“ 地表基质” 这一概念从最初的“ 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^[16]” , 发展成为“ 当前出露于地球陆域地表浅部或水域水体底部, 主要由天然物质经自然作用形成, 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^[34]” 。不难看出, 相关领域的学者从物质属性、空间特征、生态功能3个方面对地表基质给出了更加科学的定义。

从物质属性上看, 地表基质是维系地球生态系统和人类生存的物质基础, 因自然地理、气候条件、地质背景的分异性规律, 地表基质表现出显著的异质性特征^{[35, 36]}。从空间特征上看, 地表基质是联结土壤圈、岩石圈与生物圈最为关键的桥梁纽带, 是地球关键带最为核心的组成部分, 更是物质能量交换与转化最为频繁的重要场所。从生态功能上看, 地表基质不仅能够调节水文循环、提供根系生长空间、供给养分能量等, 为植被生态系统提供重要的支撑作用^{[37, 38]}, 还因其物理和化学性质上的差异决定了植被类型和种群分布, 影响着自然景观格局的分布^[39]。

综上所述, 地表基质是不同成因类型下松散和(半)固结物质的集合体, 是地球表生环境与人类社会活动相互作用最为直接的区域, 是提供植被生态系统水、养分、能量的源泉^[40], 是维系人与自然和谐共生最为重要的调节器。

1.2.1 调查深度

现阶段地表基质调查均按固定深度开展调查工作, 一般根据支撑资源类型^[20]、植被根系发育层位^{[17, 32]}以及水文地质条件^[18]设置调查深度。笔者认为固定深度调查有利于地表基质的成果集成与统一管理, 但在复杂地质地貌背景下较难全面准确地反映基质层的关键属性信息, 建议研究深度应以基质层所支撑的自然资源类型为约束, 而非固定深度。在剥蚀区研究底界宜揭露至新鲜基岩面, 在堆积区应重点研究根系层深度以上的地表基质特征。

1.2.2 分类体系

在当前试行的分类方案中, 依据地表基质发育过程划分一级类, 依据成因、粒级划分二级类, 三级类并未给出定名和详细划分的标准。殷志强等^[29]提出了按物质组成、成因类型、地貌形态以及粒度质地进行分类定名; 刘清俊等^[30]将酸碱度、有机质含量、容重等指标引入地表基质三级分类标准。笔者认为地表基质分类标准在同级下应保持一致, 定名建议保留现有学科术语、突出物质属性特征, 对因跨学科而产生的“ 同物异名” 现象, 建议在遵循各自现行分类标准的基础上做适当融合, 再以最能直观反映分类原则的科学术语进行定名。

1.2.3 编图方案

目前编图研究尚在探索阶段, 相关领域学者基于“ 生态地质编图思路^{[23, 27]}” “ 地质填图思路^[28]” 提出了相应的编图方案。笔者认为地表基质编图是在反映地表基质平面分布特征的基础上, 着重反映一定深度下的垂向结构(组合特征), 应通过建立典型地表基质构型并辅以关键理化指标特征, 来表征地表基质的综合属性。

由于分类体系不够完善、分类标准尚未统一, 现行分类标准在实际应用中存在诸多问题。

(1)“ 同名异物” 问题是地表基质调查工作的焦点问题之一^{[41, 42]}。地表基质二级类的命名沿用了其他领域的术语, 但划分标准又区别于该学科(表1)。在土质分类中, 虽然土质基质的二级类名称与土壤学命名相同, 但“ 同名物” 中的颗粒物占比又有较大差别^[42], 这导致部分“ 同名物” 在地表基质与其他领域内所表征的颗粒物组成不同, 影响相关数据成果的深度融合与二次开发。此外, 现行分类方案中“ 壤土” 同时是二级、三级土质类名称, 从建立分类体系的角度来看显得不够严谨。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 不同领域颗粒物粒级划分标准 Tab.1 Classification standards for particulate matter in different fields 颗粒物名称 颗粒物粒径/mm 地质领域[43] 土壤领域[44] 海洋领域[45] 石油领域[46] 砾石 ≥ 2 ≥ 2 ≥ 2 ≥ 2 砂粒 [0.063, 2) [0.02, 2) [0.062 5, 2) [0.1, 2) 粉(砂) [0.002, 0.063) [0.002, 0.02) [0.003 9, 0.062 5) [0.03, 0.1) 黏粒 < 0.002 < 0.002 < 0.003 9 < 0.03 注: “ 土壤领域” 仅列出国际制分类标准。

表1 不同领域颗粒物粒级划分标准 Tab.1 Classification standards for particulate matter in different fields

