生态地质调查方法与评价体系研究

李欢 郑祺恺 王颖 张沁瑞 王立发 黄勇 陈喜友

摘 要：生态地质作为一门新兴交叉学科，诸多学者对其研究内容、工作思路、技术手段、服务目标等进行了探索。以京西“一线四矿”为研究对象，阐述了以服务于生态保护和修复为目标的生态地质调查总体思路和工作方法，建立了生態地质分区评价指标体系。研究结果表明：生态地质分区评价能够直观反映生态地质本底特征，是生态地质条件优劣的直接表现；“地理+地质+生态”三要素融合的生态地质分区评价模式，建立了1个目标层、3个准则层、10个指标层的评价指标体系，其中地理环境权重0.122 6，地质环境权重0.601 1，生态环境权重0.276 3。以地质建造为分类单元，地表基质层支撑力由强到弱分别是中性侵入岩建造、陆源碎屑岩建造、中性喷出岩建造、基性喷出岩建造、碳酸盐岩建造。京西“一线四矿”地区（287 km2）生态地质条件良好区面积105.9 km2，占比36.9%；一般区面积78.7 km2，占比27.4%；较差区面积102.4 km2，占比35.7%。在京西“一线四矿”及周边区域协同发展概念规划总体策划范围（99 km2），圈定出乔木生长适宜区面积58.6 km2，灌木生长适宜区面积40.4 km2。

关键词：生态地质；评价体系；地表基质层；地表覆盖层；植被恢复与保育；京西“一线四矿”

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

生态地质学结合了生态学、环境学、地质学等学科特点（侯红星等，2021；聂洪峰等，2021；彭建兵等，2022；殷志强等，2020），涉及生态水文地质、生态工程地质、生态环境地质、生态灾害地质、生态景观地质、生态城市地质、生态矿山地质、生态海洋地质等诸多方面，可见其涵盖领域众多。作为一门新兴交叉学科，在支撑服务国土空间规划、自然资源管理、生态环境保护等方面的意义重大（陈国光等，2022；窦衍光等，2021）。

袁国礼等（2023）系统阐述了以服务生态文明为目标，基于表生地质过程对地表生态发育制约作用的生态地质调查研究思路；孙立广等（2017）提出了以粪土层为载体，运用微观生物地球化学技术还原过去生态环境信息的人类世生态地质学研究方法；曾锐等（2020）通过研究云南蒙自岩溶断陷盆地的农作物生态需水量，提出了科学可行的农业种植建议；张璎凌（2020）运用遥感技术探究了地质环境与植被覆盖度之间的关系，为认识地质本底对生态环境的影响奠定了基础。上述学者从不同角度探索了生态地质调查的理论体系、目标任务、技术方法与成果应用，不同程度上推动了我国生态地质调查工作的开展。

广义的生态地质是以服务于生态文明建设为目标，其研究内容包罗万象，只要是能够助力生态文明建设的直接或间接研究工作均可纳入其中。狭义的生态地质是以服务于生态保护和修复为具体目标，重点关注以地表植被为典型要素的生态环境特征。本文注重研究生态地质调查支撑服务地表植被恢复与保育的探索实践，从总体思路、工作方法、评价体系建立等方面系统阐述了生态地质调查的主要工作内容与技术要求，构建生态地质分区评价体系，结合生态支撑力评估与生态地质分区评价结果，提出了京西“一线四矿”地区植被恢复与保育的对策建议，以期为该区域的规划建设提供地学依据。

1  研究区概况

京西“一线四矿”位于北京市门头沟区东部（图1），其中“一线”指“门大线”铁路（门头沟站—木城涧站），线路全长33.4 km，全线共设12座车站，在门头沟站与市郊铁路“京门线”接轨；“四矿”则为沿“门大线”依次分布的王平村、大台、木城涧和千军台4座煤矿（李欢等，2023）。研究区面积287 km2，地处北京西部山区，属中纬度大陆性季风气候，年平均气温11.7℃，年平均降水量528 mm，主要河流为永定河，自西北向东南穿过研究区。

