北京市西山地区地质背景对土地资源利用的影响

2020-09-14毛率垒

中国农业大学学报 2020年10期

毛率垒梁壮石莹，2 闫妍付野王数*

(1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2.广西壮族自治区国土资源规划院,南宁 530022)

北京市西山地区的土地利用类型与方式受到西山地质地貌的影响，并对农业、畜牧业和林业等领域产生影响。西山地区位于燕山台褶带和华北断拗交界处，地质作用频繁，形成了西山特定的岩石类型，第四纪时期的新构造运动造成了西山地区的构造地貌复杂性[1]。

近年来，学者们对北京市西山地区的地质研究从未停止，嵇少丞等[2]通过实地考察与测量，认为“京西古道”上的凹坑并非“驮兽蹄窝”，而是经过无数次暴雨携带的砂砾冲刷与磨蚀基岩坡面原有构造和岩性薄弱部位而逐渐形成的山地壶穴，属正常的雨流侵蚀现象；秦大军等[3]讨论了西山岩溶水与永定河、军庄和潭拓寺3个补给源区关系及水流补给路径，为分析永定河对玉泉山泉的影响提供了依据；舒坦等[4]研究了西山地区广泛发育的轴向近E-W向褶皱的变形特征及形成时代，结果表明此类褶皱由直立倾伏背斜和斜歪倾伏向斜构成，大约形成于燕山运动时期；吕金波等[5]将北京市的地质环境系统进行划分，认为西山地区属太行山(西山)地质环境系统，具体又可细分为西山南部碳酸盐岩区、西山中部火山岩区、西山北部碳酸盐岩区三个单元。上述研究均为探索西山地区地质背景对土地利用的影响提供了理论依据。而目前关于西山地区农业地质背景对土地资源利用方面的研究鲜有报道。

本研究以北京市西山地区的地质背景为切入点，通过总结归纳地质构造、地貌条件、地层岩性和地球化学等方面的研究结果及结论，旨在根据该地区的地质背景和当前土地利用方式，分析和评价资源利用存在的问题以及适宜性，研究地质背景对土地资源利用的影响，以期为合理的土地利用规划提供依据，促进北京市西山地区的经济发展。

1 研究区概括

西山地区位于北京市的房山区、门头沟区和昌平区南口十三陵一带及海淀区西北部，永定河贯穿其间。其位于北东向太行山隆起的东北端，北邻东西向的燕山山脉，东临华北平原。研究区涉及范围约占北京市总面积的1/5。西山地区在第四纪时期处于新构造运动的间歇性抬升中，中间穿插多次强烈的倾斜运动、水平运动和断裂运动等构造运动[6]。西山作为太行山余脉，占地辽阔，距离市区约45 km，存在特殊成因的岩溶类型、古岩溶类型以及典型的半湿润区岩溶类3种岩溶景观[7]。该研究区属于温带季风气候区，分布有永定河和清水河，东部凤凰山一带分布有大石河，南部十渡风景区有拒马河穿过。

2 西山地区的地质背景

2.1 成土地质背景

成土地质背景又称地层岩石背景，指形成土壤的地质背景，包括成土母岩(地质体)的物质组成和结构构造、母质(风化产物和沉积物)类型和来源以及演化成土过程中的各种地质作用和地史演化等[8]。土壤是在各种成土因素的综合作用下形成的，在这些因素中，母质是其物质基础，是土壤的骨架，为最重要的因素之一[9]。母质是指母岩的风化产物，直接作用于土壤的形成过程，不同的母质形成性质不同的土壤，故岩石在风化和成土作用下所形成土壤的肥沃程度与母岩所含矿质元素的丰富程度息息相关，母岩矿质成分组成的差异性必然会对土壤的性质产生影响，进而影响植物的生长。

西山地区的地层有元古界、古生界、中生界和新生界地层，包括蓟县系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系和第四系，其中又以蓟县系和侏罗系居多，最古老的地层为元古界的蓟县系地层，门头沟区主要为侏罗系地层[10]。西山地区缺失泥盆系、三叠系、志留系和白垩系等地层，是构造运动过于剧烈所致。其中寒武系-奥陶系属于地台型沉积，发育陆表浅海相碳酸盐，该岩性对于在西山地区的土地利用有重要意义。

