0 引言

地表基质是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^[1-3]。地表基质在相关研究领域如基础地质、水文地质、工程地质和林草学中均有体现^[4-11]，它是地球表层系统^[4]和地球关键带^[5-8]的重要组成部分，也是物质循环和能量流动最为活跃的区域。

《自然资源调查监测体系构建总体方案》^[1]从自然资源管理和利用的角度提出自然资源的概念，并建立了自然资源立体时空模型。而地表基质层成为整个时空模型中的枢纽，是联通上下空间的基础介质，也是地球关键带的主要承载体。地球关键带边界是从地表植被冠顶至含水层底界^[8]，从上至下呈现出明显的垂向分层性^[12]。地表基质层垂向空间范围顶界为陆域地球表面或水体底部，底界为植物根系所能够达到的最深区域^[13]，或城市地下空间开发深度^[14]，地表植被均为地表覆盖层范畴。《地表基质分类方案(试行)》中并未明确地表基质的垂向调查深度范围，前人对其调查深度结论不一^{[2-3, 8]}。结合以往经验和对概念的理解，深度范围应以自然边界为限^[12]，地表基质的空间范围在基岩区应是从表层薄层土壤层，穿过残坡积层到半风化岩底层，覆盖区为地表土壤层到下部基岩层顶界，水体为水体的底界至基岩的顶界，该范围正是在功能上具有孕育和支撑自然资源的物质交换区和能量转换区。

在对《自然资源调查监测体系构建总体方案》展开深度研究的基础上，总结发现地表基质调查的思路和方法主要以资料收集与研究、地面调查、剖面绘制和综合制图为主，但并未细化和明确调查要素和属性指标的具体调查内容，编图方法也仅针对浅表有限深度范围剖面图编制。本研究参考各试点区域的实践经验，并以此为基础进行了系统的研究，如保定地区^[15]、东北黑土地地区^{[13, 16]}、海南岛地区^[11]、珠三角新会—台山地区^[17]的经验，并结合天津市北部蓟州区地表基质调查现状和特点，配合基础地质、生态地质和灾害地质等基础资料，探索适合天津市北部蓟州区地表基质调查的方法，为全面开展天津市地表基质调查提供借鉴。

1 研究区地表基质特征

1.1   研究区概况

研究区位于燕山山脉与华北平原交接地带，地貌景观复杂多样，同时具山地和平原地貌单元的特征。呈现北高南低的地势，北起长城，南至蓟运河，逐渐下降，为阶梯状分布。研究区分属构造侵蚀中低山、构造剥蚀低山丘陵区、山间盆地及山前冲积平原等地貌分区，且地形坡度和坡向多样。区内河道纵横，属蓟运河上游水系。较大的有洵河、州河、蓟运河(图 1)，其余如漳河、兰泉河、黑豆河、淋河等为季节河，所有河流最终流向南西部汇入渤海。研究区土地利用类型丰富，土壤类型多样，属暖温带半潮湿大陆性季风型气候，多年平均降水量为678.6 mm，年内降水量分配极不均匀，6—9月降水量约占全年降水量的80%。

图  1  研究区地质简图(左)及样品采集位置(右)

1.第四系冲湖积砂质黏土; 2.第四系冲洪积黏土质砂; 3.第四系坡积含砾砂质黏土; 4.第四系冲积黏土质砂; 5.第四系湖沼积砂质黏土; 6.第四系洪积砂质黏土; 7.第四系坡洪积黏土质砂; 8.寒武系灰岩、白云岩、砾岩; 9.青白口系砾岩砂岩、灰岩; 10.蓟县系灰岩、页岩、白云岩; 11.长城系砂岩、白云岩; 12.太古宇角闪片麻岩; 13.正长岩; 14.花岗岩; 15.二长花岗岩; 16.石英花岗岩; 17.构造单元分区界线; 18.剖面位置及编号; 19.调查点位置及编号; 20.专项调查点位置及编号; 21.粒度分析样品采集位置; 22.物理性质分析样品采集位置; 23.乡镇界线; 24.河流; 25.地名; 26.成因类型界线

