基于地质建造探索承德市土地利用优化路径

卫晓锋,王京彬,孙厚云,殷志强，何泽新，贾凤超，李 霞,刘宏伟，张 竞

(1.北京矿产地质研究院有限责任公司,北京 100012；2.中国地质环境监测院,北京 100081；3.中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170)

土地利用空间格局的合理与否取决于土地利用方式与土地自然禀赋特征的和谐程度[1],科学评价土地潜力,对土地的可持续性利用和土地生态安全具有十分重要的意义[2]。然而土地是一个复杂系统,是在浅表地质、地貌、气候、水文、土壤、植被等多种自然要素的综合作用下形成的综合体。如何通过科学评价,揭示由气候、土壤等各自然因素的综合作用决定的土地潜力生产力的高低,是土地利用优化的前提。研究认为,土壤的形成过程包括了“地质大循环”和“生物小循环”两个阶段,地质大循环始于成土母质,发育初始土,决定了土壤的初始禀赋特征；经过漫长的生物小循环过程,才逐渐转变为可供生物生长的土壤[3]。相应的，在地壳发展的某一构造阶段中,在一定的大地构造条件下产生的具有成因联系的一套岩石的共生组合,称为地质建造[4]。地质建造决定了成土母岩的初始特性,直接影响土壤地质大循环过程各组成要素特点和成壤作用规律,对科学、精准、快速评价土地潜力和土地利用优化具有重要的指示意义。

本文从地质建造的角度,研究在相似或相近的气候条件下,在地质大循环中，地质建造与土壤保有量、质地结构、养分和水分供给等初始禀赋特征的关系,开展以土地(初始土)自然属性为核心的土地潜力评价实践,为不同流域尺度的土地利用优化和生态保护提供科学依据。

1 承德市地质环境特征

承德市大地构造位置位于华北陆块北缘，以围场—赤峰断裂为界,划分内蒙古隆起和兴蒙造山带;内蒙古隆起与燕山构造带分界线为古北口—平泉断裂[5]。承德市横跨3个次级构造单元，塑造了内蒙古高原与华北平原过渡的地貌景观[6]，孕育了多样的生态景观格局，提供了丰富的自然生态资源(图1)。承德市水资源丰富，潮河、滦河、辽河、大凌河四大水系水量充沛，年平均产水量达3.76×109m3。气候冷凉，年平均气温5.6 ℃，无霜期140～160 d，属于寒温带、半干旱向半湿润过度的大陆性季风型气候。四季分明、雨热同期、昼夜温差较大，随海拔与地形起伏，局部温度变化较大，局域小气候环境的独特性明显。

承德市主要土壤类型为棕壤、褐土、粗骨土，面积分别为17 063 km2、11 018 km2、4 645 km2，占全市总面积的43.96%、28.39%、11.97%。成土母岩包括残积母质(基性岩类、中性岩类、酸性岩类、碎屑岩类、碳酸盐岩类、硅质沉积岩类)，运积母质(黄土母质、冲洪积母质、河冲积母质、风积母质、湖积母质)。整体上土壤中养分元素K含量较高，N、P元素含量呈不均匀分布，土壤中Mn、Mo、Zn、Ge含量较高，局部富集B、Se，土壤环境地球化学等级整体属于清洁型，局部轻度污染[7]。

承德市土地总面积39 490 km2，土地利用方式以林地和草地为主，耕地和建设用地所占比例较少，其中林地22 070 km2，占55.9%；草地8 020 km2，占20.3%；耕地3 490 km2，占土地总面积的8.8%；园地1 360 km2，占3.4%；建设用地总面积 970 km2，占2.5%。

