孫志禹，陳永柏，李 翀，郭勁松，李 哲

（1.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038；2.重慶大學，重慶 400044；3.中國科學院 重慶綠色智能技術研究院，重慶 400714）

1 研究背景

筑壩蓄水是人類調(diào)控洪水、開發(fā)利用水資源與水能資源的最主要方式，水庫建設運行對生態(tài)環(huán)境的影響是當今國際社會普遍關注的問題［1］。水力發(fā)電將天然水體勢能、動能轉化為電能輸出，可大幅減少CO2、CH4等溫室氣體的排放量，是迄今唯一技術已發(fā)展成熟、可大規(guī)模開發(fā)的可再生能源。根據(jù)國際水電協(xié)會（IHA）2019 水電能源狀況報告，目前，水力發(fā)電總量在全球電力供應中所占比重為15.9%，在所有可再生能源（風能、太陽能等）應用中約為62.1%［2］。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）預計，到2030年水力發(fā)電在全球電力供應中所占比重將達到17%，約5382 TW·h·a-1，對減緩氣候變化影響將做出顯著貢獻［3］。然而，筑壩蓄水將不可避免淹沒一定數(shù)量的土地，并將在一定程度上改變原有區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)同大氣之間溫室氣體的源匯關系，對全球氣候變化產(chǎn)生影響。1990年代，對南美部分發(fā)電水庫的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其溫室氣體釋放當量并不亞于相同發(fā)電量的火電廠［4-6］，由此引發(fā)國際上一些非政府組織對水電清潔能源屬性的擔憂，并推動了此后20年水庫溫室氣體源匯通量及其碳氮循環(huán)機制研究，該領域逐漸成為當前全球變化的研究熱點之一，備受國際學界和水電行業(yè)廣泛關注。

我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家。截止2017年底，我國已建成水庫98 795座［7］，總庫容9035億m3，近3 倍于我國天然湖泊儲水量，約占我國年河川年徑流總量（2.8 萬億m3·a-1）的32%，蓄存淡水總量約是全球水庫總庫容的11%。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國水庫水域總面積接近70 000 km2，同我國自然湖泊水域面積相當，約占我國內(nèi)陸水域面積的45%。分布于廣袤中國大地的各類型水庫，持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮著發(fā)電、航運、旅游、灌溉、供水、養(yǎng)殖等眾多服務功能，已成為推動我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎設施，也是我國減緩氣候變化不利影響的關鍵支撐與保障。

我國水庫溫室氣體源匯特征近年來亦受到國際社會的關注。2009年，中國學者報道了三峽水庫消落帶初露期具有溫室氣體高釋放通量特征，并據(jù)此外推認為三峽水庫溫室氣體通量并不亞于南美發(fā)電水庫［8］。同年，Nature 以“Chinese Dam Maybe Methane Menace”為題報道了上述成果［9］，引發(fā)了國際社會對長江三峽工程潛在氣候變化效應的高度關切。該事件成為了中國水庫溫室氣體研究具有標志意義的重要起點，開啟了此后10年該領域研究的重要發(fā)展期。2019年，在中國學者的參與和不懈努力下，IPCC 正式完成并通過了國家溫室氣體清單水淹地章節(jié)（Chapter 7.3 Flooded Land）的精細化修編（2019 Refinement）。該章節(jié)系統(tǒng)地匯總凝練了當前以水庫為主要類型的全球水淹地溫室氣體源匯情況，提出了科學、可靠的方法學以客觀衡量筑壩蓄水對全球氣候變化的潛在影響。

作為一個以10年為周期的階段性小結，本文首先回顧并梳理了該領域國際研究進展，嘗試在該領域國際研究進展的大背景下總結分析10年來中國水庫溫室氣體研究歷程和主要科學認識，探討當前中國水庫溫室氣體源匯研究中仍不明確或不完善的地方，展望未來該領域研究的趨勢與方向。

2 國際上水庫溫室氣體研究回顧

筑壩蓄水淹沒陸地生態(tài)系統(tǒng)，引起淹沒地陸生植被死亡、有機質（動植物殘體、土壤中有機碎屑、腐殖質等）降解、養(yǎng)分與其他污染物（如：重金屬等）溶出釋放入水體［10］。有機質（OM）降解產(chǎn)生CO2、CH4、H2S 等氣體釋放入大氣，而養(yǎng)分溶出將造成水庫營養(yǎng)水平在蓄水初期（通常為3 ～5年）呈現(xiàn)顯著升高的“上涌”現(xiàn)象（trophic upsurge）［11］。該現(xiàn)象及其動力學過程早在上世紀80年代便被學界所報道，而對水庫修建、水力發(fā)電潛在的溫室氣體效應的研究則起始于1993年。Rudd 等在其論文“Are hydroelectric reservoirs significant sources of greenhouse gases?”中首先報道了發(fā)電水庫建設可能引起CH4、CO2釋放通量增加［12］。同年，Oud 等以“Global warming：a changing climate change for Hydro”為題質疑水力發(fā)電的溫室氣體“零排放”特征［13］。在此后的20 多年中，國際水庫溫室氣體研究以2006年為界可分為質疑爭議期和拓展研究期2 個代表性階段。

