吳炳方 趙 炎 曾 源

上：三峽水庫重慶奉節(jié)縣瞿塘峽江段。 攝影/黃正平

下：（衛(wèi)星遙感圖片）2001年10月22日，歐洲宇航局最小的人造地球觀測(cè)衛(wèi)星“普羅巴”(Proba)被發(fā)射升空，開始圍繞地球運(yùn)行，運(yùn)行周期為3年半。它拍攝到中國三峽水利工程。 攝影/國際圖/CFP

水庫的溫室氣體排放是水庫蓄水后產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。在全球氣候變暖的大背景下，發(fā)電水庫的溫室氣體排放已引起人們對(duì)水電的廣泛關(guān)注。

水庫的溫室氣體排放主要產(chǎn)生于匯入庫區(qū)水體中有機(jī)物質(zhì)的分解。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者基于生態(tài)學(xué)方法，對(duì)不同氣候、地形條件下的水庫開展了觀測(cè)研究，結(jié)果表明水庫存在一定量的溫室氣體排放，但在不同環(huán)境和流域背景條件下水庫的排放水平存在明顯的區(qū)別。即使在同一個(gè)水庫內(nèi)，受水庫形態(tài)以及水力和水環(huán)境條件空間異質(zhì)性的影響，不同水域的溫室氣體排放也存在顯著的差異。

影響水庫溫室氣體排放的主要過程可分為兩類：其一是為水庫或其沉積物提供有機(jī)碳的過程，其二是影響水庫溫室氣體產(chǎn)生與排放的過程。前者主要取決于水庫集水區(qū)內(nèi)通過地表徑流提供的有機(jī)物質(zhì)輸入和消落區(qū)內(nèi)植物、凋落物、土壤中挾帶的陸源有機(jī)質(zhì)；后者的影響因素則包括水體中有機(jī)質(zhì)、溫度、溶解氧以及表層水體初級(jí)生產(chǎn)力等水體理化特征的表征參數(shù)。通過對(duì)上述過程和參數(shù)的監(jiān)測(cè)，有助于了解和分析產(chǎn)生水庫溫室氣體排放強(qiáng)度及其時(shí)空變化的原因。

目前，國際上開展水庫溫室氣體研究尚未形成一套成熟的方法體系，如何以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǐ@得水庫的溫室氣體排放強(qiáng)度及其變化動(dòng)態(tài)，是各國學(xué)者正在努力探討的科學(xué)問題。

2008年8月，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）與國際水電協(xié)會(huì)（IHA）聯(lián)合啟動(dòng)“淡水水庫溫室氣體排放研究項(xiàng)目”，旨在了解水庫溫室氣體排放的影響及相關(guān)過程，基于其前期的研究成果，提出了《淡水水庫溫室氣體測(cè)量指南》（下簡(jiǎn)稱《指南》）?！吨改稀吩谑黾盎谠槐O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的排放量估算時(shí)，指出了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間尺度外推、時(shí)間整合以及凈排放量計(jì)算的重要性，但對(duì)于水庫溫室氣體排放這樣一種存在極強(qiáng)空間異質(zhì)與時(shí)間變異性的現(xiàn)象而言，《指南》推薦的統(tǒng)計(jì)分析方法存在明顯的不足。

因此，基于原位觀測(cè)的生態(tài)學(xué)研究方法，雖然有助于了解溫室氣體產(chǎn)生、排放的過程，但無法掌握水庫，尤其是大型水庫溫室氣體排放的空間分布特征和時(shí)間變化過程，從而使得水庫溫室氣體排放量的估算存在很大的不確定性?？茖W(xué)家L o u is等人對(duì)溫帶（加拿大、美國、芬蘭）與熱帶（巴西、法屬圭亞那）地區(qū)20多個(gè)水庫的水庫溫室氣體測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明不同氣候條件下水庫的排放存在明顯的差異。以甲烷為例：溫帶地區(qū)平均甲烷排放約20mg/m2.d，而熱帶地區(qū)達(dá)到300mg/m2.d（毫克每平方米每天）。在同一個(gè)水庫內(nèi)，其觀測(cè)結(jié)果也表現(xiàn)出較大的變化幅度，如法屬圭亞那的小梭（Petit Saut）水庫的平均甲烷排放約為1140mg/m2.d，而觀測(cè)獲得的實(shí)際排放通量變化范圍為5～3800mg/m2.d，若僅以該水庫的平均排放水平進(jìn)行排放量的估算或與其他水庫進(jìn)行對(duì)比，顯然將導(dǎo)致片面的結(jié)論。

