地表基質(zhì)層則直接影響著覆蓋層的屬性特征與形成演化。自上而下的土壤層、母質(zhì)層（風(fēng)化層）、母巖層多界面交融的復(fù)雜系統(tǒng)，是物質(zhì)循環(huán)和能量流動最為活躍的區(qū)域，維系著生態(tài)系統(tǒng)功能和人類福祉[11]。而地表基質(zhì)層是水文循環(huán)、地球化學(xué)循環(huán)、碳循環(huán)、氮循環(huán)、侵蝕與沉積、風(fēng)化作用、成巖作用、成土作用等的發(fā)生地，更是土地利用與資源管理的最主要對象[12-14]。

1.2 黑土地地表基質(zhì)的分類與命名

自“地表基質(zhì)”概念提出后，學(xué)者們對其分類命名展開研究。殷志強(qiáng)等[5]以地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，借鑒地球關(guān)鍵帶分類原則[15-16]，將地形地貌引入分類依據(jù)，按物質(zhì)組成、成因類型、地貌形態(tài)和粒度質(zhì)地將地表基質(zhì)類型劃分為4個(gè)層級。而《分類方案》[9]將地表基質(zhì)劃分為巖、礫、土、泥的4個(gè)一級類和14個(gè)二級類?；凇斗诸惙桨浮?，結(jié)合東北地區(qū)土壤、成土母質(zhì)特征，侯紅星等提出了“黑土地地表基質(zhì)三級分類方案”，共劃分46個(gè)三級類[6]（表1）。該分類方案中一級、二級分類與命名沿用《分類方案》中的規(guī)定，而將《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）中有關(guān)礫質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)[17]增加至三級類礫質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)中。三級類地表基質(zhì)命名方式如下：①巖石類、泥質(zhì)類沿用原有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命名[18-20]；②礫質(zhì)類命名采用礫石形狀加礫石大小的方法；③土質(zhì)類命名采用不同級別礫含量加土壤發(fā)生分類的方法[21]。

表1 黑土地地表基質(zhì)三級分類建議表

續(xù)表1

1.3 地表基質(zhì)研究基礎(chǔ)

目前，從學(xué)科體系化角度去審視地表基質(zhì)的基礎(chǔ)理論建設(shè)，其尚處起步階段，學(xué)科體系化亦未形成。而調(diào)查內(nèi)容的復(fù)雜多樣，研究理論的綜合交叉，都需要把地表基質(zhì)作為一門多學(xué)科、多門類的復(fù)合型學(xué)科在具體調(diào)查工作中豐富理論基礎(chǔ)、完善技術(shù)方法。郝愛兵提出地表基質(zhì)調(diào)查的工作方法應(yīng)基于已有地質(zhì)調(diào)查成果和相關(guān)基礎(chǔ)圖件，以編繪改化已有成果為主、適當(dāng)開展補(bǔ)充調(diào)查為輔，劃定宜林則林、宜草則草、宜耕則耕的適宜區(qū)域[8]。

已有學(xué)者以建立地表基質(zhì)分類分級原則、構(gòu)建指標(biāo)體系、創(chuàng)新成果表達(dá)、探索地表基質(zhì)與自然資源和生態(tài)環(huán)境的相互作用為目標(biāo)，在華北平原區(qū)、東北黑土區(qū)、內(nèi)蒙古西部地區(qū)和華東沿海地區(qū)開展地表基質(zhì)探索研究工作。侯紅星[6]、魯敏[22]、秦天等[23]通過在河北省保定市和吉林省梨樹地區(qū)地表基質(zhì)調(diào)查的實(shí)踐研究，完善了地表基質(zhì)調(diào)查技術(shù)要求，構(gòu)建了黑土地地表基質(zhì)調(diào)查內(nèi)容與要素指標(biāo)體系。孔繁鵬等在黑龍江省寶清地區(qū)分析地表基質(zhì)層內(nèi)有機(jī)質(zhì)退化機(jī)理，利用主成分分析法開展地表基質(zhì)質(zhì)量評價(jià)[24]。楊柯等利用分解-反硝化模型在黑龍江省海倫地區(qū)探討了黑土基質(zhì)類型中的土壤碳匯能力，并對地表基質(zhì)內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量的變化進(jìn)行了研究[25]。張思源等在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾地區(qū)利用遙感影像進(jìn)行地表基質(zhì)類型劃分研究[26]。王偉等在浙江省寧波前灣新區(qū)建立地表基質(zhì)空間三維模型。殷志強(qiáng)等在河北省承德市以成土母質(zhì)結(jié)合成因類型劃分地表基質(zhì)類型[27]。

