中国水库温室气体研究（2009—2019）：回顾与展望

孙志禹，陈永柏，李 翀，郭劲松，李 哲

（1.中国长江三峡集团有限公司，北京 100038；2.重庆大学，重庆 400044；3.中国科学院 重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714）

1 研究背景

筑坝蓄水是人类调控洪水、开发利用水资源与水能资源的最主要方式，水库建设运行对生态环境的影响是当今国际社会普遍关注的问题［1］。水力发电将天然水体势能、动能转化为电能输出，可大幅减少CO2、CH4等温室气体的排放量，是迄今唯一技术已发展成熟、可大规模开发的可再生能源。根据国际水电协会（IHA）2019 水电能源状况报告，目前，水力发电总量在全球电力供应中所占比重为15.9%，在所有可再生能源（风能、太阳能等）应用中约为62.1%［2］。政府间气候变化专门委员会（IPCC）预计，到2030年水力发电在全球电力供应中所占比重将达到17%，约5382 TW·h·a-1，对减缓气候变化影响将做出显著贡献［3］。然而，筑坝蓄水将不可避免淹没一定数量的土地，并将在一定程度上改变原有区域生态系统同大气之间温室气体的源汇关系，对全球气候变化产生影响。1990年代，对南美部分发电水库的调查发现其温室气体释放当量并不亚于相同发电量的火电厂［4-6］，由此引发国际上一些非政府组织对水电清洁能源属性的担忧，并推动了此后20年水库温室气体源汇通量及其碳氮循环机制研究，该领域逐渐成为当前全球变化的研究热点之一，备受国际学界和水电行业广泛关注。

我国是世界上水库数量最多的国家。截止2017年底，我国已建成水库98 795座［7］，总库容9035亿m3，近3 倍于我国天然湖泊储水量，约占我国年河川年径流总量（2.8 万亿m3·a-1）的32%，蓄存淡水总量约是全球水库总库容的11%。据不完全统计，我国水库水域总面积接近70 000 km2，同我国自然湖泊水域面积相当，约占我国内陆水域面积的45%。分布于广袤中国大地的各类型水库，持续稳定发挥着发电、航运、旅游、灌溉、供水、养殖等众多服务功能，已成为推动我国社会经济可持续发展的重要基础设施，也是我国减缓气候变化不利影响的关键支撑与保障。

我国水库温室气体源汇特征近年来亦受到国际社会的关注。2009年，中国学者报道了三峡水库消落带初露期具有温室气体高释放通量特征，并据此外推认为三峡水库温室气体通量并不亚于南美发电水库［8］。同年，Nature 以“Chinese Dam Maybe Methane Menace”为题报道了上述成果［9］，引发了国际社会对长江三峡工程潜在气候变化效应的高度关切。该事件成为了中国水库温室气体研究具有标志意义的重要起点，开启了此后10年该领域研究的重要发展期。2019年，在中国学者的参与和不懈努力下，IPCC 正式完成并通过了国家温室气体清单水淹地章节（Chapter 7.3 Flooded Land）的精细化修编（2019 Refinement）。该章节系统地汇总凝练了当前以水库为主要类型的全球水淹地温室气体源汇情况，提出了科学、可靠的方法学以客观衡量筑坝蓄水对全球气候变化的潜在影响。

作为一个以10年为周期的阶段性小结，本文首先回顾并梳理了该领域国际研究进展，尝试在该领域国际研究进展的大背景下总结分析10年来中国水库温室气体研究历程和主要科学认识，探讨当前中国水库温室气体源汇研究中仍不明确或不完善的地方，展望未来该领域研究的趋势与方向。

2 国际上水库温室气体研究回顾

筑坝蓄水淹没陆地生态系统，引起淹没地陆生植被死亡、有机质（动植物残体、土壤中有机碎屑、腐殖质等）降解、养分与其他污染物（如：重金属等）溶出释放入水体［10］。有机质（OM）降解产生CO2、CH4、H2S 等气体释放入大气，而养分溶出将造成水库营养水平在蓄水初期（通常为3 ～5年）呈现显著升高的“上涌”现象（trophic upsurge）［11］。该现象及其动力学过程早在上世纪80年代便被学界所报道，而对水库修建、水力发电潜在的温室气体效应的研究则起始于1993年。Rudd 等在其论文“Are hydroelectric reservoirs significant sources of greenhouse gases?”中首先报道了发电水库建设可能引起CH4、CO2释放通量增加［12］。同年，Oud 等以“Global warming：a changing climate change for Hydro”为题质疑水力发电的温室气体“零排放”特征［13］。在此后的20 多年中，国际水库温室气体研究以2006年为界可分为质疑争议期和拓展研究期2 个代表性阶段。