2 地质建造与土地自然属性的关系

2.1 地质建造分类

地质建造泛指在地壳发展的某一构造阶段，在一定的大地构造条件下所产生的具有成因联系的一套岩石共生组合[4]。不同的地质建造发育不同的成土母质，把不同时代具有相同成因、物质组成和结构构造相似的岩石(物质)，归并为同一类地质建造。本次以承德地区1∶20万和1∶5万区域地质调查为基础，采用“建造-亚建造-岩石类型”三级分类体系，归并相似的岩石(物质)类型，图面采用建造二级分类表达，共划分了堆积建造(砂-砾石、砂-亚黏土亚建造)、碳酸盐岩建造(灰岩、白云岩、铁锰白云岩亚建造)、碎屑岩建造(砂岩、粉砂岩、页岩亚建造)、花岗岩类建造(花岗岩、二长花岗岩亚建造)、火山岩建造(英安岩-流纹岩、安山岩、玄武岩亚建造)、片麻岩建造(片麻岩、角闪变粒岩亚建造)等六大类地质建造。基于岩层产状和地形地貌特征确定图面中表层的岩性岩相：水平(缓倾)产状选择顶部岩层，陡倾岩层选择厚度较大岩层，岩体选择近地表的岩性岩相，变质岩选择主要出露变质岩相，特殊岩层单独分列。

图1 承德市地形地势图(a)和地质图(b)Fig.1 Topography (a) and geological map of Chengde City

图2 承德地区地质建造图Fig2.Geological formation map in Chengde City

2.2 地质建造对土地资源禀赋的影响

不同地质建造的岩石风化成土过程不同，通过土壤的保持量、生物地球化学和水文循环过程等不同物质流和能量流交换方式，影响土地资源初始禀赋特性，主要体现在四个方面：

(1)地质建造影响地貌形态特征，对土壤保持量具有较强控制作用。研究区属于中低山区，土壤主要由下伏基岩风化物质堆积而成，稳定的地貌单元岩石风化速率应等于土壤生成速率，土壤生成速率影响土壤深度。但在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，土壤及其母质发生破坏、剥蚀、搬运和沉积，产生位移的物质量，发生土壤侵蚀，因此不同地质建造，土壤保持量与土壤生成率和土壤侵蚀度密切相关[8]，它们控制了土壤空间分布和结构特征。基于承德市地形统计分析发现不同建造区的地貌形态，尤其是坡度参数变化较大(图3)，如白云岩建造区以喀斯特地貌为主，坡度大于15°的面积占比超过70%，土壤层厚度多集中于10～50 cm；第四系冲积、风积坡度平缓，坡度多集中于0～6°，土壤层厚度多大于1 m。

(2)地质建造是决定土壤质地结构的重要影响因素之一。不同岩石风化后的相对稳定次生矿物和不易风化的原生矿物成分不同，组成土壤矿物颗粒，决定了土壤质地结构。承德地区基性火山岩建造土壤质地多为细黏质，中-酸性火山岩建造的土壤层较薄、质地细；酸性花岗侵入岩的土壤多为粗砂，具有质地疏松、透水性好，但黏性差的特点；碳酸盐岩建造成土能力较差，土层较薄，黏性较强；泥质沉积建造土壤质地结构较细；片麻岩建造的土壤层较厚，多呈细砂、砂质黏土。根据野外调查数据统计发现：河湖相水成沉积物，粒径0.020～0.002 mm的粉砂粒占12.67%～21.47%，粒径<0.002 mm 的黏粒占11.08%～12.40%，粒径0.02～2.00 mm砂粒占66.13%～76.24%，具有砂质壤土特点；风成相松散堆积物，粒径集中于0.02～2.00 mm，以砂粒为主，属于沙土类。风成相和水成相混合堆积物，黏粒占比为0.97%～1.78%，粉砂粒占比为6.24%～8.0%，沙粒占比为90.33%～92.80%，属于砂质壤土。

图3 不同地质建造区坡度分析直方图Fig.3 Histogram of slope analysis in different geological formation

图4 不同建造中基岩层-母质层-土壤层养分元素的分布特征Fig.4 Distribution patterns of nutrient elements in bedrock-weathered-r-soil layer in different geological formationsA—腐殖质层；B—淀积层；C—母质层；R—基岩层

(3)地质建造元素地球化学成分不同，影响了土壤养分元素特征。山地表生带土壤主要为基岩就近风化形成，地球化学元素继承性强，基岩建造决定土壤元素的原生背景特征[9-10]。基岩层(R)、母质层(C)、土壤层(A/B)，元素之间呈现明显继承性规律，如常量元素K、P等在花岗岩基岩层、风化层、母质层含量都高(图4)。地质建造组合不同，风化过程不同，如花岗岩和玄武岩等硅酸盐类岩石的化学风化作用分为早期原生矿物风化阶段，中期的蒙脱石等黏土矿物占支配地位阶段，晚期的高岭石等次生矿物风化阶段[11-12]。成土母质不同风化过程中，元素的交换和迁移以及土体结构的形成和破坏决定了释放的养分种类和数量也不同。根据承德市成土母岩地球化学数据统计[13]：如K在花岗岩类建造中含量较高，Mg、P、Fe、B元素在玄武岩类建造中含量较高，Ca元素在碳酸盐岩建造中含量较高，Mo在玄武岩和花岗岩建造中含量较高，Cu、Mn在玄武岩、片麻岩建造中含量较高。