2 黑土地地表基質(zhì)調(diào)查總體工作部署

2.1 黑土地地表基質(zhì)調(diào)查總體思路

為全面支撐《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030年）》和《國家黑土地保護(hù)工程實(shí)施方案（2021—2025年）》的實(shí)施，自然資源部綜合調(diào)查監(jiān)測司組織開展黑土地地表基質(zhì)調(diào)查工作。本項(xiàng)調(diào)查工作是以滿足保障國家糧食安全戰(zhàn)略和支撐黑土地保護(hù)工程實(shí)施的需求為導(dǎo)向，以地球系統(tǒng)科學(xué)和自然資源科學(xué)為理論基礎(chǔ)，形成東北黑土地地表基質(zhì)調(diào)查評價(jià)技術(shù)方法。建立“部主導(dǎo)、省聯(lián)動；指揮中心牽頭，地方隊(duì)伍配合；科研院所支撐”的工作模式。采用“點(diǎn)線面體孔聯(lián)用，空天地井鉆結(jié)合”一體化調(diào)查手段，查清地表基質(zhì)類型、空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、理化性質(zhì)、地表景觀及生態(tài)屬性、人文屬性等，掌握地表基質(zhì)層的時(shí)空分布、數(shù)量質(zhì)量、利用狀況和動態(tài)變化。集成以往調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建黑土地地表基質(zhì)數(shù)據(jù)信息平臺，全面支撐自然資源綜合調(diào)查監(jiān)測的“一張底版、一套數(shù)據(jù)”建設(shè)。

2.2 黑土地地表基質(zhì)調(diào)查工作目標(biāo)

根據(jù)《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030年）》和《國家黑土地保護(hù)工程實(shí)施方案（2021—2025年）》中有關(guān)內(nèi)容，以東北典型黑土區(qū)83個(gè)重點(diǎn)縣約44萬km2區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，完成黑土地地表基質(zhì)資源狀況調(diào)查工作。重點(diǎn)查清地表基質(zhì)類型、分布范圍、空間結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、碳儲碳匯及其中的附屬物特征等；分析各類型地表基質(zhì)發(fā)生發(fā)展、轉(zhuǎn)化機(jī)理和演替規(guī)律；揭示地表基質(zhì)層與地表覆蓋層的支撐孕育特征和耦合關(guān)系，構(gòu)建黑土地地表基質(zhì)適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，系統(tǒng)科學(xué)評價(jià)地表基質(zhì)對森林、草原、水、作物等其他自然資源支撐孕育能力和潛力，最終形成黑土地地表基質(zhì)信息化服務(wù)平臺。通過調(diào)查評價(jià)為東北黑土地地表基質(zhì)資源綜合利用與管理、生產(chǎn)生態(tài)空間適宜性規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)整治等提供基礎(chǔ)參考。

2.3 黑土地地表基質(zhì)調(diào)查工作內(nèi)容

黑土地地表基質(zhì)調(diào)查要求國土范圍無縫覆蓋，以0～5m深度為調(diào)查重點(diǎn)層位，完成黑土區(qū)1∶25萬地表基質(zhì)調(diào)查。工作內(nèi)容包括：①查清黑土地地表基質(zhì)類型數(shù)量、空間結(jié)構(gòu)、理化屬性、景觀特征、利用狀況等特征屬性；②形成適合黑土地地表基質(zhì)健康狀況評價(jià)的綜合指標(biāo)體系，開展黑土地地表基質(zhì)利用狀況和支撐孕育能力潛力適宜性評價(jià)；③建立黑土地地表基質(zhì)數(shù)據(jù)庫，搭建黑土地地表基質(zhì)資源管理信息系統(tǒng)平臺；④探索建立并不斷完善地表基質(zhì)調(diào)查監(jiān)測長效機(jī)制；⑤基于地表基質(zhì)調(diào)查成果，提出支撐黑土地保護(hù)管理、開發(fā)利用、空間規(guī)劃、土地整治、生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃建議。

