地表基質(zhì)調(diào)查分層及分層測試指標體系設(shè)計與構(gòu)建

劉玖芬，趙曉峰，侯紅星，秦天，陳占生，徐立明，楊柯，孔繁鵬，劉曉煌，盧兵，李子奇，劉佳，包茹意，郝愛兵

（1. 中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055；3. 自然資源要素耦合過程與效應(yīng)重點實驗室，北京 100055；4. 中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；5. 中國地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065004；6. 中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；7. 中國地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157000；8. 中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074）

2020年1月，自然資源部發(fā)布《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構(gòu)建總體方案》，首次提出“地表基質(zhì)”概念，地表基質(zhì)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)”。2020年12月，自然資源部發(fā)布《地表基質(zhì)分類方案(試行)》，進一步明確了地表基質(zhì)為“當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)層自地面開始，穿過土壤，一直延伸至基巖頂部或包氣帶底部，是地球五大圈層相互作用的主要區(qū)域［1］。因此，地表基質(zhì)層與地表覆蓋層各要素間的生物地球化學及水文循環(huán)、能量交換決定了生態(tài)系統(tǒng)的本底特征［2］，不同的地表基質(zhì)孕育了不同的植被類型，制約著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的空間格局和演化趨勢［3］。地表基質(zhì)調(diào)查運用地球系統(tǒng)科學理論和現(xiàn)代技術(shù)方法手段，全面、系統(tǒng)、準確地查明工作區(qū)內(nèi)地表基質(zhì)類型、空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、理化性質(zhì)、地表景觀及生態(tài)屬性，描述其自然性質(zhì)，掌握地表基質(zhì)層的時空分布、數(shù)量質(zhì)量、利用狀況和動態(tài)變化；強調(diào)從地質(zhì)角度出發(fā)，研究地表基質(zhì)與地表覆蓋層相互關(guān)系和支撐孕育機理，評價地表基質(zhì)基本狀態(tài)、預測其變化發(fā)展趨勢、評估支撐孕育潛力和碳儲碳匯能力［4］。地表基質(zhì)與土地資源學中的土地、土壤學中的土壤、地質(zhì)學中的風化殼、林學中的森林立地等概念均存在聯(lián)系與差異［5-6］。因此，地表基質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)調(diào)查、多目標地球化學調(diào)查、全國土壤普查及土壤污染詳查等相關(guān)調(diào)查在目標定位、調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查深度及精度等方面有所不相同［3］。地質(zhì)圖反映了基巖類型，但不包含殘積物或沉積物的厚度信息［7］；土壤圖有土層厚度，但缺乏質(zhì)地信息，而且深度信息反映不夠，即使是地質(zhì)圖和土壤圖兩者配合起來使用，也沒有完全反映有殘積物或沉積物的地表基質(zhì)情況［8］；地表基質(zhì)類型影響著山區(qū)土地抗蝕性的強弱、生態(tài)修復和土地整治的難易，已有相關(guān)調(diào)查成果的調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查深度和精度難以滿足國土空間規(guī)劃、生態(tài)保護修復、土地整治等需求［5］。因此，開展地表基質(zhì)調(diào)查十分必要。

地表基質(zhì)調(diào)查是一項開創(chuàng)性、基礎(chǔ)性、公益性的國情國力調(diào)查，以中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心為主，帶動全國各省陸續(xù)展開。地表基質(zhì)調(diào)查將開展大量野外樣品采集與實驗測試工作，但目前調(diào)查深度與測試指標都還處于探討階段，為提高地表基質(zhì)調(diào)查結(jié)果的規(guī)范性、權(quán)威性，構(gòu)建地表基質(zhì)分層及分層測試指標體系十分迫切。本文基于地表基質(zhì)調(diào)查的內(nèi)涵和目標定位，深入分析了多目標區(qū)域地球化學調(diào)查、全國第三次土壤普查和全國農(nóng)用地土壤污染詳查等調(diào)查深度和測試指標，利用近三年自然資源綜合調(diào)查指揮中心在吉林省梨樹縣、遼寧省丹東市、黑龍江省哈爾濱市三個地表基質(zhì)調(diào)查試點項目實測數(shù)據(jù)，運用變動系數(shù)法研究了地球化學元素在不同地區(qū)地表基質(zhì)層垂向上的變化規(guī)律，結(jié)合表生地質(zhì)作用(風化為主)最大深度、地表植被根系最大深度、淺層地下水位波動下限、基巖頂面深度等因素，提出地表基質(zhì)垂向分層方案與分層測試指標體系，以期推動地表基質(zhì)調(diào)查標準化、規(guī)范化，為開展高質(zhì)量全國地表基質(zhì)調(diào)查提供參考。