2.1 质疑争议期（1993年—2006年）1990年代中后期，巴西生态保护学家Fearnside 调查发现一些热带雨林发电水库温室气体释放强度远强于火力发电厂，其主要论据来自于对水库过坝下泄水体中CH4大量释放的理论计算，并结合Balbina、Tucuruí、Petit Saut 等水库的监测报道，预测热带水库蓄水后10年内温室气体释放总量将4 倍于同等电力供应水平下的火电厂［4-6，14-16］。Rosa 等抨击Fearnside 外延并夸大了来自水库的有限研究结果［17-24］。Duchemin、Tremblay 等加拿大学者团队，以魁北克寒温带发电水库为对象，围绕水库温室气体监测的方法学研究［25-26］，侧重于构建相对完整的监测技术体系，通过长期跟踪观测，估算衡量水库温室气体源汇特征［27-28］。Delmas、Galy-Lacaus 等连续报道了Petit Saut 水库温室气体通量的长期观测结果，提出了水库CO2、CH4释放随时间变化的经验模型［29-32］。

St.Louis 等在2000年比较了全球不同气候带水库温室气体通量特征，解析了水库温室气体效应的影响因素，认为在有限数据条件下对水电温室气体效应的定性判断仍相对困难［33］。但上述认识并未得到一些国际反坝组织的认同，反而被借以抨击水电能源政策。1997年，世界银行委托世界水坝委员会（WCD）对全球125 座大型水坝进行调查。尽管有的调查案例确实反映出水库淹没前后温室气体的释放会有所增加，但调查发现，这与不同水库所处的地区和淹没前的库底清理有关。WCD 倾向于认为，水力发电依然产生积极的影响［34］。dos Santos 等认为能量密度（单位淹没土地下的装机容量）较高的水电站其温室气体减排效益（与现有技术水平下相同当量火电厂相比）较为明显，而能量密度较低的水电厂其温室气体减排效益并不显著，甚至温室气体总排放远高于相同当量的火电厂［35-36］。

2006年Nature 以“Methane quashes green credentials of hydropower”为题对过去10年来巴西热带水库温室气体效应的争议进行了回顾梳理［37］，认为缺乏可靠而充分的数据仍是解析水电温室气体效应的重要障碍。IPCC 于2006年颁布的国家温室气体排放清单［38］和2007年的气候变化第四阶段评估报告［39］，明确了水电是减缓气候变化不利影响的重要能源形式，但也强调了水库温室气体源汇关系的不确定性。

2.2 拓展研究期（2006年—至今）在一片争议声中，国际学界对水库温室气体源汇的科学认识，逐渐从单一的水库CO2、CH4源汇通量变化的简单认识，深化拓展到以下3 个方面的重要的基本共识：

（1）水库同大气间温室气体交换，涵盖水-气界面扩散通量、气泡释放通量、过坝下泄消气通量、下游河道释放通量、库岸带大型植物交换和水库消落带露出期间陆地生态系统同大气温室气体交换等诸多途径，同水库碳的生物地球化学过程密切相关（图1）。

（2）蓄水后水库温室气体源汇通量监测结果并不能用于反映筑坝蓄水对气候变化的影响，需充分考虑蓄水前受影响区域温室气体源汇的“本底”情况，应开展水库温室气体净通量评估［3］。水库温室气体净通量，在概念上等于蓄水后温室气体总通量同蓄水前温室气体通量的差值，并扣除其他人类活动（如点面源污染负荷等）产生的贡献［3，40］。

图1 筑坝蓄水前后温室气体源汇关系变化示意（引用并翻译自文献［41］）

（3）水库温室气体源汇变化并不能等同于水电能源的碳排放量。水电能源碳排放量应在全生命周期的框架下开展评估，涉及水电工程前期、施工期、运行维护期、拆坝以及河道恢复阶段等［42-43］。