由图1可知，在凤凰岭、上苇甸村和周口店镇一带由于岩浆侵入作用形成了花岗岩和花岗闪长岩，在千军台村-史家营乡一线和石景山区、军庄镇附近分布有侏罗系玄武岩，十渡风景区一带有大面积的蓟县系燧石条带白云岩，房山区石花洞和银狐洞由奥陶系石灰岩组成，门头沟区分布有寒武系的竹叶状灰岩、二叠系砂岩和正长岩，在西山地区东北和东南边界处还分布有第四系松散沉积物，东北部和西北部边界分布有少量成片的玄武岩，说明该地区岩浆作用明显。此外西山变质类型多，区域变质范围广，所见接触变质岩主要分布在房山区花岗闪长岩、阳坊花岗岩和其他小岩体周围[11]。

从永定河沿线的西北到东南，分别为白云岩、石灰岩、火山碎屑岩和砂砾岩的岩性地带，双搪涧村-齐家庄村-百草畔风景区沿线可看出与其类似的岩性构成，百草畔区域存在碎屑岩，并且延续区域一直到老龙窝山和灰峪村一线，其中该区域包括的永定河中段区域地质作用明显，包括岩浆活动、滑坡、泥石流和风化作用等，房山区猫耳山和周口店镇岩性构成也表明该区域曾发生过岩浆作用(图1)，但未与前者连接成片，从门头沟区下苇甸村南出口往东可见青白口系与寒武系不整合接触，前者岩性以青白口系白云岩为主，后者为寒武系石灰岩和竹叶状灰岩，十渡风景区一带分布大片蓟县系白云岩[12]。

图1 北京市西山地区岩性图Fig.1 Lithologic map in the Western Mountain Areas of Beijing

2.2 区域构造运动和地质构造背景

本区新构造运动的一个显著特点是间歇性抬升始终贯穿整个新生代时期，稳定和抬升交替进行，而每个旋回有各自的特征，在不同地域又显示出差异性。西山地区曾在侏罗纪早中时期发生过大规模断裂活动，伴随大面积凹陷及上升构造，以及晚中生代的逆冲构造[13]。在内外地质营力作用下，现存诸多具有褶皱、节理、断层和劈理等面状和线状构造的岩层和岩体。岩层和岩体不同的构造以及分布对土地利用类型有显著影响。据资料显示约在中侏罗统九龙山组沉积之后，由于强烈的挤压作用，产生九龙山-香山向斜[13]。该区域最长的向斜带由妙峰山-百花山一线穿过永定河，长约15 km，该向斜带附近存在大量断层，从图2可看出，西山北部断层多于南部，即门头沟区断层多于房山区，门头沟区为断裂活动高发地区。而房山区由于地质作用和岩性的不同，多存在溶洞，如石花洞、银狐洞、云水洞和仙栖洞，石灰岩在水的长期溶蚀作用下产生了喀斯特地貌，此外，房山区周围的地表径流和断层对溶洞的形成也具有一定的作用。地质构造和新构造运动是造成区域不同岩溶地貌单元差异的2个重要控制因素[14]。

图2 北京市西山地区构纲要图Fig.2 Geological structure map in the Western Mountain Areas of Beijing

西山地区存在大量褶皱构造，最著名的向斜构造为髫髻山向斜：轴向为北东-南西向，略成“S”状，西南又有百花山向斜，东北可延至妙峰山一带。西山地区向斜构造规模最大，其核部由中侏罗统髫髻山组地层组成，构成向斜山体也最高，主峰清水尖海拔达1 528 m，髫髻山1 524 m，百花山1 991 m，妙峰山1 291 m[15]。

九龙山-香峪大梁向斜：位于髫髻山向斜的东南侧，二者轴向基本平行，其核部由中侏罗统九龙山组、翼部由石炭系、二迭系及下侏罗统地层组成，也是向斜山，主峰海拔969 m，两侧坡谷是门头沟区煤系地层出露地点，南有北京市煤矿基地的门头沟区，北有永定河谷，也是煤矿区[16]。

上述诸向斜构造之间都存在有较为狭窄的背斜构造，遂形成宽向斜与窄背斜相间分布的隔档式褶皱，构成西山在地质构造上的主体。在地貌上，凡是向斜构造部位，其核部多构成高山，而背斜构造部位往往成为低谷或洼地。另外，由几个以孤立的侵入岩体为核心的小型穹窿构造区，也因差异风化等原因形成负地形，构成低矮的丘陵区，如门头沟区上苇甸村和房山区周口店镇的花岗闪长岩体构成的穹隆等。