1 地表基質(zhì)調(diào)查分層探討

1.1 已有相關(guān)調(diào)查深度

自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部等分別開展了多目標區(qū)域地球化學調(diào)查、全國第三次土壤普查和土壤污染詳查等基本國情調(diào)查，為摸清中國土地質(zhì)量、加強土壤環(huán)境風險管控、土地資源管理等提供了有力支撐。本文系統(tǒng)梳理了相關(guān)調(diào)查的目的、深度及測試指標(表1)，在充分借鑒已有相關(guān)調(diào)查經(jīng)驗基礎(chǔ)上，繼承與發(fā)展，研究構(gòu)建地表基質(zhì)調(diào)查分層及分層測試指標體系。

多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范(1∶250000)(DZ/T 0258—2014)中規(guī)定，多目標區(qū)域地球化學調(diào)查主要針對第四系發(fā)育區(qū)開展基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查工作，以土壤地球化學測量為主。多目標區(qū)域地球化學調(diào)查中，表層土壤采樣深度為0～20cm。在平原盆地、黃土高原及近海灘涂深層采樣深度達到150cm；東部與中部山地丘陵區(qū)深層采樣深度達到120cm；西部及邊遠的森林沼澤、高寒山區(qū)、干旱荒漠、巖溶景觀區(qū)等地區(qū)，深層采樣深度達到100cm。

全國第三次土壤普查主要是以完善與校核補充土壤類型為基礎(chǔ)，以土壤理化性狀普查為重點［9］。全國第三次土壤普查采樣分為表層、剖面兩類，耕地、林地、草地表層采樣深度為0～20cm，園地表層采樣深度為0～40cm；根據(jù)工作區(qū)土壤實際情況布設(shè)120cm少量剖面。開展全國土壤污染狀況詳查，摸清全國土壤環(huán)境狀況，掌握土壤污染情況，是制定土壤污染防治對策、做好土壤污染防治工作的基本前提。全國土壤污染狀況詳查為推進農(nóng)用地分類管理和建設(shè)用地準入管理，為管控土壤環(huán)境風險、保障群眾健康奠定基礎(chǔ)［10］。全國土壤污染狀況詳查表層土壤：0～20cm；在平原、盆地及黃土高原區(qū)采樣深度達到150cm；在山地丘陵區(qū)采樣深度達到120cm；在西部及高寒山區(qū)、干旱荒漠、巖溶景觀區(qū)等地區(qū)，采樣深度達到100cm。

已有的多目標區(qū)域地球化學調(diào)查、全國第三次土壤普查和全國土壤污染狀況詳查的調(diào)查/采樣深度均在地表2m以淺。根據(jù)地表基質(zhì)的涵義，地表基質(zhì)不僅包括2m以淺，還要穿過土壤—母質(zhì)，一直延伸至基巖頂部或包氣帶底部。地表基質(zhì)調(diào)查須全面、系統(tǒng)查明地表基質(zhì)類型、空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、理化性質(zhì)等特征，以全面掌握地表基質(zhì)層的時空分布、數(shù)量質(zhì)量，以研究地表基質(zhì)對地表覆蓋層的支撐孕育作用。

1.2 地表基質(zhì)調(diào)查分層

地表基質(zhì)不僅包含表層土壤，更側(cè)重從地質(zhì)角度研究巖石—母質(zhì)—土壤成土過程演化及對地表覆蓋層(植被)的約束［11-12］。前人根據(jù)表生地質(zhì)作用(風化為主)最大深度、地表植被根系最大深度、淺層地下水位波動下限、基巖頂面深度等因素將地表基質(zhì)分為0～2m表層、2～20m中層、20～50m深層［3，11，13］。本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合在吉林省梨樹縣、遼寧省丹東市、黑龍江哈爾濱市等開展的地表基質(zhì)調(diào)查試點項目成果，運用變動系數(shù)法將地表基質(zhì)在垂向上分為三層：表層(0～2m)、中層(2～10m)和深層(10～20m)，土層薄的地區(qū)以揭露到基巖為準。

1.2.1 地表基質(zhì)調(diào)查表層(0～2m)

地表基質(zhì)調(diào)查表層(0～2m)，命名為生產(chǎn)層［12］。一般農(nóng)作物根系到達深度1m以內(nèi)，少數(shù)作物最大根系深度可達2m(如玉米)。這一層包括耕作層，是土壤微生物的主要活動層位，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類健康最關(guān)鍵的一層，主要支撐國家糧食安全。這一層主要受氣候、地表覆蓋(植物根系)及人類活動(耕作)影響。

