中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)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(qū)高產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型的典型代表。由于近幾十年來大規(guī)模、高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，區(qū)域地下水超采嚴(yán)重，地下水污染風(fēng)險(xiǎn)加劇。然而，人類活動(dòng)影響下的地表生態(tài)系統(tǒng)與地下含水層被厚包氣帶隔開，地表農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)地下水水量和水質(zhì)的影響機(jī)理尚不明確。目前，開展貫穿整個(gè)包氣帶的原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，是揭示這一過程機(jī)理的唯一途徑。因此，建立大型農(nóng)田關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)，是開展農(nóng)業(yè)與地下水關(guān)系研究的重要需求。在中國(guó)科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的支持下，欒城站建設(shè)的“欒城關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)”，通過對(duì)作物根系層—深層包氣帶—飽和帶的土壤水、熱、溶質(zhì)等關(guān)鍵要素和變量的監(jiān)測(cè)，可開展水分、溶質(zhì)和污染物在厚包氣帶內(nèi)的運(yùn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，揭示飽和—非飽和過渡帶水文過程及其與地下水補(bǔ)給關(guān)系，闡明農(nóng)田生產(chǎn)活動(dòng)的水肥遷移、轉(zhuǎn)化及其對(duì)地下水量質(zhì)變化的影響機(jī)制，為回答地表過程對(duì)地下水量質(zhì)演化影響機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。

欒城關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)的目的和意義

平臺(tái)建設(shè)背景與科學(xué)意義

華北平原因農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致地下水嚴(yán)重超采，進(jìn)而造成河道干涸、湖泊濕地萎縮等水系統(tǒng)破壞和區(qū)域性生態(tài)退化問題。在太行山前平原地區(qū)，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(qū)，深層地下水超采也導(dǎo)致壓力水頭不斷降低，甚至引發(fā)了嚴(yán)重的地面沉降等次生地質(zhì)災(zāi)害。與此同時(shí)，淺層地下水硝酸鹽濃度超標(biāo)比例顯著升高，地下水的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)日益加劇。

華北平原作為我國(guó)北方地區(qū)地下水超采最為嚴(yán)重的地區(qū)，其面臨的水資源短缺、生態(tài)退化和經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展壓力也最為典型。目前，這一區(qū)域最大的國(guó)家需求是遏制地下水進(jìn)一步超采和逐步恢復(fù)受損的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用，以支撐經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和轉(zhuǎn)型升級(jí)。在區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)巨大需求的驅(qū)動(dòng)下，華北平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式也亟待盡快轉(zhuǎn)型升級(jí)，即由高產(chǎn)高耗水型農(nóng)業(yè)模式向高效適水型農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，我國(guó)西北和東北地區(qū)也由于不合理農(nóng)業(yè)開發(fā)普遍引起地下水超采問題，正逐步顯現(xiàn)與華北平原類似的地下水和生態(tài)問題。因此，研究華北平原地下水可持續(xù)管理的解決途徑，可為我國(guó)北方其他地區(qū)日益凸顯的地下水問題防治提供重要借鑒。

然而，對(duì)于過去的地表農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)和未來轉(zhuǎn)變模式對(duì)地下水量質(zhì)的影響過程和機(jī)理尚未得到深入認(rèn)識(shí)。貫穿整個(gè)包氣帶的原位觀測(cè)試驗(yàn)是揭示這一過程機(jī)理的唯一途徑。因此，在中國(guó)科學(xué)院野外站網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的支持下，中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)稱“欒城站”）于?2016?年開始建設(shè)大型農(nóng)田關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)“大埋深地下水-土壤-作物系統(tǒng)水分溶質(zhì)循環(huán)試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)”，建成了深度?48?m、內(nèi)徑?2.8?m?的觀測(cè)豎井，用以開展農(nóng)業(yè)與地下水關(guān)系研究；并于?2020?年?11?月初完成驗(yàn)收，之后被正式定名為“欒城關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)”（LC-CZO）。通過對(duì)作物根系層—深層包氣帶—飽和帶的土壤水、熱、溶質(zhì)等關(guān)鍵要素和變量的監(jiān)測(cè)，該平臺(tái)可開展水分、溶質(zhì)和污染物在厚包氣帶內(nèi)的運(yùn)移、轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，揭示飽和—非飽和過渡帶水文過程及其與地下水補(bǔ)給關(guān)系，闡明農(nóng)田生產(chǎn)活動(dòng)的水肥遷移、轉(zhuǎn)化及其對(duì)地下水量質(zhì)變化的影響機(jī)制，為回答地表過程對(duì)地下水量-質(zhì)演化影響機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持，為國(guó)家重度農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)地下水資源量質(zhì)雙控和可持續(xù)管理提供解決途徑。