3 中低山丘陵區(qū)黑土地地表基質(zhì)調(diào)查：以扎蘭屯為例

3.1 區(qū)域概況

扎蘭屯地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，背倚大興安嶺，面眺松嫩平原，地處大興安嶺山脈的中段東麓、松嫩平原西北緣（圖1）。區(qū)內(nèi)地勢西高東低，北高南低，主要地貌類型包括中低山、丘陵、臺地、沖積平原，其中以中低山、丘陵為主。西部中低山區(qū)近地表巖石在化學(xué)風(fēng)化作用控制下，基巖上部形成一套原地或近原地以暗棕色色調(diào)為主的亞黏土、亞砂土，尤以海拔500～800m的山地較為發(fā)育，東部雅魯河流域內(nèi)以沖洪積形成的黃色系砂礫石為主。研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為3.4℃，年均降水量為510.7mm，年均蒸發(fā)量為1399.4mm，年均日照時(shí)長為2722h。研究區(qū)內(nèi)水系較為發(fā)育，均屬于嫩江水系右岸支流。據(jù)水利部門資料[28]，扎蘭屯地區(qū)水資源總量約為25.67×108m3。

圖1 扎蘭屯地區(qū)交通位置圖

研究區(qū)內(nèi)林地面積最大，占土地總面積的65.5%，主要集中在西北部林區(qū)，針葉樹種主要為落葉松、樟子松，闊葉樹種主要為白樺、黑樺、山楊等。其次是牧草地，占土地總面積的20.03%，散布于研究區(qū)內(nèi)，以草甸類、草本沼澤類為主要類型。耕地面積為19.95×104hm2，占土地總面積的11.8%，主要集中在東南和西南部的低山、丘陵區(qū)，主要農(nóng)作物為玉米、大豆。

3.2 技術(shù)路線

以地球系統(tǒng)科學(xué)和自然資源科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合土壤學(xué)、林草學(xué)、農(nóng)業(yè)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)容，按照“問題、需求、目標(biāo)”導(dǎo)向，以中低山-丘陵典型地貌特征區(qū)地表基質(zhì)調(diào)查的技術(shù)方法為突破口，綜合考慮地理地貌單元、地質(zhì)成因單元、地表基質(zhì)類型、地表覆被類型等因素，分區(qū)、分類、分層次部署調(diào)查研究工作。通過地表基質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、地表基質(zhì)理化性質(zhì)調(diào)查、地表基質(zhì)層沉積演化和數(shù)據(jù)庫建設(shè)等工作，采取多種技術(shù)方法和作業(yè)模式，采用野外系統(tǒng)取樣和室內(nèi)分析測試相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確獲取調(diào)查區(qū)黑土地地表基質(zhì)層不同層位的各類要素及其屬性參數(shù)數(shù)據(jù)?；谝陨瞎ぷ?，開展地表基質(zhì)空間結(jié)構(gòu)、景觀屬性、生境現(xiàn)狀、影響因素、理化性質(zhì)、作用過程及演化規(guī)律的綜合研究（圖2）。

3.3 調(diào)查研究內(nèi)容

以區(qū)域地質(zhì)圖和第四紀(jì)地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，按照地表基質(zhì)分類原則，形成扎蘭屯地區(qū)地表基質(zhì)類型圖（圖3、圖4、圖5）。將高分辨率遙感影像作為工作手圖，在扎蘭屯地區(qū)開展1∶25萬地表基質(zhì)調(diào)查，1m以淺基質(zhì)層以查清基質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)、生態(tài)景觀屬性為調(diào)查重點(diǎn)內(nèi)容，1m以深基質(zhì)層以查明基質(zhì)層空間結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)為重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容。

