遙感在水庫溫室氣體研究中的應用

吳炳方 趙 炎 曾 源

上：三峽水庫重慶奉節縣瞿塘峽江段。 攝影/黃正平

下：（衛星遙感圖片）2001年10月22日，歐洲宇航局最小的人造地球觀測衛星“普羅巴”(Proba)被發射升空，開始圍繞地球運行，運行周期為3年半。它拍攝到中國三峽水利工程。 攝影/國際圖/CFP

水庫的溫室氣體排放是水庫蓄水后產生的一種自然現象。在全球氣候變暖的大背景下，發電水庫的溫室氣體排放已引起人們對水電的廣泛關注。

水庫的溫室氣體排放主要產生于匯入庫區水體中有機物質的分解。目前，國內外專家學者基于生態學方法，對不同氣候、地形條件下的水庫開展了觀測研究，結果表明水庫存在一定量的溫室氣體排放，但在不同環境和流域背景條件下水庫的排放水平存在明顯的區別。即使在同一個水庫內，受水庫形態以及水力和水環境條件空間異質性的影響，不同水域的溫室氣體排放也存在顯著的差異。

影響水庫溫室氣體排放的主要過程可分為兩類：其一是為水庫或其沉積物提供有機碳的過程，其二是影響水庫溫室氣體產生與排放的過程。前者主要取決于水庫集水區內通過地表徑流提供的有機物質輸入和消落區內植物、凋落物、土壤中挾帶的陸源有機質；后者的影響因素則包括水體中有機質、溫度、溶解氧以及表層水體初級生產力等水體理化特征的表征參數。通過對上述過程和參數的監測，有助于了解和分析產生水庫溫室氣體排放強度及其時空變化的原因。

目前，國際上開展水庫溫室氣體研究尚未形成一套成熟的方法體系，如何以科學嚴謹的方法獲得水庫的溫室氣體排放強度及其變化動態，是各國學者正在努力探討的科學問題。

2008年8月，聯合國教科文組織（UNESCO）與國際水電協會（IHA）聯合啟動“淡水水庫溫室氣體排放研究項目”，旨在了解水庫溫室氣體排放的影響及相關過程，基于其前期的研究成果，提出了《淡水水庫溫室氣體測量指南》（下簡稱《指南》）。《指南》在述及基于原位監測數據的排放量估算時，指出了對監測數據進行空間尺度外推、時間整合以及凈排放量計算的重要性，但對于水庫溫室氣體排放這樣一種存在極強空間異質與時間變異性的現象而言，《指南》推薦的統計分析方法存在明顯的不足。

因此，基于原位觀測的生態學研究方法，雖然有助于了解溫室氣體產生、排放的過程，但無法掌握水庫，尤其是大型水庫溫室氣體排放的空間分布特征和時間變化過程，從而使得水庫溫室氣體排放量的估算存在很大的不確定性。科學家L o u is等人對溫帶（加拿大、美國、芬蘭）與熱帶（巴西、法屬圭亞那）地區20多個水庫的水庫溫室氣體測量結果進行了比較，結果表明不同氣候條件下水庫的排放存在明顯的差異。以甲烷為例：溫帶地區平均甲烷排放約20mg/m2.d，而熱帶地區達到300mg/m2.d（毫克每平方米每天）。在同一個水庫內，其觀測結果也表現出較大的變化幅度，如法屬圭亞那的小梭（Petit Saut）水庫的平均甲烷排放約為1140mg/m2.d，而觀測獲得的實際排放通量變化范圍為5～3800mg/m2.d，若僅以該水庫的平均排放水平進行排放量的估算或與其他水庫進行對比，顯然將導致片面的結論。

另一方面，人們往往是在水庫建成后才意識到水庫的溫室氣體排放問題，因此大多缺乏水庫建設前溫室氣體排放的本底值，從而無法以生態學觀測手段獲得由水庫建設導致的溫室氣體凈排放水平，無法對水庫溫室氣體排放進行客觀的評價。解決的方法是將遙感與生態學方法相結合，掌握水庫溫室氣體排放空間格局、時間過程和凈排放水平。

遙感數據具有多尺度、多光譜、多時相的特點。多尺度是指遙感能以不同的空間分辨率記錄地表信息，以不同的詳細程度反映地表格局等特征；多光譜是指遙感以不同的波段設置，記錄地物在不同波長處對太陽輻射的吸收特性；多時相則是指遙感能以不同的周期對同一地區進行重復觀測，并且伴隨遙感技術的發展，可以形成較長時間序列內的遙感數據集。遙感數據的以上特點，決定了它能在反映地球表面宏觀結構特性的同時，也反映微觀局部的差異，全面、客觀、系統地反映地表的狀況及動態，遙感也因此成為目前可實現對地表時空連續觀測的重要技術手段，廣泛應用于地物的識別以及對地表空間結構與時間過程的監測，具體的應用包括地表溫度與土壤濕度監測、植被類型與植被覆蓋度監測、水環境質量監測、地表水分蒸發以及生態系統質量及演化評定等。

