我們如何選擇一個采樣點

李 哲

重慶大學的科研人員進行溫室氣體排放監測實驗 攝影/任紅

對水資源的開發利用是人類社會的生存與發展所依附的根本載體。筑壩蓄水是人類開發利用水資源的重要過程。早在公元前5000年便有關于水庫工程的記載，迄今為止，歷史上人類修建的水庫總數已無從考證，水庫建設運行及其社會服務功能的發揮幾乎與整個人類文明的演進史相伴相行。

自20世紀下半葉開始，伴隨極端氣候現象的出現，全球氣候變化漸漸進入了人們的視野，因化石燃料燃燒大量產生的溫室氣體被普遍認為是誘導全球氣候變化的關鍵原因，成為懸在全人類頭頂的達摩克利斯之劍。人類生產、生活過程的碳足跡均被納入對溫室氣體效應影響的評判中，筑壩蓄水的溫室氣體效應也備受關注。

科學研究對自然現象的認識往往是以自然觀作為預設前提的，在這樣的基礎上產生相應的科學認識的方法論原則和具體實踐方案，在“螺旋上升”的往復認識中逐步完善對自然現象和過程的系統認識。對水庫溫室氣體效應的認識亦有賴于此。

設計客觀合理的水庫溫室氣體監測方案，需要充分認識水庫生態系統特征及其碳循環特點，辨識在人類活動干涉下水庫溫室氣體可能產生的途徑與過程，提出關于水庫溫室氣體通量特征典型代表性時空區段的預判并開展跟蹤觀測。

對水庫溫室氣體效應的跟蹤觀測，起始于上世紀70-80年代巴西、加拿大等國的早期研究。根據地表系統溫室氣體（CO2、CH4、N2O）通量的基本特征和近地層大氣中氣體傳輸機制，科學家們發展了各種溫室氣體通量監測方法，主要有模型估算法（化學平衡法）、通量箱法、微氣象法、遙感反演法等，并延伸發展了10余種界面溫室氣體監測技術得到廣泛運用。雖然方法的改進為人們更好地認識水庫溫室氣體交換通量強度提供了強有力的技術支持，但很顯然，對特定水庫溫室氣體效應的系統認識還需輔以適配于水庫水文地理條件與生態特征的系統監測方案，在不斷的科學修正中探究水庫溫室氣體通量特征的真實本質。

水庫是人類高強度流域開發的產物，同湖泊千百年來自然緩慢演進與沉積相比，筑壩蓄水誘發的各種生態響應是在一個相對短暫的歷史時期發生發展的，其環境本底狀態同成庫前的土地和水域利用情況密切相關，在很大程度上影響了水庫溫室氣體強度的大小。譬如，在成庫前有機質豐富的農田與貧瘠的土壤，其在受淹后所能夠釋放的溫室氣體強度存在顯著差異，而成庫前流動溪流與靜止湖盆，它們形成水庫后的溫室氣體效應也明顯不同。另一方面，水庫溫室氣體通量的改變，與水庫生態系統重建和完善過程息息相關，受水庫利用方式與水域功能的發揮影響顯著。

水庫作為介于河流與湖泊之間的人工水體，在人類利用下往往可能表征出近似于河流的搬運型特點（如河道型的發電水庫），也可能表征出類似湖泊的沉積型特點（如漁業用水庫），其溫室氣體的產生途徑與釋放過程受人類利用方式的脅迫十分復雜，并具有不確定性。

2010年10月13日，科技部社會發展科技司孫成永參贊與科研人員一起考察澎溪河自然保護區的溫室氣體監測采樣點。 攝影/任紅

合理的布設監測布點與科學的選擇監測時空頻次是水庫溫室氣體監測方案的兩個關鍵組成部分，典型性與代表性通常是監測方案的兩個基本要求。這不僅歸因于在有限的資源（人力、物力）投入下較快獲取監測數據的現實要求，而且是保證主觀認識與客觀規律辯證統一的科學基礎，猶如僅占體表萬分之四卻能影響各項生理機能的人體穴位。

而隨著水庫庫齡的增加，水庫生態系統演化的過程將可能影響溫室氣體強度的大小，甚至逆轉溫室氣體的源匯特征。加拿大等國的經驗表明，水庫成庫后15-20年，溫室氣體釋放強度將恢復到天然河道的水平，但其經驗是建立在其獨特的水庫水文地理背景和人類利用方式基礎上，而在其他水域的情況則仍不確定。因此，設計客觀合理的水庫溫室氣體監測方案，需要充分認識水庫生態系統特征及其碳循環特點，辨識在人類活動干涉下水庫溫室氣體可能產生的途徑與過程，提出關于水庫溫室氣體通量特征典型代表性時空區段的預判并開展跟蹤觀測。