圖3 扎蘭屯地區(qū)地表覆蓋示意圖

圖4 扎蘭屯地區(qū)土壤類型示意圖

圖5 扎蘭屯地區(qū)地表基質(zhì)類型示意圖

3.3.1 不同地貌類型區(qū)的地表基質(zhì)調(diào)查

以地形地貌分區(qū)為基礎(chǔ)，結(jié)合地表覆蓋物特征、土壤-成土母質(zhì)特征、典型基質(zhì)類型，采用圖層疊加融合法，將研究區(qū)概化為西部中低山巖石基質(zhì)類型區(qū)、中部低山-丘陵巖石基質(zhì)類型區(qū)、東部丘陵-臺地-漫灘巖-土基質(zhì)類型區(qū)。結(jié)合生境現(xiàn)狀，針對不同生態(tài)地質(zhì)問題開展地表基質(zhì)分區(qū)專項(xiàng)研究（圖6）。

圖6 扎蘭屯地區(qū)工作分區(qū)示意圖

3.3.1.1 西部中低山巖石基質(zhì)類型區(qū)

西部中低山巖石基質(zhì)類型區(qū)內(nèi)土壤類型以針葉土、暗棕壤為主（圖4），土層薄，以殘坡積為主要母質(zhì)類型，多為原地風(fēng)化產(chǎn)物。地表基質(zhì)類型以巖漿巖基質(zhì)（圖5）、侏羅系砂巖基質(zhì)為主要類型。山區(qū)地表基質(zhì)調(diào)查應(yīng)以淺部基質(zhì)層為重點(diǎn)調(diào)查部位，在能量物質(zhì)交換頻繁地段開展土壤層-風(fēng)化殼-基巖層之間的地球化學(xué)特征與演化關(guān)系研究應(yīng)是本類型區(qū)調(diào)查研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.3.1.2 中部低山-丘陵巖石基質(zhì)類型區(qū)

中部低山-丘陵巖石基質(zhì)類型區(qū)內(nèi)土壤類型以新積土、少量黑鈣土為主（圖4）?；|(zhì)類型以巖漿巖基質(zhì)，二疊系砂-泥巖基質(zhì)，少量變質(zhì)巖基質(zhì)為主要類型（圖5）。地形起伏較大，微地貌類型眾多，且水系較為發(fā)達(dá)。地表基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征調(diào)查應(yīng)是本類型區(qū)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，特別是在山地與丘陵地貌變化顯著地段，應(yīng)開展地表基質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性受控因素研究。本類型區(qū)地處科爾沁沙地東北緣，風(fēng)成沉積物是北部基質(zhì)的主要物質(zhì)來源。探索風(fēng)成沉積物特征、年代、物源及形成機(jī)制也是基質(zhì)調(diào)查的內(nèi)容之一。

3.3.1.3 東部丘陵-臺地-漫灘巖-土基質(zhì)類型區(qū)

東部丘陵-臺地-漫灘巖-土基質(zhì)類型區(qū)地處雅魯河中下游，土壤類型以暗棕壤、黑土、黑鈣土為主（圖4），地形起伏較小。地表基質(zhì)類型多樣，本類型區(qū)北部以沉積巖-變質(zhì)巖為主要類型，中部至南部以花崗巖基質(zhì)、土質(zhì)基質(zhì)類型為主（圖5）。區(qū)內(nèi)土質(zhì)、礫質(zhì)基質(zhì)較為發(fā)育，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土質(zhì)基質(zhì)中不同層位有機(jī)質(zhì)含量。研究壤土基質(zhì)成土母質(zhì)的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)化機(jī)理，地表基質(zhì)成層過程及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)。針對雅魯河流域土壤侵蝕問題，開展基于模型計(jì)算的砂土-壤土基質(zhì)侵蝕研究，研究動態(tài)變化規(guī)律、劃分侵蝕強(qiáng)度、分析驅(qū)動因子。

