我们如何选择一个采样点

李 哲

重庆大学的科研人员进行温室气体排放监测实验 摄影/任红

对水资源的开发利用是人类社会的生存与发展所依附的根本载体。筑坝蓄水是人类开发利用水资源的重要过程。早在公元前5000年便有关于水库工程的记载，迄今为止，历史上人类修建的水库总数已无从考证，水库建设运行及其社会服务功能的发挥几乎与整个人类文明的演进史相伴相行。

自20世纪下半叶开始，伴随极端气候现象的出现，全球气候变化渐渐进入了人们的视野，因化石燃料燃烧大量产生的温室气体被普遍认为是诱导全球气候变化的关键原因，成为悬在全人类头顶的达摩克利斯之剑。人类生产、生活过程的碳足迹均被纳入对温室气体效应影响的评判中，筑坝蓄水的温室气体效应也备受关注。

科学研究对自然现象的认识往往是以自然观作为预设前提的，在这样的基础上产生相应的科学认识的方法论原则和具体实践方案，在“螺旋上升”的往复认识中逐步完善对自然现象和过程的系统认识。对水库温室气体效应的认识亦有赖于此。

设计客观合理的水库温室气体监测方案，需要充分认识水库生态系统特征及其碳循环特点，辨识在人类活动干涉下水库温室气体可能产生的途径与过程，提出关于水库温室气体通量特征典型代表性时空区段的预判并开展跟踪观测。

对水库温室气体效应的跟踪观测，起始于上世纪70-80年代巴西、加拿大等国的早期研究。根据地表系统温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的基本特征和近地层大气中气体传输机制，科学家们发展了各种温室气体通量监测方法，主要有模型估算法（化学平衡法）、通量箱法、微气象法、遥感反演法等，并延伸发展了10余种界面温室气体监测技术得到广泛运用。虽然方法的改进为人们更好地认识水库温室气体交换通量强度提供了强有力的技术支持，但很显然，对特定水库温室气体效应的系统认识还需辅以适配于水库水文地理条件与生态特征的系统监测方案，在不断的科学修正中探究水库温室气体通量特征的真实本质。

水库是人类高强度流域开发的产物，同湖泊千百年来自然缓慢演进与沉积相比，筑坝蓄水诱发的各种生态响应是在一个相对短暂的历史时期发生发展的，其环境本底状态同成库前的土地和水域利用情况密切相关，在很大程度上影响了水库温室气体强度的大小。譬如，在成库前有机质丰富的农田与贫瘠的土壤，其在受淹后所能够释放的温室气体强度存在显著差异，而成库前流动溪流与静止湖盆，它们形成水库后的温室气体效应也明显不同。另一方面，水库温室气体通量的改变，与水库生态系统重建和完善过程息息相关，受水库利用方式与水域功能的发挥影响显著。

水库作为介于河流与湖泊之间的人工水体，在人类利用下往往可能表征出近似于河流的搬运型特点（如河道型的发电水库），也可能表征出类似湖泊的沉积型特点（如渔业用水库），其温室气体的产生途径与释放过程受人类利用方式的胁迫十分复杂，并具有不确定性。

2010年10月13日，科技部社会发展科技司孙成永参赞与科研人员一起考察澎溪河自然保护区的温室气体监测采样点。 摄影/任红

合理的布设监测布点与科学的选择监测时空频次是水库温室气体监测方案的两个关键组成部分，典型性与代表性通常是监测方案的两个基本要求。这不仅归因于在有限的资源（人力、物力）投入下较快获取监测数据的现实要求，而且是保证主观认识与客观规律辩证统一的科学基础，犹如仅占体表万分之四却能影响各项生理机能的人体穴位。

而随着水库库龄的增加，水库生态系统演化的过程将可能影响温室气体强度的大小，甚至逆转温室气体的源汇特征。加拿大等国的经验表明，水库成库后15-20年，温室气体释放强度将恢复到天然河道的水平，但其经验是建立在其独特的水库水文地理背景和人类利用方式基础上，而在其他水域的情况则仍不确定。因此，设计客观合理的水库温室气体监测方案，需要充分认识水库生态系统特征及其碳循环特点，辨识在人类活动干涉下水库温室气体可能产生的途径与过程，提出关于水库温室气体通量特征典型代表性时空区段的预判并开展跟踪观测。