结合沉积韵律、岩浆活动及地层岩性的空间展布规律（刘洪等，2023；刘清俊等，2023；张腾蛟等，2021），研究区的地质建造划分为第四紀沉积建造、早—中侏罗纪火山碎屑岩建造、中—晚侏罗纪陆源碎屑岩建造、早侏罗纪中性喷出岩建造、晚侏罗纪基性喷出岩建造、三叠—石炭纪陆源碎屑岩建造、奥陶—寒武纪碳酸盐岩建造、青白口纪碳酸盐岩—陆源碎屑岩建造、侏罗纪中世中性侵入岩建造，见图2。

2  研究方法

2.1  生态地质调查总体思路

生态地质调查是查明生态地质要素资源的类型、物质组成、分布特征，研究各类生态地质要素资源的互馈关系，揭示地表基质层（岩石层、母质层、土壤层）与地表覆盖层（植被层）之间的支撑孕育特征和耦合关系，以服务植被保育和生态保护为目标，以地球系统科学理论为指导的调查研究工作。

本次研究注重岩石风化成土过程对地表生态景观、分布、演变的影响，偏向于岩石、母质、土壤与植被之间的交互作用，旨在探索地表基质层对地表生态层的支撑能力。以地表基质层为研究对象，查明岩石转化为土壤的形成过程；以地表覆盖层为研究对象，识别岩石、母质、土壤对植被的支撑能力。地表基质层对地表生态层的支撑作用是动态过程，而土壤水和植物水是其中的关键纽带，将四者有机结合起来（图3）。受研究基础限制，本文重点探讨地表基质层与地表生态层之间的互馈关系，土壤水和植物水在生态地质动态循环系统中发挥的作用将会在后续研究中跟进。

2.2  生态地质调查工作方法

整个生态地质调查过程大致可分为3个阶段，即前期准备阶段、具体实施阶段和综合研究阶段（图4）。前期准备阶段主要是资料收集与分析、工作方案编制，重点收集区域地质、地质矿产、地球化学、土壤类型等地质类相关资料和气候、地形地貌、植物、水系等生态类资料。具体实施阶段分为2部分内容，一是通过遥感手段进行影像预处理，对坡度、坡向、高程、植被覆盖度、河流水系、土地利用等信息进行解译，选择的影像分辨率可根据调查精度进行适当调整；二是开展植物样方调查、生态地质路线调查、样品采集与实验测试等生态地质本底值调查。遥感数据处理与地质解译工作开始的时间应适当早于生态地质本底值调查工作，便于有针对性地指导调查、采样等野外工作。综合研究阶段是在整理分析历史调查成果、遥感解译成果、野外实地调查数据、实验测试数据的基础上，开展地表基质层与地表覆盖层耦合关系研究、生态地质分区研究、生态支撑力评估、生态适宜性评价等方面的工作，提出植被恢复与保育的对策建议。

2.3  生态地质分区评价体系建立

2.3.1  评价单元划分

生态地质分区评价具有承上启下的作用，既是对地表基质层与地表覆盖层耦合关系研究、生态支撑力评估的总结，也是开展生态适宜性评价的基础。

评价单元划分的方式有多种，既可以划分为若干个大小、形状相同的网格单元，也可以用行政区作为评价单元。本文将地理单元（由水系、山脊划分而成）和地质建造单元进行物理叠加，经交叉切割后划分出不规则状的评价单元。研究区内共有地质建造单元50个，地理单元153个，将二者进行叠加切割后得到600个评价单元，并对2 500 m2（50 m × 50 m）以下的微小单元按地质建造类型进行合并，最终得到533个评价单元。

2.3.2  评价因子选取

结合生态地质调查的总体思路、目标任务、工作内容和预期成果，基于层次分析法，笔者提出了“地理+地质+生态”三要素融合的生态地质分区评价体系（图5）。10个评价指标中，与生态地质分区评价呈正相关的指标为坡向、植被覆盖度、植被生长状况、水系密度、土壤有机质、地质建造，其他指标均呈负相关。

生态地质分区评价旨在探索地理环境-地质环境-生态环境之间的相互作用与协调平衡关系，整个评价体系反映的是对生态地质分区的三维立体化评价，可以通过地面、地面以下、地面以上3个角度来剖析该评价体系；地理环境反映的是地面处的生态地质条件状况，地质环境反映的是地面以下的生态地质条件状况，生态环境反映的是地面以上的生态地质条件状况。

