生态-地质之间的相互关系是目前生态地质学范畴内最主要的研究内容, 包括研究生态-地质的相互作用机理、地球化学特性和地质环境产生的生态作用与生态功能等^{[13, 14, 34]}。例如李正积研究了岩土植物大系统的特色和现状, 重点阐述了岩石→ 土壤→ 果树多维动态特征, 形成了农业地质背景系统及植物(果树)大生态系统应用方向研究的新认识^[35]; 汪振立较系统地研究总结了自然植被、作物、微生物、动物以及人与地质环境的相互控制、制约响应关系, 并讨论了生态地质环境修复方法技术^[14]; 陈树旺等以辽宁铁岭地区为研究对象, 深入开展了该地区的生态地质调查、研究和评价工作, 取得了创新性认识^{[36, 37]}; 张慈等使用2003— 2018年MODIS数据研究青藏高原东部地区地质环境对植被覆盖的影响, 结果显示地形起伏、坡向坡度和地质条件复杂度能很好地解释了植被覆盖与变化状况, 中等地质复杂度的区域有更好的植被覆盖度, 靠近断层的地方更有利于植被发育^[38]; 曾锐等从蒙自断陷盆地地质环境基础出发, 研究岩溶断陷盆地地区的农业生态需水问题, 研究划定了需要人工补水的地区以及不同地区适宜种植的作物类型与种植模式, 如万寿菊和玉米适合在该区域的高原地区合种, 研究结果为当地生态结构改善与规范耕作模式提供了参考^[39]。

目前有大量研究针对脆弱区的生态系统和土壤地质环境之间的关系展开, 尤其是关于区域草场退化的研究, 是脆弱生态系统的保护与治理的重要先验理论研究^[40]。这一系列研究表现出地质条件与生态系统之间的双向作用, 尤其是变化的生态环境如何反作用于地质环境, 说明生态-地质系统是一个深度耦合的复杂系统。冯瑞章等对高寒地区草地退化造成的土壤理化性质及生物特性改变展开研究, 结果表明土壤含水量、水稳定性团聚体百分数、全钾、速效氮、土壤酶活性、有机质、过氧化氢酶等均随草地退化程度的提升而下降, 土壤容重则相反, 其他如全氮、全磷等的变化分布规律更加复杂, 它们与土壤微生物的关系也十分密切^[40]; 干友民等对轻度、中度和重度3种退化程度的草地土壤状况进行研究, 得出草地退化对土壤有机质和全氮的影响较大, 而与全钾变化关系不密切, 且对表层土壤的影响大于对深层土壤的影响, 对速效成分的影响大于对全价成分的影响^[41]; 杨军等选取拉萨市当雄县不同退化程度的高山嵩草草甸研究草场退化与土壤性质和植物群落变化之间的关系, 结果显示随着退化程度增加, 豆科生物量增加而莎草科下降, 禾本科先下降后增加, 各类生物多样性指数、丰富度指数均在中度退化条件下达到最大^[42]。若尔盖地区由于受人为活动的影响出现了大面积的草场退化, 陈秋捷等针对其植被覆盖变化研究土壤养分和团聚体的变化特征, 结果显示土壤团聚体的平均重量、几何均径随沙化程度的增加而显著降低, 土壤养分也随之减少, 处理好土壤结构与土壤养分之间的关系对草地退化防治十分重要^[43]。

在人类利用自然的漫长历史中, 逐渐总结出了不同地质条件、地理单元中适宜生长的生物类群, 按需求类型包括地方性畜产品、农产品和道地性中药材等, 针对这一方面的研究也是生态地质学应用性研究的一个重要方面^[14]。地质环境作用于生态系统的一个重要因素是土壤地球化学特性^[44]。陈敬忠对米槁果实的道地地质环境与产品品质特点进行研究, 对云贵地区的米槁生长区域进行划分, 贵州大部分地区均适宜其生长, 而云南西南一带则不适宜, 适宜的全氮浓度为0.08~0.33 g/100g、全磷含量为0.15~1.17 g/kg^[44]; 汪振立总结指出不同药用功效的中药材有不同的微量元素富集带谱, 例如有明目功效的中药材往往富含锌、锰、铜等元素, 而具有补血益气功效的药材中铁、锰、锌的含量较高, 相应的也会选择在这些元素富集的地质环境下生存^[14]; 周志等对武夷山优质茶叶的生长条件展开研究, 证明土壤养分状况显著影响了茶叶的生长, 各成分的最适范围为pH值介于4.5~5.0之间、有效磷介于10~100 mg/kg之间、有机质介于20~40 g/kg之间^[45]。

另外, 也有一些研究在原位条件下开展控制实验, 以更强的目的性和针对性了解生态-地质间的作用关系。如有研究探讨了不同营养元素条件下植物根-土复合体的抗剪切能力, 得出了营养元素含量高的区域, 植物体根-土复合体的抗剪切能力也越强, 这为高寒地区水土流失等问题的治理措施提供了参考^[46]。