2.1 質疑爭議期（1993年—2006年）1990年代中后期，巴西生態(tài)保護學家Fearnside 調(diào)查發(fā)現(xiàn)一些熱帶雨林發(fā)電水庫溫室氣體釋放強度遠強于火力發(fā)電廠，其主要論據(jù)來自于對水庫過壩下泄水體中CH4大量釋放的理論計算，并結合Balbina、Tucuruí、Petit Saut 等水庫的監(jiān)測報道，預測熱帶水庫蓄水后10年內(nèi)溫室氣體釋放總量將4 倍于同等電力供應水平下的火電廠［4-6，14-16］。Rosa 等抨擊Fearnside 外延并夸大了來自水庫的有限研究結果［17-24］。Duchemin、Tremblay 等加拿大學者團隊，以魁北克寒溫帶發(fā)電水庫為對象，圍繞水庫溫室氣體監(jiān)測的方法學研究［25-26］，側重于構建相對完整的監(jiān)測技術體系，通過長期跟蹤觀測，估算衡量水庫溫室氣體源匯特征［27-28］。Delmas、Galy-Lacaus 等連續(xù)報道了Petit Saut 水庫溫室氣體通量的長期觀測結果，提出了水庫CO2、CH4釋放隨時間變化的經(jīng)驗模型［29-32］。

St.Louis 等在2000年比較了全球不同氣候帶水庫溫室氣體通量特征，解析了水庫溫室氣體效應的影響因素，認為在有限數(shù)據(jù)條件下對水電溫室氣體效應的定性判斷仍相對困難［33］。但上述認識并未得到一些國際反壩組織的認同，反而被借以抨擊水電能源政策。1997年，世界銀行委托世界水壩委員會（WCD）對全球125 座大型水壩進行調(diào)查。盡管有的調(diào)查案例確實反映出水庫淹沒前后溫室氣體的釋放會有所增加，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這與不同水庫所處的地區(qū)和淹沒前的庫底清理有關。WCD 傾向于認為，水力發(fā)電依然產(chǎn)生積極的影響［34］。dos Santos 等認為能量密度（單位淹沒土地下的裝機容量）較高的水電站其溫室氣體減排效益（與現(xiàn)有技術水平下相同當量火電廠相比）較為明顯，而能量密度較低的水電廠其溫室氣體減排效益并不顯著，甚至溫室氣體總排放遠高于相同當量的火電廠［35-36］。

2006年Nature 以“Methane quashes green credentials of hydropower”為題對過去10年來巴西熱帶水庫溫室氣體效應的爭議進行了回顧梳理［37］，認為缺乏可靠而充分的數(shù)據(jù)仍是解析水電溫室氣體效應的重要障礙。IPCC 于2006年頒布的國家溫室氣體排放清單［38］和2007年的氣候變化第四階段評估報告［39］，明確了水電是減緩氣候變化不利影響的重要能源形式，但也強調(diào)了水庫溫室氣體源匯關系的不確定性。

2.2 拓展研究期（2006年—至今）在一片爭議聲中，國際學界對水庫溫室氣體源匯的科學認識，逐漸從單一的水庫CO2、CH4源匯通量變化的簡單認識，深化拓展到以下3 個方面的重要的基本共識：

（1）水庫同大氣間溫室氣體交換，涵蓋水-氣界面擴散通量、氣泡釋放通量、過壩下泄消氣通量、下游河道釋放通量、庫岸帶大型植物交換和水庫消落帶露出期間陸地生態(tài)系統(tǒng)同大氣溫室氣體交換等諸多途徑，同水庫碳的生物地球化學過程密切相關（圖1）。

（2）蓄水后水庫溫室氣體源匯通量監(jiān)測結果并不能用于反映筑壩蓄水對氣候變化的影響，需充分考慮蓄水前受影響區(qū)域溫室氣體源匯的“本底”情況，應開展水庫溫室氣體凈通量評估［3］。水庫溫室氣體凈通量，在概念上等于蓄水后溫室氣體總通量同蓄水前溫室氣體通量的差值，并扣除其他人類活動（如點面源污染負荷等）產(chǎn)生的貢獻［3，40］。

圖1 筑壩蓄水前后溫室氣體源匯關系變化示意（引用并翻譯自文獻［41］）

（3）水庫溫室氣體源匯變化并不能等同于水電能源的碳排放量。水電能源碳排放量應在全生命周期的框架下開展評估，涉及水電工程前期、施工期、運行維護期、拆壩以及河道恢復階段等［42-43］。

基于上述基本共識，UNESCO 聯(lián)合國際水電協(xié)會（IHA）于2008年正式啟動了國際水庫溫室氣體研究計劃。2010年，UNESCO/IHA 完成第一階段工作目標，發(fā)表頒布了《淡水水庫溫室氣體監(jiān)測導則》［44］。國際能源署水電技術合作計劃（IEA-Hydro）同期也啟動了《水庫碳平衡與碳管理技術導則》的編寫［40，45］。該技術導則側重于將水庫碳通量監(jiān)測與碳源匯建模評估方法標準化，并提出水庫碳平衡定量分析的最優(yōu)實踐指南，以指導國際水電行業(yè)開展水庫碳評估與碳管理。IPCC 于2011年出版了《可再生能源與氣候變化減緩》特別報告［3］，強調(diào)了水電能源在減緩氣候變化不利影響中的重要性；結合既有文獻報道，初步確定了水庫型水電（Reservoir Hydropower）在全生命周期視角下的估計值為18g（CO2eq）·（kW·h）-1［3］，同時特別報告還提出了水庫溫室氣體凈通量的概念性框架。基于該框架，2014年，UNESCO/IHA 啟動了其第二階段工作，構建面向全球的水庫溫室氣體凈通量評估模型（G-res Tool），并于2017年正式頒布。