(4)地质建造结构构造、地球化学组分特征影响土壤水文条件。不同地质建造的关键带结构影响着地下水-土壤水-植物-大气水分传输和转化过程，对流域产汇流过程、地表径流与地下水位动态变化，土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统水流运移过程(作物根区土壤水分动态、作物根系吸水、作物的蒸发蒸腾过程)具有重要影响。因此土地利用方式不合理会诱发生态水文响应和生态环境问题，如在承德北部坝上一带植树造林面积持续扩大、沙漠化面积持续缩减，但同时存在湖泊萎缩、湿地退化、草场退化生态环境恶化现象。已有研究表明沙区典型人工林植物的根系垂直分布与相对应的土壤水分变化一致，不同植物群落类型的土壤水分具有较明显的空间异质性，且在沼泽→盐沼→草甸→阔叶林→荒漠演变过程中，存在较强的空间自相关性[14]；土壤含水量呈现荒草地>沙棘林地>农用地>草地>油松林地的先后变化顺序[15-16]，不同建造单元生态水文循环过程关系，影响了地下水位变化，控制草场退化和沙漠化发展趋势[17-18]。同时，生物地球化学循环过程与降水入渗、地表径流、土壤水运动、植物水利用、地下水溶质运移等水文过程密切相关， 水文过程驱动物质的迁移，在不同要素界面之间进行物质交换和分配，对水资源质量造成影响。

3 土地利用优化探索实践

3.1 以地质建造为基础的全域利用优化实践

图5 承德市生态保护和农业发展土地利用方式优化分区图Fig.5 Land use zoning map for ecological conservation and agricultural development in Chengde City

地质建造会影响土地资源的禀赋特征，最终制约浅表自然资源的空间分布格局。本次以地质建造图为基础，通过土壤类型、养分元素、有益特殊微量元素(硒、锗等)、重金属元素等自然要素套合分析(图5)，结合承德市生态保护功能区划、农林产业发展规划等成果[19]。根据承德市农业发展、水源涵养、生态修复三方面需求，提出基于地质建造的承德市潜力和土地利用分区建议：共计分为北部土地沙漠化草地保护修复区、中部水源涵养(中草药)发展区、南部特色林果产业发展和生态林保护区、河谷耕地农业用地发展区等七个重点保护和利用建议区(图5、表1)，为承德市国土空间规划提供科学支撑。

3.2 保持植物群落稳定性的土地利用优化探索

3.2.1柴白河小流域土地资源禀赋与植物群落关系

承德柴白河小流域位于承德盆地南部，出露花岗岩类侵入岩、流纹岩类火山岩、白云岩类碳酸盐岩和砂砾岩类陆源碎屑岩等六种建造类型(图6)，土壤初始禀赋特征明显不同，影响植物群落组成。

(1)不同建造区土壤层厚度不同，影响根系形态和根系构型发育。花岗岩类建造区的风化程度较高，具有疏松深厚的半风化母质层，可为油松、马尾松常绿针叶林和蒙古砾阔叶落叶深根性植被等的生长提供物理空间[20](图7a)。流纹岩类建造区的风化程度较低，风化层较薄，多适宜具有辐射状根系的乔木、灌丛生长，植被群落多样性低于花岗岩区(7b)。白云岩中碳酸盐矿物易溶解，是其岩石中的酸不溶物含量较低，成壤物质比例较低造成的，土体浅薄，一般小于20 cm，以辐射状、扁平状、串联状根系为主的灌丛植物群落为主(图7c)。砂砾岩类碎屑岩建造区，岩性较疏松，易风化也易被侵蚀，土壤层较薄(图7d)，适宜以荆条等根茎萌发力强辐射状、须状根系为主的灌丛群落生长。这种现象与前人研究成果具有一致性：深根型的植物一般生长在土层较厚或者岩石裂隙发育的区域，土壤较薄或者岩石裂隙不发育的区域一般适宜浅根型植物生长[21-22]。