基于上述基本共识，UNESCO 联合国际水电协会（IHA）于2008年正式启动了国际水库温室气体研究计划。2010年，UNESCO/IHA 完成第一阶段工作目标，发表颁布了《淡水水库温室气体监测导则》［44］。国际能源署水电技术合作计划（IEA-Hydro）同期也启动了《水库碳平衡与碳管理技术导则》的编写［40，45］。该技术导则侧重于将水库碳通量监测与碳源汇建模评估方法标准化，并提出水库碳平衡定量分析的最优实践指南，以指导国际水电行业开展水库碳评估与碳管理。IPCC 于2011年出版了《可再生能源与气候变化减缓》特别报告［3］，强调了水电能源在减缓气候变化不利影响中的重要性；结合既有文献报道，初步确定了水库型水电（Reservoir Hydropower）在全生命周期视角下的估计值为18g（CO2eq）·（kW·h）-1［3］，同时特别报告还提出了水库温室气体净通量的概念性框架。基于该框架，2014年，UNESCO/IHA 启动了其第二阶段工作，构建面向全球的水库温室气体净通量评估模型（G-res Tool），并于2017年正式颁布。

在基础研究方面，自2006年后国际学界论文发表量成指数增长趋势，Web of Science 中的论文发表数量从2006年前每年不足10 篇增长至2006年后年均27 篇（图2）。水库温室气体研究案例呈现显著升高的趋势，除南北美洲既有案例外，亚洲和欧洲的研究案例在2006年后迅速增加，极大丰富了全球视角下对水库温室气体源汇的认识。2011年，Barros等综合分析并发现了全球范围内水库温室气体释放通量（主要是水-气界面）同水库库龄（成库时间）、水深和气候带密切相关［46］。2016年，Deemer等估算全球范围内水库水体温室气体CO2释放通量估计值约为36.8×1012g（C）·a-1（通量均值约为330 mg（C）/（m2·d）），CH4释放通量估计值约为13.3×1012g（C）·a-1（通量均值约为120 mg（C）/（m2·d）），约合0.8（0.5 ～1.2）×1015g（CO2eq）·a-1，并认为水库水体温室气体源汇通量同水体初级生产力水平关联性更为密切［47］。另一方面，水库湖沼学的研究发展，很大程度上深化了对水库碳循环科学内涵的认识。例如，水库温室气体源汇通量变化，已不单纯受到淹没区有机质总量的影响，而与水库受纳的异源性有机质（allochtho⁃nous OM）与水库自源性有机质（autochthonous OM）生产能力影响显著［48］。泥沙携带异源性有机质在库岸带沉积成为水库CH4的重要来源［49-51］。水库水位下降消落带初露将可能导致短时间内较高的温室气体释放［52-54］。污水处理厂有机物的输入的贡献亦不可忽略［55］。Chanudet 等对老挝两座水库碳归趋的物料衡算发现该水库总体呈现为碳汇［56］。此外，采用更先进的分析测试手段，以更高的分辨率揭示水库温室气体源汇通量的时空变化过程，亦为更精细地揭示水库温室气体源汇机制提供重要技术支撑［57］。

图2 截至2019年1月水库温室气体研究领域相关文献报道统计

2007年，Cole 等在陆地水系统碳循环中提出了一个具有影响力的重要概念，即“淡水管道”（Freshwater pipes）［58］。“淡水管道”将陆-海碳交换概化为陆地碳以陆地水体（河流、湖泊、水库等）作为输送管道向海洋输送的过程，并拓展考虑了陆地水体同大气之间的碳交换与永久性碳埋藏（图3）。全年陆地生态系统向内陆河流中输送的总碳量约为1.9×1015g（C）·a-1，最终通过地表水和地下水输入到海洋的总碳量为0.9×1015g（C）·a-1。全年陆地水系统向大气排放的总碳量约为1.0×1015g（C）·a-1，其中CO2约为0.75×1015g（C）·a-1，而每年在陆地水系统中沉积埋藏的碳量约为0.23×1015g（C）·a-1［58］。在“淡水管道”概念支持下，Prairie 等综述了筑坝蓄水前后碳生物地球化学过程改变的特征、过程与机制（图1），进一步探讨明确了衡量水库温室气体净通量的概念框架与温室气体类型（CO2或CH4）［41］，为IPCC2019年水淹地国家温室气体清单精细化修编提供了重要支撑。

图3 陆地水系统碳输送和碳排放的基本模式［58］（单位：1015g（C）·a-1）

3 中国水库温室气体研究进展

3.1 总体研究情况回顾层峦叠嶂、沟壑纵横的地貌特征使得我国具有建设大中型水库的先天优势。新中国成立以前，我国仅有23 座大中型水库和一些塘坝、小型水库。新中国成立以后，以官厅水库、三门峡水利枢纽等为标志，掀起了新中国水利建设高潮。改革开放以来，以长江三峡、黄河小浪底为代表的一大批集防洪、发电、供水、灌溉等为一体的大型水利枢纽开工兴建，为我国社会经济发展提供了强大的支撑。

