第0章绪论
0.1研究背景
自然资源部组建后，为了落实“统一行使全民所有自然资源资产所有者职责，统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复”职责，经过地质、水文、土壤、林草、测绘、海洋等领域的科学家深入研讨，综合考虑土壤层、立地条件（立地层）、包气带、地球关键带等相关学科术语，提出了地表基质（ground substrate）和地表基质层（layer ofground substrate）的概念，构建了由管理层、地表覆盖层、地表基质层和地下资源层组成的自然资源立体时空模型框架，为各类自然资源数据的空间组织提供了基本遵循①，但对地表基质和地表基质层的科学内涵和基本属性特征并没有进行深入阐释。
近年来，关于地表基质的概念内涵、类型划分、调查监测指标体系及支撑服务植被生态和耕地保护案例等，进行了许多有益探索①（殷志强等，2020a，2023；侯红星等，2021；姚晓峰等，2022；葛良胜等，2022）。多数研究者认为应将表层地球与上覆植被生态和下伏地下水等传统上相对*立的研究领域联系起来开展研究（金钊等，2020；Hahm et al.，2024）。一些研究者发现，表层岩土物质（即地表基质层）是联系上层植被和下层地下水补给的关键区域，不同类型岩土物质的粒度组分、持水性、元素成分、孔隙结构、分层结构、厚度变化相差悬殊（Chorover et al.，2011；Callahan et al.，2022），导致适宜生长的植被类型、盖度及生长状况等存在明显差异（刘鸿雁等，2019；Jiang et al.，2020；殷志强等，2023）；同一地区相似微地貌环境下植物群落的差异，主要因地表基质异质性所造成（刘鸿雁等，2019；Callahan et al.，2022；殷志强等，2023；Hahm et al.，2024），即不同的地表基质类型可以具有不同的生态服务功能；乔木林在干旱环境下，仅仅依靠大气降水和土壤水是无法支撑其生长的，还需要利用风化壳、岩石的裂隙水和地下水（Schwinning，2010；Rempe and Dietrich，2018；Nardini et al.，2021；Russell et al.，2022）。过去由于对表层岩土体（地表基质层）的物质结构、矿物元素成分、成因等性质的差异性未能很好地定量刻画，生态重建过程中常常出现人工林与地表基质不匹配的错位问题（彭建兵等，2023），山区土地整治和高标准农田建设也出现过典型失败案例（殷志强等，2023）。
在地表基质调查方面，中国地质调查局组织完成了东北地区83个黑土保护重点县的1︰25万地表基质调查，同时在燕山-坝上高原过渡带、西北黄土区、南方丘陵风化壳区和高沙土区等地开展了1︰25万～1︰5万调查试点（侯红星等，2021；殷志强等，2023），探索了地表基质调查支撑服务耕地保护和生态重建的技术方法，取得了初步阶段成果；河北、江苏、广东等省也在积极推进典型地区的试点工作。
总体来说，由于地表基质概念提出时间短，有关术语定义、属性特征指标及其分类分级、调查研究的目的和主要内容等尚未达成共识，目前处于百家争鸣状态。本专著是在中国地质调查局地表基质调查项目、国家自然科学基金委重点项目以及科技部新疆第三次科学考察项目等支持下，通过实践基础上的深入思考，借鉴地学领域相关学科理论的构建模式，对地表基质和地表基质层的科学内涵及其与相关学科术语的关系、地表基质分类、地表基质层构型、地表基质的物理、化学（理化）性质等进行了较为系统的总结提升，同时将多个项目的实践成果作为支撑服务生态修复和耕地保护的典型案例进行详细剖析。
0.2主要研究内容
本书研究内容主要分为两大部分。
