劉清俊 劉雨鑫 王穎 王立發(fā) 閆廣新
摘 要:地表基質(zhì)是支撐林草水等地表覆蓋層的基礎(chǔ)物質(zhì),影響著陸表生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自然資源部提出地表基質(zhì)分類方案(試行)后,眾多學(xué)者開(kāi)展了積極、有益探索,對(duì)地表基質(zhì)類型劃分提出了不同建設(shè)性意見(jiàn),但至今尚未形成統(tǒng)一、具體的三級(jí)分類方案。以北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)地表基質(zhì)調(diào)查工作為基礎(chǔ),結(jié)合國(guó)內(nèi)不同地區(qū)地表基質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)工作,探討了山區(qū)和平原兩種地貌類型區(qū)地表基質(zhì)三級(jí)分類指標(biāo),確定了三級(jí)分類方案。山區(qū)包括巖石、礫質(zhì)、土質(zhì)3種基質(zhì),平原包括礫質(zhì)、土質(zhì)2種基質(zhì)。巖石基質(zhì)共23個(gè)三級(jí)類,分別為巖漿巖6個(gè)、沉積巖11個(gè)、變質(zhì)巖6個(gè);礫質(zhì)基質(zhì)共16個(gè)三級(jí)類,其中巨礫、粗礫、中礫及細(xì)礫各4個(gè);土質(zhì)基質(zhì)共66個(gè)三級(jí)類,其中粗骨土和砂土各3個(gè)(山區(qū)與平原相同),山區(qū)壤土與平原壤土各27個(gè)。
關(guān)鍵詞:地表基質(zhì);三級(jí)分類;山區(qū);平原
A proposed scheme for third-level classification of ground substrate
LIU Qingjun1, LIU Yuxin2, WANG Ying3, WANG Lifa1, YAN Guangxin1
(1.Beijing Institute of Ecological Geology, Beijing 100011, China;
2.Beijing Institute of Mineral Resources and Geology, Beijing 100120, China;
3.Beijing Institute of Geology, Beijing 100195, China)
Abstract: Ground substrate is the basic material supporting the ground cover layer such as forest, grass and water, and affecting the stability of land surface ecosystem. Since the Ministry of Natural Resources proposed the classification scheme of ground substrate, active and beneficial exploration on ground substrate surveys has been made and constructive suggestions on ground substrate classification has been put forward. However, a unified and specific third-level classification scheme for ground substrate has not been formed. Based on the exploration and practices of ground substrate surveys in Nankou Town, Changping District of Beijing, and combined with the pilot practices of ground substrate surveys across China, this paper discusses the third-level classification scheme of ground substrate for two kinds of geomorphologic types--mountains and plains. A detailed third-level classification system of rock, gravel and soil in mountains and of gravel and soil in plains is put forward. The results show that there are 23 types of third-level rock substrate, with 6 types, 11 types and 6 types for magmatic rock substrate, sedimentary rock substrate and metamorphic rock substrate respectively. There are 16 types of third-level gravel substrate with 4 types each for boulder, coarse gravel, medium gravel and fine gravel. There are 66 types of third-level soil substrate with 3 types each for skeleton soil and sand soil substrate both the same for mountains and plains, and 27 types of loam substrate for both mountains and plains.