我国水库温室气体研究工作整体上起步晚于国际。尽管2009年之前已有一些中国学者开始关注水库温室气体源汇变化，但中国学者在水库温室气体研究方面开始形成大量的文献报道则主要起始于2009年前后。1994年，刘文新等翻译了Rosa 等对Rudd 等1993年文献报道的评论，并刊发在AM⁃BIO—人类环境杂志（中文版）上［59］。这可能是中国学者发表的最早一篇和水库温室气体研究直接相关的文献。中国科学院刘丛强院士团队是国内较早开展水库碳循环与碳通量研究的团队。在国家自然科学基金重点项目和多个面上项目支持下，他们主要以乌江流域梯级水库为对象，从河流-水库的水化学特征、DIC 和pCO2迁移转化等角度开展水库温室气体研究［60-65］。中国长江三峡集团有限公司（以下简称“三峡集团”）是我国较早关注水库温室气体源汇问题的机构。2006年，三峡集团组织召开了水库温室气体研究专家研讨会；2008年，先期启动了在三峡水库支流温室气体源汇监测与原位研究；2009年，为回应Nature 的报道和质疑，三峡集团承担了国家“973”课题《三峡水库水体温室气体监测与减排效益评估》（2010CB955904）研究任务；2012年，三峡集团自筹资金开展了针对溪洛渡、向家坝梯级水库的蓄水前温室气体本底调查与评估，同期开展了水电全生命周期碳足迹评价研究工作；2015年，进一步启动了对三峡水库及金沙江下游梯级水库的温室气体源汇跟踪观测与研究。在此期间，全程加入UNESCO/IHA、IEA 的国际水库温室气体研究计划，在开发国际水库温室气体模型、编写国际水电行业技术导则中融入中国水库特点。在三峡集团的带领下，中国科学院遥感与数字地球研究所、中国水利水电科学研究院、中国科学院水生生物研究所、中国科学院生态环境研究中心、重庆大学、长江科学院、三峡大学、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等科研机构先后开展了相关研究。此外，中国科学院武汉植物园、西南大学等国内其他高校或研究院所亦开展了水库温室气体相关研究。

截至2019年，在CNKI 上同水库温室气体研究直接相关（以CO2、CH4等温室气体为主题）的研究文献约120 余篇（图2），Web of Science 中我国学者发表的直接相关文献约30～40 篇。早期的文献报道主要开始于对水库温室气体通量过程与影响因素、监测技术与方法的综述分析［66-69］。随着相关研究案例的展开，逐步形成了以静态箱法（水-气界面、土-气界面）和薄边界层模型估算法为主［70］、其他方法（水下气泡监测、顶空监测、遥感反演等）为辅的监测体系［71-72］，其他监测指标还涵盖气候气象条件（如风速、温度、辐射）、水文水动力、水环境与水生态等。主要监测设备与研究手段同国际主流保持一致［72］。

我国大中型水库多依托河谷修建，具有典型的河道型水库特征，窄而狭长，淹没区小，岸线系数大，水力停留时间相对较短，成库后水面率（水库正常蓄水水位水面面积同大坝控制流域面积比值）通常不超过10%，且因大面积淹没成库或成库后水面率显著增加的案例并不常见。由于淹没区相对较小而装机容量均相对较大，我国大中型水电站的能量密度（单位淹没面积的装机容量）整体上相对较高。据初步测算，我国大中型水电站能量密度中位值约为64 W·m-2，可能的分布范围（1 分位数和3 分位数）为24 ～235 W·m-2，例如，三峡电站能量密度为35.6 W·m-2，溪洛渡水电站能量密度为100.0 W·m-2。2006年，联合国气候变化框架公约（UNFCCC）清洁发展机制（CDM）划定的阈值［73］，认为能量密度超过10 W·m-2的水电项目，其温室气体排放可以忽略；能量密度介于4 W·m-2和10 W·m-2之间的水电项目，其温室气体排放因子被判定为90 g（CO2eq）·（kW·h）-1；能量密度低于4 W·m-2的项目被排除在CDM 之外。故我国水电项目在温室气体低碳属性应是较为突出的，因蓄水导致水库温室气体源汇增量总体上并不高［74］。

