低山丘陵区黑土地地表基质调查研究思路——以扎兰屯地区为例

■ 陈 彭/侯红星/马骏驰/鲁 敏/秦 天

（1.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心，河北 廊坊 065099；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；3.华北科技创新中心，天津 300170）

0 引言

“地表基质”是自然资源领域的一个新概念，其含义是指地球表层孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质[1]。从定义来看，地表基质属于“地球关键带”[2]的一部分，其不包括植物冠层，是地球关键带中自地表向下最为活跃的土壤层、母质层（风化层）、母岩顶板及水体底质的总和，是多门类自然资源之间相互作用和密切联系的纽带[3]。许多学者针对地表基质调查工作的目标任务、工作思路、分类标准、技术方法和成果表达等内容进行了初步研究[4-7]。地表基质调查是自然资源调查的新领域，虽然并非一项全新的专项资源调查工作[8]，但其聚焦国家生态安全和粮食安全，面向国土空间规划、生态保护修复和农林牧业高质量发展等目标，具有全新的调查内容和生命力。

1 地表基质调查的理论与实践基础

1.1 地表基质的科学内涵

在自然资源部印发的《地表基质分类方案（试行）》（以下简称《分类方案》）中，将地表基质定义做了进一步延伸：“当前出露于地球陆域地表浅部或水域水体底部，主要由天然物质自然作用形成，正在或可以孕育和支撑森林、草原、水等各类自然资源的基础物质。[9]”此定义明确了地表基质的天然属性和资源属性，突出了其是各类自然资源生成和存贮的基础。按照“系统、联系、发展”的观点对各类自然资源要素进行分层，将孕育和支撑森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质层称为地表基质层，即不同类型的地表基质通过复杂的自然作用过程，与水、气、生物等有机组合，分布在地球陆域地表或水体底部，形成的具有一定厚度，能够支撑地球表层生态系统运转的层状体。地表基质层是“水圈、土壤圈、大气圈、岩石圈、生物圈、人类圈”相互作用所构成的复杂开放的系统[10]。

笔者认为，地表基质既是地球表层生态系统的主要承载体，又是其各种作用后的产物。而不同类型的地表基质层则直接影响着覆盖层的属性特征与形成演化。自上而下的土壤层、母质层（风化层）、母岩层多界面交融的复杂系统，是物质循环和能量流动最为活跃的区域，维系着生态系统功能和人类福祉[11]。而地表基质层是水文循环、地球化学循环、碳循环、氮循环、侵蚀与沉积、风化作用、成岩作用、成土作用等的发生地，更是土地利用与资源管理的最主要对象[12-14]。

1.2 黑土地地表基质的分类与命名

自“地表基质”概念提出后，学者们对其分类命名展开研究。殷志强等[5]以地质学为基础，借鉴地球关键带分类原则[15-16]，将地形地貌引入分类依据，按物质组成、成因类型、地貌形态和粒度质地将地表基质类型划分为4个层级。而《分类方案》[9]将地表基质划分为岩、砾、土、泥的4个一级类和14个二级类。基于《分类方案》，结合东北地区土壤、成土母质特征，侯红星等提出了“黑土地地表基质三级分类方案”，共划分46个三级类[6]（表1）。该分类方案中一级、二级分类与命名沿用《分类方案》中的规定，而将《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中有关砾质划分标准[17]增加至三级类砾质划分标准中。三级类地表基质命名方式如下：①岩石类、泥质类沿用原有相关标准进行命名[18-20]；②砾质类命名采用砾石形状加砾石大小的方法；③土质类命名采用不同级别砾含量加土壤发生分类的方法[21]。

表1 黑土地地表基质三级分类建议表

续表1

1.3 地表基质研究基础

目前，从学科体系化角度去审视地表基质的基础理论建设，其尚处起步阶段，学科体系化亦未形成。而调查内容的复杂多样，研究理论的综合交叉，都需要把地表基质作为一门多学科、多门类的复合型学科在具体调查工作中丰富理论基础、完善技术方法。郝爱兵提出地表基质调查的工作方法应基于已有地质调查成果和相关基础图件，以编绘改化已有成果为主、适当开展补充调查为辅，划定宜林则林、宜草则草、宜耕则耕的适宜区域[8]。