2.3.3  主观赋权

层次分析法是将难以准确量化的复杂系统分解成不同层次和因素，逐层次地对各种因素进行对比，确定出系统的整体特征，最终得到权重。层次分析法确权过程可分为建立层次结构模型、构造判断矩阵、计算权向量并做一致性检验。本研究基于“yaahp”层次分析软件，通过咨询相关专家并结合各学者的研究经验来构造判断矩阵最终得到各项评价指标的权重（表1）。

层次分析法主观赋权结果显示：在生态地质分区评价指标体系中，地质环境指标所占权重最大，为0.601 1，其次为生态环境指标，为0.276 3，地理环境指标整体权重较小，仅为0.122 6；各3级指标权重由大到小依次为地质建造、植被生长状况、土壤有机质、土壤环境风险、植被覆盖度、坡度、水环境质量、水系密度、坡向、高程。

3  结果与讨论

3.1  生态支撑力评估

3.1.1  整体规律分析

岩石风化成土能力越强，地表基质层对生态层的支撑力越强，也就越适宜植被生长。不同成岩环境下形成的岩石风化能力有一定差异（Scarciglia et al.，2007；Stewart et al.，1998；杨骏雄等，2016；张莉等，2015），风化层的空间结构也存在显著不同，风化层厚度（母质层和土壤层的厚度之和）能够反映岩石风化成土能力。

在评估生态支撑力时，以地质建造为单元进行分类讨论。研究区中性侵入岩建造主要岩性为花岗闪长岩，风化能力明显高于其他类型岩石，出露岩体基本已全部发生了不同程度的风化（图6-a），母质层、土壤层平均厚度分别为300 cm、34 cm。陆源碎屑岩建造主要岩性为砂岩，抗风化能力中等，能够见到较为清晰的母质层及土壤层（图6-b），母质层、土壤层平均厚度分别为98 cm、56 cm。中性喷出岩建造主要分布安山岩（图6-c），母质层、土壤层平均厚度分别为51 cm、26 cm。基性喷出岩建造岩性为有气孔杏仁状玄武岩和蚀变玄武岩，其中气孔杏仁状玄武岩分布区多见薄层土壤与岩石直接接触（图6-d），土壤层平均厚度为10～20 cm；而蚀变玄武岩则易形成一定厚度的母质层及土壤层（图6-e），平均厚度分别为63 cm、28 cm。碳酸盐岩建造主要岩性为灰岩，风化形成的土壤层较薄，平均厚度为32 cm，基本不可见母质层（图6-f）。

岩石在原生环境中物理、化学成分相对稳定，当进入表生环境后，氧气、水分、温度等条件完全不同于原生环境，即会发生风化作用（Wang et al.，2008；李欢等，2021）。从岩石形成环境分析，侵入岩形成初期埋藏于地表以下，而喷出岩和陆源碎屑岩形成初期便暴露于地表。由此可见，在地质作用影响下侵入岩暴露于地表后，发生的风化作用要强于喷出岩和陆源碎屑岩，从而导致侵入岩建造风化层厚度明显大于喷出岩建造和陆源碎屑岩建造（图7）。

3.1.2  负面案例分析

笔者于2022年8月进行野外调查时发现，研究区某地山坡上槐树出现了坏死、枯死现象（图8左）；2023年6月再访该区域时发现，死亡槐树已全部被砍伐（图8右）。该区域主要岩性为奥陶系马家沟组粉晶灰岩、白云质灰岩，根据生态支撑力评估结果，碳酸盐岩地层分布区土壤层平均厚度为32 cm，地表基质层对生态层的支撑力较差。槐树作为北方地区的乡土树种，虽耐寒、喜光，不耐阴湿而抗旱，且在碱性、酸性及轻盐碱的土壤上均可正常生长，但其根系发达，喜土层深厚、排水良好的沙壤土，具有深根性。由此可见，碳酸盐岩分布区不适宜种植类似槐树的高大乔木，适宜种植灌木。