据不完全统计，我国水库目前水体CO2通量532.49±781.74 mg（C）/（m2·d）（均值±标准差，下同），CH4通量均值约为10.25±33.37 mg（C）/（m2·d）［75］。我国水库温室气体通量，同流域水土流失情势、高强度的人类活动历史等因素密切相关［76］，部分流域（如西南喀斯特地貌等）水-气CO2高释放通量特征同地球化学背景中较高的无机碳浓度有关［77］。在一些水库中，水体CO2通量改变受到藻类生长影响明显，藻类增殖将显著降低水-气界面CO2通量甚至形成碳汇［78-79］；水体CH4通量则同温度变化更为密切。水库消落带或库岸带通常是CO2、CH4的源，但水位变化导致土壤含水量改变和氧化还原环境变化将在较大程度上改变土-气界面CO2、CH4的源汇状态［52］，水库消落带将可能形成CO2、CH4的汇。与全球既有的研究案例统计结果相比［47］，我国水库CO2通量水平略高于全球平均水平（330 mg（C）/（m2·d）），在全球案例序列中处于中等偏上的水平（分位数约为58%）。但我国水库水体CH4通量水平则显著低于全球平均水平（120 mg（C）/（m2·d）），在全球案例序列中处于偏低的水平（分位数约为18%）。但限于我国幅员广阔、水库类型众多，水库碳循环与碳通量过程具有复杂性，不少关键问题目前仍十分不确定。由于文献［75］的统计仅来自于百余座水库的大面普查，因此目前还难以反映中国水库的总体情况。

3.2 三峡水库温室气体源汇特征三峡水库是我国目前最大的水库。作为亚热带季风性气候背景下的典型案例，三峡水库在水库形态、生态系统结构功能等方面，代表了我国南方地区（特别是西南地区）很大一部分依托河谷修建水库的生态特征。服务于防洪、发电、航运等多种功能要求，加之库区社会经济飞速发展，三峡水库受到的人类活动影响程度高且复杂。三峡水库温室气体源汇变化及其同大气间的交换涵盖了各种已知的可能途径（如水-气界面扩散释放、气泡释放、消落带同大气间交换、过坝下泄等），在碳的生物地球化学过程、通量和机制上具有典型性。因此，三峡水库的相关研究，是我国在过去10年期间水库温室气体研究的主要代表，也为国际水库温室气体研究提供有价值的补充。

三峡集团先后于2010—2011年（库龄R=1）、2015—2017年（库龄R=5～6）分别开展了1 个周年和2 个周年水库温室气体源汇通量逐月监测，涵盖不同水库区段（库尾、库中、库首）、消落带、过坝下泄和下游受影响河段等不同景观单元。同时，参照IPCC 国家温室气体清单方法学［38，80］，以蓄水前三峡水库淹没区土地利用调查结果为基础（数据来源：中国三峡建设年鉴1994），对蓄水前温室气体源汇情况进行了估算，结果见图4，具体方法与过程另文详述。三峡水库蓄水前（以1998年为基准年），淹没区+河道水面温室气体释放总量约为3.2×105t（CO2eq）·a-1，95%置信区间下可能的阈值范围为（2.8 ～3.6）×105t（CO2eq）·a-1，其中，74%来自淹没区，26%来自自然河道水面。蓄水前CH4释放主要来自水稻田、河滩地和河流水面［81］。蓄水后的实测结果表明（表1）：三峡水库干流水面CH4通量约为3.32±4.20 mg（C）/（m2·d），CO2通量约为685.85±832.45 mg（C）/（m2·d）；支流水面CH4、CO2通量分别为10.32±56.92 mg（C）/（m2·d）、453.88±887.75 mg（C）/（m2·d）。消落带与坝下河段温室气体通量见表1与图5，不另赘述。同蓄水前自然河道水体温室气体通量相比，蓄水后三峡水库水体CH4、CO2通量平均水平有所增加（图5），但增幅并不明显。蓄水后CH4、CO2通量数据序列变幅范围显著扩大。受局部时段藻类增殖与光合固碳的影响，CO2通量低于零的“碳汇”现象在蓄水后开始显现，且支流较干流显著；富营养化程度相对较高的支流回水区，CH4通量的异常值出现频率也有所升高（图5）。同水库水体相比，在有限的坝下河段范围内水体CO2通量增幅较显著。蓄水后两个时期（R=1、R=5～6）实测数据显示，消落带CH4通量随库龄增加而呈升高趋势（ANOVA，F=4.40，p=0.04＜0.05），消落带CO2通量随库龄增加而呈现显著下降趋势（ANOVA，F=7.90，p=0.005＜0.05）。以2010—2011年Zhao等估算的三峡水库水体温室气体总通量（1.43×106t（CO2eq）·a-1）为参考［82］，现阶段三峡水库温室气体净通量约为1.1×106t（CO2eq）·a-1（图6）。以2010年当年三峡电站发电量（843.69 亿kW·h）计算，且不考虑三峡水库持续发挥的防洪、航运、灌溉等其他社会效益，当年三峡水库因发电产生的碳排放量约为13.2 g（CO2eq）·（kW·h）-1。随着三峡电站进入稳定与优化运行阶段，其发电产生的碳排放量将可能还会进一步下降。

