李 哲

重慶大學(xué)的科研人員進(jìn)行溫室氣體排放監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn) 攝影/任紅

對(duì)水資源的開發(fā)利用是人類社會(huì)的生存與發(fā)展所依附的根本載體。筑壩蓄水是人類開發(fā)利用水資源的重要過程。早在公元前5000年便有關(guān)于水庫(kù)工程的記載，迄今為止，歷史上人類修建的水庫(kù)總數(shù)已無從考證，水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行及其社會(huì)服務(wù)功能的發(fā)揮幾乎與整個(gè)人類文明的演進(jìn)史相伴相行。

自20世紀(jì)下半葉開始，伴隨極端氣候現(xiàn)象的出現(xiàn)，全球氣候變化漸漸進(jìn)入了人們的視野，因化石燃料燃燒大量產(chǎn)生的溫室氣體被普遍認(rèn)為是誘導(dǎo)全球氣候變化的關(guān)鍵原因，成為懸在全人類頭頂?shù)倪_(dá)摩克利斯之劍。人類生產(chǎn)、生活過程的碳足跡均被納入對(duì)溫室氣體效應(yīng)影響的評(píng)判中，筑壩蓄水的溫室氣體效應(yīng)也備受關(guān)注。

科學(xué)研究對(duì)自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)往往是以自然觀作為預(yù)設(shè)前提的，在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生相應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)的方法論原則和具體實(shí)踐方案，在“螺旋上升”的往復(fù)認(rèn)識(shí)中逐步完善對(duì)自然現(xiàn)象和過程的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。對(duì)水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的認(rèn)識(shí)亦有賴于此。

設(shè)計(jì)客觀合理的水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)方案，需要充分認(rèn)識(shí)水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)特征及其碳循環(huán)特點(diǎn)，辨識(shí)在人類活動(dòng)干涉下水庫(kù)溫室氣體可能產(chǎn)生的途徑與過程，提出關(guān)于水庫(kù)溫室氣體通量特征典型代表性時(shí)空區(qū)段的預(yù)判并開展跟蹤觀測(cè)。

對(duì)水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的跟蹤觀測(cè)，起始于上世紀(jì)70-80年代巴西、加拿大等國(guó)的早期研究。根據(jù)地表系統(tǒng)溫室氣體（CO2、CH4、N2O）通量的基本特征和近地層大氣中氣體傳輸機(jī)制，科學(xué)家們發(fā)展了各種溫室氣體通量監(jiān)測(cè)方法，主要有模型估算法（化學(xué)平衡法）、通量箱法、微氣象法、遙感反演法等，并延伸發(fā)展了10余種界面溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。雖然方法的改進(jìn)為人們更好地認(rèn)識(shí)水庫(kù)溫室氣體交換通量強(qiáng)度提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，但很顯然，對(duì)特定水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)還需輔以適配于水庫(kù)水文地理?xiàng)l件與生態(tài)特征的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案，在不斷的科學(xué)修正中探究水庫(kù)溫室氣體通量特征的真實(shí)本質(zhì)。

水庫(kù)是人類高強(qiáng)度流域開發(fā)的產(chǎn)物，同湖泊千百年來自然緩慢演進(jìn)與沉積相比，筑壩蓄水誘發(fā)的各種生態(tài)響應(yīng)是在一個(gè)相對(duì)短暫的歷史時(shí)期發(fā)生發(fā)展的，其環(huán)境本底狀態(tài)同成庫(kù)前的土地和水域利用情況密切相關(guān)，在很大程度上影響了水庫(kù)溫室氣體強(qiáng)度的大小。譬如，在成庫(kù)前有機(jī)質(zhì)豐富的農(nóng)田與貧瘠的土壤，其在受淹后所能夠釋放的溫室氣體強(qiáng)度存在顯著差異，而成庫(kù)前流動(dòng)溪流與靜止湖盆，它們形成水庫(kù)后的溫室氣體效應(yīng)也明顯不同。另一方面，水庫(kù)溫室氣體通量的改變，與水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)重建和完善過程息息相關(guān)，受水庫(kù)利用方式與水域功能的發(fā)揮影響顯著。

水庫(kù)作為介于河流與湖泊之間的人工水體，在人類利用下往往可能表征出近似于河流的搬運(yùn)型特點(diǎn)（如河道型的發(fā)電水庫(kù)），也可能表征出類似湖泊的沉積型特點(diǎn)（如漁業(yè)用水庫(kù)），其溫室氣體的產(chǎn)生途徑與釋放過程受人類利用方式的脅迫十分復(fù)雜，并具有不確定性。