**部分为理论研究部分，包含第1～4章。重点阐述了地表基质与地表基质层的概念、科学内涵和调查评价总体思路，具体包括地表基质分类与地表基质层构型研究、地表基质编图、地表基质的理化和微生物性质研究、地表基质调查评价总体思路等内容。
第二部分为地表基质调查研究成果示范应用部分，包含第5～11章。其中，第5～7章为支撑服务国土空间科学绿化部分，包括河北承德燕山山地-坝上高原、陕北黄土沙漠过渡区地表基质异质性对植被生态约束过程研究，坝上高原如意河流域林水关系和碳分布特征研究，黄土高原南缘韩城地区地表基质与植被耦合关系研究等。第8～10章为地表基质支撑耕地保护部分，包括支撑服务东北地区海伦黑土地保护、江苏泰兴高沙土区耕地保护与国土空间优化、云南干热河谷区特色农业高质量发展等。第11章为地表基质调查和探测技术方法示范应用部分。
0.3创新点
（1）本书丰富和完善了地表基质术语定义及其科学内涵，厘定了地表基质层与土壤层、立地条件、包气带和地球关键带等相关学科术语的关系。依据地表基质的生态服务功能和物质类型、成因类型、特征理化性质，提出了地表基质的5类3级分类方案。
（2）基于地下变温带下限深度，农作物、植被根系*大深度，表生岩溶发育带深度，风化壳厚度，潜水埋深和元素地球化学循环等特征因素，将地表基质深度自上而下分为浅层、中深层、深层和超深层4层；并根据地表基质层的功能作用和特点，将地表基质层构型分为单一结构型、双层结构型、多层结构型和风化壳型4种类型。
（3）提出地表基质调查是一项新的基础性国情国力调查，调查数据可为耕地保护、高标准农田建设、国土整治、生态保护与修复、积极应对全球气候变化等提供多方位科学支撑，具有广泛的应用价值，并从支撑生态修复和耕地保护等方面提供了典型案例。
0.4编写人员及致谢
项目组织实施及运行过程中，中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心为项目承担
单位，负责项目的野外调查、施工取样和综合研究工作。同时与合作单位中国科学院地质与地球物理研究所、北京师范大学、中国地质大学（北京）、河北地质大学、河北省地勘局第四地质大队、北京矿产地质研究院有限责任公司、华北地勘局五一四地质队等单位共同开展了地表基质调查、地质钻探和物探勘察、第四系沉积物样品采样分析等工作。
殷志强为该项目的**责任人，负责项目的组织实施、质量检查、工作协调、成果验收和调查研究等工作。在项目成果基础上，编写成本专著，撰写分工：前言由殷志强撰写，第1章由殷志强、郝爱兵、李洪宇和赵晓峰撰写；第2章由郝爱兵、殷志强、鲁青原、庞菊梅撰写；第3章由殷志强、邵海、刘久芬、鲁青原撰写；第4章由殷志强、彭令、杨柯、陈彭撰写；第5章由孙紫坚、陈自然、邵海、殷志强、周智勇、万利勤撰写；第6章由和泽康、贾红娟、殷志强、赵磊、陈亮、冯默扬、金爱芳撰写；第7章由李新斌、张江华、康成鑫、喜俊生、司瑞、殷志强撰写；第8章由杨柯、殷志强撰写；第9章由郭刚、张大莲、贾根、程瑜、张祥云、殷志强撰写；第10章由山克强、殷志强撰写；第11章由陈文彬、李健、权立诚、田光龙、翟开静、邵玉祥、殷志强撰写；全书由殷志强统稿。
在专著编写过程中，得到了中国地质调查局水文地质环境地质部和基础部的大力支持。项目实施单位中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心相关职能处室全程跟进项目实施，从项目管理、人员配备、经费执行及技术设备等方面为项目组保驾护航；中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心党委副书记、副主任郝爱兵教授级高工在项目调查、开展过程中，多次不辞辛苦亲临现场给予专业上支持和技术指导。
在此，一并对上述单位、专家和同事给予的指导和支持，致以由衷感谢！
第1章地表基质的概念内涵
1.1概念内涵
1.1.1地表基质
地表基质，是指地球表层孕育和支撑土壤、森林、草原、水、湿地等各类自然资源的基础物质。与之前的概念相比①，本次定义新增了孕育和支撑土壤，即由地表基质构成的层位（地表基质层）既包含土壤，又支撑和孕育土壤，地表基质更加强调土壤的母质和岩土体的地质属性。