另一方面，人們往往是在水庫建成后才意識(shí)到水庫的溫室氣體排放問題，因此大多缺乏水庫建設(shè)前溫室氣體排放的本底值，從而無法以生態(tài)學(xué)觀測(cè)手段獲得由水庫建設(shè)導(dǎo)致的溫室氣體凈排放水平，無法對(duì)水庫溫室氣體排放進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。解決的方法是將遙感與生態(tài)學(xué)方法相結(jié)合，掌握水庫溫室氣體排放空間格局、時(shí)間過程和凈排放水平。

遙感數(shù)據(jù)具有多尺度、多光譜、多時(shí)相的特點(diǎn)。多尺度是指遙感能以不同的空間分辨率記錄地表信息，以不同的詳細(xì)程度反映地表格局等特征；多光譜是指遙感以不同的波段設(shè)置，記錄地物在不同波長(zhǎng)處對(duì)太陽輻射的吸收特性；多時(shí)相則是指遙感能以不同的周期對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，并且伴隨遙感技術(shù)的發(fā)展，可以形成較長(zhǎng)時(shí)間序列內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)集。遙感數(shù)據(jù)的以上特點(diǎn)，決定了它能在反映地球表面宏觀結(jié)構(gòu)特性的同時(shí)，也反映微觀局部的差異，全面、客觀、系統(tǒng)地反映地表的狀況及動(dòng)態(tài)，遙感也因此成為目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表時(shí)空連續(xù)觀測(cè)的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于地物的識(shí)別以及對(duì)地表空間結(jié)構(gòu)與時(shí)間過程的監(jiān)測(cè)，具體的應(yīng)用包括地表溫度與土壤濕度監(jiān)測(cè)、植被類型與植被覆蓋度監(jiān)測(cè)、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、地表水分蒸發(fā)以及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及演化評(píng)定等。

上：國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在北京成立。圖為技術(shù)人員正在維護(hù)衛(wèi)星地面接受站設(shè)備。 攝影/鄧佳/CFP

下：2010年9月22日10時(shí)40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征2號(hào)丁火箭成功發(fā)射“遙感衛(wèi)星十一號(hào)”。 攝影/海晗/CFP

受傳感器信號(hào)接收過程中大氣吸收與散射以及地表其他過程的影響，遙感技術(shù)并不能直接捕捉水庫水氣界面的溫室氣體通量特征，只能通過對(duì)與水庫溫室氣體排放相關(guān)的各個(gè)過程和參數(shù)的間接監(jiān)測(cè)，反映水庫溫室氣體排放強(qiáng)度及其空間分布特征。主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是對(duì)庫區(qū)生境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，包括集水區(qū)水土流失、面源污染、消落區(qū)植被恢復(fù)等，分析庫區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳元素注入等過程對(duì)水庫溫室氣體排放產(chǎn)生的影響；二是對(duì)水庫水環(huán)境異質(zhì)性的監(jiān)測(cè)，分析產(chǎn)生水庫溫室氣體排放空間異質(zhì)性的原因；三是利用遙感歷史積累數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史狀況的追溯。

庫區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

作為產(chǎn)生水庫溫室氣體排放的重要碳物質(zhì)來源，進(jìn)入庫區(qū)水體碳物質(zhì)的量決定了溫室氣體產(chǎn)生以及排放量?！吨改稀分兄赋鏊畮熘刑嘉镔|(zhì)來源包括自源與異源兩類，自源主要產(chǎn)生于水生生物的代謝過程，異源則包括消落區(qū)內(nèi)植被與土壤中有機(jī)物質(zhì)的淹沒分解以及集水區(qū)內(nèi)隨水土流失的有機(jī)物質(zhì)注入。

集水區(qū)水土流失是影響庫區(qū)水體的重要地表過程，而隨水土流失進(jìn)入水體的碳物質(zhì)是使水庫在建設(shè)前后持續(xù)產(chǎn)生溫室氣體的重要碳物質(zhì)來源；消落區(qū)植被與土壤中的有機(jī)碳則是導(dǎo)致水庫溫室氣體凈排放的主要碳物質(zhì)來源。遙感可以監(jiān)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳負(fù)荷，從而分析庫區(qū)陸域入庫碳通量，為水庫溫室氣體的估算提供依據(jù)。

遙感技術(shù)之所以可以成為水土流失監(jiān)測(cè)的一種有效手段，是由于其對(duì)地表一些典型的水土流失標(biāo)志，如地表裸露程度、植被覆蓋度和土地利用類型變化等，進(jìn)行了空間連續(xù)的記錄。以經(jīng)過高精度預(yù)處理（定標(biāo)、輻射校正、大氣校正、幾何校正等）的遙感影像提取包括庫區(qū)土壤可蝕性因子、地形因子、植被因子等水土流失標(biāo)志的專題信息，結(jié)合開展地面調(diào)查獲得的地區(qū)水土流失防治以及降雨強(qiáng)度等綜合信息，輔以GIS的空間數(shù)據(jù)處理和分析功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)水土流失強(qiáng)度的定量監(jiān)測(cè)?；谏鲜龇椒▽?duì)三峽庫區(qū)2007年水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)不同的流失強(qiáng)度進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果表明：三峽庫區(qū)2007年水土流失總面積37335平方公里，占庫區(qū)土地面積的64.5%，其中輕度侵蝕面積占29.2%、中度侵蝕面積占42%、強(qiáng)度及以上侵蝕面積占28.8%。以上結(jié)果結(jié)合庫區(qū)土壤屬性等數(shù)據(jù)，可用以定性分析可能產(chǎn)生明顯碳流失的敏感區(qū)域。

