适应水位变化的三峡库区消落带碳汇提升设计及效益评估

 

摘要：【目的】三峡库区消落带受周期性的水位涨落及冬季长时间深水淹没影响，碳汇能力遭受严重破坏。如何恢复并充分发挥消落带生态系统的碳汇潜力，成为三峡库区生态治理的关键议题。

 

【方法】针对复杂水位变化挑战，提出以林塘模式修复消落带生态系统并提升碳汇能力的技术框架，选取位于三峡库区腹心的大浪坝消落带开展实证研究。运用 CASA 模型测算修复前后大浪坝消落带的净初级生产力 （net primary productivity, NPP），基于植被生物量数据计算修复后大浪坝消落带与未修复对照组内不同高程带的碳汇能力，评估林塘碳汇系统的可持续效益。

 

【结果】修复后大浪坝消落带的碳汇能力随时间推移明显提升，NPP 由 2012 年的 154.4 g C·m2·a?1 增长至 2016 年的 182.5 g C·m2·a?1；各高程带的碳汇能力均显著高于对照组，并呈现出随海拔降低而减弱的趋势，170~175 m 高程带碳汇能力达到1.827 kg C/m2，160~165 m 高程带碳汇能力仅为 0.830 kg C/m2。林塘系统增强了生态系统的适应性和复原力，形成了适应水位变化的立体固碳模式并有效提升了碳汇效率。

 

【结论】林塘碳汇系统是应对三峡库区复杂水位变化和长时间深水淹没挑战的适应性探索，显示出景观优化、生物多样性、经济效益与碳汇协同耦合的关键特征。研究成果能够为中国大型工程型水库消落带的治理及碳增汇提供科学依据与可复制推广的创新技术模式。

 

消 落 带（ water level fluctuation zone,WLFZ）是河流、湖泊与水库生态系统中受周期性水位涨落影响的水陆交界区域[1]。水位涨落引发的交替淹没与露出过程，不仅导致消落带土壤结构受损和水土流失，还促使土壤有机碳分解为二氧化碳和甲烷，进而增加了温室气体的排放量。同时，水位变化导致的频繁淹水对消落带植物的存活和生长造成严重胁迫，削弱了植物的固碳能力[2]。因此，消落带被视为河湖与水库中温室气体排放的关键区域，是全球水库碳排放治理的核心问题之一[3]。

 

此外，消落带周期性水位波动所引发的碳排放增加与植被退化，可能导致生物多样性减少和水体富营养化等环境问题。因此，对消落带进行碳汇提升设计具有极为重要的价值[4]，不仅有助于在碳排放方面化害为利、有效发挥消落带固碳功能，改善区域气候和生态系统的整体健康与稳定性，还将增强河湖、水库湿地的气候适应性，促进生物多样性的恢复。

 

三峡水库采用“蓄清排浑”运行模式，冬季水位维持在海拔 175 m，夏季下调至 145 m，形成水位落差约 30 m、总面积约 349 km2 的消落带。复杂水文因素显著制约了三峡库区消落带的碳汇功能，引发多源性碳排放[2, 4-5] 。

 

季节性水位波动导致水土流失、土壤碳矿化及植被退化，冬季淹没期的植物厌氧分解增加了碳排放，而土壤及植被结构稳定性的衰退削弱了消落带的生态缓冲能力，加剧了上游农业面源污染和碳排放的累积[6]。三峡库区消落带的出露期与植物生长期重合，提供了低水位期间植物积累有机碳和恢复固碳能力的可能性；然而，Lu 等研究表明，未经修复设计且仅依赖自然恢复的消落带植物物种单一、生物量低，碳汇能力极为有限[7]。

 

因此，研究适应水位变化的消落带生态修复及碳汇提升技术路径，实现由强源向弱源强汇的转变，对于突破三峡水库碳排放治理瓶颈至关重要。目前，国际研究主要集中于河岸林改造[8-9]，利用耐水淹的芦苇、柳属木本植物改良护坡碳汇功能[10]，以及通过水位调控管理来减少碳排放和促进碳积累[11]；国内研究则侧重于植被混凝土、生态袋等消落带治理技术及此类技术对碳平衡影响的评估[12-14]。现有研究大多局限于少数特定植物物种和工程材料，缺乏对消落带生态系统碳汇能力及维持机制的深入分析。