在基礎研究方面，自2006年后國際學界論文發(fā)表量成指數(shù)增長趨勢，Web of Science 中的論文發(fā)表數(shù)量從2006年前每年不足10 篇增長至2006年后年均27 篇（圖2）。水庫溫室氣體研究案例呈現(xiàn)顯著升高的趨勢，除南北美洲既有案例外，亞洲和歐洲的研究案例在2006年后迅速增加，極大豐富了全球視角下對水庫溫室氣體源匯的認識。2011年，Barros等綜合分析并發(fā)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)水庫溫室氣體釋放通量（主要是水-氣界面）同水庫庫齡（成庫時間）、水深和氣候帶密切相關［46］。2016年，Deemer等估算全球范圍內(nèi)水庫水體溫室氣體CO2釋放通量估計值約為36.8×1012g（C）·a-1（通量均值約為330 mg（C）/（m2·d）），CH4釋放通量估計值約為13.3×1012g（C）·a-1（通量均值約為120 mg（C）/（m2·d）），約合0.8（0.5 ～1.2）×1015g（CO2eq）·a-1，并認為水庫水體溫室氣體源匯通量同水體初級生產(chǎn)力水平關聯(lián)性更為密切［47］。另一方面，水庫湖沼學的研究發(fā)展，很大程度上深化了對水庫碳循環(huán)科學內(nèi)涵的認識。例如，水庫溫室氣體源匯通量變化，已不單純受到淹沒區(qū)有機質總量的影響，而與水庫受納的異源性有機質（allochtho?nous OM）與水庫自源性有機質（autochthonous OM）生產(chǎn)能力影響顯著［48］。泥沙攜帶異源性有機質在庫岸帶沉積成為水庫CH4的重要來源［49-51］。水庫水位下降消落帶初露將可能導致短時間內(nèi)較高的溫室氣體釋放［52-54］。污水處理廠有機物的輸入的貢獻亦不可忽略［55］。Chanudet 等對老撾兩座水庫碳歸趨的物料衡算發(fā)現(xiàn)該水庫總體呈現(xiàn)為碳匯［56］。此外，采用更先進的分析測試手段，以更高的分辨率揭示水庫溫室氣體源匯通量的時空變化過程，亦為更精細地揭示水庫溫室氣體源匯機制提供重要技術支撐［57］。

圖2 截至2019年1月水庫溫室氣體研究領域相關文獻報道統(tǒng)計

2007年，Cole 等在陸地水系統(tǒng)碳循環(huán)中提出了一個具有影響力的重要概念，即“淡水管道”（Freshwater pipes）［58］。“淡水管道”將陸-海碳交換概化為陸地碳以陸地水體（河流、湖泊、水庫等）作為輸送管道向海洋輸送的過程，并拓展考慮了陸地水體同大氣之間的碳交換與永久性碳埋藏（圖3）。全年陸地生態(tài)系統(tǒng)向內(nèi)陸河流中輸送的總碳量約為1.9×1015g（C）·a-1，最終通過地表水和地下水輸入到海洋的總碳量為0.9×1015g（C）·a-1。全年陸地水系統(tǒng)向大氣排放的總碳量約為1.0×1015g（C）·a-1，其中CO2約為0.75×1015g（C）·a-1，而每年在陸地水系統(tǒng)中沉積埋藏的碳量約為0.23×1015g（C）·a-1［58］。在“淡水管道”概念支持下，Prairie 等綜述了筑壩蓄水前后碳生物地球化學過程改變的特征、過程與機制（圖1），進一步探討明確了衡量水庫溫室氣體凈通量的概念框架與溫室氣體類型（CO2或CH4）［41］，為IPCC2019年水淹地國家溫室氣體清單精細化修編提供了重要支撐。

圖3 陸地水系統(tǒng)碳輸送和碳排放的基本模式［58］（單位：1015g（C）·a-1）

3 中國水庫溫室氣體研究進展

3.1 總體研究情況回顧層巒疊嶂、溝壑縱橫的地貌特征使得我國具有建設大中型水庫的先天優(yōu)勢。新中國成立以前，我國僅有23 座大中型水庫和一些塘壩、小型水庫。新中國成立以后，以官廳水庫、三門峽水利樞紐等為標志，掀起了新中國水利建設高潮。改革開放以來，以長江三峽、黃河小浪底為代表的一大批集防洪、發(fā)電、供水、灌溉等為一體的大型水利樞紐開工興建，為我國社會經(jīng)濟發(fā)展提供了強大的支撐。