Fig. 1  Geological sketch (left) and sample collection location (right) of the study area

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研究区地处华北陆块，燕辽裂陷带的蓟唐裂谷上，涉及蓟州断凸、邦均断槽和蓟宝凸起3个次一级构造单元。出露的地层主要有太古宇石榴石角闪片麻岩及浅色变粒岩、长城系石英砂岩和砂质白云岩及页岩、蓟县系白云岩和白云质灰岩及砂岩、青白口系砂岩和泥岩及页岩、寒武系灰岩和角砾岩; 出露的岩浆岩有晚三叠世正长岩、花岗岩、二长花岗岩和石英花岗岩。第四系成因类型主要为冲洪积、坡洪积和冲积等，岩性以黏土质砂和砂质黏土为主(图 1)。本研究共采集样品672件(图 1)，主要测试包括粒度分析、容重、密度、孔隙率、含水率和渗透率等物性指标，化学指标以收集资料为主。

1.2   研究区地表基质类型及属性指标

通过综合分析研究区区域地质、第四纪地质、生态地质和水工环地质特征^[18-21]，结合遥感解译及野外实地踏勘、调查和验证，将研究区地表基质划分为4个一级类(岩石、砾质、土质、泥质)、11个二级类(岩浆岩、沉积岩、变质岩、粗砾、中砾、细砾、粗骨土、砂土、壤土、黏土、淤泥)、20个三级类(碳酸盐岩类岩石、砂岩类岩石、泥质岩类岩石、花岗岩类岩石、二长岩类岩石、片麻岩类岩石、冲洪积粗砾、冲洪积中砾、冲洪积细砾、冲积细砾、碳酸盐岩类粗骨土、砂岩类粗骨土、泥质岩类粗骨土、酸性岩类粗骨土、砂土、粉壤土、壤土、黏壤土、黏土、淤泥)，并提出研究区的属性指标(图 2)。研究区地表基质类型多样，其中岩石基质主要分布在北部中低山和低山丘陵区，砾质基质呈条带状分布在山谷及坡脚处，土质基质分布在山前冲积平原和山间盆地，泥质基质主要分布在湖泊中。本研究主要依据地表基质的岩性岩相、成因类型、粒度质地和理化性质等特征划分了研究区分类体系，该分类体系框架囊括了天津市北部蓟州区所有的地表基质类型。

图  2  研究区地表基质分类及属性指标建设

Fig. 2  Classification of surface substrate and construction of attribute indicators in the study area

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1.2.1   岩石基质特征(以碳酸盐岩类岩石为例)

基质类型。碳酸盐岩岩石为岩石基质的三级分类，一级分类属于岩石，二级分类属于沉积岩。

平面分布。碳酸盐岩类岩石是蓟州区分布最广的岩石基质。分布于蓟州区白涧镇北部、许家台镇西北部、官庄镇东北部、下营镇南部及西部、罗庄子镇、穿芳峪镇、别山镇北部、洲河湾镇南部、西龙虎峪镇南部等大面积地区。大部分呈NW—SE向条带状展布，于桥水库南部呈近WE向展布。碳酸盐岩类岩石基质主要包括高于庄组、杨庄组和雾迷山组。

垂向分布。碳酸盐岩类岩石地区自上而下依次是覆盖层、土壤层、残坡积层或坡积层、半风化岩层、基岩层。顶部土壤层厚度大部分为0.15~0.30 m，上部残坡积物、残积物厚度0.25~0.70 m，厚度整体较薄，底部起伏不平，半风化岩石厚度为0.20~0.70 m，下部为基岩。

物理特征。基岩出露情况一般，风化壳类型为碳酸盐型，厚度0.20~2.50 m，与地形地貌密切相关，山麓及沟谷等地带厚度明显较大，岩性以白云岩、灰岩和白云质灰岩为主，薄-厚层状，泥晶-细晶结构，含少量藻团粒及内碎屑，局部岩性具叠层石构造和似层纹状构造。风化壳颜色主要有灰黄色、棕黄色和棕红色，表面风化程度为中等-强风化，节理和裂隙为中等-强发育。

