Nature Geoscience：水庫在全球碳迴圈中為碳源而非碳匯
2009年的哥本哈根氣候會議之後, 減排溫室氣體成為全世界最熱門的話題，大量學者展開了對碳迴圈的研究工作。在碳迴圈中，有兩個重要概念，碳源和碳匯。根據政府間氣候專門委員會（IPCC）的有關定義，碳源是向空氣中釋放二氧化碳等溫室氣體的場所，碳匯是指從空氣中吸收二氧化碳等溫室氣體的系統或區域。
近年來，一些科學家對其他人類活動是否顯著地增加了碳排放進行了深入的研究，其中，水庫這一人工水利設施成為新的研究熱點。同一般的內陸水生生態系統一樣，水庫水體二氧化碳是過飽和的，全球水庫每年向大氣中排放約800tg二氧化碳當量（Deemer et al.，2016）。由於水庫的溫室氣體排放可能影響灌溉和水電生產的碳足跡，因此其被視為碳中效能量。此外，水庫可從集水區和庫區內積累有機物從而實現碳埋藏，且研究表明水庫比天然湖泊埋藏碳的速率更高。據前人估計，全球範圍內，水庫中有機碳(OC)的埋藏率超過了水庫中碳的排放率（Mendonca et al.，2017），即水庫為碳匯。
然而，受水文動力學和水管理的雙重驅動，水庫的水位不斷變化，被水淹沒的土地週期性出露於水面，這一特殊區域被稱為消落區。這對水庫碳通量的估算有兩個重要影響：1)計算基於水面的碳通量時必須考慮可變表面積；2)計算水庫碳排放預算時必須考慮消落區的溫室氣體排放。儘管這一理論已被學術界廣泛認同，但目前仍未被考慮到全球水庫的碳通量計算中。
為了釐清全球水庫消落區分佈，將消落區碳排放納入水庫的碳排放預算，並最終納入全球碳排放清單，德國亥姆霍茲環境研究中心Philipp S. Keller等在Nature Geoscience發表文章對這一問題進行了專項研究（Keller et al.，2021）。研究人員統計了1985～2015年期間全球範圍內6794個水庫每月消落區的空間範圍（圖1），結果表明，以月為單位，水庫消落區面積佔總水庫面積的9%～15%；全球水庫並非完全充滿水，其中約有15%的面積是乾涸的；消落區面積與水庫規模密切相關，小規模水庫的消落區面積更大，且規模100 km2到1000km2之間的水庫的消落區面積總計12349km2，佔總消落區面積的28%。
圖1 全球6749個水庫消落區分佈圖（Keller et al.，2021）
研究發現，全球範圍內消落區面積分布不均（圖1），水庫年平均消落區面積與緯度相關（圖2a），在高緯度地區的水庫中，典型消落區面積較小；而在接近熱帶地區的水庫中，消落區的面積較大。根據緯度的不同，總消落區面積具有明顯的季節性，對於位於40°N和90°N之間的水庫，年最大消落區面積出現在秋季，而對於位於10°N和40°N之間以及10°S和60°S之間的水庫，則出現夏季或春季。同時，消落區的面積分布也受水庫型別的影響，一般用於灌溉或防洪的水庫消落區的面積較大，水電水庫的消落區面積往往較小，因此高緯度地區的水電水庫所佔比例越大，高緯度地區的消落區面積也越小（圖2c）。在此基礎上，研究人員採用逐步多元線性迴歸(MLR)方法分析了氣候變數(降水季節性、年平均溫度、水壓)和人為因素的變數(最大面積、主要用途)對消落區面積的影響，確定了影響消落區面積的驅動因素。
圖2 消落區的緯度分佈及影響引數（Keller et al.，2021）。（a）水庫平均消落區面積；（b）降水季節性；(c)水電水庫佔水庫總數的比重。資料被分成10°緯度區間。資料為平均值±標準差(a,b)。虛線表示北迴歸線、赤道和南迴歸線。右邊方框中的數字表示每個緯度庫的總儲層數
目前，全球水庫溫室氣體排放量的計算方法為全球平均溫室氣體排放速率乘以全球水庫面積，這一方法僅僅是基於水生溫室氣體的排放，且計算過程中假設所有的水庫都被完全填滿。但在水庫消落區，乾燥的水生沉積物可以排放大量的二氧化碳（Keller et al., 2020）。因此，基於全球水庫消落區的時空分佈特徵，分別考慮水庫被水淹沒區域和乾燥區域的碳排放率，研究人員重新估計了全球水庫的二氧化碳排放量，結果顯示最新的全球水庫二氧化碳排放量比原來增加了53%。前人認為，全球範圍內水庫的碳排放是其埋藏碳的1.26(0.66-2.58)倍（Mendonca et al.，2017），然而， Keller等人的研究表明透過計算消落區面積對氣態碳排放(包括乾燥地區)和有機碳掩埋(計算中減去幹燥地區)的影響，發現全球排放-埋藏比可大幅增加至2.02 (1.04-4.26) （圖3）。這表明考慮消落區面積的影響，全球水庫的氣態碳排放量將大大超過有機碳埋藏，尤其是在未來全球水庫消落區面積增加的情況下(圖3)。因此，在全球碳迴圈過程中，水庫更傾向於碳源，而非碳匯。
圖3 全球水庫中氣態碳排放和有機碳掩埋（Keller et al.，2021）
Keller等人的研究揭示了水庫消落區對全球碳迴圈的重大影響，對全球碳預算體系的升級提出了新的要求。然而本文中部分資料量較小，部分研究內容仍未細化，例如不同氣候區之間內陸乾旱水域的二氧化碳通量變化如何，消落區碳排放的季節性變動和長期動態變化是怎樣的，不同水庫基於消落區面積的碳排放和有機碳埋藏過程是怎樣變化的等等。同時，本文的研究表明，水庫水位管理可能是控制水庫碳排放和最大限度減少溫室氣體來源的有力手段。
主要參考文獻
Keller P S, Marcé R, ObradorB, et al. Global carbon budget of reservoirs is overturned by thequantification of drawdown areas[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 402-408.
Deemer B R, Harrison J A, Li S, et al. Greenhouse gas emissions fromreservoir water surfaces: a new global synthesis[J]. BioScience, 2016, 66(11):949-964.
Mendonca R, Müller R A, Clow D, et al. Organic carbon burial in global lakes andreservoirs[J]. Nature Communications, 2017, 8: 1694.
Keller P S, Catalán N, von Schiller D, et al. Global CO2 emissions from dry inlandwaters share common drivers across ecosystems[J]. Nature Communications, 2020,11: 2126.
（撰稿：祁生文/頁岩氣與工程室）
校對：張崧 王海波
