江汉平原地球关键带监测网建设进展

李俊琦， 马腾， 邓娅敏， 杜尧， 王志强， 姜月华

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，武汉 430074； 2.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016)

0 引言

2001年美国国家科学研究委员会提出地球关键带概念伊始，地球关键带即被视为地球科学研究基础六大机遇之首[1]。地球关键带是指“靠近地球表面的、有渗透性的、介于大气圈和岩石圈之间的地带，垂直方向的范围从树的顶端往下直到地下水深层，由地表岩石-土壤-水-生物-大气相互作用形成的不可分割、有机联系、不断变化的动态系统”。地球关键带是大气圈、水圈和岩石圈的交汇带[2]，是各个圈层进行物质迁移、能量交换的主要区域[3]，具有调节自然生境、供应维系生命各种资源的功能，同时也是人类生存和活动作用的直接对象，对人类的可持续发展至关重要[2]。在过去十几年间，美国国家科学基金会和美国地质调查局分别在环境梯度较大的地球关键带建站观测[4]，在地球关键带地质、地理和微生物填图等领域开展了大量探索性工作。2006年欧盟发布土壤保护主题战略(soil transformations in European catchments，SoilTrEC)，开展以土壤结构为核心的地球关键带调查和观测[5-6]。法国、德国和澳大利亚也分别推出了地球关键带提升计划(critical zone programme of excellence，CRITEX)、陆地环境观测计划(terrestrial environmental observatories，TERENO)和超级观测站点计划(supersite network)[7-8]。2014年美国国家科学基金会公布其新的地球关键带研究计划，地球关键带观测站达到10个，并形成首个地表过程系统观测网络[9]。在上述工作基础上，建立了覆盖全球的关键带研究网络(critical zone exploration network，CZEN)，目前该网络已包括100余个地球关键带观测站点。

我国开展地球关键带研究相对较晚[10-11]，地球关键带的概念最早是由土壤科学与水文土壤学领域引入我国[11-12]。目前，中国科学院已经初步形成了由贵州普定—荔波喀斯特生态系统观测研究站、江西鹰潭红壤生态实验站、陕西黄土高原观测站和浙江宁波城市城郊地球关键带观测点等多个站点组成的地球关键带监测网络，主要侧重于不同自然地理(岩溶地区、黄土高原、红壤地区和城镇城郊)背景下小流域尺度物质循环的地球化学过程观测。近年来，我国地质调查单位对地球关键带的调查研究也逐渐重视并不断深入，已经成为地质科学工作的主战场[13]。针对地球关键带的调查研究，Lin[14]提出了以填图(Mapping)、监测(Monitoring)和建模(Modeling)为基础的“3M”体系作为解决复杂地球关键带过程的方法体系，而如何将“3M”体系进一步整合从而形成符合我国实情的统一地球关键带调查、研究范式，尚需进一步探索[15]。

江汉平原位于长江流域核心区，处于第一、三阶梯过渡带，是长江流过三峡后的首个大型沉积盆地。江汉平原堆积了200多m厚、以河湖相为主的第四纪沉积物[16]，构成了该区重要的孔隙含水系统，同时连接了地球上最大的高原和海洋。在亚洲季风气候控制下，河流携带大量的水沙，对流域地球关键带的结构、物质组成与循环产生重要影响。江汉平原作为长江经济带的重要组成部分，是国家层面重点的生态功能区，也是国家重要的商品棉、粮、油生产基地，在我国，尤其是在长江中游地区的经济社会发展中具有重要的战略地位。但是，随着经济社会的快速发展，特别是三峡工程、南水北调中线工程和引江济汉工程等人类重大水利工程的影响下，江汉平原水资源供需矛盾愈加突出，地下水位下降、湿地退化和地下水污染等环境地质问题日益严重和复杂[17]。因此，建设江汉平原地球关键带监测网，能从资源开发、环境保护、生态改善和灾害防治等4个方面服务社会需求，在为水资源开发和农业活动提供建议、保障区域农产品和水产品安全、评价重大水利工程的生态影响、防治区域冷浸田和洪涝灾害等方面，显得十分迫切和必要。

为此，中国地质调查局于2014年和2016年在长江经济带地质环境综合调查工程下分别启动了子项目“江汉平原重点地区1∶5万水文地质调查”和二级项目“汉江下游旧口—沔阳段地球关键带1∶5万环境地质调查”，旨在为我国地球关键带环境地质调查体系的建立探索方法并积累经验。项目执行5 a来，在建立江汉平原地球关键带研究体系的基础上，查明了江汉平原地球关键带地下水-地表水演变、循环及其相互作用，建立了江汉平原地球关键带地下水-地表水耦合模型，形成了地球关键带微生物结构及填图技术方法，提出了长江流域地球关键带综合地质调查和研究的初步规划与设想，建成了江汉平原地球关键带监测网络。本文重点介绍江汉平原地球关键带监测网络的设计体系与建设进展。