合理的布设监测布点与科学的选择监测时空频次是水库温室气体监测方案的两个关键组成部分，典型性与代表性通常是监测方案的两个基本要求。这不仅归因于在有限的资源（人力、物力）投入下较快获取监测数据的现实要求，而且是保证主观认识与客观规律辩证统一的科学基础，犹如仅占体表万分之四却能影响各项生理机能的人体穴位。虽然野外监测提供了有限时间与空间范围内的水库温室气体通量特征，但却需要系统表征出水库全水域的温室气体效应。

当现有技术手段和经济条件不足以支持连续跟踪观测时，在全天或全年的哪一个时段实施监测能够客观反映温室气体通量特征是值得探究的。

对监测布点的合理分布与监测时空频次的优化分配需考虑众多对温室气体产生过程的潜在影响。例如在深水河道型水库中，入库后伴随河道纵向输移的颗粒物质在大坝拦蓄的条件下逐渐沉积，形成了“河流区-过渡区-湖泊区”的纵向梯度。

在连续的区段内，水动力等的物理背景差异使得碳、氮的生物地球化学循环过程和生态系统组成呈现较大差别，温室气体产生和界面释放呈现连续波动变化的特征。这使得在纵向的空间监测布点中，不仅需要考虑水库物理背景改变导致生境条件差异而在各区段呈现的典型特征，而且在同一监测区段内的具体点位布设亦需要予以充分考虑，局部的空间点位显然不足以代表温室气体产生及其通量过程。另一方面，当现有技术手段和经济条件不足以支持连续跟踪观测时，在全天或全年的哪一个时段实施监测能够客观反映温室气体通量特征是值得探究的。

随着昼夜和季节变化，温室气体通量特征亦呈现出时间上的连续变化特征。日渐光照增强与水温、压强的改变直接影响了温室气体在水—气、土—气界面间的交换特征，而伴随藻类光合作用进行，温室气体的交换通量受控于水生生物生长衰亡的影响而产生改变。虽然人们通常以每月一次或每月二次的监测频次开展野外跟踪观测以期反映水库温室气体通量的全年特征，而采用日变化过程的24小时跟踪观测反映日变化下的温室气体通量特征，但明确水库监测时段的代表性，分析在某一时间内开展监测能够客观反映出所研究时间区段的水库温室气体特征并不容易。

重庆大学的科研人员进行温室气体排放监测实验 摄影/任红

用于检测温室气体排放的大气采样仪摄影/任红

用于检测温室气体排放的气体采样袋摄影/任红

水样的ph值测试 摄影/任红

水库温室气体监测工作开展的第三个关键环节是水库温室气体监测工作的长期性与持久性，以期能够在充足的历史序列上提供关于水库温室气体效应的系统认识。

不仅如此，水库温室气体监测工作开展的第三个关键环节是水库温室气体监测工作的长期性与持久性，以期能够在充足的历史序列上提供关于水库温室气体效应的系统认识。诚如前面提到，已有的研究经验表明在成库后的15—20年内，水库温室气体通量将恢复到成库前的水平，但问题在于水库对碳、氮等生源要素的转运或埋藏以及水库温室气体释放特征同水库流域内人类生产生活水平、水库利用方式密切相关，当水库生态系统长期受迫于人类活动干扰而呈现往复变动的特征时，是否这样的状态能否让水库温室气体通量特征恢复到成库前的水平？长期持续的跟踪观测显然是回答这一问题的最好办法。

通过前述分析可以看出，在充分认识水库温室气体产汇过程的基础上，科学制定水库温室气体监测方案是客观评判水库温室气体效应的关键前提，在这一过程中，五个方面的要素是值得考虑的，即：1）成库前的土地利用历史和环境本底特征；2）成库后的水库功能与运行方案；3）水库不同时空区段内的水文地理特征；4）水库温室气体关键环境要素的时空分布特点与关键生态过程；5）适配于水库特征的温室气体监测技术。

温室气体作为水库生态系统与大气圈层间物质、能量的交换介质，其交换通道在各种在人工环境的作用的影响下形成了相互独立且有别于湖泊、海洋等水域的独特系统，其效应强弱不仅受迫于自然系统的干扰，也受到人类活动的胁迫；也正是水库温室气体过程的不确定性与复杂性，使得短期或局部的跟踪观测结果并不足以全面反映水库温室气体的宏观特征。

“大学之道，在明明德，在亲民，在止于至善。”水库温室气体效应的研究已经成为当前淡水生态学研究领域的热点，但其最终成果的反映却仍还未有系统、客观、科学的结论，仍需要“止于至善”的不断探索前行。