中國網/中國發展門戶網訊 中國科學院欒城農業生態系統試驗站（以下簡稱“欒城站”）位于華北太行山前沖洪積平原的中段，是地下水灌區高產農業生態類型的典型代表。由于近幾十年來大規模、高強度的農業生產，區域地下水超采嚴重，地下水污染風險加劇。然而，人類活動影響下的地表生態系統與地下含水層被厚包氣帶隔開，地表農業生產活動對地下水水量和水質的影響機理尚不明確。目前，開展貫穿整個包氣帶的原位監測試驗，是揭示這一過程機理的唯一途徑。因此，建立大型農田關鍵帶觀測平臺，是開展農業與地下水關系研究的重要需求。在中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目的支持下，欒城站建設的“欒城關鍵帶觀測平臺”，通過對作物根系層—深層包氣帶—飽和帶的土壤水、熱、溶質等關鍵要素和變量的監測，可開展水分、溶質和污染物在厚包氣帶內的運移、轉化規律研究，揭示飽和—非飽和過渡帶水文過程及其與地下水補給關系，闡明農田生產活動的水肥遷移、轉化及其對地下水量質變化的影響機制，為回答地表過程對地下水量質演化影響機理提供實驗平臺支持。

欒城關鍵帶觀測平臺建設的目的和意義

平臺建設背景與科學意義

華北平原因農業灌溉導致地下水嚴重超采，進而造成河道干涸、湖泊濕地萎縮等水系統破壞和區域性生態退化問題。在太行山前平原地區，第一含水層組已基本疏干，地下水開采成本逐年增加；而在東部低平原區，深層地下水超采也導致壓力水頭不斷降低，甚至引發了嚴重的地面沉降等次生地質災害。與此同時，淺層地下水硝酸鹽濃度超標比例顯著升高，地下水的農業面源污染風險日益加劇。

華北平原作為我國北方地區地下水超采最為嚴重的地區，其面臨的水資源短缺、生態退化和經濟繼續發展壓力也最為典型。目前，這一區域最大的國家需求是遏制地下水進一步超采和逐步恢復受損的生態環境，實現地下水資源的可持續利用，以支撐經濟的增長和轉型升級。在區域經濟一體化發展和社會經濟轉型升級巨大需求的驅動下，華北平原的農業生產模式也亟待盡快轉型升級，即由高產高耗水型農業模式向高效適水型農業模式轉變。與此同時，我國西北和東北地區也由于不合理農業開發普遍引起地下水超采問題，正逐步顯現與華北平原類似的地下水和生態問題。因此，研究華北平原地下水可持續管理的解決途徑，可為我國北方其他地區日益凸顯的地下水問題防治提供重要借鑒。

然而，對于過去的地表農業種植活動和未來轉變模式對地下水量質的影響過程和機理尚未得到深入認識。貫穿整個包氣帶的原位觀測試驗是揭示這一過程機理的唯一途徑。因此，在中國科學院野外站網絡重點科技基礎設施建設項目的支持下，中國科學院欒城農業生態系統試驗站（以下簡稱“欒城站”）于?2016?年開始建設大型農田關鍵帶觀測平臺“大埋深地下水-土壤-作物系統水分溶質循環試驗觀測平臺”，建成了深度?48?m、內徑?2.8?m?的觀測豎井，用以開展農業與地下水關系研究；并于?2020?年?11?月初完成驗收，之后被正式定名為“欒城關鍵帶觀測平臺”（LC-CZO）。通過對作物根系層—深層包氣帶—飽和帶的土壤水、熱、溶質等關鍵要素和變量的監測，該平臺可開展水分、溶質和污染物在厚包氣帶內的運移、轉化規律研究，揭示飽和—非飽和過渡帶水文過程及其與地下水補給關系，闡明農田生產活動的水肥遷移、轉化及其對地下水量質變化的影響機制，為回答地表過程對地下水量-質演化影響機理提供實驗平臺支持，為國家重度農業活動區地下水資源量質雙控和可持續管理提供解決途徑。