已有学者以建立地表基质分类分级原则、构建指标体系、创新成果表达、探索地表基质与自然资源和生态环境的相互作用为目标，在华北平原区、东北黑土区、内蒙古西部地区和华东沿海地区开展地表基质探索研究工作。侯红星[6]、鲁敏[22]、秦天等[23]通过在河北省保定市和吉林省梨树地区地表基质调查的实践研究，完善了地表基质调查技术要求，构建了黑土地地表基质调查内容与要素指标体系。孔繁鹏等在黑龙江省宝清地区分析地表基质层内有机质退化机理，利用主成分分析法开展地表基质质量评价[24]。杨柯等利用分解-反硝化模型在黑龙江省海伦地区探讨了黑土基质类型中的土壤碳汇能力，并对地表基质内有机质含量的变化进行了研究[25]。张思源等在内蒙古自治区巴彦淖尔地区利用遥感影像进行地表基质类型划分研究[26]。王伟等在浙江省宁波前湾新区建立地表基质空间三维模型。殷志强等在河北省承德市以成土母质结合成因类型划分地表基质类型[27]。

2 黑土地地表基质调查总体工作部署

2.1 黑土地地表基质调查总体思路

为全面支撑《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》和《国家黑土地保护工程实施方案（2021—2025年）》的实施，自然资源部综合调查监测司组织开展黑土地地表基质调查工作。本项调查工作是以满足保障国家粮食安全战略和支撑黑土地保护工程实施的需求为导向，以地球系统科学和自然资源科学为理论基础，形成东北黑土地地表基质调查评价技术方法。建立“部主导、省联动；指挥中心牵头，地方队伍配合；科研院所支撑”的工作模式。采用“点线面体孔联用，空天地井钻结合”一体化调查手段，查清地表基质类型、空间结构、物质组成、理化性质、地表景观及生态属性、人文属性等，掌握地表基质层的时空分布、数量质量、利用状况和动态变化。集成以往调查数据构建黑土地地表基质数据信息平台，全面支撑自然资源综合调查监测的“一张底版、一套数据”建设。

2.2 黑土地地表基质调查工作目标

根据《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》和《国家黑土地保护工程实施方案（2021—2025年）》中有关内容，以东北典型黑土区83个重点县约44万km2区域为研究区，完成黑土地地表基质资源状况调查工作。重点查清地表基质类型、分布范围、空间结构、理化性质、碳储碳汇及其中的附属物特征等；分析各类型地表基质发生发展、转化机理和演替规律；揭示地表基质层与地表覆盖层的支撑孕育特征和耦合关系，构建黑土地地表基质适宜性评价指标体系，系统科学评价地表基质对森林、草原、水、作物等其他自然资源支撑孕育能力和潜力，最终形成黑土地地表基质信息化服务平台。通过调查评价为东北黑土地地表基质资源综合利用与管理、生产生态空间适宜性规划和生态环境保护修复整治等提供基础参考。

2.3 黑土地地表基质调查工作内容

黑土地地表基质调查要求国土范围无缝覆盖，以0～5m深度为调查重点层位，完成黑土区1∶25万地表基质调查。工作内容包括：①查清黑土地地表基质类型数量、空间结构、理化属性、景观特征、利用状况等特征属性；②形成适合黑土地地表基质健康状况评价的综合指标体系，开展黑土地地表基质利用状况和支撑孕育能力潜力适宜性评价；③建立黑土地地表基质数据库，搭建黑土地地表基质资源管理信息系统平台；④探索建立并不断完善地表基质调查监测长效机制；⑤基于地表基质调查成果，提出支撑黑土地保护管理、开发利用、空间规划、土地整治、生态修复的规划建议。

