李歡 鄭祺愷 王穎 張沁瑞 王立發(fā) 黃勇 陳喜友

摘 要：生態(tài)地質(zhì)作為一門新興交叉學(xué)科，諸多學(xué)者對其研究內(nèi)容、工作思路、技術(shù)手段、服務(wù)目標(biāo)等進(jìn)行了探索。以京西“一線四礦”為研究對象，闡述了以服務(wù)于生態(tài)保護和修復(fù)為目標(biāo)的生態(tài)地質(zhì)調(diào)查總體思路和工作方法，建立了生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價指標(biāo)體系。研究結(jié)果表明：生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價能夠直觀反映生態(tài)地質(zhì)本底特征，是生態(tài)地質(zhì)條件優(yōu)劣的直接表現(xiàn)；“地理+地質(zhì)+生態(tài)”三要素融合的生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價模式，建立了1個目標(biāo)層、3個準(zhǔn)則層、10個指標(biāo)層的評價指標(biāo)體系，其中地理環(huán)境權(quán)重0.122 6，地質(zhì)環(huán)境權(quán)重0.601 1，生態(tài)環(huán)境權(quán)重0.276 3。以地質(zhì)建造為分類單元，地表基質(zhì)層支撐力由強到弱分別是中性侵入巖建造、陸源碎屑巖建造、中性噴出巖建造、基性噴出巖建造、碳酸鹽巖建造。京西“一線四礦”地區(qū)（287 km2）生態(tài)地質(zhì)條件良好區(qū)面積105.9 km2，占比36.9%；一般區(qū)面積78.7 km2，占比27.4%；較差區(qū)面積102.4 km2，占比35.7%。在京西“一線四礦”及周邊區(qū)域協(xié)同發(fā)展概念規(guī)劃總體策劃范圍（99 km2），圈定出喬木生長適宜區(qū)面積58.6 km2，灌木生長適宜區(qū)面積40.4 km2。

關(guān)鍵詞：生態(tài)地質(zhì)；評價體系；地表基質(zhì)層；地表覆蓋層；植被恢復(fù)與保育；京西“一線四礦”

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

生態(tài)地質(zhì)學(xué)結(jié)合了生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科特點（侯紅星等，2021；聶洪峰等，2021；彭建兵等，2022；殷志強等，2020），涉及生態(tài)水文地質(zhì)、生態(tài)工程地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)災(zāi)害地質(zhì)、生態(tài)景觀地質(zhì)、生態(tài)城市地質(zhì)、生態(tài)礦山地質(zhì)、生態(tài)海洋地質(zhì)等諸多方面，可見其涵蓋領(lǐng)域眾多。作為一門新興交叉學(xué)科，在支撐服務(wù)國土空間規(guī)劃、自然資源管理、生態(tài)環(huán)境保護等方面的意義重大（陳國光等，2022；竇衍光等，2021）。

袁國禮等（2023）系統(tǒng)闡述了以服務(wù)生態(tài)文明為目標(biāo)，基于表生地質(zhì)過程對地表生態(tài)發(fā)育制約作用的生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究思路；孫立廣等（2017）提出了以糞土層為載體，運用微觀生物地球化學(xué)技術(shù)還原過去生態(tài)環(huán)境信息的人類世生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究方法；曾銳等（2020）通過研究云南蒙自巖溶斷陷盆地的農(nóng)作物生態(tài)需水量，提出了科學(xué)可行的農(nóng)業(yè)種植建議；張瓔凌（2020）運用遙感技術(shù)探究了地質(zhì)環(huán)境與植被覆蓋度之間的關(guān)系，為認(rèn)識地質(zhì)本底對生態(tài)環(huán)境的影響奠定了基礎(chǔ)。上述學(xué)者從不同角度探索了生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的理論體系、目標(biāo)任務(wù)、技術(shù)方法與成果應(yīng)用，不同程度上推動了我國生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作的開展。