合理的布設監測布點與科學的選擇監測時空頻次是水庫溫室氣體監測方案的兩個關鍵組成部分，典型性與代表性通常是監測方案的兩個基本要求。這不僅歸因于在有限的資源（人力、物力）投入下較快獲取監測數據的現實要求，而且是保證主觀認識與客觀規律辯證統一的科學基礎，猶如僅占體表萬分之四卻能影響各項生理機能的人體穴位。雖然野外監測提供了有限時間與空間范圍內的水庫溫室氣體通量特征，但卻需要系統表征出水庫全水域的溫室氣體效應。

當現有技術手段和經濟條件不足以支持連續跟蹤觀測時，在全天或全年的哪一個時段實施監測能夠客觀反映溫室氣體通量特征是值得探究的。

對監測布點的合理分布與監測時空頻次的優化分配需考慮眾多對溫室氣體產生過程的潛在影響。例如在深水河道型水庫中，入庫后伴隨河道縱向輸移的顆粒物質在大壩攔蓄的條件下逐漸沉積，形成了“河流區-過渡區-湖泊區”的縱向梯度。

在連續的區段內，水動力等的物理背景差異使得碳、氮的生物地球化學循環過程和生態系統組成呈現較大差別，溫室氣體產生和界面釋放呈現連續波動變化的特征。這使得在縱向的空間監測布點中，不僅需要考慮水庫物理背景改變導致生境條件差異而在各區段呈現的典型特征，而且在同一監測區段內的具體點位布設亦需要予以充分考慮，局部的空間點位顯然不足以代表溫室氣體產生及其通量過程。另一方面，當現有技術手段和經濟條件不足以支持連續跟蹤觀測時，在全天或全年的哪一個時段實施監測能夠客觀反映溫室氣體通量特征是值得探究的。

隨著晝夜和季節變化，溫室氣體通量特征亦呈現出時間上的連續變化特征。日漸光照增強與水溫、壓強的改變直接影響了溫室氣體在水—氣、土—氣界面間的交換特征，而伴隨藻類光合作用進行，溫室氣體的交換通量受控于水生生物生長衰亡的影響而產生改變。雖然人們通常以每月一次或每月二次的監測頻次開展野外跟蹤觀測以期反映水庫溫室氣體通量的全年特征，而采用日變化過程的24小時跟蹤觀測反映日變化下的溫室氣體通量特征，但明確水庫監測時段的代表性，分析在某一時間內開展監測能夠客觀反映出所研究時間區段的水庫溫室氣體特征并不容易。

重慶大學的科研人員進行溫室氣體排放監測實驗 攝影/任紅

用于檢測溫室氣體排放的大氣采樣儀攝影/任紅

用于檢測溫室氣體排放的氣體采樣袋攝影/任紅

水樣的ph值測試 攝影/任紅

水庫溫室氣體監測工作開展的第三個關鍵環節是水庫溫室氣體監測工作的長期性與持久性，以期能夠在充足的歷史序列上提供關于水庫溫室氣體效應的系統認識。

不僅如此，水庫溫室氣體監測工作開展的第三個關鍵環節是水庫溫室氣體監測工作的長期性與持久性，以期能夠在充足的歷史序列上提供關于水庫溫室氣體效應的系統認識。誠如前面提到，已有的研究經驗表明在成庫后的15—20年內，水庫溫室氣體通量將恢復到成庫前的水平，但問題在于水庫對碳、氮等生源要素的轉運或埋藏以及水庫溫室氣體釋放特征同水庫流域內人類生產生活水平、水庫利用方式密切相關，當水庫生態系統長期受迫于人類活動干擾而呈現往復變動的特征時，是否這樣的狀態能否讓水庫溫室氣體通量特征恢復到成庫前的水平？長期持續的跟蹤觀測顯然是回答這一問題的最好辦法。

通過前述分析可以看出，在充分認識水庫溫室氣體產匯過程的基礎上，科學制定水庫溫室氣體監測方案是客觀評判水庫溫室氣體效應的關鍵前提，在這一過程中，五個方面的要素是值得考慮的，即：1）成庫前的土地利用歷史和環境本底特征；2）成庫后的水庫功能與運行方案；3）水庫不同時空區段內的水文地理特征；4）水庫溫室氣體關鍵環境要素的時空分布特點與關鍵生態過程；5）適配于水庫特征的溫室氣體監測技術。

溫室氣體作為水庫生態系統與大氣圈層間物質、能量的交換介質，其交換通道在各種在人工環境的作用的影響下形成了相互獨立且有別于湖泊、海洋等水域的獨特系統，其效應強弱不僅受迫于自然系統的干擾，也受到人類活動的脅迫；也正是水庫溫室氣體過程的不確定性與復雜性，使得短期或局部的跟蹤觀測結果并不足以全面反映水庫溫室氣體的宏觀特征。

“大學之道，在明明德，在親民，在止于至善。”水庫溫室氣體效應的研究已經成為當前淡水生態學研究領域的熱點，但其最終成果的反映卻仍還未有系統、客觀、科學的結論，仍需要“止于至善”的不斷探索前行。