2010年10月13日，科技部社會(huì)發(fā)展科技司孫成永參贊與科研人員一起考察澎溪河自然保護(hù)區(qū)的溫室氣體監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)。 攝影/任紅

合理的布設(shè)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)與科學(xué)的選擇監(jiān)測(cè)時(shí)空頻次是水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)方案的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，典型性與代表性通常是監(jiān)測(cè)方案的兩個(gè)基本要求。這不僅歸因于在有限的資源（人力、物力）投入下較快獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)要求，而且是保證主觀認(rèn)識(shí)與客觀規(guī)律辯證統(tǒng)一的科學(xué)基礎(chǔ)，猶如僅占體表萬(wàn)分之四卻能影響各項(xiàng)生理機(jī)能的人體穴位。

而隨著水庫(kù)庫(kù)齡的增加，水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)演化的過程將可能影響溫室氣體強(qiáng)度的大小，甚至逆轉(zhuǎn)溫室氣體的源匯特征。加拿大等國(guó)的經(jīng)驗(yàn)表明，水庫(kù)成庫(kù)后15-20年，溫室氣體釋放強(qiáng)度將恢復(fù)到天然河道的水平，但其經(jīng)驗(yàn)是建立在其獨(dú)特的水庫(kù)水文地理背景和人類利用方式基礎(chǔ)上，而在其他水域的情況則仍不確定。因此，設(shè)計(jì)客觀合理的水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)方案，需要充分認(rèn)識(shí)水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)特征及其碳循環(huán)特點(diǎn)，辨識(shí)在人類活動(dòng)干涉下水庫(kù)溫室氣體可能產(chǎn)生的途徑與過程，提出關(guān)于水庫(kù)溫室氣體通量特征典型代表性時(shí)空區(qū)段的預(yù)判并開展跟蹤觀測(cè)。

合理的布設(shè)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)與科學(xué)的選擇監(jiān)測(cè)時(shí)空頻次是水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)方案的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，典型性與代表性通常是監(jiān)測(cè)方案的兩個(gè)基本要求。這不僅歸因于在有限的資源（人力、物力）投入下較快獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)要求，而且是保證主觀認(rèn)識(shí)與客觀規(guī)律辯證統(tǒng)一的科學(xué)基礎(chǔ)，猶如僅占體表萬(wàn)分之四卻能影響各項(xiàng)生理機(jī)能的人體穴位。雖然野外監(jiān)測(cè)提供了有限時(shí)間與空間范圍內(nèi)的水庫(kù)溫室氣體通量特征，但卻需要系統(tǒng)表征出水庫(kù)全水域的溫室氣體效應(yīng)。

當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)條件不足以支持連續(xù)跟蹤觀測(cè)時(shí)，在全天或全年的哪一個(gè)時(shí)段實(shí)施監(jiān)測(cè)能夠客觀反映溫室氣體通量特征是值得探究的。

對(duì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的合理分布與監(jiān)測(cè)時(shí)空頻次的優(yōu)化分配需考慮眾多對(duì)溫室氣體產(chǎn)生過程的潛在影響。例如在深水河道型水庫(kù)中，入庫(kù)后伴隨河道縱向輸移的顆粒物質(zhì)在大壩攔蓄的條件下逐漸沉積，形成了“河流區(qū)-過渡區(qū)-湖泊區(qū)”的縱向梯度。

在連續(xù)的區(qū)段內(nèi)，水動(dòng)力等的物理背景差異使得碳、氮的生物地球化學(xué)循環(huán)過程和生態(tài)系統(tǒng)組成呈現(xiàn)較大差別，溫室氣體產(chǎn)生和界面釋放呈現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)變化的特征。這使得在縱向的空間監(jiān)測(cè)布點(diǎn)中，不僅需要考慮水庫(kù)物理背景改變導(dǎo)致生境條件差異而在各區(qū)段呈現(xiàn)的典型特征，而且在同一監(jiān)測(cè)區(qū)段內(nèi)的具體點(diǎn)位布設(shè)亦需要予以充分考慮，局部的空間點(diǎn)位顯然不足以代表溫室氣體產(chǎn)生及其通量過程。另一方面，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)手段和經(jīng)濟(jì)條件不足以支持連續(xù)跟蹤觀測(cè)時(shí)，在全天或全年的哪一個(gè)時(shí)段實(shí)施監(jiān)測(cè)能夠客觀反映溫室氣體通量特征是值得探究的。