(2)“ 粉粒” 的归类问题。粉粒在地表基质分类中, 究竟是该归入砂类还是土类尚无定论。笔者团队前期在内蒙古扎兰屯地区采集了2 600件地表基质样品, 采用激光粒度仪进行粒级分类, 通过对相关测试结果的分析发现: 如果将“ 粉粒” 剔除地表基质定名规则, 则无法全面反映基质颗粒物的组成信息, 而“ 粉粒” 的归属不明, 会导致在命名时出现“ 砂土” “ 壤土” 界定不清的问题。

(3)分类标准的可操作性问题。在泥质分类中, 可通过“ 水下” “ 远洋” “ 深海” 等地域限定性名词来表述分类依据, 但湖泊(河流)水体的底部或其他季节性水体底部的“ 泥质” 基质又该如何分类?此外, “ 水下泥沙混合物” “ 淤泥状土” “ 软泥状土” 等均较难在野外进行准确判别, 而标准中提出的“ 细粒” 概念又未给出粒径范围, 这些都给地表基质的相关研究带来了不便。

2.2.1 分类原则

地表基质分类应包括以下4项原则: ①科学性, 即全面涵盖支撑各类自然资源的基础物质; ②从先性, 即遵循现有相关学科标准进行类型划分; ③统一性, 即同级基质类型划分依据应尽量保持一致; ④通俗性, 即应直接反映地表基质的物质组成特征。

2.2.2 地表基质分类探讨

(1)地表基质分类依据。地表基质一级类按发育演化过程中地表基质呈现的不同状态进行划分; 二级类的岩石基质按成岩作用划分, 其他类型按颗粒物粒级大小及组合特征划分; 三级类的砾、砂、土质基质按成因类型划分, 泥质基质按特殊物含量占比划分。

(2)地表基质分类。基于前述分类原则与分类依据, 笔者将地表基质共划分5个一级类、19个二级类和若干个三级类(表2, 表3)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 地表基质一级类和二级类划分建议 Tab.2 Suggestions for the 1st and 2nd classification standard of ground substrate 一级类分类依据与命名 二级类分类依据与命名 二级分类描述 按地表基质发育演化过程 岩石 按不同成岩作用 岩浆岩(R1) 由岩浆喷出地表或侵入地壳冷却凝固形成的岩石 沉积岩(R2) 在地壳表层条件下, 母岩经风化作用、生物作用、化学作用和某种火山作用的产物, 经搬运、沉积形成成层的松散沉积物, 而后固结而成的岩石 变质岩(R3) 在变质作用条件下, 由地壳中已经存在的岩石变成的具有新的矿物组合及变质结构与构造特征的岩石 砾质 按各类颗粒物体积占比 巨砾(G1) 自最大砾级向最小砾级逐级累计, 以达到的第一个分类标准命名 D≥ 256 mm, 累计体积含量≥ 75% 粗砾(G2) D≥ 64 mm, 累计体积含量≥ 75% 中砾(G3) D≥ 4 mm, 累计体积含量≥ 75% 细砾(G4) D≥ 2 mm, 累计体积含量≥ 75% 砂质 按各类颗粒物体积占比 砾砂(A1) 25%≤ 砾质体积含量< 75%, 筛除砾质后砂质含量≥ 55% 粗砂(A2) 砾质体积含量< 25%, 筛除砾质后, 砂质含量≥ 55%, 且以0.5 mm≤ D< 2 mm的砂质为主 中砂(A3) 砾质体积含量< 25%, 筛除砾质后, 砂质含量≥ 55%, 以0.25 mm≤ D< 0.5 mm的砂质为主 细砂(A4) 砾质体积含量< 25%, 筛除砾质后, 砂质含量≥ 55%, 以0.02 mm≤ D< 0.25 mm的砂质为主 土质 按各类颗粒物体积占比 粗骨土(S1) 25%≤ 砾质体积含量< 75%, 筛除砾质后, 砂粒含量< 55% 砂质土(S2) 砾石体积含量< 25%, 筛除砾质后, 以0.2 mm≤ D< 2 mm砂质为主, 但砂质总含量< 55% 壤质土(S3) 砾石体积含量< 25%, 筛除砾质后, 以0.02 mm≤ D< 0.2 mm砂质为主, 但砂质总含量< 55% 粉质土(S4) 砾石体积含量< 25%, 筛除砾质后, 以0.002 mm≤ D< 0.02 mm粉粒为主 黏质土(S5) 砾石体积含量< 25%, 筛除砾质后, 以D< 0.002 mm黏粒为主, 但黏粒含量< 35% 泥质 按各类颗粒物体积占比 砂质泥(M1) 35%≤ 黏粒(D< 0.002 mm)含量< 75%, 砂粒含量大于粉粒含量 粉质泥(M2) 35%≤ 黏粒(D< 0.002 mm)含量< 75%, 粉粒含量大于砂粒含量 黏泥(M3) 黏粒(D< 0.002 mm)含量≥ 75% 注: D表示基质直径大小, 其中粒级划分沿用国际制土壤分类标准, 划分为4个粒级。D砾石≥ 2 mm, 0.02≤ D砂粒< 2 mm, 0.002≤ D粉粒< 0.02 mm, D黏粒< 0.002 mm。