上：國家環境保護衛星遙感重點實驗室在北京成立。圖為技術人員正在維護衛星地面接受站設備。 攝影/鄧佳/CFP

下：2010年9月22日10時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征2號丁火箭成功發射“遙感衛星十一號”。 攝影/海晗/CFP

受傳感器信號接收過程中大氣吸收與散射以及地表其他過程的影響，遙感技術并不能直接捕捉水庫水氣界面的溫室氣體通量特征，只能通過對與水庫溫室氣體排放相關的各個過程和參數的間接監測，反映水庫溫室氣體排放強度及其空間分布特征。主要體現在三個方面：一是對庫區生境的動態監測，包括集水區水土流失、面源污染、消落區植被恢復等，分析庫區陸地生態系統碳元素注入等過程對水庫溫室氣體排放產生的影響；二是對水庫水環境異質性的監測，分析產生水庫溫室氣體排放空間異質性的原因；三是利用遙感歷史積累數據，實現對歷史狀況的追溯。

庫區陸地生態系統動態監測

作為產生水庫溫室氣體排放的重要碳物質來源，進入庫區水體碳物質的量決定了溫室氣體產生以及排放量。《指南》中指出水庫中碳物質來源包括自源與異源兩類，自源主要產生于水生生物的代謝過程，異源則包括消落區內植被與土壤中有機物質的淹沒分解以及集水區內隨水土流失的有機物質注入。

集水區水土流失是影響庫區水體的重要地表過程，而隨水土流失進入水體的碳物質是使水庫在建設前后持續產生溫室氣體的重要碳物質來源；消落區植被與土壤中的有機碳則是導致水庫溫室氣體凈排放的主要碳物質來源。遙感可以監測陸地生態系統的碳負荷，從而分析庫區陸域入庫碳通量，為水庫溫室氣體的估算提供依據。

遙感技術之所以可以成為水土流失監測的一種有效手段，是由于其對地表一些典型的水土流失標志，如地表裸露程度、植被覆蓋度和土地利用類型變化等，進行了空間連續的記錄。以經過高精度預處理（定標、輻射校正、大氣校正、幾何校正等）的遙感影像提取包括庫區土壤可蝕性因子、地形因子、植被因子等水土流失標志的專題信息，結合開展地面調查獲得的地區水土流失防治以及降雨強度等綜合信息，輔以GIS的空間數據處理和分析功能，可實現對庫區水土流失強度的定量監測。基于上述方法對三峽庫區2007年水土流失進行監測，并根據不同的流失強度進行分區，結果表明：三峽庫區2007年水土流失總面積37335平方公里，占庫區土地面積的64.5%，其中輕度侵蝕面積占29.2%、中度侵蝕面積占42%、強度及以上侵蝕面積占28.8%。以上結果結合庫區土壤屬性等數據，可用以定性分析可能產生明顯碳流失的敏感區域。

在水土流失監測的基礎上，補充開展庫區徑流小區觀測，分析不同地形和植被條件下的碳流失強度，建立碳流失強度與地形、植被以及水土流失強度的定量關系，進而實現對庫區陸域的碳流失通量估算。

消落區是水庫季節性水位漲落而周期性出露于水面的特殊區域。以三峽水庫為例，2010年三峽水庫實現175米最高位蓄水，意味著次年水位降至145米汛限水位后將在30米的水位落差內形成消落區。在水位逐漸降低的過程中，出露的消落區將產生植被的自然恢復及植物與土壤中有機物質的積累過程。利用高時間分辨率遙感數據，對不同高程下消落區在退水初期的植被狀況及其隨后的恢復過程進行跟蹤監測，包括植被的覆蓋度水平、生物量等，進而可以估算消落區植被的碳儲量水平。對2009年三峽172米消落區內植被的遙感監測結果表明，消落區平均植被覆蓋度在退水初期（2009年6月）為31%，而在退水末期（2009年8月）達到67.6%。當水庫進入新一輪的蓄水過程，新生植被再次被淹沒時，即可根據遙感監測的結果，估算蓄水淹沒的植被生物量或有機碳的量，結合特定環境條件下植物體的分解速率研究結果，實現對水淹沒植被產生的溫室氣體排放量及相應排放速率的估算。

