Question

　地质-生态学研究存在的问题与主要发展趋势

Answer 1

一、地质-生态理论认识和体系的形成

国际上现阶段地质-生态学研究与环境地质研究有相当程度上的相似性，但已经逐步体现出其研究特色，并有逐渐强化地质生态研究的发展趋势。但到目前为止相关研究成果还不够丰富，还不能认为系统的地质生态学作为独立学科已经建立。许多理论问题和应用技术方法尚不够完善。由于社会需要的推动，地质-生态学作为新兴的交叉学科发展方向，正在逐步成为研究热点和活跃点，但其内涵和研究范畴还没有形成广泛共识，地质生态指示性指标的研究、多目标的评价技术方法、地质生态设计与治理系统工程技术等许多方面需要进一步研究。

虽然地质-生态学作为一门独立存在的学科尚未成立，但作为一种学科交叉现象具有很大的发展空间，将来能否产生独立的地质生态学科，取决于能不能取得合理的、有广泛认可的学科定位。但无论形成独立学科，还是保持学科交叉的混合特色，都需要就其理论基础、研究范畴取得一定的共识，否则又会出现如同环境地质学形成后的“广义”概念与“狭义”概念的争论，难以在学科认同上统一。因此，需要对地质-生态理论认识和学科体系进行研究和讨论。

卢耀如先生将地质-生态环境的研究方向根据目的的不同分成如下几个方向：

综合性研究方向：该方向主要研究地质-生态环境的演变，需要在探索自然界存在的有利与不利这两方面的条件与因素的基础上，密切结合人类活动影响与工程效应，而加以综合的研究，这是研究地质-生态环境的最基本的准则与最重要的研究方向。

全球性的研究方向：地质-生态环境问题涉及到地球的自然演化、各种灾害的发生与发展，以及人类活动对环境的效应，这样，就需全球性的研究方向。

宇宙性的研究方向：对地球这一生态系统的演化与起源还不很了解，所以应用现代科学技术以研究宇宙中星球，特别是太阳系的起源和演化，这对探索和研究地球自身的形成与演化，也是非常主要的研究途径。

石建省认为，地质-生态学的系统发展应考虑在如下几个方面推进：基础地质-生态学理论研究、区域地质-生态学与比较地质-生态学研究、实验地质-生态学研究、专门地质-生态学（脆弱带地质-生态学、农业地质-生态学、城市地质-生态学等）研究、地质-生态经济与规划研究、地质-生态系统控制研究与工程实践。

二、地质环境-生态系统相互关系研究和剖析

水-土-生态三大要素（三个子系统）的存在形式、利用现状、形成演化规律、要素之间的相互作用以及对人类社会经济发展的制约和影响是地质-生态研究的主要对象。但目前对地质要素的生态意义和生态保护的地质依据都缺乏系统和科学的认识。地质环境-生态系统的相互作用应是地质-生态学研究的重要内容。

以地下水为例，以往的水文地质研究主要揭示地下水的来源、运移演化规律，地质-生态学研究则要探讨水对生态系统的控制，即“生态水位”的问题。“生态水位”是维持区域生态系统稳定所需的地下水位区间，高于这个水位区间上限临界值，地表土壤就会发生盐渍化，低于这个水位区间下限临界值，就很容易触发沙漠化。但这一水位区间又是一个复杂要素集合的函数，同时是一个时空动态变化的函数，它受到地质结构、地貌单元、气候条件、土壤类型、种植结构、植物种群特性、人为影响程度等的影响，需要进行系统相应分析。

三、地质一生态指标体系研究

脆弱性判别的实施是建立在利用科学的指标体系对脆弱地质生态环境进行结构表述的基础上的。指标体系选取指标的原则是以最少指标达到完整描述系统特征的目的，既要谋求科学性原则、完备性原则和独立性原则，大致需要如图10-3的步骤。