表2 地表基质一级类和二级类划分建议 Tab.2 Suggestions for the 1st and 2nd classification standard of ground substrate

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 地表基质三级类划分建议 Tab.3 Suggestions for the 3rd classification standard of ground substrate 三级类分类依据与命名 三级分类描述 参照《火成岩岩石分类和命名方案》[47]可分为砂岩、泥岩、石灰岩、白云岩等 参照左列岩石分类和命名方案规范 参照《沉积岩岩石分类和命名方案》[48]可分为花岗岩、闪长岩、玄武岩、安山岩等 参照《变质岩岩石分类和命名方案》[49]可分为片麻岩、石英岩、大理岩、角闪岩等 按成因类型 在二级名称前加上成因类型, 形成土质三级类名。将成因类型代号以上标方式标注于二级名称后, 用以表示三级类名称代号。如: 洪积中砾(G3pl)、风积砂质土(S2eol)、湖积粉质土(S4l)、残坡积细砾(G4el+dl)、冲洪积砂质土(S2al+pl)、湖沼积黏质土(S5l+h)等 砾质、砂质、土质基质主要成因类型包括: 冲积(al)、洪积(pl)、坡积(dl)、残积(el)、风积(eol)、湖积(l)、沼泽沉积(h)、海相沉积(m)、冰积(ol)、冰水沉积(fgl)、火山堆积(b)、重力堆积(col)、成因不明(pr)等。(本分类建议中的成因类型采用《工程地质手册》[50]中的相关缩写。) 按生物组分与黏粒组分含量比较 钙砂质泥(M1ca) 钙质生物含量大于黏粒含量 硅砂质泥(M1si) 硅质生物含量大于黏粒含量 有机砂质泥(M1om) 有机质含量大于黏粒含量 混合砂质泥(M1mi) 硅/钙质生物、有机质含量均不超过黏粒含量 钙粉质泥(M2ca) 钙质生物含量大于黏粒含量 硅粉质泥(M2si) 硅质生物含量大于黏粒含量 有机粉质泥(M2om) 有机质含量大于黏粒含量 混合粉质泥(M2mi) 硅/钙质生物、有机质含量均不超过黏粒含量 钙质黏泥(M3ca) 钙质生物含量大于黏粒含量 硅质黏泥(M3si) 硅质生物含量大于黏粒含量 有机质黏泥(M3om) 有机质含量大于黏粒含量

表3 地表基质三级类划分建议 Tab.3 Suggestions for the 3rd classification standard of ground substrate

(3)与现行分类标准的比较。笔者提出的分类标准总体上遵循《分类方案》中的三级分类原则, 与之不同与细化的内容主要包括以下几个方面: ①增加了“ 砂质” 基质; ②明确了不同碎屑物的粒级划分标准; ③命名规则发生了变化, 分类命名突出了优势粒级含量特征, 使名称更通俗易懂、更直接表征物质组成的属性, 三级分类命名突出了成因作用和特殊物的含量特征。此外, 新的分类方法中还细化了砾石分类的判定标准及“ 粉粒” 物质的归类, 并提出了采用“ 首字母+数字+缩写” 的基质类型新代号。

雅鲁河游域位于大兴安岭东麓、松嫩平原西缘、呼伦贝尔东部, 流域面积9 789.87 km²(图1)。区内地势西高东低、北高南低, 主要包括山地、丘陵、台地、河谷漫滩等地貌类型。出露的基岩以中生界陆相基性-酸性火山地层为主, 全新世地层以河流阶地、冲洪积沉积的黄色亚黏土、砂、砂砾石为主(图2)。本区属中温带大陆性季风气候, 全年平均日照2 722 h, 平均气温3.4 ℃。年均降水量510.7 mm, 主要集中在7月, 占全年降雨量的三分之一, 年均蒸发量1 399.4 mm。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 雅鲁河流域交通位置图Fig.1 Location of Yalu River Basin