廣義的生態(tài)地質(zhì)是以服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)為目標(biāo)，其研究內(nèi)容包羅萬象，只要是能夠助力生態(tài)文明建設(shè)的直接或間接研究工作均可納入其中。狹義的生態(tài)地質(zhì)是以服務(wù)于生態(tài)保護和修復(fù)為具體目標(biāo)，重點關(guān)注以地表植被為典型要素的生態(tài)環(huán)境特征。本文注重研究生態(tài)地質(zhì)調(diào)查支撐服務(wù)地表植被恢復(fù)與保育的探索實踐，從總體思路、工作方法、評價體系建立等方面系統(tǒng)闡述了生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的主要工作內(nèi)容與技術(shù)要求，構(gòu)建生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價體系，結(jié)合生態(tài)支撐力評估與生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價結(jié)果，提出了京西“一線四礦”地區(qū)植被恢復(fù)與保育的對策建議，以期為該區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)提供地學(xué)依據(jù)。

1 ?研究區(qū)概況

京西“一線四礦”位于北京市門頭溝區(qū)東部（圖1），其中“一線”指“門大線”鐵路（門頭溝站—木城澗站），線路全長33.4 km，全線共設(shè)12座車站，在門頭溝站與市郊鐵路“京門線”接軌；“四礦”則為沿“門大線”依次分布的王平村、大臺、木城澗和千軍臺4座煤礦（李歡等，2023）。研究區(qū)面積287 km2，地處北京西部山區(qū)，屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.7℃，年平均降水量528 mm，主要河流為永定河，自西北向東南穿過研究區(qū)。

結(jié)合沉積韻律、巖漿活動及地層巖性的空間展布規(guī)律（劉洪等，2023；劉清俊等，2023；張騰蛟等，2021），研究區(qū)的地質(zhì)建造劃分為第四紀(jì)沉積建造、早—中侏羅紀(jì)火山碎屑巖建造、中—晚侏羅紀(jì)陸源碎屑巖建造、早侏羅紀(jì)中性噴出巖建造、晚侏羅紀(jì)基性噴出巖建造、三疊—石炭紀(jì)陸源碎屑巖建造、奧陶—寒武紀(jì)碳酸鹽巖建造、青白口紀(jì)碳酸鹽巖—陸源碎屑巖建造、侏羅紀(jì)中世中性侵入巖建造，見圖2。

2 ?研究方法

2.1 ?生態(tài)地質(zhì)調(diào)查總體思路

生態(tài)地質(zhì)調(diào)查是查明生態(tài)地質(zhì)要素資源的類型、物質(zhì)組成、分布特征，研究各類生態(tài)地質(zhì)要素資源的互饋關(guān)系，揭示地表基質(zhì)層（巖石層、母質(zhì)層、土壤層）與地表覆蓋層（植被層）之間的支撐孕育特征和耦合關(guān)系，以服務(wù)植被保育和生態(tài)保護為目標(biāo)，以地球系統(tǒng)科學(xué)理論為指導(dǎo)的調(diào)查研究工作。

本次研究注重巖石風(fēng)化成土過程對地表生態(tài)景觀、分布、演變的影響，偏向于巖石、母質(zhì)、土壤與植被之間的交互作用，旨在探索地表基質(zhì)層對地表生態(tài)層的支撐能力。以地表基質(zhì)層為研究對象，查明巖石轉(zhuǎn)化為土壤的形成過程；以地表覆蓋層為研究對象，識別巖石、母質(zhì)、土壤對植被的支撐能力。地表基質(zhì)層對地表生態(tài)層的支撐作用是動態(tài)過程，而土壤水和植物水是其中的關(guān)鍵紐帶，將四者有機結(jié)合起來（圖3）。受研究基礎(chǔ)限制，本文重點探討地表基質(zhì)層與地表生態(tài)層之間的互饋關(guān)系，土壤水和植物水在生態(tài)地質(zhì)動態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮的作用將會在后續(xù)研究中跟進(jìn)。