Keywords: ground substrate; third-level classification scheme; mountain; plain
2020年1月,自然資源部印發(fā)《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》(自然資發(fā)〔2020〕15號(hào))(以下簡(jiǎn)稱總體方案)(自然資源部,2020 a),明確提出開(kāi)展地表基質(zhì)調(diào)查工作。總體方案首次提出地表基質(zhì)這一術(shù)語(yǔ),并對(duì)地表基質(zhì)類型進(jìn)行了初步劃分;將地表基質(zhì)表述為地球表層孕育和支撐森林、草原、水、濕地等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì),海岸線向陸一側(cè)(包括各類海島)分為巖石、礫石、沙和土壤等,海岸線向海一側(cè)按照海底基質(zhì)進(jìn)行細(xì)分。2020年11月,殷志強(qiáng)等將地表基質(zhì)分為基巖和松散沉(堆)積物2個(gè)一級(jí)類并依據(jù)成因和地貌形態(tài)進(jìn)行了二級(jí)和三級(jí)分類。2020年12月,自然資源部發(fā)布《地表基質(zhì)分類方案(試行)》(以下簡(jiǎn)稱分類方案)(自然資源部,2020 b),修正了總體方案中的地表基質(zhì)表述和分類:地表基質(zhì)為當(dāng)前出露于地球陸域地表淺部或水域水體底部,主要由天然物質(zhì)經(jīng)自然作用形成,正在或可以孕育和支撐森林、草原、水等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì);地表基質(zhì)分為巖石、礫質(zhì)、土質(zhì)、泥質(zhì)4個(gè)一級(jí)類14個(gè)二級(jí)類。分類方案中三級(jí)分類僅給出了分類建議,缺乏明確具體的方案。2021年6?月,侯紅星等認(rèn)為地表基質(zhì)分類及命名是實(shí)施地表基質(zhì)層調(diào)查的基礎(chǔ)和前提,并在自然資源部地表基質(zhì)分類方案的基礎(chǔ)上提出了第5個(gè)一級(jí)類即特殊基質(zhì)、將原一級(jí)類中的“礫質(zhì)”改化為“砂礫”以及進(jìn)行了泥質(zhì)基質(zhì)三級(jí)分類??梢?jiàn),地表基質(zhì)三級(jí)分類仍處于探索階段,缺乏系統(tǒng)與具體的方案,在國(guó)內(nèi)地表基質(zhì)調(diào)查的關(guān)鍵時(shí)期,系統(tǒng)性、科學(xué)性與可行性的地表基質(zhì)三級(jí)分類方案對(duì)地表基質(zhì)調(diào)查工作順利開(kāi)展具有重要的意義。本文是在分類方案和北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)地表基質(zhì)調(diào)查工作以及國(guó)內(nèi)不同地區(qū)地表基質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上,探討了山區(qū)和平原地表基質(zhì)三級(jí)分類指標(biāo)選取、級(jí)別劃分和方案分類,以期為國(guó)內(nèi)地表基質(zhì)分類體系日趨成熟與共識(shí)統(tǒng)一提供參考。
1? 地表基質(zhì)三級(jí)分類指標(biāo)
巖石、礫質(zhì)、土質(zhì)及泥質(zhì)分別代表了地表基質(zhì)發(fā)育、發(fā)展過(guò)程的不同階段,相互之間具有密切聯(lián)系,是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。地表基質(zhì)分類指標(biāo)選取以各基質(zhì)服務(wù)目的為導(dǎo)向,以能夠真實(shí)、全面揭示地表基質(zhì)基本狀況為原則。
1.1? 巖石基質(zhì)