化学特征。白云质灰岩、含白云质灰岩、灰岩整体特点表现为下部含丰富的叠层石，中部富含锰，上部含各种形态结核，顶部灰质成分增高。富集元素为Mn、B、Co、Ca、Mg，稳定元素有B、Mn、Co、Ca、Mg、Be、Li、Na、K、Ti、Cu。风化壳土壤层富集MgO、CaO、F等土壤易溶盐组合和As、Hg、Mn等元素。

地质景观。碳酸盐岩类形成时代为中元古代，沉积环境以深水盆地相和潮坪相为主，区域上构造以褶皱和断裂为主，岩石风化、剥蚀程度中等-强烈。

地理景观。碳酸盐岩分布于中低山-低山丘陵地貌区，高程100~600 m，坡度变化大，约8°~35°; 土地利用类型以林地为主，主要为针叶阔叶混交林，沟谷及山麓地带分布园地，植被覆盖率较高，区内河流主要为泃河。

1.2.2   土质基质特征(以粉壤土为例)

基质类型。粉壤土为土质基质的三级分类，一级分类属于土质，二级分类属于壤土。

平面分布。分布较广，包括白涧镇东南—邦均镇—洇溜镇北和于桥水库北、别山镇北部山前冲洪积扇发育部位，以及州河、蓟运河、果河等河流沿岸，呈扇状、条带状展布。

垂向分布。表层土壤类型为洪积冲积物潮褐土、褐潮土、壤质潮土等，厚约20 cm。下部为粉壤土，团粒结构，较疏松，干润，有效土层厚度0.30~0.80 m，含较粗的植物根系。主要为含细砂、粉砂和粉土，颗粒粒径小于0.25 mm。土体构型多样，以粉壤土为主。第四系沉积物属冲洪积、冲积成因。

物理特征。粗粒颗粒占优，主要由粉砂组成，细粒颗粒由粉粒组成，粉粒质量含量约60%以上，杂乱分布。含水率变化范围为(94~275)×10^-3，平均158×10^-3。孔隙度变化范围为30%~46%，平均40%。容重范围为1.44~1.84 g/cm³，平均1.60 g/cm³，较紧实。表层土壤渗透性较差，渗透系数多在(1.0~6.0)×10^-5 cm/s，整体较大。

化学特征。土质基质呈弱酸性-中性，pH值为6.0~7.5，中东部马伸桥一带粉壤土呈弱酸性，pH值为6.0~6.5，州河一带呈弱酸性-中性，pH值为6.3~7.3。有机质较少，有机碳含量为0.6%~1.0%，沿州河由北向南逐渐增多。CaO含量为1.2%~1.9%，西部山前冲洪积扇扇缘含量相对低，东部山间盆地及州河沿岸CaO含量相对高。Fe₂O₃含量为3.4%~6.8%，盘山南部冲洪积扇粉壤土Fe₂O₃含量相对低，含量为3.4%~4.5%，州河、淋河等曲流河沿岸粉壤土Fe₂O₃含量相对高，含量为4.9%~6.8%。

地质景观。粉壤土形成时代为全新世，沉积环境以冲洪积扇扇缘和冲积扇扇缘为主，成因类型以冲积和冲洪积为主。

地理景观。粉壤土主要分布在山前冲洪积扇和山谷冲积扇缘上，土地利用类型以耕地为主，少量林地，耕地以玉米、小麦为主，植被覆盖率较一般，区内河流主要为州河、蓟运河和果河。

研究表明，土质基质由北至南整体以弱酸性-中性为主，仅局部洼地呈现碱性，风化壳土壤层富集MgO、CaO、F等元素，山前冲积扇至扇缘洼地Fe₂O₃、CaO含量呈现由少变多的趋势，地表基质粒度呈现由粗到细的分布规律。

