承德坝上高原如意河流域地表基质调查与编图探索

　　承德坝上高原如意河流域地表基质调查与编图探索

　　地球关键带理论的提出，首次为地球系统科学研究提供了一个可以操作的实体框架。地球关键带是岩―土―水―生―气相互作用的环境，塑造着地球的表层；在空间分布上表现为非均质各向异性，在垂直剖面上表现为界面分层性。在垂直剖面上，地球关键带上部边界为植物冠层，下部边界为含水层的基岩底板，自上而下依次穿越了植物冠层、地表面、土壤层、包气带和饱水带。地球关键带的垂向结构主要受大气．植被界面、植被―土壤界面、包气带．饱水带界面、弱透水层．含水层界面、含水层―基岩界面5个界面控制。地球关键带作为人与自然相互作用最显著的区域，被视为地球上最大的生态系统。地球关键带理论包含了系统性、互馈性和耦合性等方面核心理念。流域是陆域水文循环的基本空间单元，具有独立性、完整性和敏感性的特征，地球关键带研究多以流域为基本单元。

　　地表基质是指地球表层孕育和支撑森林、草原等各类生态要素的基础物质，其调查对象为岩石、砾质、土质、泥质和特殊基质。地表覆盖层是指在地表基质上，按照自然资源在地表的实际覆盖情况，将地球表面划分为作物、林木、草、水等若干覆盖类型，其调查对象为森林、草原、湿地、耕地、水域等。地表基质是地球关键带的主要承载体并影响着森林、草原、湿地等地表覆盖层的形成演化过程和稳定性，地表基质与地表覆盖层的耦合关系主要受地球关键带的植被．土壤界面、包气带―饱水带界面影响。研究基于地球关键带理论的地表基质与地表覆盖层耦合关系，需开展地表覆盖层、地表基质相关调查。地表基质孕育支撑地表覆盖层，调查地表基质的数量、质量、生态特征、开发利用状况和演化机理以及与地表覆盖层的耦合互馈机制，可以为区域生态文明建设中的生态保护、粮食生产和固碳增汇等提供地学解决方案。以往的地质编图没有或较少考虑地表覆盖层的情况，而地表基质编图更加注重地表基质与地表覆盖层耦合关系的研究，能更好的揭示生态环境变化的地质控制因素与演化特征。目前，地表基质调查尚在试点阶段，地表基质编图还没有形成统一的技术要求，各地表基质调查团队正探索制定地表基质调查与编图方法。

　　地表基质系列图件是地表基质调查成果的主要载体，而已有的区域地质、第四纪地质、水文地质、土地利用、地球化学等大量成果资料，是地表基质图件编制的基础。本文以承德坝上高原东部如意河流域为例，探索提出了地表基质调查内容和思路、地表基质系列图件的编图方法，对地表基质调查方法体系的建立具有一定参考价值。

　　1研究区地质环境及研究方法

　　1.1气候环境与地质地貌

　　如意河流域位于承德坝上高原东部，属于坝上高原水源涵养和防风固沙生态单元，生态功能极其重要。如意河流域面积为196.7km2，海拔1250―1700m，如意河道长约65.1km。如意河流域地势由东北向西南倾斜，地貌类型为侵蚀剥蚀山地和剥蚀堆积平原，区域构造属棋盘山中凹陷构造单元，为典型的森林．草甸草原过渡带。如意河流域近20a年均降水量468mm、年均气温-0.7℃。地下水补给类

　　型为降雨―入渗型，随季节变化明显；地下水总体流向与如意河流向一致，为东北―西南流向，地下水埋深较浅，一般为2―4m。如意河流域分布土壤类型为灰色森林土、草甸土、风沙土、栗钙土、黑土、沼泽土。如意河流域地表覆盖主要乔木树种为华北落叶松、樟子松、油松、云杉、白桦、榆树、蒙古栎等林木，主要灌木树种为杞柳、沙棘、黄柳等。如意河流域的草原以多年生草本植物为主，主要由草甸草原和干草原组成。