该地褶皱由于水平挤压作用产生多处裂缝，会对岩体的完整性以及岩石强度产生一定的影响，例如在门头沟区和房山区的石灰岩地区能够导致岩溶发育，因而在该地带的建设用地利用方面应多注意岩石的坍塌以及涌水问题。对于隧道等工程，褶曲会直接影响到隧道的铺设位置，在褶曲较多的地方一般把隧道布置在褶曲的翼部，因为该地岩性较为均一和稳定[17]。另外在翼部进行房屋建造时应多考虑岩层走向，如果开挖边坡的走向近于平行岩层的走向且边坡倾向与岩层倾向一致，则容易造成顺层滑动现象。所以该构造可能导致多种自然灾害，在建设工程过程中应多注意岩层的走向和倾向，但对于林地等利用方式则影响不大。

此外，在西山还有少数水平构造。原始沉积岩层一般是水平的，在地壳垂直运动影响下未经褶皱变动而仍保持水平或近似水平的产出状态，该种状态在第四纪时期构造运动频繁的西山地区分布并不广泛，很难大规模的观察到水平构造，这是由于地层大规模的发生断裂和升降。水平构造不同的表现形式对于土地利用有不一样的影响。水平切割情况下新地层在高处，老地层在低处，使得老地层裸露在地表上，对开采十分有利。当顶部岩层较硬形成平顶山时，对于建设用地比较有利。西山地区比较典型的水平构造在东岭村、沿河城村以及东五里坡村之间。该地由于此种构造，公路为盘山公路，因其独特的构造地形适宜发展为旅游用地。

构造运动的一大特点是，一个地区块体的水平挤压可引起另一地区块体的上升，进而可以将较老地层搬运至地表[18]，这样有利于岩石开采。除此以外在周口店镇发现的猿人化石也受到构造运动的影响。同时西山地区的抬升作用明显，配合地壳运动中产生的强大压力和张力超过岩层本身的强度对岩石产生破坏作用而形成的断层时，多种较老岩层露出地表。断层较多集中在门头沟区，在该地区有很多采石场等工矿用地，在门头沟区构造运动复杂的山区多形成沟谷流使得水源较为充沛，植被覆盖面积增大。该地区林地分布较广，木材开采业发达。同时不同类型的岩石分布使得土壤的矿质元素丰富，对种植业的发展具有积极影响。

2.3 区域地貌背景

由图3可知，研究区岩石地貌主要包括花岗岩和碳酸盐岩地貌。由花岗岩类岩石风化形成的地貌主要分布在凤凰岭和鹫峰一带；碳酸盐岩地貌是由于化学风化作用形成的地表及地下岩溶地貌，集中分布在房山区十渡风景区的峰丛地表岩溶地貌和石花洞、银狐洞等地下岩溶地貌。

图3 北京市西山地区地貌简图Fig.3 Geomorphological map of landform in the the Western Mountain Areas of Beijing

在新构造运动中，西山中部妙峰山到百草畔一线构造运动多产生断层和向斜构造，即形成构造地貌。九龙山、香山和灰峪村所包围的区域为侏罗系地层，附近为二叠系地层，该地属于向斜山。

流水地貌表现为永定河的堆积物所形成的河漫滩、冲洪积平原和河流阶地。研究区范围内永定河沿岸有不连续的阶地分布。在阶地方面，由于西山地表的不断抬升以及河流的下切，在永定河及其支流两侧形成了不同高度多级阶地，如丁家滩村和陇家庄等。以上所述阶地和河谷中的一些台地大多土层较厚，水源充足，成为居民点分布的重要依据。虽然龙泉镇和永定镇面积只占西山地区总面积的1.5%，但人口却占到总人口的2/3。

关于西山地区阶地的形成，新构造隆升运动起次要控制作用。主要是由于该地区山麓带处于构造下沉状态，洪积扇分布在平原与山地相交处。雨季到来前，气候较为干燥，土层构散暴雨来临，由于土层松散，山上形成很多暂时性的沟谷流水，雨水夹杂地表松散沉积物沿沟谷泻下，接近沟口处流速变慢，因而松散沉积物堆积形成洪积扇。沟谷的洪积扇连结起来形成冲洪积平原，其磨圆度一般。西山范围内广大的冲积平原是永定河在漫长的历史过程中携带来的冲积物沉积形成。西山地区各地带岩性不同，加之风化和流水等外力地质作用产生了不同的地貌。

2.4 区域地球化学背景

岩性直接影响着土壤母质的矿物组成、风化成土的速度以及各种微量元素的含量等理化性状，从而间接影响着土壤的发育程度、土层厚度和土壤中矿质元素的类型及含量，对植物的栽培有着极为深远的影响[19]。如本研究区内门头沟区妙峰山玫瑰的生长就受到岩性的影响，基岩为安山质火山碎屑岩，含有丰富的矿质元素(表1)，从而影响其发育的土壤的化学成分(表2)，大大地提升当地栽培玫瑰品质。