1 江汉平原地球关键带监测网建设

1.1 建设目标

江汉平原水利工程密集分布。调水(如引江济汉、南水北调工程)、拦水(如兴隆水利枢纽、三峡工程等)、排水(如广泛分布的垸田内沟渠、泵站等排水工程)、引水(如天南长渠、兴隆河等)等人类活动，显著影响了区域内原有的水资源分配过程。尤其是调水、拦水等大型水利工程，使江汉平原原有的水资源分布格局被打破，这将使江汉平原地球关键带的水循环发生巨大改变，进而影响地球关键带的物质循环过程和服务功能。

本监测网以流域为单位对地球关键带要素进行观测，重点关注大型水利工程等人类活动影响下的地貌、水文及生物地球化学过程，开展表层土壤碳氮埋藏调查，构建地球关键带耦合模型进行水利工程影响预测。主要科学目标是从不同尺度的流域中捕获水利工程影响下地球关键带要素的变化。

1.2 具体部署

针对不同规模的水利工程，在研究区内进行场地遴选。根据不同水利工程对江汉平原的影响程度，将江汉平原监测网分为3个级别： 盆地尺度、汉江下游流域尺度和小流域尺度。其中，大型水利工程(如三峡工程、南水北调工程)影响研究主要选择长江—汉江干流断面； 中型水利工程(如引江济汉工程、兴隆水利枢纽)影响研究主要选择汉江干流断面； 小型闸口、泵站主要选择通顺河(汉江支流)流域。目前监测网内共有监测断面10处，分别为马良断面、鲍咀断面、新滩断面、泽口断面、深江断面、李滩断面、仙桃断面和3个长江—汉江大剖面，从北西至南东控制着长江与汉江主要支流汇入口和区内大型水利工程，具体见图1。

图1 江汉平原地球关键带监测网部署

Fig.1MonitoringnetworkdeploymentofEarth′sCriticalZoneinJianghanPlain

1.2.1 盆地尺度

盆地尺度监测网主要由3个跨长江和汉江的大断面(图1紫线1-1′，2-2′，3-3′)构成，包括17个综合监测孔，具体分布见图1。其主要功能是监测大型水利工程(三峡工程、南水北调工程)运行下对江汉平原地球关键带水文-生态地球化学过程的影响。

1.2.2 汉江下游流域尺度

汉江下游流域尺度监测网主要考虑兴隆水利枢纽和引江济汉工程的影响。监测断面主要分为边界断面(马良和仙桃)(图2)和功能断面(鲍咀、新滩和泽口)2种类型。由图1可以看出马良和仙桃监测断面分别位于监测区域的上游和下游边界，作为以反映区域背景为目的的监测断面，这2个监测断面所在区域距离兴隆水利枢纽和引江济汉工程都超过60 km，几乎未受到兴隆水利枢纽的影响。

(a) 马良监测断面 (b) 仙桃监测断面

图2 边界断面部署

Fig.2Deploymentofboundarytransects

马良监测断面(图2(a))位于沙洋县马良山附近、引江济汉工程上游，监测场内基岩出露，主要为中奥陶统灰岩和泥岩，此监测场主要作为江汉平原各要素背景值监测点，由于处在丘陵岗地与低平原区的过渡带，可对比同一气候条件下不同地貌与岩性组合影响下地球关键带功能与演化的差异。该监测断面拥有多水平监测井2处(CZ022和CZ023)、地表水监测点1处、土壤气体监测点1处、土壤监测点1处、微生物采样点1处。仙桃监测断面(图2(b))位于仙桃市区附近，拥有多水平监测井3处(CZ024，CZ025和CZ026)、地表水监测点1处、土壤气体监测点1处、土壤监测点1处、微生物采样点1处。

鲍咀、新滩和泽口监测断面位于兴隆水利枢纽附近(图3)，分别位于兴隆水利枢纽上游1 km、下游1 km和下游10 km处。该地段位于大中型水利工程生态环境影响最敏感的河段，且竣工运行时间较短，可精细监测大型水利工程修建后地球关键带结构、水循环与物质循环的演化。这3个断面共有14个监测点(CZ001—CZ0014)，每个监测断面上各个监测点按离汉江20 m、50 m、500 m、1 km、2 km的距离布置，每个监测点都分别拥有1处多水平监测井、1处土壤监测点和1处土壤气体监测点。