以近三年在遼河平原梨樹地區(qū)黑土地地表基質(zhì)調(diào)查項目實施的梨樹縣50m鉆孔SLZK04(以下稱梨樹地區(qū))、遼河平原東緣遼陽—丹東地區(qū)黑土地地表基質(zhì)調(diào)查項目實施的20m鉆孔KCZK04(以下稱丹東地區(qū))、松嫩平原哈爾濱地區(qū)黑土地地表基質(zhì)調(diào)查項目實施的50m鉆孔WCZK01(以下稱哈爾濱地區(qū))結(jié)果為例開展研究。梨樹地區(qū)處于低山丘陵區(qū)的黑土區(qū)，地勢略有起伏，屬半濕潤大陸季風性氣候，年均降水量587mm，年均氣溫6.1℃；丹東地區(qū)處于丘陵平原地帶的黑土區(qū)，地勢平坦，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量900mm，年均氣溫7.8℃；哈爾濱地區(qū)處于丘陵平原地帶的黑土區(qū)，地勢略有起伏，屬溫帶大陸性季風氣候，年均降水量423mm，年均氣溫5.6℃。在梨樹地區(qū)垂向等間距每0.5m取一個樣，共采集100件樣品；在丹東地區(qū)根據(jù)垂向上土層變化，分層非等間距取樣，共采集16件樣品；在哈爾濱地區(qū)根據(jù)垂向上土層變化，分層非等間距取樣，共采集30件樣品。

土壤總碳、有機碳和pH受氣候、地表覆蓋(植物根系)及人類活動(耕作)影響較為明顯，通過這三個指標在垂向變化規(guī)律反映地表基質(zhì)表層(0～2m)受外界的影響程度。通過分析發(fā)現(xiàn)：梨樹地區(qū)土壤總碳、有機碳、pH值三項指標在約2m處出現(xiàn)明顯拐點，而SiO2、Al2O3、CaO和MgO等礦質(zhì)元素在2m內(nèi)無明顯變化(圖1)；丹東地區(qū)(未測pH值)土壤總碳、有機碳約在0.5m處出現(xiàn)明顯拐點，而SiO2、Al2O3、CaO和MgO等礦質(zhì)元素在2m內(nèi)亦無明顯變化(圖2)；哈爾濱地區(qū)土壤總碳、有機碳、pH值三項指標在約0.42m處出現(xiàn)明顯拐點，而SiO2、Al2O3、CaO和MgO等礦質(zhì)元素在2m內(nèi)無明顯變化(圖3)。表明總碳、有機碳、pH值三項指標在表層2m內(nèi)的變化較為明顯，地表基質(zhì)超過2m后其物理化學性狀受地表自然環(huán)境、地表覆蓋(植物根系)和人類活動(耕作)等影響變?nèi)酢Ｏ嚓P(guān)學者在中國黃土高原的67個樣點挖取5m深的土壤剖面，對采集的1648個土壤樣本統(tǒng)計結(jié)果表明耕地、林地和草地土壤有機碳均在0～2m發(fā)生明顯變化，而在2～5m變化相對較?。?4］，與本文有機碳研究結(jié)論一致。綜上，地表基質(zhì)表層調(diào)查深度建議為0～2m。

圖1 梨樹縣50m鉆孔SLZK04總碳、有機碳、pH、SiO2、Al2O3、CaO和MgO含量與深度的關(guān)系Fig. 1 Total carbon, organic carbon, pH, SiO2, Al2O3, CaO and MgO contents in relation to depth in 50m borehole SLZK04, Lishu County area.

圖2 丹東地區(qū)20m鉆孔FCZK04總碳、有機碳、SiO2、Al2O3、CaO和MgO含量與深度的關(guān)系Fig. 2 Total carbon, organic carbon, SiO2, Al2O3, CaO and MgO contents in relation to depth in 20m borehole FCZK04, Dandong area.

圖3 哈爾濱地區(qū)50m鉆孔WCZK01總碳、有機碳、主量元素含量與深度的關(guān)系Fig. 3 Total carbon, organic carbon, and major elements contents in relation to depth in 50m borehole FCZK04, Harbin area.

1.2.2 地表基質(zhì)調(diào)查中層(2～10m)

已有相關(guān)土壤調(diào)查（如多目標區(qū)域地球化學調(diào)查）深度均在2m以淺，深度大于2m的調(diào)查相對較少，因此，地表基質(zhì)調(diào)查中層(2～10m)是地表基質(zhì)調(diào)查的重點，命名為生態(tài)層。因大多數(shù)植被的根系最大深度為10m［15］。該層是地下水與林草濕等植被群落的物質(zhì)和能量交換層位，主要支撐植被群落生長和演替，服務(wù)國土空間開發(fā)格局優(yōu)化、生態(tài)保護修復和國土整治等［16］。