3 中低山丘陵区黑土地地表基质调查：以扎兰屯为例

3.1 区域概况

扎兰屯地区位于内蒙古自治区东部，背倚大兴安岭，面眺松嫩平原，地处大兴安岭山脉的中段东麓、松嫩平原西北缘（图1）。区内地势西高东低，北高南低，主要地貌类型包括中低山、丘陵、台地、冲积平原，其中以中低山、丘陵为主。西部中低山区近地表岩石在化学风化作用控制下，基岩上部形成一套原地或近原地以暗棕色色调为主的亚黏土、亚砂土，尤以海拔500～800m的山地较为发育，东部雅鲁河流域内以冲洪积形成的黄色系砂砾石为主。研究区属中温带大陆性季风气候，年平均气温为3.4℃，年均降水量为510.7mm，年均蒸发量为1399.4mm，年均日照时长为2722h。研究区内水系较为发育，均属于嫩江水系右岸支流。据水利部门资料[28]，扎兰屯地区水资源总量约为25.67×108m3。

图1 扎兰屯地区交通位置图

研究区内林地面积最大，占土地总面积的65.5%，主要集中在西北部林区，针叶树种主要为落叶松、樟子松，阔叶树种主要为白桦、黑桦、山杨等。其次是牧草地，占土地总面积的20.03%，散布于研究区内，以草甸类、草本沼泽类为主要类型。耕地面积为19.95×104hm2，占土地总面积的11.8%，主要集中在东南和西南部的低山、丘陵区，主要农作物为玉米、大豆。

3.2 技术路线

以地球系统科学和自然资源科学为理论基础，结合土壤学、林草学、农业学等相关领域内容，按照“问题、需求、目标”导向，以中低山-丘陵典型地貌特征区地表基质调查的技术方法为突破口，综合考虑地理地貌单元、地质成因单元、地表基质类型、地表覆被类型等因素，分区、分类、分层次部署调查研究工作。通过地表基质结构调查、地表基质理化性质调查、地表基质层沉积演化和数据库建设等工作，采取多种技术方法和作业模式，采用野外系统取样和室内分析测试相结合的方法，准确获取调查区黑土地地表基质层不同层位的各类要素及其属性参数数据。基于以上工作，开展地表基质空间结构、景观属性、生境现状、影响因素、理化性质、作用过程及演化规律的综合研究（图2）。

3.3 调查研究内容

以区域地质图和第四纪地质图为基础，按照地表基质分类原则，形成扎兰屯地区地表基质类型图（图3、图4、图5）。将高分辨率遥感影像作为工作手图，在扎兰屯地区开展1∶25万地表基质调查，1m以浅基质层以查清基质类型、结构、生态景观属性为调查重点内容，1m以深基质层以查明基质层空间结构、理化性质为重点调查内容。

图3 扎兰屯地区地表覆盖示意图

图4 扎兰屯地区土壤类型示意图

图5 扎兰屯地区地表基质类型示意图

3.3.1 不同地貌类型区的地表基质调查

以地形地貌分区为基础，结合地表覆盖物特征、土壤-成土母质特征、典型基质类型，采用图层叠加融合法，将研究区概化为西部中低山岩石基质类型区、中部低山-丘陵岩石基质类型区、东部丘陵-台地-漫滩岩-土基质类型区。结合生境现状，针对不同生态地质问题开展地表基质分区专项研究（图6）。

图6 扎兰屯地区工作分区示意图

3.3.1.1 西部中低山岩石基质类型区

西部中低山岩石基质类型区内土壤类型以针叶土、暗棕壤为主（图4），土层薄，以残坡积为主要母质类型，多为原地风化产物。地表基质类型以岩浆岩基质（图5）、侏罗系砂岩基质为主要类型。山区地表基质调查应以浅部基质层为重点调查部位，在能量物质交换频繁地段开展土壤层-风化壳-基岩层之间的地球化学特征与演化关系研究应是本类型区调查研究的重点内容。

