消落带是全球碳循环的重要排放源，但其对全球尺度碳循环的贡献尚未厘清。针对此关键科学问题，德国亥姆霍兹环境研究中心，西班牙加泰罗尼亚水资源研究所等研究人员2021年在Nature Geoscience期刊发表了题为“

Globalcarbon budget of reservoirs is overturned by the quantification of drawdownareas”研究论文。

受长江流域环境水科学研究公众号邀请， 中国地质大学（武汉）袁松虎教授课题组朱永惠博士对本文进行了解读。

摘要：

水位波动导致水库消落带沉积物经常暴露于空气中，使其成为CO₂释放的热点区域。而目前全球水库的消落带规模并不清楚，妨碍了对水库碳收支的准确评估。此研究基于1985-2015年期间全球6794个水库的卫星观测数据得到了全球消落带的规模与分布，并重新评估全球水库的碳排放。结果指出，消落带的CO₂排放速率为26.2 TgCO₂-C yr⁻¹，考虑消落带后，全球水库CO₂排放量增加了53%，且水库碳排放与碳埋藏的比值增加到2.02。这表明，水库释放的碳比埋藏的碳更多，挑战了水库是净碳汇的认知。

引言：

水库与一般内陆水生生态系统一样，被认为是全球温室气体的来源。对这一温室气体源的定量研究已经进行了20多年，目前的研究认为水库每年向大气排放800 Tg二氧化碳当量（CO₂e）的温室气体。与此同时，水库还扮演着沉积物收集器的角色，收集来自流域和湖泊中初级生产的有机物质。研究认为，全球尺度的水库对有机碳的埋藏速率超过了其碳排放速率，即水库是一个碳汇。由于水位涨落导致水库四周暂时性干涸部分即称为消落带（图1b）。最近研究表明，消落带的CO₂排放量远远高于水库水面的CO₂排放量。然而到目前为止，水库温室气体的排放都是基于水库水面面积计算的，消落带的作用并没有被考虑到水库碳预算和全球尺度碳收支清单中。作者基于全球尺度的数千个水库表面积变化的数据，估算了水库消落带规模、重新评估了全球水库碳收支，并分析了升尺度带来的不确定性。

图1a. 2018年水资源危机期间的南非Theewaterskloof大坝; b. 2014年德国Hassel大坝的干涸区域；c.全球6749个水库消落带分布。（来源：Nature）

结果：

为了将消落带的碳排放纳入水库的碳预算，作者首先确定了全球水库消落带的空间范围和分布。结果显示：（1）从时间上看，在分析期内，仅有22%的时间水库蓄满水，即大多数时间里，很大部分水库面积是干燥的；从空间上看，消落带占库区总面积的9%-15%；（2）水库消落面积在全球范围内分布不均（图1），北部和赤道附近的消落带较小，靠近热带地区的消落带最大（图2a）；（3）消落带面积也与水库类型有关，用于灌溉和防洪的水库通常有较大消落区，水电水库消落区则较小。库区在不同纬度上的消落规律与水电水库在纬度上所占的比重成反比（图2c）。通过逐步多元线性回归的方法建模表明，库区消落带面积的全球分布受气候（季节性降水，年平均气温、水分压力）和人为因素（主要用途等）的双重影响（r²= 0.41,P < 0.001）。

图2 a. 水库平均消落面积；b. 季节性降水分布；c. 水电水库占水库总数的比重。（来源： Nature）

基于上述消落带的规模和分布，作者重新评估了全球水库的碳排放量。结果表明，全球水库消落带CO₂释放通量为26.2 TgCO₂-Cyr^-1 （干涸沉积物的平均CO2通量（611 gC m^-2 yr-1）与总消落带面积43539 km²的乘积），全球水库总CO₂排放量为60.3 TgCO₂-Cyr^-1（消落带CO₂排放量与淹没区CO₂排放量的和），这与之前对全球水库二氧化碳排放量的估计值相比增加了53%（图3）。

图3 全球水库含碳气体排放和有机碳埋藏；a. 年度碳释放与埋藏；b. 用CO₂e表示的碳排放与埋藏；c-e. 由泰勒级数展开和蒙特卡罗不确定性分析获得的概率密度函数。（来源： Nature）

为了判断水库究竟是碳汇还是碳源，作者进一步评估了水库碳埋藏速率。结果表明，不考虑消落带，全球水库总的碳埋藏速率为41.7 TgC yr^-1（特定区域埋藏速率与水库面积乘积），此时全球水库的碳排放量是碳埋藏量的1.26倍。当而考虑到消落带对碳排放和掩埋的影响，碳排放和碳埋藏的比值增加到2.02（图3）。也就是，在全球水库碳收支中加入消落带的影响，将使得碳质量平衡向碳排放方向转变。

此外，作者还讨论了CH₄对水库碳排放的影响。前人研究表明，全球水库CH₄排放速率为2.7 TgCH₄-Cyr^–1。假设消落带的CH₄排放速率为零，那么考虑消落带后全球水库CH4排放速率将减小到1.8 TgCH₄-Cyr^–1。然而，将CH₄排放量用CO₂e表示时，水库排放的总二氧化碳当量没有实质性变化（图3）。但这一发现是基于消落带的CH₄排放量为零的假设上，如果将来有研究表明消落带能够排放大量CH₄，这将导致总的二氧化碳当量排放增加。事实上，已经有部分研究表明至少短期暴露的消落带，可能是一个重要的甲烷源。

启示：

1. 新的水库温室效应模型

该论文提出的水库消落带增加水库碳排放对研究水库调蓄引起的温室效应很有帮助。以往我们更关注水位波动导致的地表水与地下环境之间的物质与能量交换，忽略了水位波动导致的地下环境与大气之间的物质交换。消落带对水库CO₂排量的增加效应，可能同样适用于另外两种重要的温室气体，CH₄和N₂O，尤其N₂O的增温效应接近CO₂的300倍。进一步厘清消落带中CH₄和N₂O的排放机制与规律，将对不同尺度水库调蓄导致的温室效应产生新的认识和概化。

2.     升尺度研究的必要性

该论文将前人局部或区域尺度的结论拓展到全球尺度的研究中，对于从事微观机理和小尺度研究的研究人员来说具有很好的借鉴意义。尤其在当前国家自主创新不断向“深处”突破的背景下，更大时空尺度的问题备受关注。将微观机理、局部或区域尺度的过程和机制，与全球尺度的环境效应相结合，获得更加具有实用意义的结论和成果，支持服务于国家决策和国民经济增长，是我们努力的方向之一。

3.     突破点与研究方法

该论文的研究方法比较传统，但胜在尺度上的突破。不管是空间还是时间尺度的突破，必然与大规模数据密切相关。因此，尺度上的突破首先需要进行大量数据收集，然后从数据中提取信息。该论文主要采用多元统计与不确定性分析的方法，这对于文中的数据规模来说较实用，但如果数据规模进一步扩大，覆盖多种间接相关或看似不相关的数据子集，这时可能需要借助深度学习完成信息提取，且在这样的背景下，往往能获得小规模数据无法获取的信息。

参考文献
Keller P S, Marcé R,Obrador B, et al., 2021. Global carbon budget of reservoirs is overturned bythe quantification of drawdown areas. Nature Geoscience, 2021, 14(6):402-408. https://doi.org/10.1038/s41561-021-00734-z

中国地质大学（武汉）

生物地质与环境地质国家重点实验室

袁松虎教授课题组