表1 承德市土地利用优化分区表

(2)不同成土母岩区的土壤对植物养分供给能力不同。植物生长必需的N、P、K、Ca、Mg、S、Si等元素均主要来自土壤供给[23]，其中土壤中的P、K、Ca、Mg主要来自岩石矿物风化分解。四类建造区的土壤主要养分元素统计(表2)显示：不同建造的土壤元素全量和有效态含量明显不同，例如中全磷元素花岗岩类侵入岩建造区土壤含量为155.0～6 008.0 mg/kg，平均为706.7 mg/kg；速效磷含量为0.4～352.9 mg/kg，平均为22.8 mg/kg。流纹岩类火山岩建造区土壤中全磷含量为84.3～4478.0 mg/kg，平均为539.4 mg/kg；速效磷含量为0.5～635.4 mg/kg，平均为27.1 mg/kg。白云岩类碳酸盐建造区土壤中全磷含量为121.5～2 142.0 mg/kg，平均为608.7 mg/kg，速效磷含量为0.3～328.0 mg/kg，平均为12.5 mg/kg。砂砾岩类碎屑岩建造区土壤含量为118.0～2 051.0 mg/kg，平均为642.9 mg/kg；速效磷含量为0.3～317.9 mg/kg，平均为16.65 mg/kg。全磷含量顺序为花岗岩类>砂岩类>白云岩类>流纹岩类，速效磷含量顺序为流纹岩类>花岗岩类>砂岩类>白云岩类。

图6 柴白河小流域地质建造图Fig.6 Geological formation in Chaibai River basin

图7 柴白河小流域四类建造区植被分布情况Fig.7 Vegetation distribution in four types of formation in Chaibai River basin

表2 不同建造区土壤养分元素统计表

(3)不同建造区的土壤及风化层对于雨水的拦蓄、保持能力，植被对土壤水分的利用程度不同。在北方干旱以及半干旱地区，植被生长所需要的水分主要来自大气降水，而天然降水的利用效率取决于风化层和土壤层的性质。花岗岩建造区风化壳厚度较大，包括石英等不易风化的粗颗粒级矿物成分和长石、云母等风化形成的各类细粒级的次生黏土矿物。降雨后，地表径流量少，水分保持能力较强[24]。白云岩建造区风化层较薄，发育大量的贯通式密闭型和开张型节理裂隙，大气降水会快速下渗，水分保蓄能力一般。砂砾岩类碎屑建造区风化程度较高，以不易风化的石英粗粒级矿物成分为主，同时也易被侵蚀，岩层产状水平，保蓄水能力较好，如呈倾斜或者竖立，则保蓄水能力较差。

3.2.2保持植物群落稳定性的土地利用优化建议

以不同地质建造区的关键带空间结构特征、土壤养分和水文条件、植物生长习性为基础，基于保持植物群落稳定性原则，对柴白河小流域人工造林用地优化提出优化建议：花岗岩建造适宜造林区(适宜乔木林生长，可大规模化人工造林)，面积为80.15 km2；流纹岩建造较适宜造林区(适宜小乔木+灌丛生长，局部规模化人工造林)，面积为187.89 km2；砂砾岩建造一般适宜造林区(仅在土壤层厚大的小规模人工造林)，面积为116.35 km2；白云岩建造不适宜造林区(自然灌丛为主，不宜规模化人工造林)，面积为97.59 km2(图8)。

图8 柴白河小流域土地利用建议图Fig.8 Proposed land use map in Chaibai River Basin

3.3 基于生态保护修复的土地利用优化探索

3.3.1小滦河小流域土地禀赋对生态格局的影响

小滦河小流域位于我国北方农牧交错带，典型的生态脆弱区和生态过渡带，面临土地沙漠化、草场退化等生态地质问题。不同的第四纪地质单元，决定了土壤类型、质地、厚度、水分和养分在空间分布上的差异性，进而影响地表生态格局。基于不同地质建造(第四纪地质单元)与生态格局的控制关系，把小滦河小流域划分为玄武岩低丘陵林草单元、冲洪砂砾阶地(河漫滩)草湿单元、风积沙裸露沙地单元和湖风残积平原草地单元等四个生态地质单元，每个生态地质单元生态-地质作用过程不同：