3.3.1.2 中部低山-丘陵岩石基质类型区

中部低山-丘陵岩石基质类型区内土壤类型以新积土、少量黑钙土为主（图4）。基质类型以岩浆岩基质，二叠系砂-泥岩基质，少量变质岩基质为主要类型（图5）。地形起伏较大，微地貌类型众多，且水系较为发达。地表基质的结构特征调查应是本类型区研究的重点内容，特别是在山地与丘陵地貌变化显著地段，应开展地表基质结构的空间异质性受控因素研究。本类型区地处科尔沁沙地东北缘，风成沉积物是北部基质的主要物质来源。探索风成沉积物特征、年代、物源及形成机制也是基质调查的内容之一。

3.3.1.3 东部丘陵-台地-漫滩岩-土基质类型区

东部丘陵-台地-漫滩岩-土基质类型区地处雅鲁河中下游，土壤类型以暗棕壤、黑土、黑钙土为主（图4），地形起伏较小。地表基质类型多样，本类型区北部以沉积岩-变质岩为主要类型，中部至南部以花岗岩基质、土质基质类型为主（图5）。区内土质、砾质基质较为发育，应重点关注土质基质中不同层位有机质含量。研究壤土基质成土母质的发生、发展和转化机理，地表基质成层过程及生态环境响应。针对雅鲁河流域土壤侵蚀问题，开展基于模型计算的砂土-壤土基质侵蚀研究，研究动态变化规律、划分侵蚀强度、分析驱动因子。

3.3.2 扎兰屯地区基于地表基质的自然资源空间格局研究

气候条件、地形地貌、地表基质类型，在一定区域内影响自然资源景观格局。在相同、相近气候条件下，不同基质类型会孕育不同的微环境和生境，影响植物种群空间分布格局。主要从以下两个方面开展相关研究：

(1)地表基质类型对植物群落组成的影响研究。采用植被样方法结合地球化学分析测试，从空间特征、养分和水分供给能力方面，分析不同地表基质类型对植被群落组成的影响。

(2)开展生态—地表基质相互作用模式研究。选择区内牙克山南麓研究不同表生地质条件下土壤垂向结构特征与物质组成、成壤过程中元素迁移特征、生态支撑层的元素富集与亏损，基岩风化成土过程与特征及其对生态分布特征的影响作用，分析植被分布与风蚀作用基岩风化成土作用模式，揭示出不同区域生态景观特征与地质背景条件的内在关系。

3.4 地表基质综合评价

在查清地表基质现状与分布规律的基础上，从支撑其他自然资源的角度出发，将地表基质本底属性作为评价对象，选用层次分析法，构建三级评价指标体系（表1），开展地表基质适宜性评价。通过比对各类型基质的差异性主导因素，确定不同尺度下的地表基质空间类型。参考《中国自然资源综合区划理论研究与技术方案》[29]，以地表基质适宜性评价为本底，套合多要素图层，最终形成黑土资源开发利用与国土空间区划建设性方案。

4 未来工作展望

地表基质调查是一项以多目标为导向、多圈层为对象，需多学科融合、多领域协作的具有前瞻性、系统性、综合性的研究工作。本文在黑土地地表基质调查工程框架内，对低山丘陵地区如何开展基质调查评价作出梳理与探索。在自然资源综合调查监测体系下，未来地表基质调查应优先开展以下几方面的工作：

(1)完善地表基质调查技术体系。统一地表基质调查的术语定义、分类命名、调查内容、要素指标、技术手段和规范标准，为在全国范围内开展地表基质调查评价奠定理论基础。

(2)开展典型基质类型区（黄土区、红土区、冻土区、岩溶区、盐渍土区、石漠化区等）地表基质调查工作，形成示范性成果，推动全国地表基质调查工作，搭建地表基质信息化服务综合平台。

(3)建立综合地表基质监测体系。基于地表基质层与地表覆盖层、地下资源层相互作用过程，考虑不同自然资源要素之间的关系，在典型基质类型区对气象、水文、土壤等指标开展多尺度、多层次监测。

(4)开展基于地表基质调查的不同尺度下的多门类自然资源相互作用研究，探索从传统国土资源调查升级到自然资源综合调查的技术方法[30]。