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）

栾城关键带观测平台建设目标、难点及解决方案

建设目标

栾城关键带观测平台可为根系层—厚包气带—饱水带的水、热与溶质运移过程提供直接的观测数据。竖井建设深度为 48 m，直径 2.8 m，可分层开展土壤物理、化学和生物过程关键要素和变量的监测，可用于研究从作物冠层到地下水这一典型地球关键带水、热、溶质的运移和循环过程（包括农田水分从包气带到地下水的运动和补给过程及规律），以及氮素从地表到地下水的迁移和转化规律等。

建设难点与解决方案

栾城关键带观测平台在建设过程中的难点在于如何减少设施对监测环境的扰动；如何减少井筒施工过程对周边原状土壤的破坏；在施工完成后，如何最大程度降低设施的地面部分对监测环境的影响；以及如何确保观测数据的质量。

（1）减少井筒施工过程对周边原状土壤的破坏。竖井采用沉降法施工，分段压入土壤。为减少对周围土壤的干扰，施工全程采用在钢筒内人工挖掘的方法开展。钢筒分段长度为 2 m，在压入土体前，先在筒壁上开凿用于安装仪器探头的预留孔；每沉降一段后，焊接后续钢筒。钢筒内外均采用环氧富锌漆涂刷，提高防锈能力。在施工过程中，定期检查竖井的垂直度。施工完成后，竖井钢筒上端高出地面 1.3 m，下端最深处低于观测井底平台 0.5 m，井筒总长 49.8 m，最终形成的厚包气带观测剖面有效深度为 48 m；中心垂直偏差 8 cm，满足设计要求。为了减小井筒下压过程中筒壁与土层的接触阻力，将最下端钢筒下口加工成刀口形状，等间距安装刀齿；同时，在井筒外壁上安装导条，以进一步减小井筒外壁与土壤间的摩擦力，并可有效防止土壤塌陷。刀齿和导条在圆周上均匀分布；施工完成后，井筒外壁与周边土壤的缝隙由该层位土壤制备的泥浆填充。

（2）降低设施对监测环境的影响。施工期间井筒周边 4 m 范围内的地面用木板铺垫。在木板上铺设厚度约 40 cm 的土层，以减少施工过程中人员踩踏和设备、材料覆压等对周边土壤的夯实效应。建设完成后，井盖上安装通风设备，利用雨水导流系统，将雨水收集后导流至观测范围以外 20 m 处的道路旁边。井壁内安装隔热层（钢板与钢筒间隔 5 cm，填充发泡胶），隔绝土壤与外界的热量交换，最大程度地减少井筒内温度变化对深层土壤生物地球化学过程的影响。

（3）确保数据监测质量。为确保后期监测数据的质量，核心工作是做好传感器的筛选、一致性对比、标定、安装和维护等工作。根据平台所在区域的土壤特点和安装需求，综合考虑传感器的量程、精度、坚实耐用程度等方面的因素，确定了传感器的型号。安装之前，做好传感器的一致性对比，在同一水分条件下的土壤里，放置不同的传感器，分析传感器之间的数据差异，并根据序列号做好记录；根据已知的水分条件，对传感器进行分层标定。传感器的目标安装位置为内壁向外 1.5 m，这样可以最大限度地减少井壁对观测数值的干扰。每安装好一批传感器，应及时连接数据采集器查看数据，进行现场检验；经检验合格后，再安装下一批。后期应定时检查监测数据，针对异常数据及时排除故障，进行传感器的维护、检修或更新。