巖石是地表基質(zhì)衍生的物質(zhì)基礎(chǔ)。巖石裸露地表風(fēng)化為疏松的碎屑物質(zhì)而形成的成土母質(zhì)是土壤的物質(zhì)基礎(chǔ),在母質(zhì)不斷地同動(dòng)植物界與大氣進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過(guò)程中形成了土壤(河南省土壤普查辦公室,2004),成土母質(zhì)差異是土壤分異的重要因素之一(張騰蛟等,2020),土壤性質(zhì)影響種植作物類型,因此選擇與土壤的數(shù)量(厚度)、質(zhì)量相關(guān)的巖石特征參數(shù)作為巖石基質(zhì)三級(jí)分類指標(biāo)。
巖石基質(zhì)分為巖漿巖基質(zhì)、沉積巖基質(zhì)、變質(zhì)巖基質(zhì)3個(gè)二級(jí)類。巖石基質(zhì)巖性與主要礦物組成、風(fēng)化產(chǎn)物有密切關(guān)系,不同風(fēng)化產(chǎn)物對(duì)土壤肥力性狀及土層薄厚影響不同,硅質(zhì)巖石風(fēng)化物與鈣質(zhì)巖石風(fēng)化物形成的土層厚度薄、肥力低,長(zhǎng)石質(zhì)巖石風(fēng)化物與鐵鎂質(zhì)巖石風(fēng)化物形成的土層厚、肥力好(孫向陽(yáng),2021)。巖石基質(zhì)均具有一定的形成時(shí)代,其反映了特定的內(nèi)外形成環(huán)境(成因);因此選取巖性、主要礦物組成、風(fēng)化物及成因作為巖石基質(zhì)三級(jí)分類指標(biāo)(表1)。
1.2? 礫質(zhì)
礫質(zhì)是巖石發(fā)育的產(chǎn)物。指地表巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積作用而成,顆粒粒徑≥2 mm者,且體積含量≥75%的巖石碎屑物、礦物碎屑物或二者的混合物。礫質(zhì)基質(zhì)分為巨礫、粗礫、中礫、細(xì)礫4個(gè)二級(jí)類。礫質(zhì)基質(zhì)不利于植被的正常生長(zhǎng)(張鳳榮,2021),其緩沖功能和生態(tài)環(huán)境功能也非常有限,但可根據(jù)礫質(zhì)特性開(kāi)發(fā)為不同用途的置石,與此用途相關(guān)的指標(biāo)為礫質(zhì)形態(tài)特征的圓度和形狀。綜合考慮置石的應(yīng)用價(jià)值及便于基質(zhì)分類管理的需要,將圓度與形狀進(jìn)行概化(曹伯勛,1995),圓度概化為棱角狀(包含次棱角狀)、圓狀(包含次圓狀、圓狀及極圓狀),形狀概化為圓球體、非圓球體(包含扁球體、橢球體及長(zhǎng)扁球體),山區(qū)與平原均采用圓度與形狀作為三級(jí)分類指標(biāo)(表1)。
1.3? 土質(zhì)
土質(zhì)是由不同粒級(jí)的礫(體積含量<75%)、砂粒和黏粒按不同比例組成的地球表面疏松覆蓋物,在適當(dāng)條件下能夠生長(zhǎng)植物。“土質(zhì)”基質(zhì)作為萬(wàn)物生長(zhǎng)的生命之源,以體現(xiàn)如何滿足植物生長(zhǎng)條件、緩沖功能和生態(tài)功能為主(李響等,2021);土壤的厚度、質(zhì)地、酸堿度pH、有機(jī)質(zhì)含量及容重是與植被狀況(生態(tài))有密切關(guān)系的重要因子(柴華等,2016;趙靜等,2009;吳克寧等,2019;陳嬋嬋等,2009)。分類方案將土質(zhì)分為粗骨土、砂土、壤土、黏土4個(gè)二級(jí)類,土質(zhì)三級(jí)分類是在二級(jí)分類基礎(chǔ)上選取與該基質(zhì)功能密切相關(guān)的因子作為分類指標(biāo)。
1.3.1? 粗骨土
粗骨土指不同級(jí)別礫體積含量介于25%至75%之間的地表疏松覆蓋物,兼具土質(zhì)和礫質(zhì)的雙重特征,由于含有較多的礫質(zhì),對(duì)植被生長(zhǎng)有一定限制作用,對(duì)植被生長(zhǎng)貢獻(xiàn)較大的為其間充填的砂粒、黏粒細(xì)碎屑物質(zhì)。因此選用礫間充填物的質(zhì)地作為分類指標(biāo),砂粒含量≥55%為粗骨砂質(zhì),黏粒含量≥35%為粗骨黏質(zhì),其他為粗骨壤質(zhì)(張甘霖等,2013)。粗骨土一般位于山區(qū)與平原過(guò)渡的丘陵地區(qū),在山區(qū)與平原的局部區(qū)域也有發(fā)育,山區(qū)與平原均采用該分類指標(biāo)(表1)。
