长期以来, 水电一直认为是迄今技术最成熟的、可大规模开发的获得清洁能源的主要途径。最新的一些研究却对这一认识提出了严重质疑(Giles 2006; Santos et al., 2006)。科学家们对寒温带及热带地区的部分水库观测发现, 这些地区具有很高的CO₂及CH₄水面释放通量(Louis et al., 2000；Fearnside 2002, 2004; Rosa et al., 2004; Abril et al., 2005; Guérin et al., 2006; Ramos et al., 2009)。尤其是在一些热带地区的电站型水库, 其生产单位电力所释放的CO₂当量甚至远大于火力发电产生的CO₂当量(Fearnside, 2001, 2002)。根据这些研究结论并结合其他一些有关水库的负面报道, 使得人们开始激进地看待大坝继续存在的必要性(Milliman, 1997; Ledec and Quintero, 2003; Hart et al., 2002; Stokstad, 2006)。

然而, 现有的研究范例并不完全具备全球外推意义。水坝建成往往大量淹没陆地原生生态系统, 植被在随后的腐化降解过程中逐渐向水体释放无机形式的营养盐(包括N、P等), 同时释放温室气体(如CO₂、CH₄等)。在寒温带地区, 水坝建设往往淹没大量富含有机质的泥炭、沼泽地；而在热带地区, 淹没区原始植被也具有相当高的生物量。CH₄及CO₂等温室气体主要由这些有机质的水下厌氧或耗氧降解产生。大量的有机质供应是温室气体产生的必要条件。温室气体产生的速率、向大气的释放通量还受到被淹没的生物量大小、坝址的气候状况、水库的水动力条件、水库运行时间、水坝泄水方式等多种因素的制约。此外, 由于河流普遍实行梯级水能开发, 在河流径向上的各级水库在水停留时间、水体分层结构等方面存在巨大差异, 现有的利用纬度模式或库龄模式进行的全球水库碳排放推广估算因此可能存在很大的不确定性(Barros et al., 2011)；因此, 有必要针对不同气候带, 不同类型水库开展相关工作。这一方面是水库温室效应科学评估的需求, 另一方面也是水库碳排放的全球尺度推广计算的依据。

河道型水库兼具湖泊自养型和河流异养型水生生态系统的双重特性, 通常具有水体滞留时间较短、能源密度较大等特点, 是流域综合水能开发中的一种重要类型。研究这一类型水库, 对于全面认识流域综合水能开发的碳排放具有重要意义。因此, 本项研究选择典型的河道型水库——万安水库, 开展水气界面碳交换研究, 揭示水库CO₂界面交换的季节性特征, 认识这一类型水库碳交换特征的生物地球化学机制, 以及通过对比来探讨水库水体停留时间与大气CO₂交换的关系。

1 研究区域与研究方法

万安水库位于赣江中上游, 属于典型的河道型水库, 库区位于低山与丘陵区, 主要由变质岩系和花岗岩体组成。万安水库于20世纪90年代开始蓄水发电, 库龄超过20年。根据赣江的地理特征和万安水库的地形, 从水库上游至大坝下游, 共设置9个采样点位(图 1)。其中G-1和G-2为河流区, 分别代表贡水与章水；G-3位于贡水和章水交汇区, 是万安水库回水区上沿；G-3和G-4位于库区上游, 为河库过渡区；G-5和G-6位于库区的中游, G-7位于库区的下游, 这3个点是水库的湖泊区；G-8和G-9分别为大坝的尾水和大坝下游。

本研究于2014年9月至2015年6月, 按照春(3月)、夏(6月)、秋(9月)、冬(12月)4个季节分别对万安水库进行了野外观测。使用便携式仪器PROVA-05测定实时气温和风速。利用潜水泵(型号: 100QJ2-50/10)抽取不同深度水, 自表层到水下5 m每隔1 m为一个取样点, 水下5 m至底层每隔5 m为一个取样点。用浊度仪(型号: MI415)检测水体浊度, 用德国HydroC^TM/CO₂在线检测系统测定水体p_CO2。用美国YSI-6600在线检测系统测定水体的深度、温度、pH值、Chl-a及溶氧。