本研究以遼寧丹東KCZK04地表基質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)為例，運用變異系數(shù)法分析元素隨深度變化規(guī)律，進一步探討地表基質(zhì)調(diào)查中層10m的依據(jù)。

變異系數(shù)反映的是一組數(shù)據(jù)的離散程度［16］。通過滑動窗口為3的變異系數(shù)，分析0～20m內(nèi)地表基質(zhì)的理化性質(zhì)、常量元素和微量元素隨深度增加的離散程度，滑動窗口為3的變異系數(shù)計算公式如下：

式中：cv3n為第n層的滑動窗口為3的變異系數(shù)；xn為第n層土土壤的指標；為xn、xn+1和xn+2的平均值；是該土壤所有層的平均數(shù)。

根據(jù)各項指標在10m深度時是否趨于穩(wěn)定，可將研究結(jié)果分為兩類：一類指標在達到某一深度后，其值基本趨于穩(wěn)定，滑動變異系數(shù)＜10%；另一類是土壤指標變化較大，滑動變異系數(shù)≥10%。對于趨于穩(wěn)定的指標，從深向淺，根據(jù)其滑動變異系數(shù)＜10%的層位，確定為其調(diào)查深度。對遼寧丹東KCZK04鉆孔中41種元素隨深度變化進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2、表3。

表3 遼寧丹東KCZK04鉆孔隨土壤深度增加而趨于穩(wěn)定的土壤指標及其取樣深度(取整)Table 3 Soil indicators established with depth in borehole KCZK04 in Dandong, Liaoning, and their sampling depths (rounded).

從表2可以看出，TC、Corg、Ba、Be、Bi、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O等10項指標，在深度達11.75m時，其滑動變異系數(shù)均小于10%，表明其在達到11.75m后基本趨于穩(wěn)定；表3表明，其他31項指標其滑動變異系數(shù)小于10%區(qū)間均落在10～16m之間，說明31項指標在10～16m后趨于穩(wěn)定。因此，綜合考慮前人研究結(jié)果大多數(shù)根據(jù)最多達10m及實際調(diào)查時的經(jīng)濟成本，將地表基質(zhì)調(diào)查中層建議確定為2～10m。

1.2.3 地表基質(zhì)調(diào)查深層(10～20m)

地表基質(zhì)調(diào)查深層(10～20m)，一般為基巖之上的第四系松散沉積物層，是地下水循環(huán)、物質(zhì)能量循環(huán)的通道［17-18］。主要進行巖石—風化殼—土壤成土演化過程研究。有學者將地表基質(zhì)調(diào)查0～50m命名為生活層，認為這一層主要是人類利用地下空間生產(chǎn)生活的層位，主要支撐城市規(guī)劃建設(shè)［3］，本文從地表基質(zhì)是孕育和支撐森林、草原、水等各類自然資源的基礎(chǔ)物質(zhì)的涵義出發(fā)，命名為沉積層。

丹東地區(qū)41種元素在10～20m（最大深度16m時）含量基本趨于穩(wěn)定（表3）；選擇梨樹地區(qū)對人體健康影響較大的有毒有害元素為例，Cu、Hg、Pb、Ni、As、Cd、F、Cl等在10～20m區(qū)間的變化情況基本能代表其在20～50m區(qū)間的變化規(guī)律(圖4)。結(jié)合深部調(diào)查施工困難和經(jīng)濟成本，深層調(diào)查部署少量工程控制，建議地表基質(zhì)深層調(diào)查深度為10～20m。

圖4 梨樹縣50m鉆孔各元素隨深度的變化關(guān)系Fig. 4 Relationships between elements with depth in 50m borehole in Lishu County.

不同區(qū)域、不同地表基質(zhì)類型的調(diào)查深度還應(yīng)因地制宜，綜合考慮研究區(qū)地下水深度、風化殼發(fā)育程度、凍土區(qū)凍土層厚度、巖溶區(qū)巖溶表層厚度、黃土區(qū)黃土垂直節(jié)理發(fā)育程度、黑土區(qū)黑土層厚度、鹽漬區(qū)荒漠化和鹽漬化程度、礦區(qū)采空區(qū)深度等個性化問題，視研究區(qū)特殊情況適當調(diào)整調(diào)查深度。

2 地表基質(zhì)調(diào)查測試指標體系設(shè)計

2.1 地表基質(zhì)調(diào)查測試指標體系設(shè)計原則

為準確反映地表基質(zhì)不同層類型、理化性質(zhì)及成土演化特征，揭示地表基質(zhì)對地表覆蓋層林草、作物等支撐孕育機理，地表基質(zhì)調(diào)查測試指標選取須遵循繼承性、科學性和經(jīng)濟性原則［19-21］。