隨著晝夜和季節(jié)變化，溫室氣體通量特征亦呈現(xiàn)出時(shí)間上的連續(xù)變化特征。日漸光照增強(qiáng)與水溫、壓強(qiáng)的改變直接影響了溫室氣體在水—?dú)?、土—?dú)饨缑骈g的交換特征，而伴隨藻類光合作用進(jìn)行，溫室氣體的交換通量受控于水生生物生長(zhǎng)衰亡的影響而產(chǎn)生改變。雖然人們通常以每月一次或每月二次的監(jiān)測(cè)頻次開展野外跟蹤觀測(cè)以期反映水庫(kù)溫室氣體通量的全年特征，而采用日變化過程的24小時(shí)跟蹤觀測(cè)反映日變化下的溫室氣體通量特征，但明確水庫(kù)監(jiān)測(cè)時(shí)段的代表性，分析在某一時(shí)間內(nèi)開展監(jiān)測(cè)能夠客觀反映出所研究時(shí)間區(qū)段的水庫(kù)溫室氣體特征并不容易。

重慶大學(xué)的科研人員進(jìn)行溫室氣體排放監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn) 攝影/任紅

用于檢測(cè)溫室氣體排放的大氣采樣儀攝影/任紅

用于檢測(cè)溫室氣體排放的氣體采樣袋攝影/任紅

水樣的ph值測(cè)試 攝影/任紅

水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)工作開展的第三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)工作的長(zhǎng)期性與持久性，以期能夠在充足的歷史序列上提供關(guān)于水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

不僅如此，水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)工作開展的第三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)工作的長(zhǎng)期性與持久性，以期能夠在充足的歷史序列上提供關(guān)于水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。誠(chéng)如前面提到，已有的研究經(jīng)驗(yàn)表明在成庫(kù)后的15—20年內(nèi)，水庫(kù)溫室氣體通量將恢復(fù)到成庫(kù)前的水平，但問題在于水庫(kù)對(duì)碳、氮等生源要素的轉(zhuǎn)運(yùn)或埋藏以及水庫(kù)溫室氣體釋放特征同水庫(kù)流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活水平、水庫(kù)利用方式密切相關(guān)，當(dāng)水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期受迫于人類活動(dòng)干擾而呈現(xiàn)往復(fù)變動(dòng)的特征時(shí)，是否這樣的狀態(tài)能否讓水庫(kù)溫室氣體通量特征恢復(fù)到成庫(kù)前的水平？長(zhǎng)期持續(xù)的跟蹤觀測(cè)顯然是回答這一問題的最好辦法。

通過前述分析可以看出，在充分認(rèn)識(shí)水庫(kù)溫室氣體產(chǎn)匯過程的基礎(chǔ)上，科學(xué)制定水庫(kù)溫室氣體監(jiān)測(cè)方案是客觀評(píng)判水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的關(guān)鍵前提，在這一過程中，五個(gè)方面的要素是值得考慮的，即：1）成庫(kù)前的土地利用歷史和環(huán)境本底特征；2）成庫(kù)后的水庫(kù)功能與運(yùn)行方案；3）水庫(kù)不同時(shí)空區(qū)段內(nèi)的水文地理特征；4）水庫(kù)溫室氣體關(guān)鍵環(huán)境要素的時(shí)空分布特點(diǎn)與關(guān)鍵生態(tài)過程；5）適配于水庫(kù)特征的溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)。

溫室氣體作為水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)與大氣圈層間物質(zhì)、能量的交換介質(zhì)，其交換通道在各種在人工環(huán)境的作用的影響下形成了相互獨(dú)立且有別于湖泊、海洋等水域的獨(dú)特系統(tǒng)，其效應(yīng)強(qiáng)弱不僅受迫于自然系統(tǒng)的干擾，也受到人類活動(dòng)的脅迫；也正是水庫(kù)溫室氣體過程的不確定性與復(fù)雜性，使得短期或局部的跟蹤觀測(cè)結(jié)果并不足以全面反映水庫(kù)溫室氣體的宏觀特征。

“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善。”水庫(kù)溫室氣體效應(yīng)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前淡水生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但其最終成果的反映卻仍還未有系統(tǒng)、客觀、科學(xué)的結(jié)論，仍需要“止于至善”的不斷探索前行。