水-气界面CO₂的扩散通量, 由公式(1)计算(Cole and Caraco, 1998; Crusius and Wanninkhof, 2003; Wanninkhof, 2014)。

(1)

式中: F表示CO₂的扩散通量(mmol·m^-2·d^-1), 若F＜0表示水体吸收CO₂, 若F＞0则表示水体释放CO₂；CO_2g表示水面上方空气中CO₂的浓度, CO_2w表示水中CO₂的浓度；K_H表示亨利系数I, 可由公式(2)计算得到；k表示气体交换系数；p_CO2w表示水中CO₂的分压, p_CO2g表示空气中CO₂的分压(本研究用38.5 Pa)。

(2)

式中: T_k表示开尔文温度(K)。

k受到风速、温度、流速等多种因素的影响, 导致k有许多中计算方式, 对于水库而言, 本文采用经验公式(3)来计算。

(3)

式中:v₁₀表示水面上方10 m处的风速(m/s)；SC_CO2为CO₂的施密特数, 取决于温度；x取决于v₁₀, 若v₁₀＜3.7 m/s则x=-2/3, 若v₁₀＞3.7 m/s则x=-1/2。

而v₁₀可以通过公式(4)计算获得, SC_CO2由公式(5)计算获得

(4)

式中: v₁表示在水面上方1 m处的风速(m/s)。

(5)

式中: t表示表层水的温度(℃)

2 结果 2.1 现场水质参数沿程变化

万安水库水体温度呈现出明显的季节变化。从水库分层水体来看, 冬季表、底层温差很小, 这是由于冬季温度较低, 表层水体密度较大, 从而增大水体的垂直交换。夏季有弱分层的现象, 但表、底层的温差变化也不大。春、秋两季则表现出明显的过渡特性(图 2)。总体而言, 万安水库没有出现明显季节性热分层现象, 这与湖泊型水库(如新安江水库)明显不同。同时也表明了该水库上下层水体之间的混合较好。

河流中pH值主要受到流域的岩性、气候、水体中碳酸盐平衡体系、以及水生生物的光合与呼吸平衡等多因素控制, 是水体水质的重要指标。一般而言, 夏季气温高, 表层水体光合作用强烈吸收CO₂从而使得pH值偏高, 而冬季由于光合作用较弱, 导致水体pH值偏低。万安水库水体pH值秋季为6.66～7.31, 冬季为6.79～8.02, 春季为6.64～7.03, 夏季为6.24～6.96。总体上, 冬季pH值偏高, 夏季偏低, 这与湖泊型水库夏高冬低呈现相反的趋势(Wang et al., 2015)。

DO含量是水体中光合过程与呼吸过程的重要指示。万安水库水体DO呈现出明显的变化, 秋季为4.09～7.54 mg/L, 冬季为8.37～11.77 mg/L, 春季为6.17～9.26 mg/L, 夏季为0.66～7.39 mg/L。总体而言, 冬季DO含量最高, 表层水体甚至超过大气O₂的饱和溶解度。这与冬季pH值最高相吻合(图 2), 表明万安水库水体在冬季具有较强的光合作用。从水层剖面上看, 夏季表、底层水体DO差异相对较大, 且底层DO低于其他季节底层的数据, 这一方面跟水体具有弱的热分层有关, 也与底层有机质分解有关。

水体浊度不仅反映水体水动力特点, 也对水生光合作用产生重要影响。万安水库水体浊度季节变化较大(图 3): 秋季为3.34～32.37 NTU, 冬季为2.85～17.80 NTU, 春季为1.44～34.40 NTU, 夏季为11.72～46.93 NTU。总体上, 从上游河道向库区, 沿程浊度基本表现出逐渐降低的态势。河流区水位较浅, 流速较快, 相对而言浊度较大；沿着水库方向随着流速减缓, 浊度有所下降, 经过大坝的拦截作用, 使得浊度进一步降低。相比较而言, 整体上冬季浊度最低, 水库处于蓄水期, 水体流速较缓, 水体相对澄清, 加上赣南地区冬季气温较高, 从而有利于表层光合的进行。夏季浊度最高, 导致透光性降低, 限制了光合作用的进行。