(a) 鲍咀和新滩监测断面 (b) 泽口监测断面

图3 功能断面部署

Fig.3Deploymentoffunctiontransects

1.2.3 小流域尺度

江汉平原作为一个典型的农业区，区内有超过1 000个为农业灌溉服务的小规模闸口、泵站。在小区域范围内，小型水利工程可能会比三峡工程等对该区域的水-物质循环影响程度更大。

由图1可知，通顺河是汉江的重要支流之一，从上游至下游分布着深江闸、毛咀闸和徐鸳泵等6个水利工程，深江闸和毛咀闸覆盖其下游仙桃市毛咀镇等6个村镇的作物灌溉。其中，深江闸上游与毛咀闸下游水位差为0.8～2 m(受小型水利工程影响)； 通顺河同一位置季节性水位波动为3～5 m(受季节影响)。通顺河具有阶梯状结构的低渗透性河岸带，不同于汉江的砂质结构河岸，因此，设置毛咀监测场来监测小型水利工程对小区域范围的影响。如图4(a)所示，毛咀监测场设有2个监测断面(李滩和深江监测断面)，分别在李滩(图4(b))和深江监测断面(图4(c))的不同位置(岸边1 m和3 m、河岸低地8 m、河岸高地15 m)各建设4个监测点，每个点设立多水平监测井4处(李滩监测断面CZ019—CZ022，深江监测断面CZ015—CZ018，井深分别为4.5 m、10 m、15 m、30 m)、土壤监测点1处、土壤气体监测点1处，并设置通量塔监测气象水文信息。此外，通过与当地协调获取通顺河水位、流量、降水以及毛咀闸、深江闸等水利工程运行信息。

(a) 李滩监测断面和深江监测断面位置

图4-1 小流域尺度监测断面位置及部署Fig.4-1 Location and deployment of small watershed monitoring transects

(b) 李滩监测断面 (c) 深江监测断面

图4-2 小流域尺度监测断面位置及部署Fig.4-2 Location and deployment of small watershed monitoring transects

1.3 监测指标与技术

地球关键带位于地球表层，即大陆地壳的最外层，最上层包括陆地表层以及地表的湖泊、河流、植被，也包括海岸带和浅海区，最下边界对应最深地下水含水层的底板[1]。按自然物质类别分布情况，地球关键带在垂向上可进一步划分出大气、植被、包气带、饱水带、弱透水层和基岩层带，每2个层带之间存在通量界面。汉江下游地球关键带可划分出大气-植被、植被-土壤、包气带-饱水带、弱透水层-含水层和含水层-基岩这5个界面，本区布置的监测网针对这5个界面，开展地球关键带结构与通量研究。根据该地区地球关键带垂向层带特征，设计监测网络对水、土、气、生物进行多样化、系统性监测。

(1)大气-植被界面。地球关键带最上层界面，主要监测对象为大气与地表植被； 主要监测设备为通量塔、传感器以及冰层、云层和地表高程监测卫星(ice, cloud and land elevation satellite，ICESAT)，监测指标有降水量、风速、光照强度、气温和植被丰度等。

(2)植被-土壤界面。主要监测对象为植被根系与耕植土； 时域反射计(time domain reflectometry, TDR)探头和根系观察仪等安装于监测场内种植不同植被(树林、大豆、棉花、玉米)不同深度的土壤中，监测指标有微生物类型、土壤酶含量、根系和土壤湿度等。

(3)包气带-饱水带界面。主要监测对象为包气带与饱水带； 主要监测手段为多水平监测井、钻探和X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)等，监测指标有毛细水化学性质、地下水水位、水温和流速等。

(4)含水层-弱透水层界面。主要监测对象为含水层与弱透水层； 主要监测手段为多水平监测井、钻探和XRD等，监测指标有弱透水层岩性与化学组成、地下水位和水温等。

(5)含水层-基岩界面。主要监测对象为含水层与基岩； 主要监测手段为多水平监测井、钻探和XRD等，监测指标有含水层岩性与化学组成、基岩岩性与化学组成等。

(6)其他。针对不同监测场地的实际情况，适当增加不同的监测指标(并非界面监测指标)； 通过多普勒超声技术查明鲍咀和新滩监测场附近汉江河道结构及其演变趋势； 利用流量计监测地表径流与水位； 借助ICESAT卫星遥感、无人机航空摄影测量和野外调查，获取地表三维空间信息和地表覆盖物信息，并通过高精度实时动态卫星定位系统(real-time kinematic global positioning system, RTK GPS)对影像信息进行校正，再结合物探技术查明地下结构。