(1)繼承性原則。指標的設(shè)計應(yīng)充分研究已有相關(guān)調(diào)查，參考對應(yīng)指標標準、規(guī)范與技術(shù)要求，借鑒其能夠有效地評價土地質(zhì)量、土壤質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量等指標，在此基礎(chǔ)上根據(jù)地表基質(zhì)調(diào)查目標定位適當增加相應(yīng)指標，實現(xiàn)與已有調(diào)查數(shù)據(jù)的銜接、共享，提高地表基質(zhì)調(diào)查效率，降低調(diào)查成本。

(2)科學性原則。聚焦地表基質(zhì)對林、灌、草、農(nóng)作物等不同地表覆蓋的支撐孕育作用，地表基質(zhì)在垂向上不同深度設(shè)計分層指標；針對地表基質(zhì)特性和成土過程研究，設(shè)計必測指標和針對調(diào)查區(qū)特殊背景的選測指標兩大類；根據(jù)不同分類指標的科學涵義，設(shè)計具體測試指標，保證指標體系系統(tǒng)、科學、合理。

(3)經(jīng)濟性原則。指標設(shè)計統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟成本和指標測試難易程度。大宗批量面積性調(diào)查常規(guī)性指標應(yīng)當是中國大多數(shù)取得省級以上資質(zhì)認定的實驗室有能力承擔的指標；同時考慮電感耦合等離子體質(zhì)譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜、X射線熒光光譜等儀器能多元素同時測試的因素，最大限度地節(jié)省成本。

2.2 地表基質(zhì)調(diào)查與已有相關(guān)調(diào)查測試指標的區(qū)別與聯(lián)系

已有相關(guān)土壤調(diào)查因目標任務(wù)不同，選擇的測試指標也有差異。其中，多目標地球化學測試指標側(cè)重反映土地質(zhì)量的元素及化合物54項［21］。全國第三次土壤普查的目標是為全面查清農(nóng)用地土壤質(zhì)量家底，對耕地：表層樣品測試33項，剖面樣品測試43項；對林地、草地：表層樣品僅測試11項，剖面樣品僅測試17項。全國土壤污染狀況詳查則側(cè)重土壤污染物指標，測試指標包含17項無機污染物、11項有機污染物和5項理化性質(zhì)指標(詳見表1)。

多目標區(qū)域地球化學調(diào)查在土壤質(zhì)量各類評價中發(fā)揮了重要作用［22］。如利用Se、Corg、pH及重金屬等指標，評價了全國耕地地球化學狀況；利用As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Sb和Se數(shù)據(jù)，評價了中國31個省會城市的土壤環(huán)境質(zhì)量；利用Corg數(shù)據(jù)分析了中國農(nóng)耕區(qū)0～20cm、0～100cm和0～180cm不同厚度的土壤有機碳庫；評價了As、F、I等與地方性疾病的關(guān)系［9］。借鑒多目標區(qū)域調(diào)查經(jīng)驗，將As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Sb和Se等測試指標納入地表基質(zhì)調(diào)查樣品測試指標體系。

全國第三次土壤普查重點是反映表層土壤質(zhì)量的理化性狀，對成土過程研究較少。已有覆蓋全國的“二普”土種圖中，土質(zhì)、地表基質(zhì)類型、厚度等信息也不全［12］，且只有0～120cm深度測試數(shù)據(jù)，對國土空間規(guī)劃、高標準農(nóng)田建設(shè)的支撐還不足。因此，根據(jù)地表基質(zhì)定位，測試指標在土壤普查表層土壤質(zhì)量的理化性狀基礎(chǔ)上，增加表征巖石—母質(zhì)—土壤成土演化過程的研究性指標。

土壤污染詳查側(cè)重土壤污染情況，較少關(guān)注土壤其他物理化學性狀和成土過程。因此，地表基質(zhì)調(diào)查需要在收集以上資料的基礎(chǔ)上，增加表征地表基質(zhì)特征的指標如質(zhì)地、營養(yǎng)元素等，以及表征巖石—母質(zhì)—土壤成土演化過程的指標，如同位素年代、光釋光、孢粉等。

2.3 地表基質(zhì)調(diào)查測試指標的篩選與分類

2.3.1 必測指標

必測指標是指大尺度——全國范圍內(nèi)部署的面積性調(diào)查采集的大宗批量樣品測試指標，主要用于查清地表基質(zhì)類型、質(zhì)地、空間結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、碳儲碳匯等地表基質(zhì)基本特征。地表基質(zhì)調(diào)查樣品必測指標應(yīng)包括礦質(zhì)(營養(yǎng))元素、重金屬元素、質(zhì)地(粒度)、總碳、有機碳、容重、pH值等。