我國水庫溫室氣體研究工作整體上起步晚于國際。盡管2009年之前已有一些中國學者開始關注水庫溫室氣體源匯變化，但中國學者在水庫溫室氣體研究方面開始形成大量的文獻報道則主要起始于2009年前后。1994年，劉文新等翻譯了Rosa 等對Rudd 等1993年文獻報道的評論，并刊發(fā)在AM?BIO—人類環(huán)境雜志（中文版）上［59］。這可能是中國學者發(fā)表的最早一篇和水庫溫室氣體研究直接相關的文獻。中國科學院劉叢強院士團隊是國內(nèi)較早開展水庫碳循環(huán)與碳通量研究的團隊。在國家自然科學基金重點項目和多個面上項目支持下，他們主要以烏江流域梯級水庫為對象，從河流-水庫的水化學特征、DIC 和pCO2遷移轉化等角度開展水庫溫室氣體研究［60-65］。中國長江三峽集團有限公司（以下簡稱“三峽集團”）是我國較早關注水庫溫室氣體源匯問題的機構。2006年，三峽集團組織召開了水庫溫室氣體研究專家研討會；2008年，先期啟動了在三峽水庫支流溫室氣體源匯監(jiān)測與原位研究；2009年，為回應Nature 的報道和質疑，三峽集團承擔了國家“973”課題《三峽水庫水體溫室氣體監(jiān)測與減排效益評估》（2010CB955904）研究任務；2012年，三峽集團自籌資金開展了針對溪洛渡、向家壩梯級水庫的蓄水前溫室氣體本底調(diào)查與評估，同期開展了水電全生命周期碳足跡評價研究工作；2015年，進一步啟動了對三峽水庫及金沙江下游梯級水庫的溫室氣體源匯跟蹤觀測與研究。在此期間，全程加入UNESCO/IHA、IEA 的國際水庫溫室氣體研究計劃，在開發(fā)國際水庫溫室氣體模型、編寫國際水電行業(yè)技術導則中融入中國水庫特點。在三峽集團的帶領下，中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所、中國水利水電科學研究院、中國科學院水生生物研究所、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心、重慶大學、長江科學院、三峽大學、中國科學院重慶綠色智能技術研究院等科研機構先后開展了相關研究。此外，中國科學院武漢植物園、西南大學等國內(nèi)其他高?；蜓芯吭核嚅_展了水庫溫室氣體相關研究。

截至2019年，在CNKI 上同水庫溫室氣體研究直接相關（以CO2、CH4等溫室氣體為主題）的研究文獻約120 余篇（圖2），Web of Science 中我國學者發(fā)表的直接相關文獻約30～40 篇。早期的文獻報道主要開始于對水庫溫室氣體通量過程與影響因素、監(jiān)測技術與方法的綜述分析［66-69］。隨著相關研究案例的展開，逐步形成了以靜態(tài)箱法（水-氣界面、土-氣界面）和薄邊界層模型估算法為主［70］、其他方法（水下氣泡監(jiān)測、頂空監(jiān)測、遙感反演等）為輔的監(jiān)測體系［71-72］，其他監(jiān)測指標還涵蓋氣候氣象條件（如風速、溫度、輻射）、水文水動力、水環(huán)境與水生態(tài)等。主要監(jiān)測設備與研究手段同國際主流保持一致［72］。

我國大中型水庫多依托河谷修建，具有典型的河道型水庫特征，窄而狹長，淹沒區(qū)小，岸線系數(shù)大，水力停留時間相對較短，成庫后水面率（水庫正常蓄水水位水面面積同大壩控制流域面積比值）通常不超過10%，且因大面積淹沒成庫或成庫后水面率顯著增加的案例并不常見。由于淹沒區(qū)相對較小而裝機容量均相對較大，我國大中型水電站的能量密度（單位淹沒面積的裝機容量）整體上相對較高。據(jù)初步測算，我國大中型水電站能量密度中位值約為64 W·m-2，可能的分布范圍（1 分位數(shù)和3 分位數(shù)）為24 ～235 W·m-2，例如，三峽電站能量密度為35.6 W·m-2，溪洛渡水電站能量密度為100.0 W·m-2。2006年，聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）清潔發(fā)展機制（CDM）劃定的閾值［73］，認為能量密度超過10 W·m-2的水電項目，其溫室氣體排放可以忽略；能量密度介于4 W·m-2和10 W·m-2之間的水電項目，其溫室氣體排放因子被判定為90 g（CO2eq）·（kW·h）-1；能量密度低于4 W·m-2的項目被排除在CDM 之外。故我國水電項目在溫室氣體低碳屬性應是較為突出的，因蓄水導致水庫溫室氣體源匯增量總體上并不高［74］。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國水庫目前水體CO2通量532.49±781.74 mg（C）/（m2·d）（均值±標準差，下同），CH4通量均值約為10.25±33.37 mg（C）/（m2·d）［75］。我國水庫溫室氣體通量，同流域水土流失情勢、高強度的人類活動歷史等因素密切相關［76］，部分流域（如西南喀斯特地貌等）水-氣CO2高釋放通量特征同地球化學背景中較高的無機碳濃度有關［77］。在一些水庫中，水體CO2通量改變受到藻類生長影響明顯，藻類增殖將顯著降低水-氣界面CO2通量甚至形成碳匯［78-79］；水體CH4通量則同溫度變化更為密切。水庫消落帶或庫岸帶通常是CO2、CH4的源，但水位變化導致土壤含水量改變和氧化還原環(huán)境變化將在較大程度上改變土-氣界面CO2、CH4的源匯狀態(tài)［52］，水庫消落帶將可能形成CO2、CH4的匯。與全球既有的研究案例統(tǒng)計結果相比［47］，我國水庫CO2通量水平略高于全球平均水平（330 mg（C）/（m2·d）），在全球案例序列中處于中等偏上的水平（分位數(shù)約為58%）。但我國水庫水體CH4通量水平則顯著低于全球平均水平（120 mg（C）/（m2·d）），在全球案例序列中處于偏低的水平（分位數(shù)約為18%）。但限于我國幅員廣闊、水庫類型眾多，水庫碳循環(huán)與碳通量過程具有復雜性，不少關鍵問題目前仍十分不確定。由于文獻［75］的統(tǒng)計僅來自于百余座水庫的大面普查，因此目前還難以反映中國水庫的總體情況。