3.2  生态地质分区评价

生态地质分区评价是在得到各评价单元综合分数的基础上，以自然断点法将评价单元划分为较差区、一般区、良好区3个等级。

京西“一线四矿”地区处于门头沟水土保持与森林修复区的重要地带。生态地质条件良好的区域面积105.9 km2，占研究区总面积的36.9%（图9）；生态地质条件一般的区域面积78.7 km2，占比27.4%；生态地质条件较差的区域面积102.4 km2，占比35.7%。各乡镇的统计结果显示（图10），门头沟城区、龙泉镇、军庄镇生态地质条件整体较好。

3.3  植被恢复与保育的对策建议

系统揭示研究区（287 km2）岩石-母质-土壤-植被之间耦合关系，准确判断地表基质层（岩石层、母质层、土壤层）对地表覆盖层（植被层）的支撑能力，在生态地质分区评价的基础上，结合京西“一线四矿”及周边区域协同发展概念规划总体策划范围（99 km2），进行科学合理的生态适宜性区划，既对植物种植类型（乔、灌、草、花等）科学合理地选择具有重要意义，也对服务京西“一线四矿”地区规划建设具有重要支撑作用。生态地质条件特征、生态支撑力、生态适宜性及生态管控措施的对应关系如表2。

京西“一线四矿”规划区域生态地质本底良好区域（乔木生长适宜区）面积58.6 km2，占比59.2%；生态地质本底较差区域（灌木生长适宜区）面積40.4 km2，占比40.8%。从空间分布情况来看（图11），整个带状规划区域的生态适宜性可分为3段：门头沟站—野溪站为乔木生长适宜区；野溪站—落坡岭站为灌木生长适宜区；落坡岭站—千军台站主要为乔木生长适宜区，其中木城涧站—千军台站南侧的局部区域为灌木生长适宜区。通过准确划分规划建设区的生态适宜性，合理确定生态产品开发资金投入，既能够节省规划建设资金成本，也能够起到精准服务的效果。

4  结论

1）地表基质层支撑力是影响生态层质量状况的关键因素，以地质建造为分类单元，京西“一线四矿”地区地表基质层支撑力由强到弱分别是中性侵入岩建造、陆源碎屑岩建造、中性喷出岩建造、基性喷出岩建造、碳酸盐岩建造，文中列举的负面案例也进一步证实了该结果。

2）生态地质分区评价可对生态地质环境状况进行判定，是生态地质条件优劣的直接表现。京西“一线四矿”地区生态地质条件良好、一般、较差的区域面积占比分别为36.9%、27.4%、35.7%。

3）结合生态支撑力评估、生态地质分区评价、生态适宜性评价结果以及京西“一线四矿”及周边区域协同发展概念规划总体策划范围，圈定出乔木生长适宜区面积58.6 km2，灌木生长适宜区面积40.4 km2。未来在植被恢复与保育时，不能过度植树造林，宜乔则乔，宜灌则灌。最大程度地发挥生态地质本底潜力作用，避免地质资源的浪费。

4）本文重点论述了地表基质层与地表覆盖层的支撑孕育特征和耦合关系，根据生态地质调查总体思路，尚缺乏土壤水和植物水的赋存、运移等方面的研究工作，有待后续开展研究。

参考文献

陳国光， 湛龙， 刘红樱， 张景， 张洁， 张晓东， 张定源， 陈进全， 侯晓龙， 牛晓楠， 王冲， 2022. 地质调查支撑服务福建生态文明试验区理论与方法探索［J］. 华东地质， 43（1）： 1-16.

窦衍光， 印萍， 陈斌， 薛碧颖， 王蜜蕾， 邹亮， 胡睿， 徐刚， 岳保静， 宋维宇， 林曦， 董杰， 付佳妮， 徐锐， 何松， 林琴岗， 2021. 滨海基岩城市地质调查成果应用探索与理论技术创新：以青岛市为例［J］. 海洋地质前沿， 37（9）： 1-9.

侯红星， 张蜀冀， 鲁敏， 张中跃， 孙肖， 秦天， 王献， 张金龙， 邵兴坤， 王伟， 2021. 自然资源地表基质层调查技术方法新经验：以保定地区地表基质层调查为例［J］. 西北地质， 54（3）： 277-288.