1.3.2? 砂土
砂土是根莖類作物如紅薯、花生、西瓜等適宜的土壤。砂土原生礦物以石英、長(zhǎng)石為主,具有易耕作、適宜性強(qiáng)、供肥快等優(yōu)點(diǎn)。砂土酸堿度與植被類型及植被生長(zhǎng)狀況有密切關(guān)系,
如花生適宜的pH值為5.6~6.0、甘薯適宜的pH值為5.0~7.0、西瓜適宜的pH值為6.0~7.0,因此選擇酸堿度作為三級(jí)分類指標(biāo)。自然條件下土壤的酸堿性主要受土壤鹽基狀況所支配,而土壤的鹽基狀況取決于淋溶過(guò)程和復(fù)鹽基過(guò)程的相對(duì)強(qiáng)度。土壤酸堿性實(shí)際上是由母質(zhì)、生物、氣候以及人為作用等多種因子控制的(黃昌勇等,2012)。以現(xiàn)有土壤酸堿度五級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)(表2)、綜合考慮實(shí)際應(yīng)用和管理需求,將其概化為3?級(jí),酸性(pH<6.5)、中性(pH 6.5~<7.5)及堿性(pH≥7.5)(表1)。
1.3.3? 壤土
壤土兼有砂質(zhì)土和黏質(zhì)土之優(yōu)點(diǎn),通氣透水、保水保溫性能都較好,耐旱耐澇,抗逆性強(qiáng),適種性廣,適耕期長(zhǎng),是較為理想的土壤,也是發(fā)育比較普遍的一類土壤。因此對(duì)壤土的三級(jí)分類需更為全面深入的研究。
1)分類指標(biāo)確定依據(jù)
以北京市昌平區(qū)南口鎮(zhèn)山區(qū)(面積140 km2,占比70%)和平原(面積60 km2,占比30%)為例,對(duì)比分析與植被狀況(生態(tài))有密切關(guān)系的重要因子——厚度、酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、容重及母質(zhì),為山區(qū)和平原壤土的三級(jí)分類指標(biāo)選取奠定基礎(chǔ)與提供依據(jù)。昌平區(qū)南口鎮(zhèn)山區(qū)基巖直接出露面積很小,大部分被厚度不同的土壤覆蓋,平原區(qū)第四系厚度普遍在30?m以上。南口鎮(zhèn)山區(qū)的這種特征在國(guó)內(nèi)氣候與地貌相似區(qū)具有一定的普遍性,故在北京昌平南口鎮(zhèn)山區(qū)和平原壤土理化性質(zhì)對(duì)比分析基礎(chǔ)上選取的三級(jí)分類指標(biāo),在特征相似的地區(qū)同樣適用或具有一定的借鑒性。
與平原壤土相比,山區(qū)壤土具有土層薄且不均一、容重偏低均一性較好、有機(jī)質(zhì)含量高、堿性弱及母質(zhì)較單一等特點(diǎn)(表2)。土層薄厚是氣候、地形及母質(zhì)等客觀因素決定的,容重高低與土地利用方式、土壤結(jié)構(gòu)以及其他人為干擾因素有關(guān),有機(jī)質(zhì)含量高低受自然因素和人為干擾因素共同影響。壤土三級(jí)分類指標(biāo)選取以揭示其客觀條件,體現(xiàn)其以植被生長(zhǎng)、緩沖功能和生態(tài)功能為原則,故山區(qū)壤土選擇厚度、酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量作為三級(jí)分類指標(biāo),平原壤土選擇酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、容重作為三級(jí)分類指標(biāo)。
2)分類指標(biāo)分級(jí)