新的定义中虽然仅增加了“土壤”二字，却大大丰富了其科学内涵，主要表现在以下方面：
（1）土壤既是重要的自然资源，也是地表基质的一种特殊类型，二者是包含和孕育关系。
（2）地表基质对土壤的形成和变化起着决定性作用，可以形象的比喻为皮肤（土壤）与皮下组织（地表基质）的关系，如中国东北地区黑土地出现“变薄、变瘦、变硬”等问题，如果不从地表基质去分析，就很难说清原因，讲清“病根”。
（3）地表基质调查研究要在充分吸收利用土壤层和立地层相关调查研究成果的基础上，更加侧重土壤层和立地层之下岩土体的调查研究。
地表基质概念的提出，强调了地球表层各类岩土物质与土壤、森林、草原、水、湿地等各类自然资源的相互作用关系，突破了传统地质工作主要注重地质体自身形成演化的调查研究范式，丰富拓展了地质工作的调查研究内容和服务方向，将支撑服务植被生长和农业生产的科学研究从土壤小循环拓展到地质大循环，不仅具有重要的科学意义，而且具有广泛的应用价值。
地表基质是地球表层支撑农作物和植被生长的岩土物质载体。决定地表基质结构性差异的因素包括质地、颗粒磨圆度、颗粒排列堆积方式、层理等的各向异性，孔隙类型及其占比等，这些结构性参数大多决定于第四系沉积物搬运过程中的沉积分选和搬运介质，包括重力、风力与河湖水动力的搬运分选过程（刘东生，1997），不同岩性基岩（如砂岩、页岩等碎屑岩，碳酸盐岩，花岗岩，玄武岩和英安岩等）的原岩破碎程度和风化成壤过程同样控制了风化壳残坡积物的结构性、矿物元素组成和化学性状（Lin，2010；Banwart et al.，2013；Zhang et al.，2021；骆占斌等，2022），影响包气带水分的渗透性、传输运移和地下水毛细上升高度（张人权等，2005；万力等，2005；李中恺等，2022）。因此，地表基质对上覆植被、农作物等约束机理的研究，以及对下伏地下水盐运移过程的揭示等具有重要科
然资源部，2020，地表基质分类方案（试行）。
学意义（Lowe and Walker，2014）。
开展地表基质调查研究，现在还没有成熟的学科理论，需要借鉴第四纪地质学、水文地质学、土壤学、地球物理和地球化学等学科知识。
1.1.2地表基质层
《自然资源调查监测体系构建总体方案》提出了自然资源分层分类模型①，其中**层为地表基质层，在地表基质层之下为地下资源层，地表基质层之上为地表覆盖层和管理层，即地表基质层是联系地表覆盖层和地下资源层的桥梁纽带。
1.1.3地表基质层构型
地表基质层构型（configuration of ground substrate），是地表基质层结构类型的简称，指不同类型地表基质的垂向组合方式。地表基质层构型对上覆植被的类型、盖度和生长状况，以及包气带水的传输、运移等具有明显的约束作用（殷志强等，2023；邵海等，2023）。
地表基质层构型分类和命名主要考虑以下原则：
（1）针对地表基质的重点调查深度进行构型划分和命名；
（2）以地表基质的二级类为基本层位单元；
（3）地球表层的土壤不参与构型划分和命名；
（4）地表基质关键层在构型名称中有所体现，如钙积层、饱水砂层、黏土层、泥炭层、砾石层、古土壤层等。
根据上述地表基质层构型分类原则，在全国黑土、黄土、冲洪积物、风化壳等典型地区地表基质构型调查基础上（图1.1），将其总结为以下4种类型（图1.2）：
（1）单一结构型：地表基质层主要由单一的地表基质类型组成，如钙结核发育的风积黄土［图1.1（a）］，局部富集铁锰结核的冲湖积物、冲洪积砾、裸岩等。
（2）双层结构型：指由结构差异明显的两种地表基质类型所组成，如粒度上细下粗的冲积物（高沙土区）［图1.1（b）］、黄土-冲洪积砾等。
（3）多层结构型：指由多种地表基质类型所组成的地表基质构型，如从地表
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