水库并非拦蓄有机碳全部碳排放的元凶：基于坝控与无坝情景的全球水库碳排放在此基础校正

《SCIENCE ADVANCES》：Dams not to blame for all reservoir carbon emissions from retained organic carbon

　　

大坝拦截有机碳（OC）并在水库内形成二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）排放热点，这构成了关于大坝在碳排放中所扮演角色的持续争论的基础。然而，即使没有大坝，这些不稳定性有机碳在下游输运过程中以及河口沉积之后仍会分解并排放CO₂或CH₄。因此，仅依赖受坝水库观测来评估这些排放可能引入相当大的偏差。本研究针对全球5346座水库大坝模拟了受坝与无坝两种情景，以评估其对拦蓄有机碳所产生碳排放的影响。结果表明，仅基于水库的方法因忽略无坝条件下的基线排放而高估了大坝引起的碳排放。经基线校正后，大坝平均使碳排放增加21.5%（以CO₂当量计，CO₂-eq），这仅相当于采用传统基于水库核算方法所估算排放量的18.6%。XGBoost识别出水库深度和水力停留时间是调控大坝引起碳排放的主要因素。

**研究背景与科学问题**

近几十年来，众多河流因水力发电、灌溉、防洪、供水与航运等目的而被筑坝拦截。全球已建成超过70000座大型大坝，且预计在可预见的未来这一数量仍将持续增长。自由流动的河流是有机碳（OC）输运的主要通道，每年向海洋输送约0.85 Pg陆地有机碳。然而，大坝能够拦截有机碳，使其在水库中沉降，随后的分解过程形成二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）的排放热点。这些碳排放在全球尺度上相当可观，近期已被纳入政府间气候变化专门委员会（IPCC）国家温室气体清单指南。因此，水库的高碳排放引发了对大坝的争议，甚至对水电的绿色资质提出质疑。然而，若无这些大坝，不稳定性有机碳在河道下游输运过程中或河口沉积之后仍会分解，释放CO₂或CH₄。这意味着大坝可能主要是将这些排放热点从河流与河口环境转移至水库环境，而水库环境条件更有利于CH₄产生。现有研究多仅基于受坝水库观测来评估碳排放，可能引入相当大的偏差，亟需从"河流—河口连续体"的整体视角区分大坝引起的额外排放与在河流系统中自然发生的有机碳分解过程。基于此，研究人员构建了受坝与无坝情景对比框架，对全球5346座水库大坝开展评估，以量化大坝对拦蓄有机碳碳排放的净影响。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。

**关键技术方法**

研究人员构建了受坝与无坝情景对比的碳核算框架，以有机碳分解与CO₂、CH₄产生为核算基础，大坝引起的碳排放变化（ΔC）以两种情景总排放之差与无坝情景排放之比表征。水库、河道与河口碳排放分别基于各自矿化有机碳量及CH₄/CO₂分配参数估算，CH₄按IPCC第六次评估报告100年全球增温潜势27.2转换为CO₂-eq。有机碳矿化效率由全球编撰的有机碳埋藏效率数据经质量平衡转换，并建立其与绝对纬度的经验关系；水库CH₄/CO₂分配由全球配对CO₂与CH₄排放观测经多项式回归参数化，河口分配则由纬度、经度与年均温的线性回归模型估算。各水库有机碳输入源于集水区土壤侵蚀模型与土壤有机碳数据耦合估算，并经上游水库出流逐节点传递，水库拓扑关系借助GRanD、HydroRIVERS与GOODD数据集建立。采用XGBoost模型结合SHAP值识别调控大坝改变碳排放能力的关键变量，并以5000次蒙特卡洛模拟量化经验参数不确定性。

**研究结果**

*大坝改变碳排放的能力*：与无坝情景相比，全球约99.4%的大坝使拦蓄有机碳的碳排放平均增加21.5%（8.3%至32.6%，CO₂-eq），中位数为18.9%，四分位距（IQR）为13.5%至25.6%。与传统仅基于水库的核算方法相比，这些净大坝引起排放仅占其估算排放量的18.6%。基于性能良好的XGBoost模型（训练集与测试集R²分别为0.93和0.84）所得的SHAP值识别出水库深度与水力停留时间为最强影响因素，其次为水库库容与河流坡降，而大坝海拔与水库泄流影响较弱，对应SHAP值分别为5.80、5.63、1.54、0.85、0.79和0.43。全球尺度上碳排放改变能力未呈现明显空间格局，但不同主要功能大坝间存在差异：水力发电水库改变能力较低，平均仅增加16.5%，而其他所有坝型增幅均超过19.4%，这可能反映了水力发电水库独特的形态与水文特征。

*有机碳分解环境转移与CH₄占比提升*：水生生态系统中厌氧条件促进有机碳分解过程中的CH₄产生。全球CH₄与CO₂排放分析显示，水库CH₄/CO₂比值（0.047）远高于河流（0.007）和河口（0.006）。河道为典型流水系统，水力停留时间短、湍流混合强，维持相对氧化条件并限制持久厌氧生境形成，抑制产甲烷并促进CH₄氧化；水库为静水系统，流速降低、水力停留时间延长，增强悬浮颗粒与有机质沉降截留，有机质富集沉积促进氧耗竭与厌氧微环境发育，刺激产甲烷。河口虽沉积物累积有利于CH₄产生，但盐度升高带来丰富硫酸盐，利于硫酸盐还原与硫酸盐依赖的厌氧CH₄氧化，硫酸盐还原微生物可竞争产甲烷菌共同底物，厌氧CH₄氧化直接消耗CH₄，共同降低净CH₄产生与排放。无坝条件下约4.9%河流有机碳在河内分解，其余输送至河口；建坝后约88.3%上游集水区有机碳输入被拦蓄于水库并矿化，0.5%输送下游在河道内分解，剩余11.1%到达河口进一步矿化。大坝因此将主要有机碳分解环境从河口转移至更利于CH₄产生的水库，使CH₄在总碳排放中占比增加逾五倍（22.8%对4.4%）。