李欢， 黄勇， 张沁瑞， 贾三满， 徐国志， 冶北北， 韩冰， 2021. 北京平原区土壤地球化学特征及影响因素分析［J］. 物探与化探， 45（2）： 502-516.

李欢， 张沁瑞， 张博， 黄勇， 孙宇辰， 贾颜卉， 刘磊， 柳瑞艳， 2023. 京西“一线四矿”矿山环境变化的遥感监测分析［J］. 城市地质， 18（2）： 178-185.

刘洪， 李文昌， 欧阳渊， 张景华， 张腾蛟， 李佑国， 黄瀚霄， 黄勇， 李富， 陈敏华， 李樋， 吴君毅， 2023. 基于地质建造的西南山区生态地质编图探索与实践：以邛海—泸山地区为例［J］. 地质学报， 97（2）： 623-638.

刘清俊， 刘雨鑫， 王颖， 王立发， 闫广新， 2023. 地表基质三级分类方案探讨［J］. 城市地质， 18（1）： 1-8.

聂洪峰， 肖春蕾， 戴蒙， 刘建宇， 尚博譞， 郭兆成， 贺鹏， 欧阳渊， 雷天赐， 李文明， 周传芳， 姜琦刚， 2021. 生态地质调查工程进展与主要成果［J］. 中国地质调查， 8（1）： 1-12.

彭建兵， 兰恒星， 2022. 略论生态地质学与生态地质环境系统［J］. 地球科学与环境学报， 44（6）： 877-893.

孙立广， 杨仲康， 2017. 人类世生态地质学研究方法及应用研究［J］. 沉积学报， 35（5）： 958-967.

杨骏雄， 刘丛强， 赵志琦， 丁虎， 刘涛泽， 涂成龙， 范百龄， 黄露， 2016. 不同气候带花岗岩风化过程中稀土元素的地球化学行为［J］. 矿物学报， 36（1）： 125-137.

殷志强， 秦小光， 张蜀冀， 卫晓锋， 侯红星， 何泽新， 鲁敏， 2020. 地表基质分类及调查初步研究［J］. 水文地质工程地质， 47（6）： 8-14.

袁国礼， 侯红星， 刘建宇， 王泉， 郭晓宇， 贾颜卉， 2023. 服务生态文明的生态地质调查工作方法浅析：以地表基质调查为例［J］. 西北地质， 56（3）： 30-38.

曾锐， 张陶， 蒲俊兵， 李建鸿， 王赛男， 2020. 典型岩溶断陷盆地农作物生态需水研究：以蒙自地区为例［J］. 中国岩溶， 39（6）： 873-882.

张莉， 季宏兵， 高杰， 李锐， 李今今， 2015. 贵州碳酸盐岩风化壳主元素、微量元素及稀土元素的地球化学特征［J］. 地球化学， 44（4）： 323-336.

张腾蛟， 刘洪， 欧阳渊， 张景华， 张振杰， 李樋， 2021. 不同地质建造类型的生态环境功能特征：以西昌地区为例［J］. 中国地质调查， 8（6）： 35-49.

张璎凌， 2020. 冕宁县植被覆盖度时空变化及其与地质环境的关系初探［D］. 成都理工大学.

SCARCIGLIA F， LE PERA E， CRITELLI S， 2007. The onset of the sedimentary cycle in a mid-latitude upland environment： weathering， pedogenesis， and geomorphic processes on plutonic rocks （Sila Massif， Calabria） ［M］. Special Paper of the Geological Society of America （2007） 420：149-166.

STEWART B W， CAPO R C， CHADWICK O A， et al.， 1998. Quantitative strontium isotope models for weathering， pedogenesis and biogeochemical cycling ［J］. Geoderma： An International Journal of Soil Science， 82（1）： 173-195.

WANG Shuying， YU Tongquan， WANG Jianli， YANG Liu， YANG Kai， LU Ping， 2008. Preliminary study on spatial variability and distribution of soil available microelements in Pinggu County， Beijing， China ［J］. Agricultural Sciences in China， 7（10）： 1 235-1 244.