2.2 ?生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作方法

整個生態(tài)地質(zhì)調(diào)查過程大致可分為3個階段，即前期準(zhǔn)備階段、具體實施階段和綜合研究階段（圖4）。前期準(zhǔn)備階段主要是資料收集與分析、工作方案編制，重點收集區(qū)域地質(zhì)、地質(zhì)礦產(chǎn)、地球化學(xué)、土壤類型等地質(zhì)類相關(guān)資料和氣候、地形地貌、植物、水系等生態(tài)類資料。具體實施階段分為2部分內(nèi)容，一是通過遙感手段進(jìn)行影像預(yù)處理，對坡度、坡向、高程、植被覆蓋度、河流水系、土地利用等信息進(jìn)行解譯，選擇的影像分辨率可根據(jù)調(diào)查精度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；二是開展植物樣方調(diào)查、生態(tài)地質(zhì)路線調(diào)查、樣品采集與實驗測試等生態(tài)地質(zhì)本底值調(diào)查。遙感數(shù)據(jù)處理與地質(zhì)解譯工作開始的時間應(yīng)適當(dāng)早于生態(tài)地質(zhì)本底值調(diào)查工作，便于有針對性地指導(dǎo)調(diào)查、采樣等野外工作。綜合研究階段是在整理分析歷史調(diào)查成果、遙感解譯成果、野外實地調(diào)查數(shù)據(jù)、實驗測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展地表基質(zhì)層與地表覆蓋層耦合關(guān)系研究、生態(tài)地質(zhì)分區(qū)研究、生態(tài)支撐力評估、生態(tài)適宜性評價等方面的工作，提出植被恢復(fù)與保育的對策建議。

2.3 ?生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價體系建立

2.3.1 ?評價單元劃分

生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價具有承上啟下的作用，既是對地表基質(zhì)層與地表覆蓋層耦合關(guān)系研究、生態(tài)支撐力評估的總結(jié)，也是開展生態(tài)適宜性評價的基礎(chǔ)。

評價單元劃分的方式有多種，既可以劃分為若干個大小、形狀相同的網(wǎng)格單元，也可以用行政區(qū)作為評價單元。本文將地理單元（由水系、山脊劃分而成）和地質(zhì)建造單元進(jìn)行物理疊加，經(jīng)交叉切割后劃分出不規(guī)則狀的評價單元。研究區(qū)內(nèi)共有地質(zhì)建造單元50個，地理單元153個，將二者進(jìn)行疊加切割后得到600個評價單元，并對2 500 m2（50 m × 50 m）以下的微小單元按地質(zhì)建造類型進(jìn)行合并，最終得到533個評價單元。

2.3.2 ?評價因子選取

結(jié)合生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的總體思路、目標(biāo)任務(wù)、工作內(nèi)容和預(yù)期成果，基于層次分析法，筆者提出了“地理+地質(zhì)+生態(tài)”三要素融合的生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價體系（圖5）。10個評價指標(biāo)中，與生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價呈正相關(guān)的指標(biāo)為坡向、植被覆蓋度、植被生長狀況、水系密度、土壤有機質(zhì)、地質(zhì)建造，其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)。

生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價旨在探索地理環(huán)境-地質(zhì)環(huán)境-生態(tài)環(huán)境之間的相互作用與協(xié)調(diào)平衡關(guān)系，整個評價體系反映的是對生態(tài)地質(zhì)分區(qū)的三維立體化評價，可以通過地面、地面以下、地面以上3個角度來剖析該評價體系；地理環(huán)境反映的是地面處的生態(tài)地質(zhì)條件狀況，地質(zhì)環(huán)境反映的是地面以下的生態(tài)地質(zhì)條件狀況，生態(tài)環(huán)境反映的是地面以上的生態(tài)地質(zhì)條件狀況。

2.3.3 ?主觀賦權(quán)

層次分析法是將難以準(zhǔn)確量化的復(fù)雜系統(tǒng)分解成不同層次和因素，逐層次地對各種因素進(jìn)行對比，確定出系統(tǒng)的整體特征，最終得到權(quán)重。層次分析法確權(quán)過程可分為建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、計算權(quán)向量并做一致性檢驗。本研究基于“yaahp”層次分析軟件，通過咨詢相關(guān)專家并結(jié)合各學(xué)者的研究經(jīng)驗來構(gòu)造判斷矩陣最終得到各項評價指標(biāo)的權(quán)重（表1）。

層次分析法主觀賦權(quán)結(jié)果顯示：在生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價指標(biāo)體系中，地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)所占權(quán)重最大，為0.601 1，其次為生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，為0.276 3，地理環(huán)境指標(biāo)整體權(quán)重較小，僅為0.122 6；各3級指標(biāo)權(quán)重由大到小依次為地質(zhì)建造、植被生長狀況、土壤有機質(zhì)、土壤環(huán)境風(fēng)險、植被覆蓋度、坡度、水環(huán)境質(zhì)量、水系密度、坡向、高程。