*深度与停留时间的非线性调控*：水库底部累积有机碳分解产生的CH₄扩散至水柱，释放前部分被氧化，该过程受水深与垂直分层强烈调控。浅水库扩散路径短限制氧化从而增强CH₄排放，对CO₂-eq呈正向贡献；极深系统底部缺氧加剧同样刺激CH₄产生，产生类似正向效应。SHAP依赖图揭示这一非线性关系：浅水库与极深水库均倾向增加预测排放，而中等深度（约20至80 m）起抑制作用。水力停留时间进一步调节深度效应：较长停留时间放大浅水库因较高有机碳截留能力而产生的正向贡献。尽管水库环境促进CH₄产生，仍存在水库CO₂-eq低于河口的情形，导致净负的大坝引起效应，该格局在北半球南北流向河流与南半球南北流向河流中更常见，河流走向放大了纬度温度对比——大坝将有机碳截留于较冷上游环境，减少了其向较暖下游河口的转移。

*全球大坝引起的拦蓄有机碳碳排放*：结合各水库有机碳输入与其单位有机碳输入改变碳排放的能力，估算全球大坝引起的CO₂-eq增量。总体而言，大坝使年碳排放增加5.4×10⁶（2.2×10⁶至8.4×10⁶）t CO₂-eq。不同功能坝型差异显著，依次为水力发电（2.9×10⁶ t year^?1）、灌溉（1.0×10⁶ t year^?1）、防洪（0.7×10⁶ t year^?1）、供水（0.2×10⁶ t year^?1）与航运（0.07×10⁶ t year^?1）。单座大坝改变碳排放的能力与不同功能大坝年碳排放变化呈现不同格局，主要源于年有机碳输入差异：水力发电坝虽改变能力较低，但其平均年碳排放变化居第二且多分布于较高值区间，主要因其控制较大集水面积、接收大量有机碳输入，加之数量众多，对总年增量的贡献最大。梯级大坝（4.5×10⁶ t）对总CO₂-eq增量的贡献远高于单座水库（0.9×10⁶ t），但按拦蓄有机碳归一化后，梯级系统排放强度（0.51 CO₂-eq/单位有机碳）低于单座水库（0.58 CO₂-eq/单位有机碳）。两系统水深（最强控制因子）相当（24.9 m对23.3 m），梯级水库单位有机碳排放较低可能与不同梯级单元间有机碳拦截不均有关：上游水库通常截留较大比例来水有机碳，下游水库接收有机碳输入显著减少，即使下游水库单位有机碳排放响应较高，其对总碳排放增量的贡献仍相对有限。水力停留时间另一关键因子在梯级中平均为1.22年，单座水库为0.77年。

**讨论与结论**

大坝拦蓄河流有机碳，增强其累积，从而在水库内导致大量CO₂和CH₄排放。由于水库碳排放构成大坝碳收支的主要组分，准确解析其动态对评估大坝碳影响至关重要。然而，即使无大坝拦蓄，这些可生物降解有机碳在下游输运过程中或河口沉积后仍会分解释放。因此，大坝相关碳排放评估不应局限于水库，而应采取"河流—河口连续体"的整体视角，区分大坝引起的额外排放与河流系统中自然发生的有机碳分解过程。研究结果表明，尽管大坝增加碳排放，其净贡献仅占传统基于水库方法估算排放量的18.6%，将所有水库相关碳排放归因于大坝可能高估其对全球碳循环的实际影响。需注意本研究碳排放主要基于水库总有机碳输入估算，而不同流域有机碳来源、化学组成与生物可利用性存在显著差异，仅基于总有机碳输入的估算可能无法充分捕捉有机碳质量变化对不同流域碳排放潜力的影响。未来研究应纳入有机碳来源解析、分子组成特征与生物可利用性指标，以提高区域与全球尺度大坝相关碳排放评估的准确性。此外，方法学仍存在局限，包括情景假设与输入数据集相关不确定性；大坝建设可改变下游水力条件并潜在影响有机碳降解速率，但目前尚无描述建坝前后河流水文变化的全球一致数据集。本研究专门量化了大坝拦蓄陆源颗粒有机碳对水库碳排放的贡献，因而未明确核算其他有机碳来源相关碳排放，包括淹没土壤有机碳矿化、溶解有机碳输入与原位自生有机碳产生；由于这些未量化有机碳来源可能贡献水库碳排放，本研究估算的大坝拦蓄有机碳影响应被解读为对大坝所致碳排放的保守评估。未来研究应整合长期野外观测、来源解析方法与多源建模途径，以更全面刻画大坝相关碳收支的时空动态。本研究除修正"水库碳排放可完全归因于大坝"的传统认知外，对水电碳核算、未来大坝规划与环境影响评价亦具有重要意义。通过区分大坝引起的增量排放与整个河流—河口连续体中预先存在的有机碳分解过程，该框架为量化大坝净碳影响提供了更准确的方法。将此类基于过程的评估纳入水电碳核算体系，可降低高估大坝相关排放的风险，并提高不同能源系统碳足迹的可比性。未来大坝规划与环境影响评价应在河流—河口连续体整体尺度上评估碳后果，而非仅关注水库内排放，这一整体视角将有助于发展低碳水电系统，并为平衡可再生能源扩张与气候减缓目标提供科学依据。