3.3.2 扎蘭屯地區(qū)基于地表基質(zhì)的自然資源空間格局研究

氣候條件、地形地貌、地表基質(zhì)類型，在一定區(qū)域內(nèi)影響自然資源景觀格局。在相同、相近氣候條件下，不同基質(zhì)類型會孕育不同的微環(huán)境和生境，影響植物種群空間分布格局。主要從以下兩個(gè)方面開展相關(guān)研究：

(1)地表基質(zhì)類型對植物群落組成的影響研究。采用植被樣方法結(jié)合地球化學(xué)分析測試，從空間特征、養(yǎng)分和水分供給能力方面，分析不同地表基質(zhì)類型對植被群落組成的影響。

(2)開展生態(tài)—地表基質(zhì)相互作用模式研究。選擇區(qū)內(nèi)牙克山南麓研究不同表生地質(zhì)條件下土壤垂向結(jié)構(gòu)特征與物質(zhì)組成、成壤過程中元素遷移特征、生態(tài)支撐層的元素富集與虧損，基巖風(fēng)化成土過程與特征及其對生態(tài)分布特征的影響作用，分析植被分布與風(fēng)蝕作用基巖風(fēng)化成土作用模式，揭示出不同區(qū)域生態(tài)景觀特征與地質(zhì)背景條件的內(nèi)在關(guān)系。

3.4 地表基質(zhì)綜合評價(jià)

在查清地表基質(zhì)現(xiàn)狀與分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，從支撐其他自然資源的角度出發(fā)，將地表基質(zhì)本底屬性作為評價(jià)對象，選用層次分析法，構(gòu)建三級評價(jià)指標(biāo)體系（表1），開展地表基質(zhì)適宜性評價(jià)。通過比對各類型基質(zhì)的差異性主導(dǎo)因素，確定不同尺度下的地表基質(zhì)空間類型。參考《中國自然資源綜合區(qū)劃理論研究與技術(shù)方案》[29]，以地表基質(zhì)適宜性評價(jià)為本底，套合多要素圖層，最終形成黑土資源開發(fā)利用與國土空間區(qū)劃建設(shè)性方案。

4 未來工作展望

地表基質(zhì)調(diào)查是一項(xiàng)以多目標(biāo)為導(dǎo)向、多圈層為對象，需多學(xué)科融合、多領(lǐng)域協(xié)作的具有前瞻性、系統(tǒng)性、綜合性的研究工作。本文在黑土地地表基質(zhì)調(diào)查工程框架內(nèi)，對低山丘陵地區(qū)如何開展基質(zhì)調(diào)查評價(jià)作出梳理與探索。在自然資源綜合調(diào)查監(jiān)測體系下，未來地表基質(zhì)調(diào)查應(yīng)優(yōu)先開展以下幾方面的工作：

(1)完善地表基質(zhì)調(diào)查技術(shù)體系。統(tǒng)一地表基質(zhì)調(diào)查的術(shù)語定義、分類命名、調(diào)查內(nèi)容、要素指標(biāo)、技術(shù)手段和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為在全國范圍內(nèi)開展地表基質(zhì)調(diào)查評價(jià)奠定理論基礎(chǔ)。

(2)開展典型基質(zhì)類型區(qū)（黃土區(qū)、紅土區(qū)、凍土區(qū)、巖溶區(qū)、鹽漬土區(qū)、石漠化區(qū)等）地表基質(zhì)調(diào)查工作，形成示范性成果，推動全國地表基質(zhì)調(diào)查工作，搭建地表基質(zhì)信息化服務(wù)綜合平臺。

(3)建立綜合地表基質(zhì)監(jiān)測體系?；诘乇砘|(zhì)層與地表覆蓋層、地下資源層相互作用過程，考慮不同自然資源要素之間的關(guān)系，在典型基質(zhì)類型區(qū)對氣象、水文、土壤等指標(biāo)開展多尺度、多層次監(jiān)測。

(4)開展基于地表基質(zhì)調(diào)查的不同尺度下的多門類自然資源相互作用研究，探索從傳統(tǒng)國土資源調(diào)查升級到自然資源綜合調(diào)查的技術(shù)方法[30]。