國內外同類裝置情況

過去幾十年，針對厚包氣帶水分與溶質運移的監測，國內外已經建設了相關研究設施。根據觀測平臺的建設方式和觀測方式，現有設施可分為蒸滲儀式、鉆孔式和豎井式?3?種類型。在國外的相關設施中，美國能源部、美國愛達荷國家工程與環境實驗室和以色列內蓋夫本?×?古里安大學的平臺最具代表性。美國能源部于?1978?年建設了深度達?7.6?m，內徑為?2.7?m?的蒸滲儀式觀測平臺，較為全面地分析了土壤水鹽運移規律和地下水潛在補給量。美國愛達荷國家工程與環境實驗室通過對張力計進行改進，將之應用于深度達?73?m?的基質勢觀測，建設了鉆孔式觀測平臺，利用該平臺分析深層土壤水分運動方向，估算地下水補給量，為核廢料處置區的安全性評估提供數據支持。以色列相關領域專家發明了傾斜鉆孔式土壤水分觀測和土壤溶液采集裝置，布設于深度達?21?m?的包氣帶，用于分析深層土壤水分運動方向，估算地下水補給量，揭示地下水補給機理。

據文獻調研，國內在深層包氣帶方面的監測開始于?20?世紀?80?年代。位于河北省欒城縣的欒城站于?1985?年修建了深度為?12.5?m?的豎井式包氣帶水分觀測平臺，利用觀測豎井對土壤含水量和基質勢展開了連續觀測。同時，河北省水文總站在太行山前平原的河北趙縣建設了深度為?20?m?的豎井式監測平臺，開展了土壤水分運動觀測，分析包氣帶水分動態變化及運移特征，估算地下水補給速率。2011?年，欒城站又增設一處深度達?9?m?的豎井式觀測平臺；同年，中國地質科學院水文地質與環境地質研究所在河北省正定縣試驗場開始了天然植被下包氣帶水分與溶質運移的豎井式觀測平臺（深度超過?30?m）的建設。基于上述平臺，國內學者分析了華北山前平原典型灌溉農田包氣帶水分動態變化特征和水分運移速率，初步闡明了該區域地下水垂向補給量及補給滯后時間，并對天然植被條件下的深厚包氣帶水分動態特征進行了分析。近年來，中國科學院水利部水土保持研究所等科研單位在黃土高原利用深埋式中子管（可視為鉆孔式觀測裝置），開展了深層土壤和地下水的連續觀測?。

總體來看，蒸滲儀式觀測要素多，但觀測深度有限，無法應用于厚包氣帶和地下水的觀測；鉆孔式建設成本相對較低，觀測要素較為單一，且設施一旦損壞無法進行維護；豎井式建設成本相對較高，但觀測要素多，易于維護，使用壽命較長。

由于地下水超采造成的地下水位加速下降，太行山前平原地區的包氣帶迅速增厚，加之欒城站現有的?2?個觀測平臺無法隔絕深層土壤與空氣的氣體和熱量交換，無法滿足深層土壤水文生物地球化學循環研究的要求，因此急需建設一個貫穿整個包氣帶的大埋深農田關鍵帶觀測設施及相關研究設施。綜合考慮?3?種類型平臺的優缺點，欒城站選擇建設了豎井式觀測平臺。

2020?年?11?月，劉叢強院士在對欒城關鍵帶觀測平臺現場驗收時評價：“‘地球關鍵帶’概念是?2001?年提出來的，該概念最大的科學價值在于強調了地球科學研究的系統性。地球關鍵帶科學目前已深度融合了水文地質學、生態學、地理學、水文學、土壤物理學、地球化學等眾多學科，是今后地球科學發展的一個重要方向。欒城關鍵帶觀測平臺是國內第一個以‘關鍵帶’命名的設施，開展從地表到地下水位的連續觀測，是研究厚包氣帶水文-生物地球化學過程很好的、唯一的辦法，中國科學院支持這類項目非常有遠見。該平臺不僅可以開展水、氮和溶質的運移轉化規律，還可以開展氣候變化背景下水文和生物地球化學循環方面的很多其他研究。建議主管部門做好長期的、穩定的支持，推動中國科學院相關網絡臺站的聯合，發展區域尺度地球關鍵帶科學研究。”