國(guó)內(nèi)外同類裝置情況

過去幾十年，針對(duì)厚包氣帶水分與溶質(zhì)運(yùn)移的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建設(shè)了相關(guān)研究設(shè)施。根據(jù)觀測(cè)平臺(tái)的建設(shè)方式和觀測(cè)方式，現(xiàn)有設(shè)施可分為蒸滲儀式、鉆孔式和豎井式?3?種類型。在國(guó)外的相關(guān)設(shè)施中，美國(guó)能源部、美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室和以色列內(nèi)蓋夫本?×?古里安大學(xué)的平臺(tái)最具代表性。美國(guó)能源部于?1978?年建設(shè)了深度達(dá)?7.6?m，內(nèi)徑為?2.7?m?的蒸滲儀式觀測(cè)平臺(tái)，較為全面地分析了土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律和地下水潛在補(bǔ)給量。美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)張力計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將之應(yīng)用于深度達(dá)?73?m?的基質(zhì)勢(shì)觀測(cè)，建設(shè)了鉆孔式觀測(cè)平臺(tái)，利用該平臺(tái)分析深層土壤水分運(yùn)動(dòng)方向，估算地下水補(bǔ)給量，為核廢料處置區(qū)的安全性評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。以色列相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)明了傾斜鉆孔式土壤水分觀測(cè)和土壤溶液采集裝置，布設(shè)于深度達(dá)?21?m?的包氣帶，用于分析深層土壤水分運(yùn)動(dòng)方向，估算地下水補(bǔ)給量，揭示地下水補(bǔ)給機(jī)理。

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，國(guó)內(nèi)在深層包氣帶方面的監(jiān)測(cè)開始于?20?世紀(jì)?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(cè)平臺(tái)，利用觀測(cè)豎井對(duì)土壤含水量和基質(zhì)勢(shì)展開了連續(xù)觀測(cè)。同時(shí)，河北省水文總站在太行山前平原的河北趙縣建設(shè)了深度為?20?m?的豎井式監(jiān)測(cè)平臺(tái)，開展了土壤水分運(yùn)動(dòng)觀測(cè)，分析包氣帶水分動(dòng)態(tài)變化及運(yùn)移特征，估算地下水補(bǔ)給速率。2011?年，欒城站又增設(shè)一處深度達(dá)?9?m?的豎井式觀測(cè)平臺(tái)；同年，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究所在河北省正定縣試驗(yàn)場(chǎng)開始了天然植被下包氣帶水分與溶質(zhì)運(yùn)移的豎井式觀測(cè)平臺(tái)（深度超過?30?m）的建設(shè)。基于上述平臺(tái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者分析了華北山前平原典型灌溉農(nóng)田包氣帶水分動(dòng)態(tài)變化特征和水分運(yùn)移速率，初步闡明了該區(qū)域地下水垂向補(bǔ)給量及補(bǔ)給滯后時(shí)間，并對(duì)天然植被條件下的深厚包氣帶水分動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了分析。近年來，中國(guó)科學(xué)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(cè)裝置），開展了深層土壤和地下水的連續(xù)觀測(cè)?。

總體來看，蒸滲儀式觀測(cè)要素多，但觀測(cè)深度有限，無(wú)法應(yīng)用于厚包氣帶和地下水的觀測(cè)；鉆孔式建設(shè)成本相對(duì)較低，觀測(cè)要素較為單一，且設(shè)施一旦損壞無(wú)法進(jìn)行維護(hù)；豎井式建設(shè)成本相對(duì)較高，但觀測(cè)要素多，易于維護(hù)，使用壽命較長(zhǎng)。

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(qū)的包氣帶迅速增厚，加之欒城站現(xiàn)有的?2?個(gè)觀測(cè)平臺(tái)無(wú)法隔絕深層土壤與空氣的氣體和熱量交換，無(wú)法滿足深層土壤水文生物地球化學(xué)循環(huán)研究的要求，因此急需建設(shè)一個(gè)貫穿整個(gè)包氣帶的大埋深農(nóng)田關(guān)鍵帶觀測(cè)設(shè)施及相關(guān)研究設(shè)施。綜合考慮?3?種類型平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，欒城站選擇建設(shè)了豎井式觀測(cè)平臺(tái)。

2020?年?11?月，劉叢強(qiáng)院士在對(duì)欒城關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)評(píng)價(jià)：“‘地球關(guān)鍵帶’概念是?2001?年提出來的，該概念最大的科學(xué)價(jià)值在于強(qiáng)調(diào)了地球科學(xué)研究的系統(tǒng)性。地球關(guān)鍵帶科學(xué)目前已深度融合了水文地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、水文學(xué)、土壤物理學(xué)、地球化學(xué)等眾多學(xué)科，是今后地球科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。欒城關(guān)鍵帶觀測(cè)平臺(tái)是國(guó)內(nèi)第一個(gè)以‘關(guān)鍵帶’命名的設(shè)施，開展從地表到地下水位的連續(xù)觀測(cè)，是研究厚包氣帶水文-生物地球化學(xué)過程很好的、唯一的辦法，中國(guó)科學(xué)院支持這類項(xiàng)目非常有遠(yuǎn)見。該平臺(tái)不僅可以開展水、氮和溶質(zhì)的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律，還可以開展氣候變化背景下水文和生物地球化學(xué)循環(huán)方面的很多其他研究。建議主管部門做好長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的支持，推動(dòng)中國(guó)科學(xué)院相關(guān)網(wǎng)絡(luò)臺(tái)站的聯(lián)合，發(fā)展區(qū)域尺度地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究。”