表1 三峡水库蓄水后不同景观单元CH4、CO2通量统计（单位：mg（C）（/m2·d））

图4 三峡水库蓄水前后温室气体源汇通量比较与净通量估算结果

图5 蓄水后三峡干支流、消落带与坝下河段CH4、CO2通量及其与蓄水前的比较

图6 三峡水库蓄水前（1998）与蓄水后（2010—2011）温室气体总释放量比较

结合当前已发表的相关文章［52，82-84］，综合上述数据分析，可获得以下几个方面的科学认识：

三峡水库并未呈现出此前部分中国学者报道的温室气体“高排放”特征。在数据序列的大概率范围内（25%分位数和75%分位数之间），现阶段三峡水库CO2通量水平在全球案例中处于中等偏上（分位数约为55%），但CH4通量水平则在全球案例中处于偏低的水平（分位数约为16%）。

此前有报道表明三峡水库支流库湾（开县白家溪）消落带呈现温室气体高释放特征［8］。该报道所获数据阈值位于近年来三峡水库所获总体数据序列范围的上阈（表1）。但是，开县白家溪受淹没区域在成库前为大面积农田（主要为水稻田，部分为旱地），成库前已具备较高的CO2、CH4释放特征。该报道并未考虑受淹没前土地利用历史，未能准确厘清并核定水库淹没的直接贡献；在有限数据下，未充分考虑三峡超大型水库的时空差异性特点进行外推和比较。故其在研究方法上的科学性和客观性值得怀疑。因此，上述报道中关于三峡水库温室气体释放通量不亚于南美水库的观点并不成立。

作为中国河道型水库的主要代表，三峡水库年平均水力停留时间约为26～32 天，呈现出较好的混合特征，水体复氧程度较高，坝前并未出现显著的温度分层和溶解氧分层，故其CH4释放通量在全球案例中总体偏低。而相对偏高的CO2释放通量，主要受到库区与上游流域人类活动输入的异源性有机碳影响，也同长江上游部分地区高无机碳本底有关。

蓄水前，淹没区不同土地利用类型呈现出各不相同的温室气体源汇特征。蓄水前来自淹没区与自然河道的温室气体释放通量约占蓄水后（2010—2011年）三峡水库温室气体总通量的22%，不可忽略。三峡成库前系统的清库工作有效减少了蓄水后淹没区有机质降解与温室气体释放［42］。

后续仍需持续开展的工作包括：（1）补充过坝下泄的消气释放通量和水库库岸带或浅水区域气泡释放通量估算结果，整合形成更为完整的三峡水库CO2、CH4总通量估算值，并对净通量估算值进行修正完善；（2）阐明长期运行条件下水库泥沙淤积对水库永久性碳埋藏和碳汇的贡献；（3）揭示水文条件改变下消落带（库岸带）温室气体源汇格局并建立碳计量方法；（4）阐释水库C、N、P 界面过程与循环耦合的关系；（5）定量上游及库区人类活动导致陆源输入对水库温室气体源汇的贡献等。

4 IPCC 水淹地国家温室气体清单2019 精细化修编的主要观点及意义

2016年，IPCC 启动了国家温室气体清单大规模精细化修编工作（Refinement）。在2006年国家温室气体清单和2013年湿地清单精细化修编基础上，IPCC 于2017年增补了水淹地温室气体清单章节。2019年5月，水淹地章节正式通过IPCC 国家委员会审查并被接受［85］。中国科学家参与了该阶段修编工作，特别是基于现阶段对三峡水库温室气体源汇变化的初步认识，提出了结合中国实际的清单修编方法，为IPCC 国家温室气体清单精细化修编贡献了力量。作为当前该领域权威的文献资料，IPCC水淹地温室气体清单精细化修编系统梳理了当前全球范围内水淹地温室气体研究文献资料（90%以上来自于水库），反映了当前该领域最广泛的学术共识，提供了科学、可靠并可被接受的方法学体系，客观、公正地评估衡量筑坝蓄水、沟渠开挖等人类活动可能导致的温室气体源汇改变，对支撑各国编制水淹地温室气体清单具有重要的学术意义。

