华北山前平原农田关键带观测研究平台（栾城关键带观测平台）

中国网/中国发展门户网讯 中国科学院栾城农业生态系统试验站（以下简称“栾城站”）位于华北太行山前冲洪积平原的中段，是地下水灌区高产农业生态类型的典型代表。由于近几十年来大规模、高强度的农业生产，区域地下水超采严重，地下水污染风险加剧。然而，人类活动影响下的地表生态系统与地下含水层被厚包气带隔开，地表农业生产活动对地下水水量和水质的影响机理尚不明确。目前，开展贯穿整个包气带的原位监测试验，是揭示这一过程机理的唯一途径。因此，建立大型农田关键带观测平台，是开展农业与地下水关系研究的重要需求。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下，栾城站建设的“栾城关键带观测平台”，通过对作物根系层—深层包气带—饱和带的土壤水、热、溶质等关键要素和变量的监测，可开展水分、溶质和污染物在厚包气带内的运移、转化规律研究，揭示饱和—非饱和过渡带水文过程及其与地下水补给关系，阐明农田生产活动的水肥迁移、转化及其对地下水量质变化的影响机制，为回答地表过程对地下水量质演化影响机理提供实验平台支持。

栾城关键带观测平台建设的目的和意义

平台建设背景与科学意义

华北平原因农业灌溉导致地下水严重超采，进而造成河道干涸、湖泊湿地萎缩等水系统破坏和区域性生态退化问题。在太行山前平原地区，第一含水层组已基本疏干，地下水开采成本逐年增加；而在东部低平原区，深层地下水超采也导致压力水头不断降低，甚至引发了严重的地面沉降等次生地质灾害。与此同时，浅层地下水硝酸盐浓度超标比例显著升高，地下水的农业面源污染风险日益加剧。

华北平原作为我国北方地区地下水超采最为严重的地区，其面临的水资源短缺、生态退化和经济继续发展压力也最为典型。目前，这一区域最大的国家需求是遏制地下水进一步超采和逐步恢复受损的生态环境，实现地下水资源的可持续利用，以支撑经济的增长和转型升级。在区域经济一体化发展和社会经济转型升级巨大需求的驱动下，华北平原的农业生产模式也亟待尽快转型升级，即由高产高耗水型农业模式向高效适水型农业模式转变。与此同时，我国西北和东北地区也由于不合理农业开发普遍引起地下水超采问题，正逐步显现与华北平原类似的地下水和生态问题。因此，研究华北平原地下水可持续管理的解决途径，可为我国北方其他地区日益凸显的地下水问题防治提供重要借鉴。

然而，对于过去的地表农业种植活动和未来转变模式对地下水量质的影响过程和机理尚未得到深入认识。贯穿整个包气带的原位观测试验是揭示这一过程机理的唯一途径。因此，在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下，中国科学院栾城农业生态系统试验站（以下简称“栾城站”）于 2016 年开始建设大型农田关键带观测平台“大埋深地下水-土壤-作物系统水分溶质循环试验观测平台”，建成了深度 48 m、内径 2.8 m 的观测竖井，用以开展农业与地下水关系研究；并于 2020 年 11 月初完成验收，之后被正式定名为“栾城关键带观测平台”（LC-CZO）。通过对作物根系层—深层包气带—饱和带的土壤水、热、溶质等关键要素和变量的监测，该平台可开展水分、溶质和污染物在厚包气带内的运移、转化规律研究，揭示饱和—非饱和过渡带水文过程及其与地下水补给关系，阐明农田生产活动的水肥迁移、转化及其对地下水量质变化的影响机制，为回答地表过程对地下水量-质演化影响机理提供实验平台支持，为国家重度农业活动区地下水资源量质双控和可持续管理提供解决途径。

国内外同类装置情况

过去几十年，针对厚包气带水分与溶质运移的监测，国内外已经建设了相关研究设施。根据观测平台的建设方式和观测方式，现有设施可分为蒸渗仪式、钻孔式和竖井式 3 种类型。在国外的相关设施中，美国能源部、美国爱达荷国家工程与环境实验室和以色列内盖夫本 × 古里安大学的平台最具代表性。美国能源部于 1978 年建设了深度达 7.6 m，内径为 2.7 m 的蒸渗仪式观测平台，较为全面地分析了土壤水盐运移规律和地下水潜在补给量。美国爱达荷国家工程与环境实验室通过对张力计进行改进，将之应用于深度达 73 m 的基质势观测，建设了钻孔式观测平台，利用该平台分析深层土壤水分运动方向，估算地下水补给量，为核废料处置区的安全性评估提供数据支持。以色列相关领域专家发明了倾斜钻孔式土壤水分观测和土壤溶液采集装置，布设于深度达 21 m 的包气带，用于分析深层土壤水分运动方向，估算地下水补给量，揭示地下水补给机理。

据文献调研，国内在深层包气带方面的监测开始于 20 世纪 80 年代。位于河北省栾城县的栾城站于 1985 年修建了深度为 12.5 m 的竖井式包气带水分观测平台，利用观测竖井对土壤含水量和基质势展开了连续观测。同时，河北省水文总站在太行山前平原的河北赵县建设了深度为 20 m 的竖井式监测平台，开展了土壤水分运动观测，分析包气带水分动态变化及运移特征，估算地下水补给速率。2011 年，栾城站又增设一处深度达 9 m 的竖井式观测平台；同年，中国地质科学院水文地质与环境地质研究所在河北省正定县试验场开始了天然植被下包气带水分与溶质运移的竖井式观测平台（深度超过 30 m）的建设。基于上述平台，国内学者分析了华北山前平原典型灌溉农田包气带水分动态变化特征和水分运移速率，初步阐明了该区域地下水垂向补给量及补给滞后时间，并对天然植被条件下的深厚包气带水分动态特征进行了分析。近年来，中国科学院水利部水土保持研究所等科研单位在黄土高原利用深埋式中子管（可视为钻孔式观测装置），开展了深层土壤和地下水的连续观测 。

总体来看，蒸渗仪式观测要素多，但观测深度有限，无法应用于厚包气带和地下水的观测；钻孔式建设成本相对较低，观测要素较为单一，且设施一旦损坏无法进行维护；竖井式建设成本相对较高，但观测要素多，易于维护，使用寿命较长。

由于地下水超采造成的地下水位加速下降，太行山前平原地区的包气带迅速增厚，加之栾城站现有的 2 个观测平台无法隔绝深层土壤与空气的气体和热量交换，无法满足深层土壤水文生物地球化学循环研究的要求，因此急需建设一个贯穿整个包气带的大埋深农田关键带观测设施及相关研究设施。综合考虑 3 种类型平台的优缺点，栾城站选择建设了竖井式观测平台。

2020 年 11 月，刘丛强院士在对栾城关键带观测平台现场验收时评价：“‘地球关键带’概念是 2001 年提出来的，该概念最大的科学价值在于强调了地球科学研究的系统性。地球关键带科学目前已深度融合了水文地质学、生态学、地理学、水文学、土壤物理学、地球化学等众多学科，是今后地球科学发展的一个重要方向。栾城关键带观测平台是国内第一个以‘关键带’命名的设施，开展从地表到地下水位的连续观测，是研究厚包气带水文-生物地球化学过程很好的、唯一的办法，中国科学院支持这类项目非常有远见。该平台不仅可以开展水、氮和溶质的运移转化规律，还可以开展气候变化背景下水文和生物地球化学循环方面的很多其他研究。建议主管部门做好长期的、稳定的支持，推动中国科学院相关网络台站的联合，发展区域尺度地球关键带科学研究。”