3 ?結(jié)果與討論

3.1 ?生態(tài)支撐力評估

3.1.1 ?整體規(guī)律分析

巖石風(fēng)化成土能力越強，地表基質(zhì)層對生態(tài)層的支撐力越強，也就越適宜植被生長。不同成巖環(huán)境下形成的巖石風(fēng)化能力有一定差異（Scarciglia et al.，2007；Stewart et al.，1998；楊駿雄等，2016；張莉等，2015），風(fēng)化層的空間結(jié)構(gòu)也存在顯著不同，風(fēng)化層厚度（母質(zhì)層和土壤層的厚度之和）能夠反映巖石風(fēng)化成土能力。

在評估生態(tài)支撐力時，以地質(zhì)建造為單元進(jìn)行分類討論。研究區(qū)中性侵入巖建造主要巖性為花崗閃長巖，風(fēng)化能力明顯高于其他類型巖石，出露巖體基本已全部發(fā)生了不同程度的風(fēng)化（圖6-a），母質(zhì)層、土壤層平均厚度分別為300 cm、34 cm。陸源碎屑巖建造主要巖性為砂巖，抗風(fēng)化能力中等，能夠見到較為清晰的母質(zhì)層及土壤層（圖6-b），母質(zhì)層、土壤層平均厚度分別為98 cm、56 cm。中性噴出巖建造主要分布安山巖（圖6-c），母質(zhì)層、土壤層平均厚度分別為51 cm、26 cm?；試姵鰩r建造巖性為有氣孔杏仁狀玄武巖和蝕變玄武巖，其中氣孔杏仁狀玄武巖分布區(qū)多見薄層土壤與巖石直接接觸（圖6-d），土壤層平均厚度為10～20 cm；而蝕變玄武巖則易形成一定厚度的母質(zhì)層及土壤層（圖6-e），平均厚度分別為63 cm、28 cm。碳酸鹽巖建造主要巖性為灰?guī)r，風(fēng)化形成的土壤層較薄，平均厚度為32 cm，基本不可見母質(zhì)層（圖6-f）。

巖石在原生環(huán)境中物理、化學(xué)成分相對穩(wěn)定，當(dāng)進(jìn)入表生環(huán)境后，氧氣、水分、溫度等條件完全不同于原生環(huán)境，即會發(fā)生風(fēng)化作用（Wang et al.，2008；李歡等，2021）。從巖石形成環(huán)境分析，侵入巖形成初期埋藏于地表以下，而噴出巖和陸源碎屑巖形成初期便暴露于地表。由此可見，在地質(zhì)作用影響下侵入巖暴露于地表后，發(fā)生的風(fēng)化作用要強于噴出巖和陸源碎屑巖，從而導(dǎo)致侵入巖建造風(fēng)化層厚度明顯大于噴出巖建造和陸源碎屑巖建造（圖7）。

3.1.2 ?負(fù)面案例分析

筆者于2022年8月進(jìn)行野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)某地山坡上槐樹出現(xiàn)了壞死、枯死現(xiàn)象（圖8左）；2023年6月再訪該區(qū)域時發(fā)現(xiàn)，死亡槐樹已全部被砍伐（圖8右）。該區(qū)域主要巖性為奧陶系馬家溝組粉晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，根據(jù)生態(tài)支撐力評估結(jié)果，碳酸鹽巖地層分布區(qū)土壤層平均厚度為32 cm，地表基質(zhì)層對生態(tài)層的支撐力較差?；睒渥鳛楸狈降貐^(qū)的鄉(xiāng)土樹種，雖耐寒、喜光，不耐陰濕而抗旱，且在堿性、酸性及輕鹽堿的土壤上均可正常生長，但其根系發(fā)達(dá)，喜土層深厚、排水良好的沙壤土，具有深根性。由此可見，碳酸鹽巖分布區(qū)不適宜種植類似槐樹的高大喬木，適宜種植灌木。

3.2 ?生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價

生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價是在得到各評價單元綜合分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上，以自然斷點法將評價單元劃分為較差區(qū)、一般區(qū)、良好區(qū)3個等級。