3.2 三峽水庫溫室氣體源匯特征三峽水庫是我國目前最大的水庫。作為亞熱帶季風性氣候背景下的典型案例，三峽水庫在水庫形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)結構功能等方面，代表了我國南方地區(qū)（特別是西南地區(qū)）很大一部分依托河谷修建水庫的生態(tài)特征。服務于防洪、發(fā)電、航運等多種功能要求，加之庫區(qū)社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，三峽水庫受到的人類活動影響程度高且復雜。三峽水庫溫室氣體源匯變化及其同大氣間的交換涵蓋了各種已知的可能途徑（如水-氣界面擴散釋放、氣泡釋放、消落帶同大氣間交換、過壩下泄等），在碳的生物地球化學過程、通量和機制上具有典型性。因此，三峽水庫的相關研究，是我國在過去10年期間水庫溫室氣體研究的主要代表，也為國際水庫溫室氣體研究提供有價值的補充。

三峽集團先后于2010—2011年（庫齡R=1）、2015—2017年（庫齡R=5～6）分別開展了1 個周年和2 個周年水庫溫室氣體源匯通量逐月監(jiān)測，涵蓋不同水庫區(qū)段（庫尾、庫中、庫首）、消落帶、過壩下泄和下游受影響河段等不同景觀單元。同時，參照IPCC 國家溫室氣體清單方法學［38，80］，以蓄水前三峽水庫淹沒區(qū)土地利用調(diào)查結果為基礎（數(shù)據(jù)來源：中國三峽建設年鑒1994），對蓄水前溫室氣體源匯情況進行了估算，結果見圖4，具體方法與過程另文詳述。三峽水庫蓄水前（以1998年為基準年），淹沒區(qū)+河道水面溫室氣體釋放總量約為3.2×105t（CO2eq）·a-1，95%置信區(qū)間下可能的閾值范圍為（2.8 ～3.6）×105t（CO2eq）·a-1，其中，74%來自淹沒區(qū)，26%來自自然河道水面。蓄水前CH4釋放主要來自水稻田、河灘地和河流水面［81］。蓄水后的實測結果表明（表1）：三峽水庫干流水面CH4通量約為3.32±4.20 mg（C）/（m2·d），CO2通量約為685.85±832.45 mg（C）/（m2·d）；支流水面CH4、CO2通量分別為10.32±56.92 mg（C）/（m2·d）、453.88±887.75 mg（C）/（m2·d）。消落帶與壩下河段溫室氣體通量見表1與圖5，不另贅述。同蓄水前自然河道水體溫室氣體通量相比，蓄水后三峽水庫水體CH4、CO2通量平均水平有所增加（圖5），但增幅并不明顯。蓄水后CH4、CO2通量數(shù)據(jù)序列變幅范圍顯著擴大。受局部時段藻類增殖與光合固碳的影響，CO2通量低于零的“碳匯”現(xiàn)象在蓄水后開始顯現(xiàn)，且支流較干流顯著；富營養(yǎng)化程度相對較高的支流回水區(qū)，CH4通量的異常值出現(xiàn)頻率也有所升高（圖5）。同水庫水體相比，在有限的壩下河段范圍內(nèi)水體CO2通量增幅較顯著。蓄水后兩個時期（R=1、R=5～6）實測數(shù)據(jù)顯示，消落帶CH4通量隨庫齡增加而呈升高趨勢（ANOVA，F(xiàn)=4.40，p=0.04＜0.05），消落帶CO2通量隨庫齡增加而呈現(xiàn)顯著下降趨勢（ANOVA，F(xiàn)=7.90，p=0.005＜0.05）。以2010—2011年Zhao等估算的三峽水庫水體溫室氣體總通量（1.43×106t（CO2eq）·a-1）為參考［82］，現(xiàn)階段三峽水庫溫室氣體凈通量約為1.1×106t（CO2eq）·a-1（圖6）。以2010年當年三峽電站發(fā)電量（843.69 億kW·h）計算，且不考慮三峽水庫持續(xù)發(fā)揮的防洪、航運、灌溉等其他社會效益，當年三峽水庫因發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量約為13.2 g（CO2eq）·（kW·h）-1。隨著三峽電站進入穩(wěn)定與優(yōu)化運行階段，其發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量將可能還會進一步下降。