风积沙裸露沙地单元：风成作用形成北西西向的沙垄和厚大的砂层，分布裸露的沙地。土壤养分含量较低，土壤水主要来自大气降水，入渗快，渗透性强，地下水位较深，潜水面大于10 m，土壤水以悬着水为主(图9a)。

玄武岩低丘陵林草单元：裂隙式喷发的火山作用形成席状产出的汉诺坝玄武岩，呈现4～5个喷发-间断旋回，风蚀形成低丘陵地貌，蜂窝状、气孔状玄武岩风化作用较强，形成0.5～1.0 m的风化壳，发育砾质土壤。土壤养分N、P元素含量较高，土壤的入渗性较强，渗透性中等，发育粉砂、黏土-砾石的二元结构，地下水位较深，潜水面多在10 m以上，土壤中以悬着水为主，连续性差(图9b)。

冲洪砂砾阶地(河漫滩)草湿单元：河流沉积作用形成河道相砂砾石和河漫滩细砂二层结构，主要分布河漫滩和一级阶地，发育沙质土壤。土壤中有机质含量较高，地下水位较浅，地下水潜水面多小于1 m，土壤水主要来自大气降水和地下水，土壤水和毛管水发育(图9c)。

湖风残积平原草地单元：湖相沉积形成的厚大粉砂、黏土沉积层，顶部分布厚度不一风积沙层，发育粉砂质土壤。土壤养分含量不均匀，土壤入渗率较强，渗透性中等，地下水位较浅，潜水面2～5 m，土壤中悬着水和毛管水均有发育(图9d)。

3.3.2服务生态保护和修复的土地利用建议

综合生态地质条件的差异和生物生长习性不同，提出基于地质建造的生态保护和修复的差异化土地利用建议。玄武岩低丘陵林草单元，土壤层较薄，保水能力强，适宜浅根性的落叶松等树木生长，建议以种植乔木+灌木为主。冲洪砂砾阶地草湿单元，土壤有机质含量较高，可以适当发展马铃薯农业和中药材等生产性耕作。风积沙裸露沙地单元，水分涵养和供给能力较弱，土壤养分含量较低，属于生态极端脆弱区，需要采用灌、草为主的生态修复和封育的管控政策。湖风残积平原草地单元，是风沙的重要物源，也是重要草场分布区，需要采取合理的放牧政策，防治沙漠化和草场的退化(图10)。针对小滦河小流域的土地沙化和草地退化区的生态环境问题，根据地质建造特点，在御道口牧场提出耕地适宜区、湿地保护区、造林适宜区、优质牧草区、草场退化区、生态保护区等六类不同土地利用优化建议。

图9 承德小滦河小流域地质建造结构特征Fig.9 Structural characteristics of geological formation in Xiaoluanhe River Basin， Chengde

图10 承德小滦河小流域土地用地建议图Fig.10 Proposed land use map in Xiaoluanhe River Basin， Chengde

4 结论

(1)土壤形成始于成土母岩，不同的地质建造决定成土母岩的类型。在土壤“地质大循环”过程中，地质建造决定了土壤保持量、质地结构、养分含量和水文条件等特性，形成了土地资源的初始禀赋特征，最终影响土地潜力生产力高低。

(2)承德地区地质建造可划分为堆积建造(第四系沉积物)、碳酸盐岩类建造、碎屑岩类建造、花岗岩类建造、火山岩类建造、片麻岩建造等六个建造类型。

(3)提出了不同流域尺度的土地利用优化路径实践：①全流域，承德市滦河流域划分为北部土地沙漠化草地保护修复区、中部水源涵养(中草药)发展区、南部特色林果产业发展和生态林保护区、河谷耕地农业用地发展区等七个重点保护和利用建议区。②小流域，对柴白河小流域人工造林用地优化提出花岗岩、流纹岩建造适宜造林区，砂砾岩建造一般适宜造林区、白云岩建造不适宜造林区。③小流域，对小滦河小流域的土地沙化和草地退化保护修复用地，划分出耕地适宜区、湿地保护区、造林适宜区、优质牧草区、草场退化区、生态保护区等六类不同土地利用优化建议。