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对相关学科领域的支撑作用

栾城关键带观测平台可原位监测从地面至地下水位波动带的水分、盐分、污染物的迁移转化过程，用于研究垂向上的物质传输土壤转化过程。该项目的建成可以实现对华北平原最具有代表性的种植类型（冬小麦-夏玉米轮作）农田关键带物质能量传输转化过程及其控制机理开展原位观测研究；可集成不同领域和对象的研究，从农学、土壤物理学家重点研究的根系层，到根系层以下的深层包气带，再到水文地质学家重点研究的饱和带，可以串联起不同学科的交叉研究；也可集成不同过程的监测研究，强调对关键带中发生的物理学、生物学、化学过程进行综合监测，未来可实现对地下水-土壤-作物-大气连续体（GSPAC）中碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等元素的生物地球化学循环过程的研究。基于上述功能，栾城关键带观测平台将架起连接农田生态系统中短时间尺度、快反应、易观测的生态学过程研究与地下水量质演变相关的长时间尺度、慢反应、难识别的生物地球化学过程研究的桥梁，促进农学、土壤物理学、包气带水文学、土壤微生物学、水文地质学和生物地球化学等学科间的交叉研究和创新，从而为解决农业可持续发展和地下水量质管理领域前沿科学问题提供重要的支撑作用。

科学研究成效与未来计划

科学研究成效

（1）栾城站利用灌溉井改造的多个观测竖井（深度 9—12.5 m）开展农田关键带水、氮迁移过程及其驱动机制的观测、模拟和研究，定量研究了深层包气带水分和溶质运移过程，获得了新的认识，取得了重要研究进展，在相关领域权威期刊上发表了 10 余篇高质量论文。

（2）栾城关键带观测平台能探测到地下近 50 m的深层土壤，可以实现农业活动下土壤深层包气带到饱和带水、氮运移和土壤微生物的原位探测和实时监测，对解决农田关键带水分传输及水量再分配、包气带氮素迁移转化的生物地球化学机制等科学问题，启发了新的思路，提供了新的手段和方法。目前，基于栾城关键带观测平台，研究人员已获批国家自然科学基金重点项目“华北平原农田关键带水氮传输过程及其控制机制”，预期在农田关键带水、氮运移机理及农业生产活动对地下水量质变化的长远影响等方面取得进展。

（3）农业过度用水是我国北方地区生态退化的原因之一，发展适水农业的理论是区域可持续研究的重要学科需求。为此，栾城关键带观测平台在建设时设计了大型农田关键带科学研究综合设施，包括本设施 48 m 关键带观测竖井、大型室内土柱试验装置和大型水肥耦合蒸渗仪群。

未来研究计划

大型农田关键带科学研究综合设施将拓宽研究领域，系统回答地下水超采区农业适水发展和可持续发展需求的关键科学问题，是综合地学、农学和水资源科学等不同领域开展交叉研究的重大野外科学研究设施。未来拟通过与国内外多学科领域专家合作，共同为类似地区的农业可持续发展和地下水量质管理服务。

（1）建设大型室内土柱装置和大型蒸渗仪群。①大型土柱装置“厚包气带水盐运移机理大型试验土柱装置”。高度为 5 m，直径 50 cm，可装填不同地区的土壤，重点开展室内控制条件下根区以下水盐运移和污染物削减的控制试验研究。拟建 18 套，已建成 3 套。② 大型蒸渗仪群“水-肥-作物耦合大型蒸渗仪群”。由 36 个深度为 2 m，表面积 1 m² 的蒸渗仪组成，其中 12 个蒸渗仪为称重式，24 个非称重式；其用于研究“作物-根层土壤系统”的作物（或牧草）在不同水肥调控下的生产力水平和水分养分平衡过程，定量不同农业种植模式下水分溶质淋失量及其对地下水量质的潜在影响，从而为筛选合理的适水农作模式提供科学数据，服务农业可持续发展。

（2）主要研究计划。未来将聚焦于根区以下水分和溶质（含污染物）迁移转化过程的研究，开展不同作物或牧草的水肥耦合种植模式和耗水、入渗过程及肥料迁移转化等问题，筛选适合栾城站区域气候特点的可持续农业种植模式。近期研究计划如下：① 持续开展深层包气带生物物理化学过程原位监测；② 水分、溶质和污染物在厚包气带内的运移、转化规律；③ 饱和—非饱和过渡带水文过程及其与地下水补给的关系；④ 农田施肥的氮素迁移、转化及淋滤对地下水质量的影响机制。