(1)礦質(zhì)(營養(yǎng))元素(15項)。有學者認為植物必需養(yǎng)分元素主要有N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Cl、C、H、O等16項。由于地表基質(zhì)調(diào)查主要考慮深層地質(zhì)演化對地表覆蓋的影響，而Cl、C、H、O等元素的主要供給來源不是土壤，因而這些元素不納入地表基質(zhì)礦質(zhì)（營養(yǎng)）元素測試指標。此外，增加受地表基質(zhì)影響較大的Si、Se、Sr等指標。因此，為摸清不同基質(zhì)為上覆植物生長提供的物質(zhì)基礎(chǔ)，篩選出N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B、Si、Se、Sr共15項指標列為地表基質(zhì)礦質(zhì)(營養(yǎng))元素指標模塊。

(2)重金屬元素(7項)。土壤中重金屬調(diào)查評價與修復，特別是污染耕地的修復治理和有效利用成為各部門和科學家高度關(guān)注的熱點問題［23-24］。因此，將土壤中具有累積性強、毒性大、不可逆轉(zhuǎn)性、隱蔽性和滯后性強等特點的Cd、Cr、Pb、Ni、Hg、As、Sb等7種元素列為地表基質(zhì)有毒有害指標模塊。

(3)質(zhì)地(粒度)。質(zhì)地反映地表基質(zhì)中各種不同粒級土粒所占百分比，可反映不同的地表基質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)。質(zhì)地反映地表基質(zhì)最基本的物理特征，是地表基質(zhì)調(diào)查重點指標之一。

(4)總碳與有機碳?？偺?、有機碳用于碳的地質(zhì)循環(huán)及土壤碳匯/源核算評估，如碳儲量、碳密度、固碳潛力等評估，為雙碳目標提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，土壤中的有機物質(zhì)，包括土壤中的根、莖、葉及動物殘體、外來有機肥及經(jīng)過微生物作用形成的腐植質(zhì)，是土壤氮磷鉀等養(yǎng)分的重要來源，產(chǎn)生二氧化碳供作物光合作用；形成團聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高黏質(zhì)土的通氣透水性，提高微生物活度和對金屬離子的吸附性(保水保肥)。

(5)容重。容重是反映土壤孔隙狀況和松緊程度等物理性狀。容重主要影響表層土壤性狀，因此只測表層0～2m。

(6) pH。pH反映土壤酸堿度。該指標影響土壤養(yǎng)分、微量元素硒、銅、鎘等有益有害元素植物有效性。因pH受氣候、植被、人類活動等影響明顯，2m以下較多受巖石性質(zhì)的影響，變化不明顯，因此只測表層0～2m。

2.3.2 選測指標

根據(jù)地表基質(zhì)的地質(zhì)成因，分析地表基質(zhì)演化規(guī)律及其對表生過程和多圈層相互作用的影響和響應(yīng)，此類指標取樣時需從基巖—母質(zhì)—土壤連續(xù)取樣，根據(jù)研究區(qū)特點和研究目的有針對性地增加選測指標，包括但不限于以下指標。

(1)碳同位素(14C)。用于測定第四紀沉積物成土年代(1萬年以內(nèi))。

(2)光釋光。用于測定第四紀沉積物成土年代(10萬年以內(nèi))。

(3)孢粉。用于反映產(chǎn)生它們的母體植物生長時期的各種自然環(huán)境條件，可以用來鑒定地層時代，推測古地理環(huán)境。

(4)黏土礦物。用于研究不同層位地表基質(zhì)中黏土礦物構(gòu)成、恢復成土時的氣候與環(huán)境。

(5)磁化率。用于反映沉積物中磁性礦物的含量，磁化率曲線變化是剖面巖性和沉積旋回，作為古環(huán)境/古氣候重建的代用指標。

(6)主量元素?；|(zhì)中K2O、Na2O、CaO、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、MnO2、P2O5、TiO2含量，用于分析地表基質(zhì)物質(zhì)來源、形成條件與演化特征等。

(7)稀土元素(15項)?；|(zhì)中稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)用于揭示基巖與上層土壤的繼承、演化關(guān)系；通過土壤、半風化層、基巖層不同層位樣品中稀土元素含量，可用來判定地質(zhì)體深化過程中是否有外來物質(zhì)加入或遷入的重要地球化學方法，從而判定土壤對母質(zhì)的繼承性。還可通過稀土元素地球化學特征，探討礦床的成礦物質(zhì)來源、成礦流體演化以及礦床成因。