根据IPCC 的定义，水淹地是一类因人类活动（特别是水位调节）而导致水面面积发生改变的水体。因各种人类活动导致自然水体水面面积或水体滞留时间超过10%的情形均被认为是水淹地。水库修建是水淹地的最主要代表，通过开挖方式导致水面面积变化（如沟渠、塘坝等）也属于水淹地。

IPCC 水淹地国家温室气体清单精细化修编的主要观点如下［85］：

（1）以20年为界限，库龄不超过20年的水库被认为处于水淹地的快速碳转化时期，新增的CO2、CH4释放主要来自淹没区有机质降解，故被划分为“转化为水淹地的土地”（Land converted to flooded land），且需同时考虑CO2、CH4的通量特征。库龄超过20年的水库被认为是“保留为水淹地的土地”（Flooded land remaining flooded land），仅考虑CH4通量特征，而将CO2通量特征认为是在水库稳定期后陆源输入碳所致并在陆地生态系统清单编制中已涉及。

（2）延续了IPCC 温室气体清单方法学的构架，提供了由浅入深的三个方法学层级。方法1 提供默认值和经验模型对全球范围内水淹地温室气体源汇进行估算；方法2 在方法1 公式基础上提供了面向国家或地区清单编制所需增补的过程或参数；方法3 针对水淹地个案采用更精细的参数或方法（如G-res Tool 等）获得更高分辨率的水淹地温室气体源汇变化。

（3）水淹地导致的N2O 源汇变化并未包含在此次清单修编中。一方面，当前全球范围内水淹地N2O 的既有数据和研究案例依然十分有限；另一方面，在全球氮循环的视角下，IPCC 倾向于认为，N2O 释放主要归因于陆源和人类活动输入水淹地的各种无机氮或有机氮。它们来自于土地利用改变、农药化肥施用、水产养殖等人类活动导致的氮负荷变化。这些人类活动产生的N2O 释放在IPCC 国家温室气体清单的其他环节已予以考虑。

（4）限于既有案例不足以及仍然存在的学术争议，此次水淹地精细化修编并未采用IPCC2011年提出的“水库温室气体净通量”概念性框架，未强调将蓄水前受影响区域温室气体源汇“本底”情况予以扣除。但在方法3 中从碳循环改变的角度聚焦CH4在蓄水前后源汇关系的变化，并阐述了CH4源汇改变尚未确定的过程或环节。

但同时，修编过程中也反映了当前在该领域尚存争议或不确定的科学问题，例如，水库碳埋藏、水库消落带碳源汇变化、河流梯级开发对碳循环的累积效应等情况，尚未难有更充分的方法支撑，也未能体现在现阶段IPCC 精细化修编中。这也为后续学科发展提供了驱动力。

5 展望

5.1 尚待明晰的一些问题尽管筑坝蓄水（水淹地）新增的温室气体释放普遍被认为主要来自于受淹区域的有机质，但上述观点近年来亦受到挑战或质疑。

（1）就水库系统而言，筑坝蓄水对温室气体源汇的改变并非净增加。湿地或水稻田在未受淹时均可能呈现较高的CH4排放，而受淹后一部分有机碳被封存埋藏于库底；而持续产生的CH4因水深加大而在向上传递过程中被大量氧化，故相较于蓄水前，蓄水后水库实际上形成碳汇。此外，持续的异源性碳输入（泥沙淤积、陆源人类活动释放）和自源性碳合成将可能改变水库温室气体源汇的长期变化，以20年为稳定期的界限值得商榷。

（2）在流域尺度下，应充分考虑筑坝拦截产生的碳转移（carbon displacement）对水体温室气体源汇可能的影响。Li 等报道了长江上游筑坝拦截可能产生的碳汇效应［86］。2019年，Muller 在Nature 上以“Dams have the power to slow climate change”为题报道了发电水库因拦截上游泥沙、减少泥沙在下游河滩地沉积而减缓CH4释放，评论认为大坝具有减缓气候变化的作用［87］。因此，筑坝蓄水更多地体现在改变河流对碳的输送与搬运能力，水库温室气体源汇变化本质上是流域碳在特定时空范围内的累积与转化，土地利用方式改变并不足以反映水库温室气体源汇变化的真实内涵。