表1 妙峰山玫瑰种植区基岩微量元素含量Table 1 Content of trace elements of bedrock in rose-planting areas of the Miaofeng Mountain μg/g

存在于周口店镇地区的花岗闪长岩主要由长石、石英和角闪石组成，风化而成的母质所发育的土壤为砂性土，矿质元素含量贫乏，因而该地区只能种植少数适宜沙地生长的作物，如花生、白薯和玉米等。另外在房山区还分布有大面积碳酸盐岩—含燧石条带白云岩，其发育的土壤呈碱性，有利于喜碱性植物柿子和花椒树的种植。因而该地区有大片的柿子园地，磨盘柿是房山区的名优特产。

3 地质背景对土地资源利用的影响

3.1 西山地区的土地利用现状

由于北京市西山独特的地质和地貌条件，使西山地区土地利用现状在共性和特性上有其独特之处。西山地区土地利用类型大致包括林地、园地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地及水利设施用地等，其中主要是林地和园地，约占西山地区总面积的3/4，主要分布于门头沟区一带。耕地由于地貌原因主要存在于水系周围的河漫滩、河流阶地上，在山脚下的冲积平原上可见旱地和极少量的水浇地。西山地区存在小部分的果园和花园，主要分布在房山区十渡风景区的薰衣草园，妙峰山地区的玫瑰园以及房山区的柿子园，这些植物在种植过程中对地形地貌要求不高，对岩石及其演化发育的土壤要求较高。北京市西山地区土地利用现状，见图4。

图4 北京市西山地区土地利用现状图Fig.4 Status map of land use in the Western Mountain Areas of Beijing

3.2 岩性对土地资源利用的影响

岩浆岩和变质岩统称为结晶岩，西山地区分布的结晶岩主要有大理岩、花岗岩及花岗闪长岩，如房山区的大理岩由白云岩经过变质作用而成，被开采用作天安门、故宫和天坛等地的装饰材料，房山区周口店镇花岗闪长岩和海淀区苏家坨镇凤凰岭花岗岩也被开采用作建筑装饰材料。在这些区域附近都有建材厂房和公司等，因而出现相应的建设用地。

沉积岩是地表分布最广的岩石，其对资源的形成利用影响很大。西山地区矿产资源总量较少，其中，煤炭、铁和水泥用石灰岩、冶金用石灰岩、非金属建材等矿种储量则相对比较丰富。北京市80%以上的煤矿资源分布于门头沟和房山区；化工、冶金及建筑用各类石灰岩和白云岩等矿产主要分布于山区与平原交界的西部与北部山前地带。西山地区最著名且非开采用途的沉积岩区域仙栖洞，位于房山区张坊镇东关上村，溶洞的岩性为沉积岩的白云质灰岩和砂质白云岩，形成于16亿年前的震旦纪早期[11]。该地由于其独特的自然景观资源而被开发为旅游用地。房山区沉积岩区域分布广泛，且石灰岩被溶蚀后形成的溶洞(房山区石花洞、下英水村银狐洞和上方山云水洞)，不仅具有丰富的可供开采的资源，还因独特的岩溶地貌景观而具有旅游价值，被开发成北京市有名的地质公园，随之出现相应的旅游用地和疗养用地等。

3.3 地质构造对土地资源利用的影响

在各种地质动力作用下，组成西山地区的岩层和岩体发生褶皱、断裂，其中妙峰山-百花山一线为西山地区最长的褶皱带，为一段向斜区，在该褶皱的核部由于两翼部地势起伏形成独特的小气候区；且永定河流经该向斜区北部，水资源充沛，对于植被的生长有着重要意义，使得该地区木材资源丰富。该地区存在煤矿资源，但褶皱导致开采难度增大。

大型的褶皱地貌的存在，造成煤炭地层走向和倾向弯曲等不规则变化，严重制约着矿井的设计开采、井型规模和井田范围的划分，构造破坏严重的区域不能建造大型矿井。在房山区和门头沟区还存在大量的断裂带，已有研究表明，区域性断裂控制了区域地壳的稳定性，不同结构面的性质与组合形式控制了岩土体的稳定性、力学性能与变形破坏方式；滑坡、硐室突水、水库渗漏、坝基渗透变形、诱发地震以及许多地质灾害的发生均因结构面的存在所致[20]。断层的产生可以加快风化作用，导致地质灾害的发生，不利于工程建设。在地质构造方面，西山地区大部分断层主要分布于滴水岩沟-碾台村一带，该地区很少能出现居民点用地，而在西大梁一带基本没有断层分布，因而居民点分布较多。与褶皱相反，断裂对于煤炭等矿产资源的开采具有积极的作用。比如断层能够使上升盘煤层的埋藏深度变浅，而且开放性的断层可以部分释放煤层中的瓦斯等有害气体，从而在开采煤矿的过程中产生积极的影响，有利于煤矿的开发[21]。但是在开采过程中必须做好安全措施，由于断裂的不稳定性，可能在开采过程中导致矿井崩塌。