2008年1月30日，北京，國家環境保護衛星遙感重點實驗室常務副主任伊球研究員正與同事利用衛星遙感影像分析水污染狀況。 攝影/鄧佳/CFP

與此同時，水庫低水位期間對消落區植被的遙感監測結果，也可為開展蓄水后水氣界面觀測點位的選擇提供參考。消落區在出露期植被恢復的特殊性質，決定了其在蓄水后將成為水庫溫室氣體排放的熱點區域，因此在設置觀測點開展通量觀測時，需重點考慮。根據蓄水前對消落區植被分布狀況遙感監測的結果，結合地形和土壤等信息，對可能產生相同排放水平的區域進行分區，并設置相應觀測點開展觀測，基于分區與觀測結果可對消落區產生的溫室氣體排放量進行估算。

水環境異質性的監測

基于原位觀測的生態學方法，受儀器與經費的影響，往往只能選擇小部分水域開展觀測，且容易將注意力集中于可能產生溫室氣體的敏感區域如淺水區、消落區等。由于各個觀測點的空間代表性有限，在進行排放水平的空間外推或基于觀測數據進行模型模擬時，將導致估算結果偏離真實的排放水平。

遙感技術可獲取不同理化狀態下表層水體所表現出來的反射率差異，實現對葉綠素a、可溶性有機質等影響溫室氣體排放關鍵參數的空間分布特征，分析表層水體空間異質性，進而可客觀分析由此導致的溫室氣體排放空間分布格局。

純凈水體在可見光波段的反射率曲線是接近線性的，且隨著波長增加反射率呈降低趨勢。自然水體中由于污染物質對入射輻射的選擇性吸收和散射作用，使水體的反射光譜曲線呈現不同的形態。通常認為影響水體光譜反射率的污染物質主要有三種：浮游植物、懸浮物以及由黃腐酸、腐殖酸組成的溶解性有機物（通常稱為黃色物質）。由于不同類型污染物具有特定的吸收波長，而不同的污染物濃度又會對入射輻射產生不同強度的吸收和散射，最終導致傳感器接收到的不同水體的輻射信號表現出不同的反射特性。遙感技術正是基于這一性質，通過分析不同水質參數濃度與吸收特征之間的定量關系進行建模、反演。目前借助遙感手段可反演的表層水體理化指標包括葉綠素a、懸浮物、有色可溶性有機物、總磷、總氮、透明度和水溫等。

大型深水水庫的理化指標（溫度、溶解氧等）往往存在分層的現象，而這種分層結構將影響水體中物質的轉換與傳輸過程。因此，開展對水庫水體分層結構的研究，將進一步促進對溫室氣體產生和排放過程的理解，結合遙感技術對表層水體理化性質的監測與觀測獲得的水體溫度、溶解氧、溶解二氧化碳等參數的分層特征，建立庫區水體理化參數的三維空間分布模型，可更有效地分析產生溫室氣體排放強度時空變化的原因。

對水庫建設前排放水平的追溯

國際上對水庫溫室氣體排放的認識均是來源于近年來少數學者對少數水庫開展少數觀測工作獲得的初步結論，而多數水庫此時已完成建設并蓄水運行，往往缺少在水庫建設前相同區域內的溫室氣體排放觀測，缺少溫室氣體排放的本底水平，因此難以分析和估算因水庫建設所導致的溫室氣體凈排放量，從而無法客觀評價水庫建設導致溫室氣體排放所產生的環境影響。

遙感技術經歷了長時期的發展后，已經形成了多平臺、多時相的連續對地觀測體系，積累了較長時間序列的多源遙感數據。以現階段開展庫區溫室氣體排放通量觀測所獲得的不同環境條件下庫區消落區以及水體的溫室氣體排放因子以及遙感技術對庫區陸域、消落區以及水環境的監測結果為參考，借助積累的遙感時間序列數據，對水庫建設前庫區范圍內不同土地利用以及水體的溫室氣體排放水平進行回溯，進而對因水庫建設導致的溫室氣體凈排放量進行估算。

結語

水庫溫室氣體排放是一個復雜的生態學過程，受庫區陸地和水體環境異質性的影響，其排放存在明顯時空變化，而遙感作為一種可實現時空連續表達的觀測手段，在水庫溫室氣體研究中起著重要的作用，與生態學觀測方法對溫室氣體產生與排放各個過程的理解形成互補。

目前，遙感技術是進行地表陸面過程和參數動態監測的重要手段，在水庫溫室氣體研究中，遙感技術可通過對水庫庫區碳流失過程的監測，精確估算碳物質來源；通過對庫區水環境的監測，刻畫溫室氣體產生環境的異質性；通過以遙感積累的歷史數據，追溯水庫建設前的排放水平，實現對水庫溫室氣體排放在時間與空間尺度上的外推，最終實現對水庫精確估算水庫溫室氣體排放量及凈排放量的目的，降低生態學統計方法中的不確定性。另一方面，通過分析產生溫室氣體排放時空差異的原因，從碳物質來源、水環境條件等角度探索減少溫室氣體排放的可行性手段，為制定水庫的生態調度方案提供依據。