图10-3　地质-生态指标体系的选取过程

地质-生态指示性指标体系的筛选是进行地质-生态分析的基础和关键，也是目前研究较少，需要予以重视的主要方面。国外曾经组织过国际间合作计划，集中探讨了为多目标可持续发展服务的“地质指示指标”筛选问题，并认真分析了这一问题的复杂性和深入研究的必要性，在他们的初步成果中，提出如下地质指示指标：珊瑚化学和生长方式、沙漠表面结皮和裂缝、沙丘的形成和再活动、尘暴的规模/延时和发生频率、地表冻融作用、冰川波动、地下水水质、非饱和带地下水化学、地下水位、岩溶作用、湖泊水位和盐度、相对海平面、堆积物层序和成分、地震、海岸线位置、边坡失稳（滑坡）、土壤和堆积物侵蚀、土壤质量、溪流、水流、通道形态、水流堆积的存储和运载、地下温度体系、表层转运、地表水水质、火山活动、湿地的扩张/结构和水文学、风力侵蚀，并且认为一些其他指标也应考虑在内，如：地磁场及其他地球物理参数、岩石应力状态、岩石风化、岩石-微生物相互作用、土壤/粘土膨胀、地表过火、湖泊/海洋堆积物的放气作用、非可再生资源指标等。这些成果的研究思路值得借鉴，但它的目的和对象与本文所要讨论的并不一致，尚需进一步研究总结。

四、尺度问题和时空演化研究（古地质-生态学研究）

由于地质-生态系统的复杂动态特征，在研究中必须注意其尺度效应，重视时空演化分析，加强对古地质-生态特征的研究，用地质历史演化的眼光看待我们目前的地质-生态状况。

1.尺度效应问题

自然过程和人为作用，都是在一定的空间和时间尺度内发生的，在不同的尺度上，其表现和描述的特征具有明显差异，描述其特征的指标也不一定一致。所以必须注意尺度问题。在上述分析中（见表10-1），曾论述过在不同区域尺度上控制地质-生态脆弱性的主导要素的不同，如在大的区域范围内，主导要素是大地构造单元，而在局部区域范围内，主导因素可能是气候条件和地貌单元等。同样，由于几十年来地质-生态环境的巨大变化，其时间尺度的对比也应高度重视，把不同年代的资料混合起来作为现状分析是不科学的。

2.时空演化研究方法

动态复杂系统的研究，要立足于几个基本观点：系统的观点，综合的观点，信息的观点。采取如下策略：

“以静表动”：抓住时空演变中有限个特征时期的静态状态，达到系统描述其动态特征的目的；

“由点到面”：突出深入研究空间中具有典型意义和带动作用的若干个点上的特征，来刻划面上的轮廓和规律；

“将古论今”：通过系统研究地质时期的地质-生态演化，认识当前所处演化阶段，推测其自然发展趋势，结合人为影响的强度，预测系统的变化趋势；

“时空融合”：将时间上的认识和空间上的认识集合起来，利用现代信息处理技术，进行时空总和分析和建模研究。

主导研究方法包括：实验、监测、调查与3S技术相结合。

3.古地质-生态分析的重要性

“将古论今”是地质-生态研究的重要手段。由于我们所处的自然环境是地质演化过程的阶段性表现，其今后发展趋势必然首先受制于地质演化规律，我们对现今地质-生态系统的认识也是非常零散的，很难形成时间序列，从而建立演化规律的认识。因此，开展古地质-生态研究显得格外重要。

五、脆弱带地质-生态系统研究

对地质-生态环境的认识是复杂的系统科学问题，涉及具有动态结构的多维信息体，尤其是脆弱地质生态环境的敏感性特征，决定了需要对多因素关系及其易变性进行研究，这种多因素关系构成“链式”结构，一种因素的变化可以触发相关联的其他因素发生变化，并且具有明显的临界值。认识地质生态环境的复杂性、“链状”关联结构是对其特征进行表述的重要前提。

确定描述这些内容的指标体系、分类标准、参数获取方法和精度控制要求是重要的前期工作，需要专门开展研究。赵跃龙认为，脆弱生态环境的成因，包括自然因素和人为因素两个方面，自然因素又分为地质脆弱因子、地貌脆弱因子、气候脆弱因子、水文脆弱因子，人为因素主要是不合理开发利用资源和环境产生的影响。但这些因素的脆弱表现和具体指标，特别是地质脆弱因子的表述研究的还十分不足。

对脆弱地质-生态环境进行评价的关键是脆弱性判别。这种判别体现在不同空间和时间尺度上，服务于不同的目的。单指标脆弱性判别一般适用于小的空间尺度和比较具体的服务目标，而综合脆弱性判别主要适用于较大空间尺度和多目标综合需要的判别，如脆弱地质生态环境对区域经济发展综合影响程度的判别。

六、地质-生态系统评价方法模型

1.地质-生态系统研究步骤

从研究阶段和程序上看，地质-生态系统研究的步骤见表10-2。

表10-2　地质-生态工作划分与工作方法

2.地质-生态研究的方法体系

在地质-生态研究中，除了需要把3S技术与传统工作方法有机结合，大规模采用野外原位测试快速取得信息等技术支撑条件外，在多源信息综合评价过程中需要采用许多数学计算方法，通过这些计算方法及其组合应用，对地质生态类型做出量化判别，对地质生态状况做出综合评价。这些方法主要包括：