2 材料与方法

研究区为山区和平原区的接触转换带，地表基质包括岩石、砾质、土质、泥质，本研究通过开展遥感解译、地面调查、样品采集和已有资料的分析加工等工作，根据地区特征因地制宜的细化了研究区地表基质三级分类体系，并明确了其地理位置、地形地貌特征、岩性、物质成分、结构特征、形成时代、物理化学性状、生态环境效应、孕育植被类型及基质利用情况等研究内容^[11]，同时提出该研究区的图件表达模式。

样品测试主要在天津市地质矿产测试中心完成。其中: 粒度分析主要为筛分法，采用不同尺寸的筛孔来测量粒度; 容重测定采用环刀法，测定仪器为土壤容重仪; 密度测定采用环刀法，试验仪器为环刀和天平; 孔隙率采用质量法，通过测量土壤样品的质量以及其饱和前后的质量差异，计算出孔隙率，采用仪器主要为干燥箱; 室内试验采用烘干法测定天然含水率，主要仪器设备为烘箱与天平; 渗透率采用变水头渗透试验，渗透容器主要有环刀、透水石、套环、上盖和下盖等组成，变水头装置主要由渗透容器、变水头管、供水瓶、进水管等组成。

3 讨论

地表基质系列图件能详细的反映地表基质调查和研究重点，研究区地表基质剖面图不仅反映了地表基质层与地表覆盖层的耦合关系，也能对地表基质层的结构特征、孕育特征、理化性质等进行说明，综合地表基质图能直观反映研究区地表基质层和上覆自然资源层的类型、分布及相互耦合关系等。

3.1   地表基质剖面图

地表基质剖面图能直观呈现典型剖面的地表基质结构、岩土及土壤等性质与分布、植被及作物立地与展布信息^[22]，利于总结其对地表覆盖层生态约束，分析地球关键带多圈层交互作用^[23]。

地表基质剖面图的编制以实地形成的地表基质图作底图，同时参考土地利用现状图、区域地质图、土壤图等资料。在布设剖面位置时，优先选择地质单元完整、地貌多样、覆盖层要素完备、土地利用及土壤类型完整且资料丰富的区域，以此更好地呈现地表基质的耦合关系。基于植被层-土壤层-岩石层是地质过程相互作用的统一体^[24]，考虑耦合成土母质、土壤类型和地表覆盖植被类型等，提出地表基质剖面“地质剖面图+浅表结构特征解析柱状图+土壤类型+覆盖植被类型+典型景观”的模式(图 3(a))，通过相关要素结合的联合剖面来表达空间结构，这样构成的剖面更能突出地表基质的空间展布情况。主剖面图的浅表部分根据调查形成的地表基质图采用图切剖面方式编制，地下部分参考1∶ 5万区域地质图编制。选取样品点实测垂向剖面图作为典型柱状图，包括自然露头、采样坑、浅钻剖面等，每个地表基质单元尽量有典型柱状图控制。土壤层分布剖面根据土壤图和研究结果编制。覆盖层根据自然资源要素分布图和研究结果编制，并镶嵌典型景观照片。

图  3  天津市北部蓟州区综合地表基质图图面结构

Fig. 3  Schematic diagram of comprehensive surface substrate map graphic structure in Jizhou district of the northern Tianjin City

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3.2   地表基质镶图

为了更系统反映研究区地表基质模型中地质属性和要素的现状特征、展布情况及交互关系，需辅助以测试数据形成的镶图进行说明和描述。

地表基质镶图在地质研究以及生态环境保护等众多领域发挥着关键作用。它通过对地球陆地表面基础物质的综合分析和研究，为各领域探索和决策提供直观且重要的信息支持。镶图可采用研究区渗透系数图、含水率图、土壤质地图、土壤养分分布图、土壤pH值分布图、土壤侵蚀图、植被覆盖图、盐渍化程度图、水质分布图等图件，针对不同地区和地表基质类型采用相应的测试手段及镶图表达模式，可以显著提高数据的精准性和实用性，为土壤调查、地下水调查、生态环境保护等提供科学支撑。