此外，在特殊地質(zhì)體分布地區(qū)，如鹽堿化地區(qū)，可增加表征鹽堿程度的水溶性鹽總量指標，如水溶性鹽總量≥1.0g/kg時，增加檢測8大陰陽離子指標;在污染地區(qū)，可增加金屬元素有效態(tài)、有機污染物等測試指標，以及進行污染物來源解析所需同位素等指標; 在硫化物礦化區(qū)、黑色巖系與碳質(zhì)泥頁巖分布區(qū)、煤系地層和磷礦分布區(qū)等，可增加飲用水、動植物等影響人體健康的樣品采集與有關(guān)指標測試；在成礦元素異常區(qū)，可根據(jù)異常元素與伴生元素種類，增加相應(yīng)的測試指標; 同時，結(jié)合測試技術(shù)ICP-MS適合低含量、ICP-OES適合高含量、XRF無需溶樣，且均能多元素同時測試等優(yōu)勢［25-27］，選測其他相應(yīng)指標。

3 地表基質(zhì)分層測試指標體系構(gòu)建

根據(jù)以上地表基質(zhì)調(diào)查必測指標和選測指標的涵義，結(jié)合地表基質(zhì)調(diào)查表層(0～2m)、中層(2～10m)和深層(10～20m)不同質(zhì)地層與地表覆蓋層的支撐孕育特征和耦合關(guān)系，構(gòu)建“4+N”型測試指標體系(表4)?！?”指4類必測指標模塊，包括：表征地表基質(zhì)的物理性狀(3項)、礦質(zhì)(營養(yǎng))元素(15項)、重金屬元素(7項)、碳(2項)；N是指N類選測指標模塊，包括表征地表基質(zhì)成土年代(5項)、演化特征(38項)、鹽堿化(9項)、元素形態(tài)(7項)等主要的特殊性指標。

4 結(jié)論

地表基質(zhì)調(diào)查是一項創(chuàng)新性工作，其調(diào)查深度和測試指標還處于探索階段。本文基于地表基質(zhì)的科學內(nèi)涵，在梳理多目標區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等已有相關(guān)土壤調(diào)查基礎(chǔ)上，利用近三年在梨樹地區(qū)、丹東地區(qū)、哈爾濱地區(qū)開展的地表基質(zhì)調(diào)查試點項目成果，運用變動系數(shù)法、圖表法等研究了不同元素在不同地區(qū)地表基質(zhì)層垂向上的變化規(guī)律，結(jié)合表生地質(zhì)作用(風化為主)最大深度、地表植被根系最大深度、淺層地下水位波動下限、基巖頂面深度等因素，將地表基質(zhì)在垂向上分為三層：表層(0～2m)、中層(2～10m)和深層(10～20m)，基巖埋深淺則以揭露到基巖為準；表層(0～2m)主要服務(wù)國家糧食安全，以收集資料為主；深層(10～20m)主要研究表層—中層—深層—基巖演化規(guī)律特征，以部署少量工程控制為宜；中層(2～10m)主要服務(wù)國土空間開發(fā)、生態(tài)保護修復和土地整治等，是地表基質(zhì)調(diào)查的重點?；诘乇砘|(zhì)調(diào)查涵義和地球化學元素在垂向上的變化規(guī)律和，提出地表基質(zhì)垂向4+N型分層測試指標體系，以期推動地表基質(zhì)調(diào)查標準化、規(guī)范化，為地表基質(zhì)調(diào)查在全國順利展開提供參考。

地表基質(zhì)調(diào)查在全國陸續(xù)展開，將采集大量的樣品需要分析測試，在明確地表基質(zhì)調(diào)查分層及分層測試指標基礎(chǔ)上，需要盡快建立地表基質(zhì)樣品制備、測試技術(shù)方法體系和全流程質(zhì)量控制體系，以確保全國性地表基質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)準確、權(quán)威、可比，經(jīng)得起后人和歷史的檢驗。

由于本文實測數(shù)據(jù)來源于黑土地表基質(zhì)調(diào)查試點項目成果，在分層和分層測試指標設(shè)計上存在一定的局限性，后期需根據(jù)不同類型地表基質(zhì)調(diào)查成果進一步完善。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院楊忠芳教授給予的指導和幫助。

BRIEF REPORT

Significance:The ground substrate is defined as “the base material currently exposed at the shallow surface of the Earth’s landmass or at the bottom of a body of water. It is formed mainly by natural materials through natural action and can be nurtured and supported by various types of natural resources, such as forests, grasslands, and water”[1].Therefore, the biogeochemistry and hydrological cycles, as well as energy exchanges between the elements of the ground substrate layer and the surface cover layer, determine the fundamental characteristics of ecosystems[2].Various ground substrates support different types of vegetation and influence the spatial pattern and evolutionary trajectory of regional ecosystems[3]. In this study, we propose a set of indicators for vertical stratification and testing of ground substrate, with the aim of standardizing and normalizing the ground substrate survey. This will provide a reference for the efficient and high-quality development of the national ground substrate survey.