京西“一線四礦”地區(qū)處于門頭溝水土保持與森林修復(fù)區(qū)的重要地帶。生態(tài)地質(zhì)條件良好的區(qū)域面積105.9 km2，占研究區(qū)總面積的36.9%（圖9）；生態(tài)地質(zhì)條件一般的區(qū)域面積78.7 km2，占比27.4%；生態(tài)地質(zhì)條件較差的區(qū)域面積102.4 km2，占比35.7%。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的統(tǒng)計結(jié)果顯示（圖10），門頭溝城區(qū)、龍泉鎮(zhèn)、軍莊鎮(zhèn)生態(tài)地質(zhì)條件整體較好。

3.3 ?植被恢復(fù)與保育的對策建議

系統(tǒng)揭示研究區(qū)（287 km2）巖石-母質(zhì)-土壤-植被之間耦合關(guān)系，準(zhǔn)確判斷地表基質(zhì)層（巖石層、母質(zhì)層、土壤層）對地表覆蓋層（植被層）的支撐能力，在生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合京西“一線四礦”及周邊區(qū)域協(xié)同發(fā)展概念規(guī)劃總體策劃范圍（99 km2），進(jìn)行科學(xué)合理的生態(tài)適宜性區(qū)劃，既對植物種植類型（喬、灌、草、花等）科學(xué)合理地選擇具有重要意義，也對服務(wù)京西“一線四礦”地區(qū)規(guī)劃建設(shè)具有重要支撐作用。生態(tài)地質(zhì)條件特征、生態(tài)支撐力、生態(tài)適宜性及生態(tài)管控措施的對應(yīng)關(guān)系如表2。

京西“一線四礦”規(guī)劃區(qū)域生態(tài)地質(zhì)本底良好區(qū)域（喬木生長適宜區(qū)）面積58.6 km2，占比59.2%；生態(tài)地質(zhì)本底較差區(qū)域（灌木生長適宜區(qū)）面積40.4 km2，占比40.8%。從空間分布情況來看（圖11），整個帶狀規(guī)劃區(qū)域的生態(tài)適宜性可分為3段：門頭溝站—野溪站為喬木生長適宜區(qū)；野溪站—落坡嶺站為灌木生長適宜區(qū)；落坡嶺站—千軍臺站主要為喬木生長適宜區(qū)，其中木城澗站—千軍臺站南側(cè)的局部區(qū)域為灌木生長適宜區(qū)。通過準(zhǔn)確劃分規(guī)劃建設(shè)區(qū)的生態(tài)適宜性，合理確定生態(tài)產(chǎn)品開發(fā)資金投入，既能夠節(jié)省規(guī)劃建設(shè)資金成本，也能夠起到精準(zhǔn)服務(wù)的效果。

4 ?結(jié)論

1）地表基質(zhì)層支撐力是影響生態(tài)層質(zhì)量狀況的關(guān)鍵因素，以地質(zhì)建造為分類單元，京西“一線四礦”地區(qū)地表基質(zhì)層支撐力由強到弱分別是中性侵入巖建造、陸源碎屑巖建造、中性噴出巖建造、基性噴出巖建造、碳酸鹽巖建造，文中列舉的負(fù)面案例也進(jìn)一步證實了該結(jié)果。

2）生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價可對生態(tài)地質(zhì)環(huán)境狀況進(jìn)行判定，是生態(tài)地質(zhì)條件優(yōu)劣的直接表現(xiàn)。京西“一線四礦”地區(qū)生態(tài)地質(zhì)條件良好、一般、較差的區(qū)域面積占比分別為36.9%、27.4%、35.7%。

3）結(jié)合生態(tài)支撐力評估、生態(tài)地質(zhì)分區(qū)評價、生態(tài)適宜性評價結(jié)果以及京西“一線四礦”及周邊區(qū)域協(xié)同發(fā)展概念規(guī)劃總體策劃范圍，圈定出喬木生長適宜區(qū)面積58.6 km2，灌木生長適宜區(qū)面積40.4 km2。未來在植被恢復(fù)與保育時，不能過度植樹造林，宜喬則喬，宜灌則灌。最大程度地發(fā)揮生態(tài)地質(zhì)本底潛力作用，避免地質(zhì)資源的浪費。

4）本文重點論述了地表基質(zhì)層與地表覆蓋層的支撐孕育特征和耦合關(guān)系，根據(jù)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查總體思路，尚缺乏土壤水和植物水的賦存、運移等方面的研究工作，有待后續(xù)開展研究。

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