厚度分級(jí)以植被生長(zhǎng)實(shí)際要求及現(xiàn)有分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。根據(jù)不同植被對(duì)土壤厚度生長(zhǎng)要求及普遍認(rèn)可的土壤厚度劃分界限(CJJ/T 82-99《城市綠化工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》),草類、地被類植物的最低土壤厚度為30?cm,大灌木類植物的最低土壤厚度為60 cm,淺根性喬木的最低土壤厚度為90 cm,綜合考慮將土壤厚度分為薄層(<30 cm)、中層(30~<60 cm)及厚層(≥60?cm)三級(jí)(表1)。
容重與有機(jī)質(zhì)含量分級(jí)以現(xiàn)有5級(jí)分類為基礎(chǔ)并綜合考慮實(shí)際應(yīng)用和管理需求,概化為三級(jí),分別是疏松(<1.14 g·cm-3)、適當(dāng)(1.14~<1.26 g·cm-3)與緊密(≥1.26 g·cm-3),高(≥2.5%),中(1.0~<2.5%)及低(<1.0%)。酸堿度分級(jí)同前(表1)。
1.3.4? 黏土
關(guān)于黏土的相關(guān)內(nèi)容在后續(xù)論文中單獨(dú)討論,本文暫不涉及。
2? 地表基質(zhì)三級(jí)分類方案
2.1? 巖石基質(zhì)
1)分類原則
巖石學(xué)理論體系科學(xué)性與完整性是巖石基質(zhì)分類前提,方便實(shí)用與可推廣是巖石基質(zhì)分類目的。巖石(體)需具有一定的規(guī)模,基質(zhì)是某一類巖石或某幾類巖石組合,同一基質(zhì)內(nèi)的不同巖類需具有巖性、主要礦物成分、風(fēng)化物和成因等有機(jī)聯(lián)系。
2)巖漿巖
巖漿巖根據(jù)SiO2含量分為超基性巖、基性巖、中性巖及酸性巖(樂(lè)昌碩,1984;路鳳香等,2002),巖漿巖基質(zhì)分類方案遵循繼承性原則并增加其他基質(zhì)1種,各基質(zhì)命名規(guī)則為“巖石名稱”+“基質(zhì)”,則巖漿巖基質(zhì)有超基性巖基質(zhì)、基性巖基質(zhì)、中性巖基質(zhì)、酸性巖基質(zhì)及其他基質(zhì)共5種。
超基性巖基質(zhì)、基性巖基質(zhì)分別指由相應(yīng)巖石形成基質(zhì),中性巖基質(zhì)指鈣堿性系列閃長(zhǎng)巖—安山巖類中性巖形成基質(zhì),酸性巖基質(zhì)指酸性巖以及堿性系列正長(zhǎng)巖—粗面巖類中性巖、過(guò)堿性系列霞石正長(zhǎng)巖—響巖類中性巖形成基質(zhì),其他基質(zhì)指煌斑巖、碳酸鹽巖及特殊巖石形成基質(zhì)。
火山碎屑巖作為巖漿巖與沉積巖的一種過(guò)渡類型,單獨(dú)構(gòu)成為火山碎屑巖基質(zhì),根據(jù)需要可對(duì)其進(jìn)一步細(xì)分,暫列在巖漿巖基質(zhì)名下。
綜上,巖漿巖基質(zhì)三級(jí)分類共有6個(gè)。
3)沉積巖
沉積巖根據(jù)母巖風(fēng)化產(chǎn)物的類型(碎屑物質(zhì)及溶解物質(zhì))及其搬運(yùn)沉積作用的不同(機(jī)械的和化學(xué)的),劃分為碎屑巖和化學(xué)巖及生物化學(xué)巖(姜在興,2003) 。
沉積碎屑巖分為礫巖、砂巖、粉砂巖和黏土巖,化學(xué)巖及生物化學(xué)巖分為碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物巖、硅巖及其他化學(xué)巖(鐵、錳、鋁、磷沉積巖),沉積巖基質(zhì)分類方案遵循繼承性原則,各基質(zhì)命名規(guī)則為“巖石名稱”+“基質(zhì)”。當(dāng)多種碎屑巖共生或互層時(shí),則依據(jù)發(fā)育的碎屑巖類別組合,如黏土巖(泥巖)常與砂巖、粉砂巖共生或互層(路鳳香等,2002),則基質(zhì)名稱為砂粉黏組合基質(zhì);其他化學(xué)巖基質(zhì)為顯示區(qū)別可輔助添加名稱,如其他化學(xué)巖(Fe)基質(zhì),當(dāng)碎屑巖與化學(xué)巖(碳酸鹽)互層時(shí),則為砂碳酸鹽巖組合基質(zhì)。沉積巖基質(zhì)三級(jí)分類共有11個(gè)。
4)變質(zhì)巖