表1 三峽水庫蓄水后不同景觀單元CH4、CO2通量統(tǒng)計（單位：mg（C）（/m2·d））

圖4 三峽水庫蓄水前后溫室氣體源匯通量比較與凈通量估算結果

圖5 蓄水后三峽干支流、消落帶與壩下河段CH4、CO2通量及其與蓄水前的比較

圖6 三峽水庫蓄水前（1998）與蓄水后（2010—2011）溫室氣體總釋放量比較

結合當前已發(fā)表的相關文章［52，82-84］，綜合上述數(shù)據(jù)分析，可獲得以下幾個方面的科學認識：

三峽水庫并未呈現(xiàn)出此前部分中國學者報道的溫室氣體“高排放”特征。在數(shù)據(jù)序列的大概率范圍內(nèi)（25%分位數(shù)和75%分位數(shù)之間），現(xiàn)階段三峽水庫CO2通量水平在全球案例中處于中等偏上（分位數(shù)約為55%），但CH4通量水平則在全球案例中處于偏低的水平（分位數(shù)約為16%）。

此前有報道表明三峽水庫支流庫灣（開縣白家溪）消落帶呈現(xiàn)溫室氣體高釋放特征［8］。該報道所獲數(shù)據(jù)閾值位于近年來三峽水庫所獲總體數(shù)據(jù)序列范圍的上閾（表1）。但是，開縣白家溪受淹沒區(qū)域在成庫前為大面積農(nóng)田（主要為水稻田，部分為旱地），成庫前已具備較高的CO2、CH4釋放特征。該報道并未考慮受淹沒前土地利用歷史，未能準確厘清并核定水庫淹沒的直接貢獻；在有限數(shù)據(jù)下，未充分考慮三峽超大型水庫的時空差異性特點進行外推和比較。故其在研究方法上的科學性和客觀性值得懷疑。因此，上述報道中關于三峽水庫溫室氣體釋放通量不亞于南美水庫的觀點并不成立。

作為中國河道型水庫的主要代表，三峽水庫年平均水力停留時間約為26～32 天，呈現(xiàn)出較好的混合特征，水體復氧程度較高，壩前并未出現(xiàn)顯著的溫度分層和溶解氧分層，故其CH4釋放通量在全球案例中總體偏低。而相對偏高的CO2釋放通量，主要受到庫區(qū)與上游流域人類活動輸入的異源性有機碳影響，也同長江上游部分地區(qū)高無機碳本底有關。

蓄水前，淹沒區(qū)不同土地利用類型呈現(xiàn)出各不相同的溫室氣體源匯特征。蓄水前來自淹沒區(qū)與自然河道的溫室氣體釋放通量約占蓄水后（2010—2011年）三峽水庫溫室氣體總通量的22%，不可忽略。三峽成庫前系統(tǒng)的清庫工作有效減少了蓄水后淹沒區(qū)有機質降解與溫室氣體釋放［42］。

后續(xù)仍需持續(xù)開展的工作包括：（1）補充過壩下泄的消氣釋放通量和水庫庫岸帶或淺水區(qū)域氣泡釋放通量估算結果，整合形成更為完整的三峽水庫CO2、CH4總通量估算值，并對凈通量估算值進行修正完善；（2）闡明長期運行條件下水庫泥沙淤積對水庫永久性碳埋藏和碳匯的貢獻；（3）揭示水文條件改變下消落帶（庫岸帶）溫室氣體源匯格局并建立碳計量方法；（4）闡釋水庫C、N、P 界面過程與循環(huán)耦合的關系；（5）定量上游及庫區(qū)人類活動導致陸源輸入對水庫溫室氣體源匯的貢獻等。

4 IPCC 水淹地國家溫室氣體清單2019 精細化修編的主要觀點及意義

2016年，IPCC 啟動了國家溫室氣體清單大規(guī)模精細化修編工作（Refinement）。在2006年國家溫室氣體清單和2013年濕地清單精細化修編基礎上，IPCC 于2017年增補了水淹地溫室氣體清單章節(jié)。2019年5月，水淹地章節(jié)正式通過IPCC 國家委員會審查并被接受［85］。中國科學家參與了該階段修編工作，特別是基于現(xiàn)階段對三峽水庫溫室氣體源匯變化的初步認識，提出了結合中國實際的清單修編方法，為IPCC 國家溫室氣體清單精細化修編貢獻了力量。作為當前該領域權威的文獻資料，IPCC水淹地溫室氣體清單精細化修編系統(tǒng)梳理了當前全球范圍內(nèi)水淹地溫室氣體研究文獻資料（90%以上來自于水庫），反映了當前該領域最廣泛的學術共識，提供了科學、可靠并可被接受的方法學體系，客觀、公正地評估衡量筑壩蓄水、溝渠開挖等人類活動可能導致的溫室氣體源匯改變，對支撐各國編制水淹地溫室氣體清單具有重要的學術意義。

根據(jù)IPCC 的定義，水淹地是一類因人類活動（特別是水位調(diào)節(jié)）而導致水面面積發(fā)生改變的水體。因各種人類活動導致自然水體水面面積或水體滯留時間超過10%的情形均被認為是水淹地。水庫修建是水淹地的最主要代表，通過開挖方式導致水面面積變化（如溝渠、塘壩等）也屬于水淹地。