国土空间的综合整治和生态修复是当前社会着力解决的一项关键问题, 统筹山水林田湖草沙系统治理, 需要从自然地理单元的发生性出发, 系统入手^[47]。区域的自然地理、地质环境是影响区域生态过程与结构的基础, 它可以通过控制土壤成分与结构、区域水文特性等调控局地生态系统, 探讨地质环境影响下的生态修复问题也是生态地质的研究重点。

生态脆弱地区的生态环境相对恶劣, 由于地质环境与气候环境的综合影响更容易进一步恶化, 基于区域地质条件的生态修复措施研究能够为当地人民生活与发展带来帮助^[48]。例如, 云贵高原部分地区由于自然地理条件的影响, 水土流失严重、基岩裸露, 石漠化普遍发育, 制约了当地的发展。段华超等针对石漠化地区的地质条件、气候条件、生物活动等的差异性进行石漠化区域划分, 针对不同片区特点分析适宜的生态修复方法, 形成共4类23种治理模式^[48]; 肖林颖等以云南省2个典型岩溶断陷盆地地区为对象, 基于2007— 2017年Landsat系列影像数据等研究石漠化盆地的治理效果^[49], 均取得了明显成效; 王京彬等在” 承德市国家生态文明示范区综合地质调查” 中总结了研究区的生态地质调查方法, 分析了自然资源优势, 评价环境风险, 提出生态修复策略^[50]。

矿山开采是人们利用地质资源的直接手段之一, 而开采后矿区的生态修复问题是生态地质学的重要研究内容^[51]。矿山开采往往造成土地的破坏、生态环境的退化和地下水资源的破坏等等, 针对这些问题, 国内专家学者进行了卓有成效的调查研究, 研发了源头管控、过程阻断、末端修复的矿山生态修复模式, 形成了不同地质条件与气候条件下矿山生态修复技术与典型修复案例^{[52, 53, 54]}。崔潇等以平朔的露天矿区为对象, 研究复垦土壤母质的源头性状, 为露天煤矿复垦与修复提供参考^[52]; 周金余等对黄河流域各矿区的生态修复措施作了总结, 划分了高寒区、黄土区、风沙区、冲积区、采空区等区域类型, 分析保护冻土、保护水资源、恢复管理植被、湿地构建等理论技术的适宜方向, 提出目前面对的问题与不足之处^[53]; 周智勇利用遥感技术对新疆北部的矿山区域进行监测, 分层分析并构建了该区矿山地质环境评价体系, 促进该区矿山综合可持续发展^[54]; 殷亚秋等利用国产高分辨率影像对长江沿线的废弃矿区的土地损毁与生态修复进行研究, 结果显示上游地区的废弃矿坑更多引发地质灾害, 中下游地区更多引发原料性污染, 针对各区域提出综合使用降坡削坡等物理方法和引进耐受植物、增引微生物等生物方法进行修复^[55]。

采用空-天-地相协同的调查技术, 建立了遥感先行摸清生态问题变化特征-地上地下一体化调查研究成因机理-综合分析评价提出因地制宜生态保护修复对策建议的技术模式。探索了土地沙化、湖泊湿地萎缩、人工林退化、石漠化等生态问题与赋存地质条件的耦合关系及其成因机理。调查研究结果表明, 这些生态问题的分布变化受到了地形地貌条件、区域成土母岩(质)特性、水文条件等的基础性控制制约作用。

在青海共和盆地龙羊峡地区广泛分布的冲洪积物和风积物质地松散, 在强风蚀作用下, 表层沙质土层结构破坏形成风蚀坑, 就地起沙导致土地沙化程度加剧; 在鄂尔多斯高原北部和晋陕峡谷地区, 砒砂岩的广布奠定了该区水土流失程度加深的物质基础, 砒砂岩结构松散, 矿物成分组成主要为长石、石英、方解石和蒙脱石, 抗侵蚀能力差, 水土流失严重, 治理难度大, 成为黄河粗泥沙的主要来源; 毛乌素沙地因其有利的垂向地层结构, 形成地下水埋深浅、水量丰富、水质较好、土壤中全碳含量达到1.5%的适宜基础条件, 在年降水量350~500 mm、相对湿度51%的气候背景下, 有利于植被恢复, 该区生态修复效果显著; 坝上高原地区存在多个受断层控制的山间凹陷盆地, 盆地周边的花岗岩、玄武岩风化析出了大量K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子, 这些离子在降水和径流的作用下向凹陷洼地汇聚, 使得该地区的土壤更容易形成钙积层, 对植被生长造成负面影响, 同时该区地表水截流工程多, 错峰蔬菜种植面积和水浇地面积大, 地下水超采严重, 导致地表水和地下水入湖量大幅减少。研究认为, 上述自然与人类的综合作用, 是出现高原湖淖萎缩、草原退化、人工林退化等生态问题的主要原因, 因此提出了坚持节水优先、自然恢复为主, 以保持流域水平衡为前提, 充分考虑生态地质条件的差异性, 量水而行, 因地施策的整体生态保护修复对策。