汉江下游地球关键带网络各监测技术如表1所示。

表1 江汉平原监测网监测技术一览表Tab.1 Monitoring techniques of monitoring network in Jianghan Plain

1.4 监测网运行

监测网按样品采集及信息收集频率分为3类：

(1)一次性监测。在监测设备安装过程中所产生的钻孔、浅钻等土壤和基岩样品，按照不同深度进行采集和室内试验分析，测试项目包括矿物学指标、地球化学指标和微生物组成等，或者基于雷达、多普勒和物探等技术查明监测场地表、地下三维结构特征等。

(2)日尺度监测。在监测场内半永久性的监测点开展定期观测，监测对象包括包气带、饱水带、地表水、大气、微生物及植被，所关注的参数指标包括降水量、蒸发量、气温、地下水水位与常规参数、土壤含水率等，利用传感器或通量塔进行场地实时动态监测，数据自动记录并按时下载。毛咀监测场设有地球关键带试验基地一处，常驻若干名研究人员负责实时收集、保存动态监测数据并实时分类上传至江汉平原地球关键带监测网数据库。

(3)月度/季度监测。独立的样品采集活动包括在土壤剖面矿物组成、化学组成、粒度、重金属、有机碳，地下水水化学组分、土壤水负压、土壤水水化学、地下水流速流向，微生物类型和土壤酶含量等方面，按照丰、平、枯3个时段采样，每月或每季度进行集中性采样，尽量做到原位在线监测。

受技术条件及经费的限制，目前只有部分监测内容达到了实时在线监测要求。对于暂时无法做到在线监测的项目，尽量在野外现场进行分析测试，譬如，对于水化学和营养盐，利用美国哈希公司的便携式多参数水质仪和便携式分光光度计在现场进行快速测定，避免因样品运输、保存对测试结果造成的影响。对于无法现场测试的其他参数指标，尽量缩短样品运输和储存时间，回到实验室后，尽快进行样品分析测试，尽量减少因样品运输、保存过程造成的影响。

2 阶段性研究成果

到目前为止，该研究已获取了大量的第一手资料，主要包括兴隆水利枢纽附近的河道结构特征、汉江下游地区的地下水及河流化学特征、CO2与CH4气体通量、地下水-地表水水位特征、降水量、河岸带土壤水文特征及营养盐等。通过对监测数据的整理和分析，初步得到了研究区地球关键带要素的变化特征，构建了江汉平原地球关键带耦合模型，并建立了平原区地球关键带研究思路框架和方法体系。取得的主要进展包括：

(1)查明并证实了部分水化学指标受水利枢纽影响的情况。兴隆大坝下游地下水中Fe2+含量普遍具有距离汉江越远离子浓度越低的现象； 兴隆水利枢纽和南水北调工程导致地球关键带(靠近河岸带部分)的CH4气体浓度空间展布呈“源”“汇”格局。由于兴隆水利枢纽的蓄水作用，地下水水位上升，靠近河岸带的监测点出现CH4“源”效应(即释放效应，该点CH4浓度较高，CH4向周围逸散)，在CZ002点，CH4出现了较大排放速率(平均为1.73 mgC/(m2·h))，该点因为兴隆水库长期蓄水作用(水库蓄水水位为36.2 m)，地下水水位升高至0.6 m左右，导致了厌氧和强还原条件的产生，因此地表出现了较高的CH4排放； 而其余大部分监测点则呈现“汇”效应(即汇聚效应，该点CH4浓度较低，周围CH4向该点汇聚)，尤其是兴隆水利枢纽下游泽口监测断面，地下水水位相对兴隆水利枢纽上游断面监测点较深，在CZ010点，CH4出现了较大汇聚速率(平均为-0.85 mgC/(m2·h))，CH4在地下水水位以下20 cm处产生率最高，在向地表逸散过程中不断氧化，导致了该点地表排放呈现“汇”效应。因此，水利工程建设所导致的大坝上下游地下水水位的变化，造成了上下游CH4“源”“汇”效应的差异。