IPCC 水淹地國家溫室氣體清單精細化修編的主要觀點如下［85］：

（1）以20年為界限，庫齡不超過20年的水庫被認為處于水淹地的快速碳轉化時期，新增的CO2、CH4釋放主要來自淹沒區(qū)有機質降解，故被劃分為“轉化為水淹地的土地”（Land converted to flooded land），且需同時考慮CO2、CH4的通量特征。庫齡超過20年的水庫被認為是“保留為水淹地的土地”（Flooded land remaining flooded land），僅考慮CH4通量特征，而將CO2通量特征認為是在水庫穩(wěn)定期后陸源輸入碳所致并在陸地生態(tài)系統(tǒng)清單編制中已涉及。

（2）延續(xù)了IPCC 溫室氣體清單方法學的構架，提供了由淺入深的三個方法學層級。方法1 提供默認值和經(jīng)驗模型對全球范圍內(nèi)水淹地溫室氣體源匯進行估算；方法2 在方法1 公式基礎上提供了面向國家或地區(qū)清單編制所需增補的過程或參數(shù)；方法3 針對水淹地個案采用更精細的參數(shù)或方法（如G-res Tool 等）獲得更高分辨率的水淹地溫室氣體源匯變化。

（3）水淹地導致的N2O 源匯變化并未包含在此次清單修編中。一方面，當前全球范圍內(nèi)水淹地N2O 的既有數(shù)據(jù)和研究案例依然十分有限；另一方面，在全球氮循環(huán)的視角下，IPCC 傾向于認為，N2O 釋放主要歸因于陸源和人類活動輸入水淹地的各種無機氮或有機氮。它們來自于土地利用改變、農(nóng)藥化肥施用、水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類活動導致的氮負荷變化。這些人類活動產(chǎn)生的N2O 釋放在IPCC 國家溫室氣體清單的其他環(huán)節(jié)已予以考慮。

（4）限于既有案例不足以及仍然存在的學術爭議，此次水淹地精細化修編并未采用IPCC2011年提出的“水庫溫室氣體凈通量”概念性框架，未強調(diào)將蓄水前受影響區(qū)域溫室氣體源匯“本底”情況予以扣除。但在方法3 中從碳循環(huán)改變的角度聚焦CH4在蓄水前后源匯關系的變化，并闡述了CH4源匯改變尚未確定的過程或環(huán)節(jié)。

但同時，修編過程中也反映了當前在該領域尚存爭議或不確定的科學問題，例如，水庫碳埋藏、水庫消落帶碳源匯變化、河流梯級開發(fā)對碳循環(huán)的累積效應等情況，尚未難有更充分的方法支撐，也未能體現(xiàn)在現(xiàn)階段IPCC 精細化修編中。這也為后續(xù)學科發(fā)展提供了驅動力。

5 展望

5.1 尚待明晰的一些問題盡管筑壩蓄水（水淹地）新增的溫室氣體釋放普遍被認為主要來自于受淹區(qū)域的有機質，但上述觀點近年來亦受到挑戰(zhàn)或質疑。

（1）就水庫系統(tǒng)而言，筑壩蓄水對溫室氣體源匯的改變并非凈增加。濕地或水稻田在未受淹時均可能呈現(xiàn)較高的CH4排放，而受淹后一部分有機碳被封存埋藏于庫底；而持續(xù)產(chǎn)生的CH4因水深加大而在向上傳遞過程中被大量氧化，故相較于蓄水前，蓄水后水庫實際上形成碳匯。此外，持續(xù)的異源性碳輸入（泥沙淤積、陸源人類活動釋放）和自源性碳合成將可能改變水庫溫室氣體源匯的長期變化，以20年為穩(wěn)定期的界限值得商榷。

（2）在流域尺度下，應充分考慮筑壩攔截產(chǎn)生的碳轉移（carbon displacement）對水體溫室氣體源匯可能的影響。Li 等報道了長江上游筑壩攔截可能產(chǎn)生的碳匯效應［86］。2019年，Muller 在Nature 上以“Dams have the power to slow climate change”為題報道了發(fā)電水庫因攔截上游泥沙、減少泥沙在下游河灘地沉積而減緩CH4釋放，評論認為大壩具有減緩氣候變化的作用［87］。因此，筑壩蓄水更多地體現(xiàn)在改變河流對碳的輸送與搬運能力，水庫溫室氣體源匯變化本質上是流域碳在特定時空范圍內(nèi)的累積與轉化，土地利用方式改變并不足以反映水庫溫室氣體源匯變化的真實內(nèi)涵。