2.2 万安水库沿程p_CO2变化

万安水库水体p_CO2秋季均值309.9 Pa, 变化范围为133.1～400.3 Pa；冬季均值124.2 Pa, 变化范围为15.9～166.9 Pa；春季均值233.5 Pa, 变化范围128.1～399.3 Pa；夏季均值226.5 Pa, 变化范围为128.1～416.8 Pa。整体上, 冬季p_CO2相对偏低, 库区表层水体甚至低于大气CO₂水平(图 4)。水体的剖面上, p_CO2随着深度的增加而逐渐增大。这与有机质沉降及分解有关。

相比较而言, 万安水库表层水体p_CO2的季节性变化更为明显: 秋季均值为230.4 Pa、冬季均值为100.3 Pa、春季均值为200.8 Pa、夏季均值为187.0 Pa。在河流流向上, 水库的中心区域普遍具有更低的p_CO2, 这是由于库心区域水位相对较深, 水面较宽, 流速较缓, 水体浊度降低, 有利于光合作用进行, 并吸收水中CO₂。

2.3 水气界面CO₂扩散通量特征

根据CO₂扩散通量公式, 分别对G-1至G-9各站位水气界面CO₂交换通量进行计算(表 1)。结果表明: CO₂交换通量存在显著的季节性差异, 春季均值为46.00 mmol· m^-2· d^-1, 夏季均值为44.58 mmol· m^-2· d^-1, 秋季均值为57.63 mmol· m^-2· d^-1, 冬季均值为17.09 mmol·m^-2·d^-1。冬季整体最低, 尤其在G-6点位出现吸收大气CO₂的现象。

进一步将万安水库进行区段划分: G-1和G-2的均值作为河流区通量、G-3和G-4的均值作为过渡区通量、G-5、G-6和G-7的均值作为中心库区通量、G-8和G-9的均值作为坝后泄水区通量(表 1)。除秋季外, 中心库区具有相对更低的水气界面CO₂扩散通量。坝后泄水区CO₂扩散通量与河流区相近, 水体特性更加接近于自然河流。

3 讨论

水体中溶解无机碳主要来源于流域化学风化输入, 少量由大气降水输入。在特定流域背景下, 对水体中碳酸盐平衡体系产生碳贡献的主要过程为有机质的降解过程, 包括流域输入的外源性有机质和河道内自生形成的内源性有机质；以及水生光合作用过程。前者增加水体中p_CO2, 同时降低水体中DO及pH值；后一过程则正好相反。当天然河流拦截筑坝形成水库后, 水库水体剖面上逐渐发育季节性热分层。发育程度受控于水体的停留时间。此外, 随着水动力条件减弱, 上层水体透明度增加, 这一过程将导致水生光合作用增强, 并吸收水体中溶解CO₂、增加水体DO水平；相反, 受到沉降作用的影响, 沉积物表层及下层水体中有机质降解作用增强, 这一过程消耗水体中DO并增加p_CO2。因此, 相比于下层水体, 水库上层水体通常具有更高的DO含量, 及更低的p_CO2, 相应地pH值更高, 特别是在水体热分层期间(图 2, 图 3)。万安水库水体中p_CO2与DO、pH值的相关分析证实了光合作用与降解过程的转换(图 5)。