Methods:Firstly, we referred to the Multi-Objective Regional Geochemical Surveys, the Third National Soil Census and the National Detailed Survey of Soil Pollution on Agricultural Land, and other survey stratification and testing indices. Secondly, the data was based on three pilot projects of ground substrate surveys in Lishu County of Jilin Province, Dandong City of Liaoning Province and Harbin City of Heilongjiang Province. These surveys were conducted by the Command Center for Comprehensive Survey of Natural Resources over the past three years and were analyzed using statistical methods to assess the vertical characteristics. Thirdly, the minimum depth that can be reached by epigenetic geological processes (where weathering is dominant), the depth that surface vegetation roots can penetrate, the lowest fluctuation of the shallow water table or the irregular top surface of bedrock, and other related factors were considered. Finally, the index system for vertical stratification and testing of ground substrate stratification was proposed.

Data and Results: (1) Ground substrate stratification.On the basis of previous research, this paper combines the results of the pilot project of ground substrate investigation and utilizes statistical methods such as the chart method and coefficient of variation method to classify the ground substrate into three layers vertically: the surface layer(0-2m), the middle layer (2-10m), and the deep layer (10-20m), and the area with a thin layer of soil is subject to the disclosure to bedrock. The ground substrate investigation of the surface layer (0-2m), is named as the production layer. Generally, the root system of crops reaches a depth of 1m or less, and the maximum depth of the root system of a few crops can reach 2m (e.g., corn). This layer includes the tillage layer, which is the main activity layer of soil microorganisms, it is the most critical layer affecting the agricultural production and human health, and it mainly supports the food security of the country. This layer mainly contains the information for the contents and indicators affected by climate, ground cover (plant roots) and human activities (tillage). The middle layer of the ground substrate survey (2-10m) is the focus of the ground substrate survey and named as the ecological layer, because the maximum depth of the root system of most vegetation is 10m[15]. This layer is the material and energy exchange layer between groundwater and vegetation communities such as forest, grass and wetland, which mainly supports the growth and succession of vegetation communities and serves the optimization of the development and protection pattern of land space[16]. Ground substrate investigation of the deep layer (10-20m), is generally the Quaternary loose sediment layer above the bedrock, and is the channel of groundwater circulation, driving the material energy cycle[17-18]. The main research is conducted on the evolutionary process of rock-weathered crust-soil formation.Some scholars named the ground substrate investigation 0-50m as the living layer, which is considered to be the layer mainly for human production and living by using the underground space, and mainly supports urban planning and construction[3].

(2) Test indices of the ground substrate survey.In order to accurately reflect the different layers of the ground substrate type, physical and chemical properties and evolutionary characteristics of soil formation, and to reveal the surface substrate on the surface cover layer of forests and grasses, crops, etc. to support the nurturing mechanism, the surface substrate survey and test index selection must follow the principles of inheritance, science and economy[19-21]. It is divided into mandatory indicators and optional indicators. Required indicators refer to the large-scale-nationwide deployment of area-based survey collection of bulk sample test indicators, mainly used to identify the surface substrate type, texture, spatial structure, physical and chemical properties, carbon storage and sinks and other basic characteristics of the surface substrate. Surface substrate survey samples must be measured and indicators should include mineral (nutrient) elements, heavy metal elements, texture (particle size), bulk density, pH,total carbon, organic carbon and other indicators. The indices should include mineral (nutrient) elements, heavy metal elements, texture (particle size), bulkiness, pH, total carbon, organic carbon, etc. According to the geological genesis of the ground substrate, analysis of the evolution law of the ground substrate and its influence and response to the epigenetic process and multi-circle interactions, such indicators need to be sampled continuously from bedrock-motherland-soil, and the selected indicators increased according to the characteristics of the study area and the purpose of the study.

(3) Construction of the index system for stratified testing of the ground substrate.According to the meanings of compulsory and optional indicators of the ground substrate survey, combined with the supportive and nurturing characteristics and coupling relationship between different texture strata and surface cover layers in the surface layer (0-2m), middle layer (2-10m) and deep layer (10-20m) of ground substrate survey, a “4+N” type testing indicator system was constructed (see Table 4). The “4” refers to four types of mandatory testing index modules, including characterization of the physical properties of the ground substrate (3 items), mineral (nutrient)elements (15 items), heavy metal elements (7 items), and carbon (2 items);Nrefers toNtypes of optional testing index modules, including characterization of the age of soil formation of the ground substrate (5 items), the evolutionary characteristics of the ground substrate (38 items), salinity (9 items), element morphology (7 items), the relationship of the ground substrate with the surface cover, the support and breeding characteristics and coupling of the different textures of the ground substrate (38 items), salinization (9 items), elemental morphology (7 items) and other specificity indicators.