3.4 地貌对土地资源利用的影响

西山地区典型的喀斯特地貌主要为十渡一带的地表岩溶，与石花洞和银狐洞的地下岩溶。喀斯特地貌区被认为是我国的四大生态环境脆弱区之一。由于喀斯特环境本身的脆弱性，发生的化学溶蚀形成了十渡风景区独特的地貌景观。但由于人类活动的影响使得喀斯特环境日益恶化，石漠化景观是其最直接的标志。虽然十渡风景区景色优美，但这一带地表崎岖、交通不便、土壤贫瘠和岩层保水性能差，对人类生产生活带来不利影响。尽管该区存在较多地下溶洞和暗河，但这些地区的地表水难以保存，即使到了丰水期，缺水也较严重，不利于农业发展，且对于建造居住地影响也较大。

另外，房山区分布有大量石灰岩，因而出现了开采石灰岩并以其作为水泥原料的采石场。在该地区进行工矿用地建设应该注意两点：其一，远离各个景点，不能以污染环境和损害自然资源为代价；其二，确保用地区域安全，由于房山区岩石以化学风化为主，对于大型工程建设来说存在一定的技术难度，岩石的风化容易对设施造成损失和破坏。

西山地区的主要构造地貌为向斜和背斜构造地貌，从图3可以看出，最主要的是向斜山，包括妙峰山-百花山一带、香山-九龙山一带以及周口店镇一带，这些山地都以林地为主，此外因为这些山地植被覆盖度大、空气质量好，是很好的旅游景点，如香山、百花山等，因而也出现了相应的建设用地及配套设施。向斜山附近分布有工矿用地。由于褶皱产生的波浪形地貌，加之岩层断裂使得地下岩层露出地表，以致在该地从事矿石开采比较便利。向斜山的形态还控制着矿体的形态和空间分布特征，从而决定采石场的形状，主要原因是为了保证最大限度地有效采矿，在建设矿场的时候会考虑矿体的走向，以便矿场与之相适应。就经济效益而言，由于开采矿石对岩体稳定性造成影响，常常会伴随崩塌和采矿塌陷等地质灾害。地表流水是塑造地貌最重要的外动力，在地表水流动过程中，不仅能侵蚀地面，形成各种侵蚀地貌，而且能把侵蚀的物质，经流水搬运后堆积起来，形成各种堆积地貌。流水地貌及其堆积物，对于水利、工程建筑、道路桥梁建设、农田基本建设和河运航道等均有重要意义。本研究区域最主要的水系有永定河、清水河和拒马河，其周边都能形成典型的流水地貌。河流地貌因为地表流水的不同所形成的堆积物也不同，导致土壤性质不同，同样对农业种植也有不同的影响。另外由地表流水所形成的坡积裙、洪积扇、河漫滩和河流阶地等不同地貌对土地利用的影响也有所不同。

房山区的河流主要为拒马河，其河漫滩和河流阶地上堆积的厚层冲积物所发育的土壤较为肥沃，因此成为很好的耕地资源。门头沟区的主要河流为永定河和清水河，在永定河沿途的河漫滩及阶地上，同样是冲积物发育的土壤形成耕地和园地[23]，如在下苇甸村永定河的河漫滩及阶地上可以见到许多水浇地(种植蔬菜)和果园。

由流水沉积作用形成的一系列地形都易于开垦，在西山地区，平坦宽阔的地形多见于流水地貌处，同样大部分居民点都会选择建设在流水地貌附近，既能保证水源，又方便工程的施展。

由于沟谷流和片流的侵蚀会造成水土流失问题，为此在西山的沟谷流分布区应种植大量的植物，增加植被覆盖度以减少水土流失，所以在用地方面应更加注重民生，第一选择就是在该地貌建立公用服务设施以保证民生问题，且考虑到汛期，设施应建在高阶地处，在低阶地处可以考虑少量种植作物以及建造防洪堤等，作物规模不能太大，防止自然灾害发生时损失严重。