　　如意河流域出露地层从老到新主要为白垩系张家口组(K1z)角砾凝灰岩、流纹质凝灰岩、流纹岩，白垩系义县组(Kly)气孔杏仁状安山岩、斑状安山岩，新近系汉诺坝组(N1h）致密块状橄榄玄武岩、气孔状橄榄玄武岩、橄榄辉石玄武岩及安山质玄武岩，第四系(Qh)洪积亚砂土及细砂夹砂砾石、风积粉细沙、湖沼积淤泥及碳质泥土、冲洪积砂砾石夹亚砂土；其中玄武岩和风积沙的分布范围较广，玄武岩具有多期次喷发、气孔发育分层明显等特点。

　　1.2调查研究方法

　　采用遥感解译、穿越路线、追索路线调查和典型地表基质剖面解剖的方法，在如意河流域内选择1条自南至北具有典型性的剖面路线，剖面路线穿过了岩石、砾质、土质、泥质等地表基质和森林、草原、水面等地表覆盖。在剖面路线穿过相近的地貌单元内开展地表覆盖层植被样地样方调查，对穿过的天然露头和人工露头进行剖面测绘，对重要的地质边界开展物探、钻探和槽探确定地表基质厚度和剖面结构特征，并采集样品。

　　对如意河流域地表基质进行调查与编图，按照流域面上调查（1:5万）．流域重点区调查（1：1万）―典型地表基质剖面(1：100)3种尺度开展，从不同尺度深化对地表基质与地表覆盖层耦合关系的认知，为运用地球关键带理论研究地表基质与地表覆盖层的耦合关系提供依据。地表基质调查编图的区域地质数据来源于1:5万区域地质图，土地利用类型数据来源于国土三调2020年10月份时点数据，地表基质数据通过编调结合的方式，以野外调查实测数据为主。

　　2地表基质与地表覆盖层耦合关系调查

　　2.1地表基质和地表覆盖类型划分

　　如意河流域砾质分布很少，且按不同粒级体积含量得到的二、三级分类在野外调查填图的可操作性、应用性不强。在如意河流域野外调查填图中发现砂质与砾质通常发育在一起，故将砂砾作为地表基质的一级分类，对应于砾质。笔者在借鉴已有地表基质分类研究的基础上，通过综合分析如意河流域区域地质、第四纪地质图件和水文地质、工程地质钻孔数据，结合遥感解译和地质调查验证确定地表基质的边界范围，划分了玄武岩、安山岩、凝灰岩、流纹岩、冲洪积砂砾石、残坡积砂砾石、风积沙、湖积淤泥和沼积淤泥等9类三级分类地表基质。

　　2.2地表基质调查监测内容

　　地表基质调查是基础地质调查的范畴，强调的是自然属性和生态属性。海南岛开展的地表基质调查将地表基质调查建议指标分为基础调查、特征调查和评价指标。本文对如意河流域地表基质划分到三级分类，对地表基质的调查指标和监测指标按岩石、砾质、土质和泥质提炼出共性指标。地表基质监测与地表基质调查相衔接，通过对不同类型地表基质进行连续观测、定期复测和专项观测等活动，实时刻画流域地表基质理化性质、数量质量、生态和地质景观等变化情况，分析动态变化和预测趋势。地表基质调查填图和监测为地球关键带理论提供基础数据。调查填图是研究地表基质的组成、结构和空间分布的基础，回答“地表基质是什么”的科学问题；监测是研究地表基质随时空变化的基础，监测地表基质与母岩―母质―土壤．植被及作物的关系，回答“地表基质是如何变化”的科学问题。江汉平原建立的地球关键带监测网，对岩―水―土―生．气等地表基质和地表覆盖要素开展监测，但只有部分监测内容和指标达到了原位实时在线监测。

　　本文在如意河流域开展地表基质调查和监测指标选取的分析，以流域的一个完整水文年为监测周期，进行地表基质理化性质的长时间实时序列监测。对玄武岩、冲洪积砂砾石等，监测含水率、渗透性等指标；对风积沙，监测含水率、温度、电导率等指标；对湖积淤泥等，监测酸碱度等指标。