變質(zhì)巖根據(jù)化學(xué)組成分為5種常見(jiàn)變質(zhì)巖(泥質(zhì)變質(zhì)巖、長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖、鈣質(zhì)變質(zhì)巖、基性變質(zhì)巖、鎂質(zhì)變質(zhì)巖)和6種少見(jiàn)特殊變質(zhì)巖(硅質(zhì)、鋁質(zhì)、鐵質(zhì)、錳質(zhì)、磷質(zhì)及碳質(zhì)變質(zhì)巖)。按照繼承性以及與巖漿巖、沉積巖命名一致原則,變質(zhì)巖基質(zhì)三級(jí)分類共有6個(gè)。特殊變質(zhì)巖基質(zhì)為顯示各類型區(qū)別可添加輔助名稱,如特殊變質(zhì)巖(Si)基質(zhì)。
2.2? 礫質(zhì)基質(zhì)
在二級(jí)分類基礎(chǔ)上,運(yùn)用顆粒形態(tài)的圓度和形狀作為三級(jí)分類指標(biāo),每個(gè)二級(jí)類各發(fā)育4種基質(zhì),則礫質(zhì)基質(zhì)共有16個(gè)三級(jí)類,山區(qū)與平原均適用此方案(表1)。
2.3? 土質(zhì)基質(zhì)
1)粗骨土
根據(jù)前述粗骨土礫間填系物質(zhì)的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行粗骨土三級(jí)分類,由粗骨砂質(zhì)、粗骨黏質(zhì)、粗骨壤質(zhì)形成的粗骨土分別是粗骨砂土,粗骨黏土及粗骨壤土,山區(qū)與平原均適用此方案。
2)砂土
根據(jù)前述酸堿度分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行砂土三級(jí)分類,分別是酸性砂土、中性砂土及堿性砂土,山區(qū)與平原均適用此方案。
3)壤土
山區(qū)壤土以酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量及厚度作為三級(jí)分類指標(biāo),平原壤土以酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量及容重作為三級(jí)分類指標(biāo),各指標(biāo)均分為三級(jí),則山區(qū)壤土三級(jí)類與平原壤土三級(jí)類各有27個(gè)。
3? 結(jié)論
1)以巖性、主要礦物成分、風(fēng)化物及成因作為三級(jí)分類指標(biāo),提出了巖石基質(zhì)三級(jí)分類方案,巖漿巖基質(zhì)可分為6個(gè)三級(jí)類(含火山碎屑巖基質(zhì))、沉積巖基質(zhì)可分為11個(gè)三級(jí)類、變質(zhì)巖基質(zhì)可分為6個(gè)三級(jí)類。本方案適用于基巖發(fā)育的山區(qū)。
2)以圓度與形狀作為三級(jí)分類指標(biāo),提出了礫質(zhì)基質(zhì)三級(jí)分類方案,其中巨礫、粗礫、中礫和細(xì)礫各分為4個(gè)三級(jí)類,本方案適用于山區(qū)和平原。
3)土質(zhì)三級(jí)分類方案較為復(fù)雜:粗骨土和砂土分別以礫間填系物質(zhì)地和酸堿度作為分類指標(biāo),各分為3個(gè)三級(jí)類,本方案適用于山區(qū)和平原;山區(qū)壤土以有機(jī)質(zhì)含量、酸堿度及厚度作為分類指標(biāo),共27個(gè)三級(jí)類;平原壤土以有機(jī)質(zhì)含量、酸堿度及容重作為分類指標(biāo),共27個(gè)三級(jí)類。
需要說(shuō)明的是,地表基質(zhì)相關(guān)分類方案、調(diào)查方法體系及成果具體展現(xiàn)與應(yīng)用尚在探討和完善中,本文旨在結(jié)合筆者在北京昌平地區(qū)試點(diǎn)基礎(chǔ)上的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出的地表基質(zhì)三級(jí)分類方案,可與全國(guó)范圍內(nèi)地表基質(zhì)分類進(jìn)行對(duì)比并應(yīng)用。
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