3.3   综合地表基质图

综合地表基质图是地表基质调查成果最直接的表达形式，通过近两年在研究区深入开展地表基质调查的探索和研究，初步形成“主图(类型图)+剖面图(耦合关系图)+镶图(测试数据图件)”的综合地表基质图的表达模式(图 3)。综合地表基质图首先要表达地表基质(岩石、砾质、土质、泥质)的划分类型、分布范围和分布规模; 其次要表达地表覆盖层的类型、现状和分布特征; 最后表达地表基质层和地表覆盖层的耦合关系及特征。因此，本研究选用地表基质类型图为主图，来表达基础物质的划分类型和分布特征，用土地利用现状图作为镶图来表达地表覆盖层的特征，采用联合剖面的形式来表征岩石圈-土壤圈-生物圈的耦合关系。

地表基质野外手图采用1∶ 5万数字化地形图进行地质观测内容标绘，按1∶ 10万表达地表基质图面。图面表达以本研究建立的地表基质分类体系为依据，每一类型地表基质均有剖面或典型柱状图控制。主图采用野外实测和收集资料完善而成，每一种类型均有相应的颜色、花纹和代码表示，反映其分布特征，颜色更为直观的反映地表基质分布特征，花纹反映地表基质粒度和岩性，代码用以表达地表基质类型和岩性，三级分类代码采用二级分类名称汉语拼音首字母(大写)+岩石/沉积物名称代号(小写)组合而成。剖面图中通过典型柱状图表达不同类型地表基质层的垂向剖面结构特征，且每种地表基质类型均有垂向剖面控制，剖面上层为土壤层、覆盖层和典型景观，反映了地球表层系统中各要素的现状、垂向特征及交互关系。

在蓟州区综合地表基质图中，以镶图的形式对地表基质属性特征进行说明。本研究根据资料完整程度和应用需求选取了自然资源要素分布图、地貌图、坡度坡向图、含水率分布图、渗透率分布图等作为镶图。自然资源要素分布镶图反映土地利用状况、程度与分布情况; 地貌镶图反映地貌类型及分布特征; 坡度和坡向镶图反映山区地形起伏程度和切割特征; 含水率分布镶图反映各类地表基质含水率平面变化特征; 渗透率分布镶图反映各类地表基质渗透性变化规律特征，研究区由南至北呈现渗透系数由大变小，含水率由小变大的分布特征。

4 结论

在对天津市北部蓟州区开展地表基质调查工作的基础上，综合基础地质、工环地质等多个学科的调查方法，提出蓟州区地表基质的分类框架，并得出以下结论。

(1) 蓟州区地表基质类型较为丰富，包括岩石、砾质、土质、泥质4种基质。岩质基质分布在北部中低山及丘陵区，砾质基质呈条带状分布在山谷及坡脚处，土质基质分布在山前冲积平原和山间盆地，泥质基质主要分布在湖泊中。研究区地表基质横向层次上划分了20个三级类，纵向层次上划分了类型划分、平面分布、垂向分布、物理特征、化学特征、地质景观、地理景观、其他特征8个指标属性。

(2) 提出地表基质剖面“地质剖面图+浅表结构特征解析柱状图+土壤类型+覆盖植被类型+典型景观”的表达模式，以及综合地表基质图的“主图(类型图)+剖面图(耦合关系图)+镶图(测试数据图件)”的表达模式，反映地表基质层和地表覆盖层的结构特征、分布类型及其耦合关系。

(3) 研究区内由南至北地表基质粒度呈现由粗到细的分布规律，渗透系数由大变小，含水率整体由小变大的分布特征。土质基质由北至南整体以弱酸性-中性为主，仅局部洼地呈现碱性，风化壳土壤层富集MgO、CaO、F等元素，山前冲积扇至扇缘洼地Fe₂O₃、CaO含量呈现由少变多的趋势。