　　3地表基质系列图件编制讨论

　　地表基质系列图件包括地表基质厚度空间分布图、地表基质与地表覆盖层耦合关系图和地表基质图。地表基质厚度空间分布图可展布不同类型地表基质厚度的空间分布特征，地表基质与地表覆盖层耦合关系图可直观刻画地表基质的剖面结构特征和理化性质对地表覆盖生态要素的约束作用，地表基质图能系统地反映地表基质与地表覆盖层的结构、展布、特征和耦合关系。地表基质厚度空间分布和地表基质与地表覆盖层耦合关系图是编制地表基质图的基础。

　　3.1地表基质厚度空间分布图的编制

　　厚度是地表基质重要的理化性质指标之一，以如意河流域分布较广的风积沙为例，采用电测深法对如意河流域中游的风积沙厚度进行800m×500m网格式扫面测量，精细测量风积沙与下伏基岩的界线。一共获取风积沙厚度数据152组，同时通过地面调查和开挖探槽方式对风积沙厚度数据进行验证，其数据真实客观。将152组风积沙厚度数据分为136组样本数据集、16组验证数据集。基于152组风积沙厚度数据，应用径向基函数人工神经网络插值方法编绘如意河流域中游风积沙厚度空间分布图。样本数据和验证数据的精度分析结果表明如意河流域中游风积沙厚度(D)空间分布与实际厚度分布情况较为吻合。

　　3.2地表基质与地表覆盖层耦合关系图的编制

　　地表基质与地表覆盖层耦合关系剖面图是地表基质调查的基础工作，也是地表基质调查的重要内容和技术手段。通过地表基质与地表覆盖层耦合关系剖面图的编制，可直观地刻画典型剖面的地表基质结构、岩石性质、成土母质性质、土壤性质及分布、植被及作物的立地条件和空间展布特征等信息，有利于总结地表基质对地表覆盖生态要素的约束作用，分析岩―土―水―林．草等地球关键带多圈层交互作用。笔者以地球关键带理论为指导，研究地表基质的什么性质影响地表覆盖植被的类型和分布、哪些特征决定哪些地表覆盖生态要素的变化、地表基质中发生的哪些表生地质作用和地质过程对地表覆盖生态要素起主要控制作用。

　　以简化的区域地质图为底图，同时确保每种类型地表基质都有调查点控制。用高密度电法、电测深法探测基岩起伏面埋深。在地表基质剖面图基础上，考虑耦合成土母质、土壤类型和地表覆盖植被类型等，探索地质调查、物探、钻探相结合的联合剖面表达空间结构，编制地表基质与地表覆盖层耦合关系剖面图。地表基质的物性差异是物探解释的重要参数，不同类型地表基质孔隙度不同，而地层孔隙度与电阻率具有相关性，孔隙度越大电阻率相对较高。基岩表现为视电阻率相对低阻异常，而上部的风积沙层则具有视电阻率高阻异常。高密度电法测量采用温纳α装置，通过反演解释剖面A-A′成果数据，识别风积沙的厚度和岩土层界线。