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 雅鲁河流域背景条件Fig.2 Background conditions of Yalu River Basin

地表基质图不仅能够体现研究者所关注的科学问题, 还可以反映其研究思路与研究方法, 而编图内容更是调查研究成果的重要组成部分^[51]。现阶段的研究大多强调表层基质类型, 对垂向结构特征刻画不足, 无法反映其对覆盖层的支撑作用, 这与地表基质的内涵不符, 也是目前导致地表基质图实用性不强的原因之一。笔者认为1∶ 25万地表基质图既要充分反映区域表层各类基质分布的总体特征, 更要揭露一定深度下的基质层结构特征和关键属性信息, 通过对不同类型基质垂向组合的研究, 表征同一深度范围内的基质层对生态系统的支撑潜力^[52]。因此, 本次编图工作的核心是建立同一深度范围内固定深度的地表基质垂向构型^{[53, 54]}, 并辅以基质层的物理化学属性和剖面特征, 以求较为全面地反映不同深度地表基质的本底属性。

在充分收集分析前人研究成果的基础上, 结合取得的最新数据, 客观地反映雅鲁河流域地表基质平面与垂向特征, 以及主要基质层位的物理化学性质, 并依据地表基质构型进行地表基质分区。图面上主要反映不同深度的地表基质类型与垂向组合特征。

(1)地表基质类型。基于笔者团队2022年从研究区832个调查点获得的粒度实测数据(1 802组), 对各调查点的地表基质按前述方案进行分类定名。

(2)地表基质垂向构型。以实测点的有效调查深度为依据, 求取中位值, 确定地表基质垂向构型深度和编图深度, 本研究编图深度为3.0 m。当某调查点的实际调查深度不足3.0 m时, 参照 1∶ 5 万区域地质图确定其底部基质类型。在构建垂向地表基质构型时遵循以下原则: ①当顶部松散基质层厚度不足25 cm时^[55], 以下覆基岩命名基质类型; ②除第一层外, 其余各层厚度均应≥ 0.5 m; ③合层时应按同一沉积相或同一沉积韵律进行合并。基于前述的编图思路与编图方案, 运用ArcGIS10.7软件, 编制内蒙古东部雅鲁河流域的1∶ 25万地表基质类型图与综合剖面图(图3, 图4)。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 雅鲁河流域0~3 m地表基质图Fig.3 Ground substrate map of Yalu River Basin from 0 to 3 meter

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 雅鲁河流域AA'地表基质综合剖面 1.林地; 2.旱地; 3.草地; 4.居民地; 5.构造剥蚀中低山; 6.剥蚀丘陵; 7.剥蚀台地; 8.侵蚀-冲洪积谷地; 9.黑土; 10.棕壤; 11.草甸土; 12. 残坡积; 13.残积; 14.坡积; 15.冲积; 16.冲洪积物; 17.残坡积物; 18.黑土; 19.黏土; 20.壤土; 21.砂土; 22.粗骨土; 23.砾石; 24.花岗岩; 25.凝灰岩; 26.角砾岩; 27.河流及水系; 28.工程地质钻点; 29.工程地质钻探点编号及深度; 30.典型植被; 31.城镇Fig.4 AA' composite section of ground substrate in Yalu River Basin

雅鲁河流域0~3 m地表基质图共划分为4个一级区和22个二级区。其中: 一级区按0~1 m 地表基质综合类型划分, 包括粉质土、细砂、砾砂以及壤质土, 其中以粉质土为主要类型, 占全区面积的79.25%; 二级区按0~3 m地表基质垂直构型组合特征划分, 以I-3亚区为主, 其组合特征为上部为粉质土、下部为砾砂的双层结构。

地表基质图既要表达其物质性的平面分布特征, 更要体现其垂向结构属性。笔者提出的编图方法基于自然地理条件与区域地质背景, 对同一深度范围内的基质层进行表征、命名与归类, 进而形成相关图件。该方法不仅适用于1∶ 1万~1∶ 25 万比例尺的地表基质调查编图, 还可应用本方案转化其他相关成果, 为开展大比例尺调查研究提供支撑。本研究进一步完善了地表基质的分类方法, 推动了地表基质编图研究, 对地表基质调查技术方法体系的建立具有一定的参考价值。另一方面, 本编图方案能够较为直观地反映出区域地表基质的空间物质属性, 不仅可有效指导生态修复与国土空间规划, 还可表征出地表基质对植被生态的支撑能力。本方案的提出进一步增强了调查成果的实用性, 有效地促进了地表基质调查与应用服务的有效融合。