(2)建立了江汉平原地表水与地下水相互作用耦合模型，揭示了重大水利工程(主要为三峡工程与引江济汉工程)建设对地表水-地下水相互作用模式及生态环境的影响。研究表明： 江汉平原地表水和地下水相互作用明显，每年3—8月长江补给地下水，其他月份地下水补给长江； 每年6—9月汉江补给地下水，其他月份地下水补给汉江。长江补给地下水总量为6.78×108m3/a (引江济汉调水线以上河段占12.35%，下游占87.65%)，地下水补给长江总量为6.43×108m3/a(上游占17.43%，下游占82.57%)，净交换量为3.48×107m3/a(长江补给地下水)。汉江补给地下水总量为1.27×108m3/a(引江济汉调水线以上河段占14.27%，下游占85.73%)，地下水补给汉江的总量为2.44×108m3/a(上游占34.07%，下游占65.93%)，净交换量为-1.17×108m3/a(地下水补给汉江)。

通过江汉平原地表水与地下水相互作用耦合模型推演结果表明： 实施水利工程10 a后，每年长江补给地下水的总量为6.04×108m3/a，减少了7.4×107m3/a (10.88%)，地下水向长江排泄量为6.66×108m3/a，增加了2.35×107m3/a (3.66%)，净交换量为-6.24×107m3/a，由长江补给地下水变为地下水补给长江； 每年汉江补给地下水的总量为1.86×108m3/a，增加了5.98×107m3/a (47.22%)，地下水向汉江排泄量为2.59×108m3/a，增加1.47×107(6.03%)，净交换量为-7.27×107m3/a(地下水补给汉江)，总体地下水仍补给汉江，但强度降低，补给量减少4.43×107m3/a (37.86%)。

(3)江汉平原监测网的建立，完善了平原区地球关键带“3M”的方法体系，构建了六维矩阵，即地球关键带是由地表岩石圈-大气圈-水圈-生物圈-人类活动-时间(r-a-w-b-h-t)相互作用形成的不可分割、有机联系、不断变化的动态系统，环境地质问题实质上是地表岩石圈-大气圈-水圈-生物圈-人类活动在不同时间尺度上相互作用的结果。对于不同的环境地质问题，其在地表岩石圈、大气圈、水圈、生物圈、人类活动和时间尺度上的主控变量(或指标)不同。因此，首先针对调查区内主要的环境地质问题，基于r-a-w-b-h-t关系对其解构，筛选出关键环境梯度变量，并构建六维矩阵，表达式为

Y=F(r，w，a，b∪h，t)，

(1)

式中：Y表示环境地质问题；r表示岩石圈；w表示水圈；a表示大气圈；b表示生物圈；h表示人类活动；t表示时间。然后，针对性地筛选出6个变量中影响具体地区、具体环境地质问题的关键变量，并以关键环境变量为依据进行图幅部署，总结出了平原区地球关键带监测研究方法指南。最后，基于以上方法体系，建立了江汉平原地球关键带监测网，并已于2018年12月正式纳入全球CZEN。

3 结论与展望

从2014年所依托的地质调查项目启动至今，已经在汉江下游地区初步建立了较为系统的监测网络体系，获取了大量的第一手数据，但监测工作还有很大的提升空间。在今后5～10 a间，我们将努力在监测设施建设和监测技术方面做较大的提升。

(1)在监测设施建设上，首先要尽快建立一套规模化的设施，尽快落实在线监测数据的远程传输以及监测数据的数据库建设，建立一个集科研、教学一体的可容纳数十人同时开展科研工作的工作站。

(2)引入新的监测技术，例如地下水原位监测、大气-植被界面气体通量监测等。迫切需要加强水文学、生态学和土壤物理化学方面的监测与研究，同时减少工作人员的工作量。

(3)需要加强江汉平原地球关键带生态-水文模型的研究工作，对于关键带模型的研究还很薄弱，目前基于已有数据建立的生态-水文模型仍有待完善，无法定量评价大型水利工程对汉江下游生态环境的影响。

在坚实的前期研究基础之上，近些年已在汉江下游地区部署了较为系统的监测体系，涵盖了地球关键带的各种要素，特别是生物、水体及温室气体等。在监测场的设置上，既考虑了不同级次水利工程的影响，也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征。在监测技术上，部分实现了在线高频监测，大部分达到了野外现场测试的要求。今后应让更多的监测内容实现在线监测并做到数据远程传输，在初步建成的江汉平原地球关键带监测网络基础上，将地球关键带调查与监测工作拓展到整个长江流域，面向长江上游生态脆弱区、长江中游湿地敏感区和长江下游城市密集区，有针对性地建设大规模、不同功能的监测网络。另外，将开展鄱阳湖—洞庭湖地区湿地地球关键带探索，借鉴已有的、较为成熟的地球关键带监测体系，避免以往湿地研究只重“地上”环境地质调查、忽视“地下”有关因素的情况，为合理开发利用两湖湿地资源、合理保护湿地生态环境提供建立在地球关键带监测研究基础上的科学解决方案。