　　土壤是地球关键带中物理、化学、生物和能量流动转化的最重要载体之一，土壤也是地表基质与地表覆盖层耦合关系中的一个重要要素。对地表基质与地表覆盖层耦合关系剖面图中的柱状剖面PM01和PM02进行结构分层及理化性质分析，研究地表基质土质厚度、粒径、含水率等对地表覆盖植被作物的影响。柱状剖面PM01位于如意河流域中游神仙洞北1.6km，坡向朝南，坡度32°。地表覆盖草地及零星灌丛，植被覆盖度为20%，草群平均高度为15cm,草本植被根系主要集中分布在20-30cm深度范围。地表基质特征为：0―30cm为含有机质风积沙，含水率为3.2%;30cm以下为风积沙。该处风积沙厚度为15m，风积沙下部为气孔状玄武岩。风积沙是在风积母质上发育成的土壤，成土作用微弱。风积沙上的植被稀疏，覆盖度较小，多以沙生植被为主。柱状剖面PM02位于如意河流域中游神仙洞西南2km，为修路取土形成的陡坎，坡向朝北，坡度86°。地表覆盖白桦林、草地，植被覆盖度为98%，草群平均高度为65cm，草本植被根系主要集中分布在20―50cm深度范围，部分为85cm，达到红黏土层。地表基质特征：0―50cm为灰色森林土，含水率为6.5%;50―80cm为风积沙，含水率为7%;80cm以下为红黏土，含水率为8.6%。灰色森林土颜色深暗，土层薄，淀积层发育不明显，土体有机质含量较高，一般大于5%。红黏土的成土母质为碳酸盐类岩石，颜色呈褐红色，黏粒含量高，塑性指数为23，渗透性差，可视为不透水层。对风积沙、红黏土等地表基质样品进行取样和粒度分析，风积沙中值粒径(D50)为198.78μm，红黏土D50为42.38μm，风积沙的D50是红黏土的5倍左右。对比PM01与PM02，PM01的风积沙较厚，1m范围内的含水率为2%―4%，地下水位大于10m，且风积沙透水性好、持水性差。PM02风积沙下部为透水性差的红黏土层，起到隔水的作用，故能生长一些深根性的草本植物和白桦。

　　3.3地表基质图的表达

　　如意河小流域海拔落差小，气候气象条件相似，通过在如意河流域地表基质调查填图的探索实践，初步形成了地表基质图的编制方法。地表基质图首先要表达岩石、砾质、土质、泥质和特殊基质等地表基质基础物质的分布和特征，其次要表达地表基质支撑地表覆盖生态要素的分布和特征，最后形成岩―土―水―生等地表基质与地表覆盖层耦合关系的综合图件。地表基质野外手图采用1:1万数字化地形图进行地质观测内容标绘，按1：5万表达地表基质图面，以地表基质分类为依据，每一类型地表基质需要有一个钻孔或剖面，采用“主图+镶图、平面图+剖面图”的综合图面表达方法，客观反映地表基质分布、特征和规律。地表基质主图以代号、颜色、花纹的形式进行表达，反映不同类型地表基质的空间分布，主图数据来源于野外实测和资料编绘；在地表基质图上通过剖面柱状图的形式表达地表基质垂向剖面结构，对每种地表基质类型至少表达一组垂向剖面。对水文工程地质钻孔等不同钻孔数据进行归一化整编改化，钻孔柱状图表达了不同类型地表基质的垂向剖面结构特征；剖面图刻画的是地表基质的结构特征和对地表覆盖生态要素的约束机制。

　　在如意河流域地表基质图中，以镶表的形式将地表基质三级分类及分布特征进行说明：地形起伏度镶图反映地形切割深度；土地利用类型镶图反映土地利用状况、程度与分布情况；土壤类型分布镶图在小流域单元可反映土壤的微域分布特征；水文地质镶图表达区域地下水和含水岩组的情况；地下水水质TDS等值线镶图反映地下水中溶解性总固体含量的空间分布情况；土地质量地球化学综合等级镶图是在土壤质量地球化学等级基础上，考虑灌溉水和大气环境评价的综合等级。

　　4结论

　　(1)如意河流域地表基质调查编图按照流域面上调查―流域重点区调查．典型地表基质剖面解剖3种尺度展开，从不同尺度深化对地表基质与地表覆盖层耦合关系的研究。

　　(2)划分如意河流域地表基质有玄武岩、安山岩、凝灰岩、流纹岩、冲洪积砂砾石、残坡积砂砾石、风积沙、湖积淤泥和沼积淤泥9种类型，研究不同类型地表基质的分布特征、调查和监测指标。

　　(3)地表基质与地表覆盖层耦合关系图，可直观刻画地表基质的剖面结构特征和理化性质对地表覆盖生态要素的约束作用，为研究岩―土―水―生等地球关键带多圈层交互作用提供支撑。

　　(4)基于地球关键带理论的地表基质系列图件的编制，能系统地反映地表基质与地表覆盖层的结构、展布、特征和耦合关系，为区域生态文明建设中的生态保护、粮食安全等提供地球科学依据。

　　                                                        摘自《水文地质工程地质》2023年2期