（3）縱觀該領域近30年研究歷程，研究工作主要涉及兩個方面：一是筑壩蓄水對河流（或流域）碳通量的影響；二是水電能源碳足跡的認識與客觀評估。上述兩個方面在科學內(nèi)涵上并不完全一致，但在早期的研究中，一些科研人員將上述兩個方面混淆或交雜在一起，這是導致水庫溫室氣體源匯在全球范圍內(nèi)備受關切的重要原因之一。水庫修建并不單純以水力發(fā)電為唯一的社會服務目標。數(shù)千年來，水庫在防洪、灌溉等方面對人類社會發(fā)展的促進作用甚至可能遠高于水力發(fā)電。即便是在以水力發(fā)電為主要設計目標的水庫，其他社會服務功能依然具有顯著的社會經(jīng)濟效益。近年來，IHA、IEA-Hydro、IPCC 等國際權威機構傾向于將上述問題約束在“水庫”范疇，即將水庫修建認為是人類改變土地利用類型（淹沒土地）并影響河流（或流域）碳通量的一種活動。同航運、灌溉、供水等其他服務功能一樣，水力發(fā)電是在上述人類活動基礎上衍生出來的一種社會服務。簡單將水庫溫室氣體源匯變化全部加載到水電碳足跡中并不科學，將水庫按照服務功能分類為“發(fā)電水庫”（hydroelec?tric reservoir）亦值得商榷。盡管目前已有不少研究在全生命周期視角下開展水電能源或水利工程碳足跡評估，但評估評價方法仍有待完善，對水庫不同社會服務功能的“碳分配”方法仍缺乏更充足的科學依據(jù)［42-43］。

5.2 未來發(fā)展趨勢雖起步較晚，在過去10年中，我國水庫溫室氣體研究已迅速追趕上世界前沿，逐漸在國際學界發(fā)出中國聲音。隨著科學知識的深入，當前研究已不滿足于在“中觀”尺度開展通量的界面監(jiān)測或不同水庫案例間的比較，而是逐漸呈現(xiàn)出在更“微觀”和更“宏觀”方向上的分化趨勢，主要有以下2 個方面：

（1）聚焦于更微觀的過程，探索河流-水庫系統(tǒng)碳氮循環(huán)的生態(tài)水文機制與效應。運用更新的技術手段方法，在更高的分辨率下準確獲取水庫溫室氣體源匯的時空變化；在解析界面通量時空異質性的同時，逐漸將問題回歸到變化水環(huán)境下生源要素的生物地球化學過程，在水庫消落帶、水體等不同景觀單元開展更細致的碳循環(huán)與微生物介導機制研究，為水庫溫室氣體遷移轉化提供更準確和更豐富的科學知識。2015年國家自然科學基金重大計劃《西南河流源區(qū)徑流變化和適應性利用》、2016年國家重點研發(fā)計劃《中國西南河流攔截對流域碳、氮循環(huán)和輸送的影響機制及其效應評估研究》、2017年國家自然科學基金重大計劃《水圈微生物驅動地球元素循環(huán)的機制》等一系列重大研究計劃的相繼啟動，將為我國在該領域的持續(xù)創(chuàng)新提供重要平臺。

（2）在更宏觀的視角下，拓展對水庫溫室氣體源匯變化的科學認識和應用。水庫溫室氣體源匯研究將逐漸從單一水庫拓展到梯級水庫，甚至在全球視角下更準確、更精確地探討河流梯級開發(fā)同全球碳循環(huán)、氣候變化的互饋關系，支撐IPCC 下一個周期的水淹地溫室氣體清單修編。在IPCC 水淹地國家溫室氣體清單支持下，水庫溫室氣體源匯變化將作為重要組成部分，被納入水電全生命周期的碳足跡評估，并推動水電進入碳交易市場。目前，北美碳交易市場已啟動水電項目的碳交易的試點工作，其交易模式和價值鏈的探索，將進一步推動水庫溫室氣體源匯研究從現(xiàn)階段的監(jiān)測評估逐漸轉向水電項目碳管理與碳優(yōu)化，真正意義上促使水電工程成為未來低碳時代的重要支撐，在減緩氣候變化不利影響中發(fā)揮更大效益。

結合中國大中型水庫特點和水電行業(yè)參與未來碳交易的技術需求，對我國該領域的后續(xù)深化研究有以下若干建議：（1）強化基礎研究，深化對大型水庫碳氮源匯機制的科學認識，如碳埋藏與碳通量耦合關系、水文情勢變化下河流-水庫系統(tǒng)碳來源與歸趨等［1］；完善我國大型水庫溫室氣體源匯監(jiān)測與定量評估體系，對水庫運行情況下（如三峽水庫“蓄清排渾”調(diào)度運行、梯級水庫調(diào)度等［88-89］）溫室氣體源匯變化定界、定量模型等方面開展方法學探索［90-91］。（2）結合我國大型水電項目設計、建設、運營等特點，建議積極開展大型水電項目全生命周期碳足跡評價的標準化研究，在系統(tǒng)邊界確定、數(shù)據(jù)來源與質量控制、評估評價方法選擇、不確定性分析方法構建等方面，形成適用于我國大型水電項目的全生命周期碳足跡評價方法學，構建科學、有力的證據(jù)鏈應對未來大型水電項目的碳核查與碳認證，積極推進大型水電項目參與“后巴黎協(xié)議”時期的碳交易。（3）在水電行業(yè)穩(wěn)步推進水電碳足跡評估的示范性應用，引導水電行業(yè)重視企業(yè)碳資產(chǎn)管理。在進一步“摸清家底”的同時，對可能存在較大碳排放源的水電項目，積極探索減源增匯的方法或途徑。