在水土流失監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充開展庫區(qū)徑流小區(qū)觀測(cè)，分析不同地形和植被條件下的碳流失強(qiáng)度，建立碳流失強(qiáng)度與地形、植被以及水土流失強(qiáng)度的定量關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)陸域的碳流失通量估算。

消落區(qū)是水庫季節(jié)性水位漲落而周期性出露于水面的特殊區(qū)域。以三峽水庫為例，2010年三峽水庫實(shí)現(xiàn)175米最高位蓄水，意味著次年水位降至145米汛限水位后將在30米的水位落差內(nèi)形成消落區(qū)。在水位逐漸降低的過程中，出露的消落區(qū)將產(chǎn)生植被的自然恢復(fù)及植物與土壤中有機(jī)物質(zhì)的積累過程。利用高時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)，對(duì)不同高程下消落區(qū)在退水初期的植被狀況及其隨后的恢復(fù)過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，包括植被的覆蓋度水平、生物量等，進(jìn)而可以估算消落區(qū)植被的碳儲(chǔ)量水平。對(duì)2009年三峽172米消落區(qū)內(nèi)植被的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，消落區(qū)平均植被覆蓋度在退水初期（2009年6月）為31%，而在退水末期（2009年8月）達(dá)到67.6%。當(dāng)水庫進(jìn)入新一輪的蓄水過程，新生植被再次被淹沒時(shí)，即可根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果，估算蓄水淹沒的植被生物量或有機(jī)碳的量，結(jié)合特定環(huán)境條件下植物體的分解速率研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)水淹沒植被產(chǎn)生的溫室氣體排放量及相應(yīng)排放速率的估算。

2008年1月30日，北京，國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任伊球研究員正與同事利用衛(wèi)星遙感影像分析水污染狀況。 攝影/鄧佳/CFP

與此同時(shí)，水庫低水位期間對(duì)消落區(qū)植被的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，也可為開展蓄水后水氣界面觀測(cè)點(diǎn)位的選擇提供參考。消落區(qū)在出露期植被恢復(fù)的特殊性質(zhì)，決定了其在蓄水后將成為水庫溫室氣體排放的熱點(diǎn)區(qū)域，因此在設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)開展通量觀測(cè)時(shí)，需重點(diǎn)考慮。根據(jù)蓄水前對(duì)消落區(qū)植被分布狀況遙感監(jiān)測(cè)的結(jié)果，結(jié)合地形和土壤等信息，對(duì)可能產(chǎn)生相同排放水平的區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并設(shè)置相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)開展觀測(cè)，基于分區(qū)與觀測(cè)結(jié)果可對(duì)消落區(qū)產(chǎn)生的溫室氣體排放量進(jìn)行估算。

水環(huán)境異質(zhì)性的監(jiān)測(cè)

基于原位觀測(cè)的生態(tài)學(xué)方法，受儀器與經(jīng)費(fèi)的影響，往往只能選擇小部分水域開展觀測(cè)，且容易將注意力集中于可能產(chǎn)生溫室氣體的敏感區(qū)域如淺水區(qū)、消落區(qū)等。由于各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的空間代表性有限，在進(jìn)行排放水平的空間外推或基于觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬時(shí)，將導(dǎo)致估算結(jié)果偏離真實(shí)的排放水平。

遙感技術(shù)可獲取不同理化狀態(tài)下表層水體所表現(xiàn)出來的反射率差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉綠素a、可溶性有機(jī)質(zhì)等影響溫室氣體排放關(guān)鍵參數(shù)的空間分布特征，分析表層水體空間異質(zhì)性，進(jìn)而可客觀分析由此導(dǎo)致的溫室氣體排放空間分布格局。