（3）纵观该领域近30年研究历程，研究工作主要涉及两个方面：一是筑坝蓄水对河流（或流域）碳通量的影响；二是水电能源碳足迹的认识与客观评估。上述两个方面在科学内涵上并不完全一致，但在早期的研究中，一些科研人员将上述两个方面混淆或交杂在一起，这是导致水库温室气体源汇在全球范围内备受关切的重要原因之一。水库修建并不单纯以水力发电为唯一的社会服务目标。数千年来，水库在防洪、灌溉等方面对人类社会发展的促进作用甚至可能远高于水力发电。即便是在以水力发电为主要设计目标的水库，其他社会服务功能依然具有显著的社会经济效益。近年来，IHA、IEA-Hydro、IPCC 等国际权威机构倾向于将上述问题约束在“水库”范畴，即将水库修建认为是人类改变土地利用类型（淹没土地）并影响河流（或流域）碳通量的一种活动。同航运、灌溉、供水等其他服务功能一样，水力发电是在上述人类活动基础上衍生出来的一种社会服务。简单将水库温室气体源汇变化全部加载到水电碳足迹中并不科学，将水库按照服务功能分类为“发电水库”（hydroelec⁃tric reservoir）亦值得商榷。尽管目前已有不少研究在全生命周期视角下开展水电能源或水利工程碳足迹评估，但评估评价方法仍有待完善，对水库不同社会服务功能的“碳分配”方法仍缺乏更充足的科学依据［42-43］。

5.2 未来发展趋势虽起步较晚，在过去10年中，我国水库温室气体研究已迅速追赶上世界前沿，逐渐在国际学界发出中国声音。随着科学知识的深入，当前研究已不满足于在“中观”尺度开展通量的界面监测或不同水库案例间的比较，而是逐渐呈现出在更“微观”和更“宏观”方向上的分化趋势，主要有以下2 个方面：

（1）聚焦于更微观的过程，探索河流-水库系统碳氮循环的生态水文机制与效应。运用更新的技术手段方法，在更高的分辨率下准确获取水库温室气体源汇的时空变化；在解析界面通量时空异质性的同时，逐渐将问题回归到变化水环境下生源要素的生物地球化学过程，在水库消落带、水体等不同景观单元开展更细致的碳循环与微生物介导机制研究，为水库温室气体迁移转化提供更准确和更丰富的科学知识。2015年国家自然科学基金重大计划《西南河流源区径流变化和适应性利用》、2016年国家重点研发计划《中国西南河流拦截对流域碳、氮循环和输送的影响机制及其效应评估研究》、2017年国家自然科学基金重大计划《水圈微生物驱动地球元素循环的机制》等一系列重大研究计划的相继启动，将为我国在该领域的持续创新提供重要平台。

（2）在更宏观的视角下，拓展对水库温室气体源汇变化的科学认识和应用。水库温室气体源汇研究将逐渐从单一水库拓展到梯级水库，甚至在全球视角下更准确、更精确地探讨河流梯级开发同全球碳循环、气候变化的互馈关系，支撑IPCC 下一个周期的水淹地温室气体清单修编。在IPCC 水淹地国家温室气体清单支持下，水库温室气体源汇变化将作为重要组成部分，被纳入水电全生命周期的碳足迹评估，并推动水电进入碳交易市场。目前，北美碳交易市场已启动水电项目的碳交易的试点工作，其交易模式和价值链的探索，将进一步推动水库温室气体源汇研究从现阶段的监测评估逐渐转向水电项目碳管理与碳优化，真正意义上促使水电工程成为未来低碳时代的重要支撑，在减缓气候变化不利影响中发挥更大效益。

结合中国大中型水库特点和水电行业参与未来碳交易的技术需求，对我国该领域的后续深化研究有以下若干建议：（1）强化基础研究，深化对大型水库碳氮源汇机制的科学认识，如碳埋藏与碳通量耦合关系、水文情势变化下河流-水库系统碳来源与归趋等［1］；完善我国大型水库温室气体源汇监测与定量评估体系，对水库运行情况下（如三峡水库“蓄清排浑”调度运行、梯级水库调度等［88-89］）温室气体源汇变化定界、定量模型等方面开展方法学探索［90-91］。（2）结合我国大型水电项目设计、建设、运营等特点，建议积极开展大型水电项目全生命周期碳足迹评价的标准化研究，在系统边界确定、数据来源与质量控制、评估评价方法选择、不确定性分析方法构建等方面，形成适用于我国大型水电项目的全生命周期碳足迹评价方法学，构建科学、有力的证据链应对未来大型水电项目的碳核查与碳认证，积极推进大型水电项目参与“后巴黎协议”时期的碳交易。（3）在水电行业稳步推进水电碳足迹评估的示范性应用，引导水电行业重视企业碳资产管理。在进一步“摸清家底”的同时，对可能存在较大碳排放源的水电项目，积极探索减源增汇的方法或途径。