（1）加权综合指数法。根据实测值和评价标准求取分指数，然后由分指数计算总指数。计算综合指数的方法有叠加法、均方根法、权重法等。

（2）模糊综合评判。利用地质生态环境质量分级中间过渡的模糊性，按不同分级标准通过建立隶属函数在闭区间[0,1]内连续取值来进行评价。

主要步骤有：对单项指标分别建立隶属函数，求出隶属度；建立模糊关系矩阵；计算各因子的权重；进行模糊聚类，综合评判，取聚类系数最大者为该评价点所属级别。

（3）灰色系统分析。基于地质生态环境系统的灰色性，考虑多因子的综合影响，利用灰色系统理论进行因子之间的灰色关联分析、灰色聚类（等斜率法、倍斜率法）、灰色预测、灰色控制等操作。

（4）层次分析（AHP）。AHP是一种系统工程方法，它根据各类指标及各类指标诸因子在环境中的相对重要性，经过层次结构、构造判断矩阵、层次单排序、层次总排序、一致性检验等步骤，分别算出指标之间的相对重要性，以此作为“权”。

（5）有限元与有限差分。进行参数场模拟和环境稳定性分析，在参数比较充分的情况下可以使用有限元等数值法。通过分析调研、模型抽取、模型建立、模型计算与检验等步骤进行分析应用。

（6）神经网络模型。可以应用误差反向传播人工神经网络模型（B-P网络）。它包括有多个节点的输入层（多要素）、多个节点的中间层（相互关联）、一个或几个节点的输出层组成。利用该模型解决地质生态环境评价分析中的模式识别和系统辨识问题。人工神经网络理论通过对代表性样本的学习自学习、自适应，掌握事物的本质特征，易于作出客观、正确的判断。B-P网络的学习过程就是一个网络权系数的自适应、自调整过程，通过反复训练后，网络具有对学习样本的记忆、联想的能力。

（7）分形计算。地质生态环境系统中的一些分析对象，可能具有自相似性几何特征，而且这种自相似性可以用分数维（D）来表示。

（8）多元统计分析。统计分析是常用、成熟的计算机数值处理方法，考虑到本系统对统计分析的要求，将在系统开发中融入必要的数据处理和回归分析功能，如一元线性回归分析、多元线性回归分析、逐步回归分析、平滑与拟合、主成分分析、排序等。

（9）人工智能与可信度分析。地质生态环境系统的不确定性决定了在分析过程中需要一定的非确定性专家知识的支持，需要以决策支持系统的思路，通过人机对话方式进行智能处理。一些模型运算结果或中间处理过程需要进行可信度分析。

3.综合地质-生态模型分析体系

（1）农业地质-生态适宜性分析模型。农业是我国最重要的基础产业，随着人口增长，经济发展，国家对农业的发展越来越重视。农业地质生态作为地质生态环境研究的重要方面，主要研究农业生态与地质环境的相互关系，研究开发农业地质资源及其利用、改造和调控的措施，研究农业地质生态环境污染与防治、农业地质灾害防治及农业地质环境区划等问题。

作为农业地质-生态分析的辅助分析工具，本模型应提供一系列分析方法，使用户能够对所研究的区域农业环境问题的各种影响因素进行分析，尤其是对表层地质结构、岩土元素地球化学、生物、水文地质特征等与农业生产的关系进行系统分析，取得对控制性因子的认识。然后选择综合评价方法，进行农业地质生态适宜性综合评价，生成适宜性分区图。

（2）地质-生态质量综合评价模型。地质-生态质量综合评价是一个复杂的分析过程，由于地质生态环境系统的复杂特点，难以用一种统一的方法和规范的计算过程进行评价。从实际需要的灵活性出发，这方面的模型分析采取优化组织的方法集合方式，通过与信息系统数据库和图形库的紧密连接，以人机对话方式由用户选择模型运行机制、计算方法、参数提供方式、结果输出方式与流向等，进行模型实际运作。

（3）区域地质-生态环境承载力分析研究。区域地质-生态承载力表征模型与求解；区域地质-生态承载力综合评估；区域地质-生态承载力饱和度；区域地质-生态综合敏感度与触发因素分析。

（4）土地质量退化与侵蚀控制分析模型。