純凈水體在可見光波段的反射率曲線是接近線性的，且隨著波長(zhǎng)增加反射率呈降低趨勢(shì)。自然水體中由于污染物質(zhì)對(duì)入射輻射的選擇性吸收和散射作用，使水體的反射光譜曲線呈現(xiàn)不同的形態(tài)。通常認(rèn)為影響水體光譜反射率的污染物質(zhì)主要有三種：浮游植物、懸浮物以及由黃腐酸、腐殖酸組成的溶解性有機(jī)物（通常稱為黃色物質(zhì)）。由于不同類型污染物具有特定的吸收波長(zhǎng)，而不同的污染物濃度又會(huì)對(duì)入射輻射產(chǎn)生不同強(qiáng)度的吸收和散射，最終導(dǎo)致傳感器接收到的不同水體的輻射信號(hào)表現(xiàn)出不同的反射特性。遙感技術(shù)正是基于這一性質(zhì)，通過分析不同水質(zhì)參數(shù)濃度與吸收特征之間的定量關(guān)系進(jìn)行建模、反演。目前借助遙感手段可反演的表層水體理化指標(biāo)包括葉綠素a、懸浮物、有色可溶性有機(jī)物、總磷、總氮、透明度和水溫等。

大型深水水庫的理化指標(biāo)（溫度、溶解氧等）往往存在分層的現(xiàn)象，而這種分層結(jié)構(gòu)將影響水體中物質(zhì)的轉(zhuǎn)換與傳輸過程。因此，開展對(duì)水庫水體分層結(jié)構(gòu)的研究，將進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)溫室氣體產(chǎn)生和排放過程的理解，結(jié)合遙感技術(shù)對(duì)表層水體理化性質(zhì)的監(jiān)測(cè)與觀測(cè)獲得的水體溫度、溶解氧、溶解二氧化碳等參數(shù)的分層特征，建立庫區(qū)水體理化參數(shù)的三維空間分布模型，可更有效地分析產(chǎn)生溫室氣體排放強(qiáng)度時(shí)空變化的原因。

對(duì)水庫建設(shè)前排放水平的追溯

國際上對(duì)水庫溫室氣體排放的認(rèn)識(shí)均是來源于近年來少數(shù)學(xué)者對(duì)少數(shù)水庫開展少數(shù)觀測(cè)工作獲得的初步結(jié)論，而多數(shù)水庫此時(shí)已完成建設(shè)并蓄水運(yùn)行，往往缺少在水庫建設(shè)前相同區(qū)域內(nèi)的溫室氣體排放觀測(cè)，缺少溫室氣體排放的本底水平，因此難以分析和估算因水庫建設(shè)所導(dǎo)致的溫室氣體凈排放量，從而無法客觀評(píng)價(jià)水庫建設(shè)導(dǎo)致溫室氣體排放所產(chǎn)生的環(huán)境影響。

遙感技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)展后，已經(jīng)形成了多平臺(tái)、多時(shí)相的連續(xù)對(duì)地觀測(cè)體系，積累了較長(zhǎng)時(shí)間序列的多源遙感數(shù)據(jù)。以現(xiàn)階段開展庫區(qū)溫室氣體排放通量觀測(cè)所獲得的不同環(huán)境條件下庫區(qū)消落區(qū)以及水體的溫室氣體排放因子以及遙感技術(shù)對(duì)庫區(qū)陸域、消落區(qū)以及水環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果為參考，借助積累的遙感時(shí)間序列數(shù)據(jù)，對(duì)水庫建設(shè)前庫區(qū)范圍內(nèi)不同土地利用以及水體的溫室氣體排放水平進(jìn)行回溯，進(jìn)而對(duì)因水庫建設(shè)導(dǎo)致的溫室氣體凈排放量進(jìn)行估算。

結(jié)語

水庫溫室氣體排放是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程，受庫區(qū)陸地和水體環(huán)境異質(zhì)性的影響，其排放存在明顯時(shí)空變化，而遙感作為一種可實(shí)現(xiàn)時(shí)空連續(xù)表達(dá)的觀測(cè)手段，在水庫溫室氣體研究中起著重要的作用，與生態(tài)學(xué)觀測(cè)方法對(duì)溫室氣體產(chǎn)生與排放各個(gè)過程的理解形成互補(bǔ)。

目前，遙感技術(shù)是進(jìn)行地表陸面過程和參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段，在水庫溫室氣體研究中，遙感技術(shù)可通過對(duì)水庫庫區(qū)碳流失過程的監(jiān)測(cè)，精確估算碳物質(zhì)來源；通過對(duì)庫區(qū)水環(huán)境的監(jiān)測(cè)，刻畫溫室氣體產(chǎn)生環(huán)境的異質(zhì)性；通過以遙感積累的歷史數(shù)據(jù)，追溯水庫建設(shè)前的排放水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫溫室氣體排放在時(shí)間與空間尺度上的外推，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫精確估算水庫溫室氣體排放量及凈排放量的目的，降低生態(tài)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法中的不確定性。另一方面，通過分析產(chǎn)生溫室氣體排放時(shí)空差異的原因，從碳物質(zhì)來源、水環(huán)境條件等角度探索減少溫室氣體排放的可行性手段，為制定水庫的生態(tài)調(diào)度方案提供依據(jù)。