西南岩石山地区石漠化发育, 成土母岩的岩性差异造成风化速率及其风化产物营养元素含量具有明显差异, 导致石漠化发育程度不同、植被的自然恢复能力各异。泥质灰岩夹薄层泥岩、粉砂岩、砂岩等岩性组合区, 由于碎屑岩成土能力较强, 发育轻度石漠化; 厚层灰岩、白云岩、大理岩化灰岩、硅质灰岩等岩性组合的碳酸盐岩区域, 发育中度及以上石漠化, 降水条件差异影响了植被可恢复潜力。此外, 石漠化程度还受到构造控制, 构造发育地区岩石破碎程度更高, 利于风化, 石漠化程度较低。对西南岩溶地区的生态地质研究使用了(Ca+Mg)/(Si+Al)比值来衡量区域成壤能力, (Ca+Mg)/(Si+Al) 比值越大, 难溶组分含量越高, 成壤能力就越强。同时, 研究中也发现坡度等地形因素也会对生态问题的形成与发展产生影响, 如坡度较大的区域更容易发生石漠化。

在生态地质区划和生态地质调查方法方面, 综合考虑地质要素、地形地貌、气象气候和生态状况等4种因子的相互响应关系, 建立了全国生态地质单元分类分级指标体系, 按照综合性与主导因素、差异性与典型性、相对一致性及区域共轭性原则, 全国陆域共分了7个一级单元、52个二级单元和240个三级单元, 总结了三级单元的生态地质基本特征, 建立了典型生态地质图谱和生态-地质相互作用模式。建立了遥感解译— 路线调查— 剖面测量— 测试分析与综合研究相协同的生态地质调查技术体系, 研究形成了矿物成分与粒径热红外光谱反演方法和林草湿信息遥感解译方法, 探索了成土母岩(质)图、土壤地质图和生态地质图的表达方式, 编制了《生态地质调查技术要求(1∶ 50 000)(试行)》, 对生态地质调查的流程, 调查内容、方法和成果表达形式作了梳理和规范。

笔者认为, 生态地质学是研究生态问题或生态过程的地学机理、地质作用过程及其环境条件的一门交叉学科, 它是将生态空间分布格局、生态问题及其变化规律与地质作用过程作为一个整体, 分不同层级和维度进行研究, 完整地获取地上地下一体化的生态-土壤-水-风化壳(或包气带)-岩石信息, 识别与诊断重大生态问题及其成因机理, 科学评估生态状况, 进而提出生态保护修复基于自然的解决方案。作为研究生态系统与地质环境之间关系的交叉学科, 这一概念强化了地质学与生态学的融合, 能够更好地表达生态环境的系统性过程, 突出了生态-地质系统之间地上地下一体化的相互作用与响应。

生态地质研究目的是寻求人与自然和谐共生和可持续发展, 提高生态系统与地质环境相互作用认知程度, 让受损的生态系统得到保护恢复和治理, 提高生态系统的质量与稳定性, 从而为科学编制生态保护修复规划、合理部署生态修复工程、高效辅助国土空间利用和生态保护修复管理决策提供技术支持, 因此生态地质学具有研究内容广泛和多层级、多尺度、多维度及交叉融合的特性。研究内容应该包括: ①学科理论。生态地质学将地质学(地貌及第四纪地质学、水文地质学、环境地质学等)、生态学、土壤学、地理学等融为一体, 应注重学科交叉融合理论研究, 在地球系统科学的大框架下研究生态系统与地质环境的耦合机制, 尤其是在现代地质作用下(包括人类活动)产生的生态系统问题与地质环境的相互响应机制。②生态系统与地质环境客观实体(岩石、风化壳或包气带、土壤、地下水和地表水、植被群落、生物多样性等)时空状况与演变特征。空间上包括生态系统与地质环境的组成、结构、功能及其相互作用关系; 时间上包括生态地质环境与生态系统问题的历史演变历程、现状及其变化和未来发展趋势。③科学生态保护修复策略、模式、技术及其标准规范与典型案例。

生态地质学研究内容广泛, 应以地球系统科学理论为指导, 突出山水林田湖草生命共同体理念, 从国家、区域或流域、景观、生态系统、场地或典型地段等不同层级开展研究, 并注重工作的相互衔接, 强化生态系统时空演替规律与内在机理研究。在研究过程中应充分应用现代遥感技术、物探钻探化探技术、野外调查技术、定位观测技术、测试分析技术、GIS与综合评价技术等等。重点研发重大生态问题快速识别、生态要素智能化提取、生态质量信息定量反演和风化壳、包气带结构探测等技术, 创新生态系统水循环与区域生态水平衡分析评价方法、生态系统恢复力与适应性评价方法, 以及生态修复效果评估指标体系与方法等, 研发源头防护、过程控制、末端修复等生态修复关键技术, 建立生态地质调查监测-定量评价-预测预警-修复示范-动态监管技术体系, 提高生态地质研究的工作效率和质量。

生态地质学是研究生态系统与地质环境之间关系的一门交叉新兴学科, 它在学科门类设置中的学科地位与层级尚未确定, 从重点研究任务内容和服务应用前景看, 属于地质学的学科分支比较合理。随着生态地质学的研究理论、任务内容、方法技术及其应用服务逐渐深入与完善, 需要系统整理生态地质分支学科, 构建生态地质学科体系。

(责任编辑: 刁淑娟)