与水体滞留时间较长的湖泊型水库不同(如新安江水库、洪家渡水库)(喻元秀等, 2008; Wang et al., 2015), 万安水库为日调节水库类型, 水体平均滞留时间为10～14 d。受此影响, 万安水库库区河流基本呈现一维流态, 剖面水体保持了较好的混合状态。因此, 万安水库总体上没有出现明显的热分层、化学分层现象。水库水体参数的季节性差异比空间差异更为显著。显然, 万安水库的河流特征更为明显, 水气界面的CO₂交换通量也更接近自然河流。值得注意的是, 万安水库冬季水气界面CO₂交换通量达到最低, 与多数相关报道明显不同(喻元秀等, 2008；Wang et al., 2011; Wang et al., 2015)。这主要是由于万安水库所处的赣南地区在冬季仍具有较高气温, 而且水体浊度远比其他季节低。这导致了水库表层水体光合作用增强, 并使得表层水体中溶解CO₂被大量吸收, 特别是在中心库区。

随着世界河流的广泛拦截筑坝, 人工水库已经成为了陆地水文系统中的重要水文单元。例如, 中国仅长江流域内就已建成了近50 000多座大小各型水库。水体流动是控制江河基本特性的“首要变量”, 筑坝拦截引起的流场调整毫无疑问会显著改变河流生态系统的结构和功能(Hart et al., 2002)。拦截蓄水后, 河流发生的最显著变化是水体滞留时间增加, 同时也意味着水库水深、水动力、透明度、沉积物搬运、水体层化等方面与天然河流发生了显著变化。拦截后形成的“蓄水河流”和自然河流也因此存在显著不同的水环境演化特征。水坝拦截不仅改变了河流的水文过程, 也对河流以碳为核心的元素生物地球化学循环产生深远影响(Dynesius and Nilsson, 1994; Vörösmarty et al., 1997)。其中, 水库碳排放在过去十多年中受到了广泛关注, 一些学者还对水库碳排放进行全球性估算, (如, Louis et al., 2000；Barros et al., 2011; Raymond et al., 2013)。由于在全球水库水面积数据、水气交换系数设定、引用文献的代表性等方面存在差异, 这些估值表现出较大的变化。因此, 在进行大尺度推广运用时, 推广依据及其合理性成为制约估算结果可靠性的重要因素。Barros等(2011)率先提出了水库碳排放的库龄模式及纬度模式。由于这2种模式没有考虑水库类型差异, 其推广估算结果实际上并不精细。事实上, 受流域综合水能开发中的定位差异, 水库具有的不同调节类型(如, 从日调节到多年调节等), 这主要表现在水体滞留时间的差异上。对于滞留时间较短的水库, 如修文水库(Wang et al., 2011), 其水动力条件、水体浊度、混合状况等方面均接近天然河流, 水生生态系统也表现为河流的“异养”特性。因此, 受到有机质分解作用的影响, 水体中通常具有较高的CO₂分压。相反, 在具有较长水体滞留时间水库中, 如新安江水库(Wang et al., 2015), 库区水体通常发育季节性热分层, 进一步发育出生物分层及化学分层。水生生态系统也更接近天然湖泊的“自养”特征, 这导致了水库光合作用的增强, 并大量吸收水体中溶解CO₂, 因此显著降低表层水体CO₂分压水平。

根据不同调节类型水库的上述差异, 本项研究综合了相关报道, 以水体滞留时间为梯度, 提出水库CO₂释放的水体滞留时间模式(图 6)。考虑到采样频次及代表性问题, 同时避免气候带差异带来潜在影响, 本研究仅统计了长江流域的部分水库。从图 6可以看出, 滞留时间较短的水库CO₂释放通量更接近天然河流。此外, 由于这些水库处于同一气候带, 但具有差异很大的CO₂释放通量, 这表明纬度模式具有很大的局限性。因此, 进一步完善滞留时间模式, 探讨大尺度推广估算的可行性将是未来需要开展的工作。

4 结论

(1) 作为典型的河道型水库, 万安水库没有发育明显的水体热分层及化学分层现象。相应地, 河流水质参数在水库上下游之间保持较好的连续性。万安水库的CO₂释放特征也因此保持了河流特点；

(2) 相比于文献报道的纬度模式, 本文提出的滞留时间模式考虑了水库的类型差异, 更能适合流域水能开发的现状。