 

当前，三峡库区消落带生态修复的研究着重于筛选耐水淹植物和提升植被的物种多样性[15-16]，并开始探索消落带的生物多样性保护、污染净化与景观美化等多功能协同技术路径[17]。然而，现有研究及实践缺乏基于整体生态系统视角的碳增汇设计思考，也缺乏已有修复实践的碳汇效益定量评估结果作为科学参考。

 

基于此，本研究在三峡库区大浪坝消落带利用顺应水位变化的耐水淹林泽与基塘相结合的碳汇提升技术，通过增加植被生物量、优化生态系统的结构稳定性及生物多样性，实现消落带的碳汇功能优化及自然管理；并结合遥感分析和实地调查，对修复后的消落带生态系统碳汇能力进行评估，旨在为三峡库区及其他大型水库消落带的碳汇能力提升提供科学依据和可借鉴的技术范式。

 

 

1  研究区域概况

 

本研究选取位于三峡库区腹心地带的重庆市开州区大浪坝消落带（图 1）开展碳汇提升工程和碳汇能力实证研究。大浪坝位于长江一级支流澎溪河左岸的河流二级阶地，总面积约 1.45 km2。三峡水库蓄水前，该区域农业活动密集，耕地、山坪塘和鱼虾养殖塘的面积占比超过 90%，生境极为单一、生物多样性显著衰退。自 2010 年三峡水库蓄水水位提高至海拔 175 m 以来，大浪坝每年经历周期性的出露（2—9 月，水位约海拔 150 m）和淹没（10 月—次年 1 月，水位达海拔 175 m），

加剧了植被退化。大浪坝地处山体环绕的河谷地带，夏季散热条件差，最高温度可达45 ℃，频繁的夏季洪水与高温干旱使植被生长受阻。修复前，夏季出露的大浪坝植被以狗牙根（Cynodon dactylon）和苍耳为优势种，物种单一、碳汇功能低下[7, 18]。冬季蓄水期间，约 74.5% 的区域被淹没，植物厌氧分解和土壤碳矿化导致碳排放量增加。

 

2  消落带碳汇提升设计框架

 

针对大浪坝消落带的原有生态条件，本研究提出 3 项碳增汇设计策略，形成适应水位变化与应对蓄水淹没挑战的林塘碳汇系统设计框架（图 2）：

 

1）结合已有山坪塘和养殖塘，设计基塘结构，形成适应水位变化的弹性基底并增加生境异质性，为提升植物群落多样性及植物碳汇能力构建基础；

 

2）在塘基及其周边配置耐水淹乔木，构筑林网结构，建立林塘系统雏形；

 

3）在林塘系统内部配置耐水淹灌木和水生经济植物，并为自生植物预留生长空间。所有增汇设计策略顺应研究区域的海拔高程梯度及水位变化波动，有机协同形成多样的碳汇模式，从而增强消落带生态系统的碳汇能力，并促进碳汇、生物多样性及生产效益的协调耦合。依据该设计技术框架，在 2015—2016 年实施了大浪坝碳汇提升工程。

 

珠江三角洲的桑基鱼塘通过塑造基塘和利用潮汐自然排灌，合理利用水陆资源，构建适应水位变化的高效生态循环和碳吸收机制[19]。本研究借鉴桑基鱼塘的结构模式，在保留大浪坝原有山坪塘及养殖塘并优化其形态结构的基础上，设计了沿等高线分布，具有不同大小、深度与形态的塘结构，塘群覆盖面积约 0.42 km2，形成基塘碳汇单元（图 3）。

 

沿塘基以 1.5~2.0 m 的间隔种植耐水淹乔木，构建林网并与基塘耦合形成林塘碳汇系统。设计综合考虑了复杂多变的消落带地形，在稳定坡面和控制水土流失的同时，提供储水单元以保障夏季出露期与干旱季节的植物生存所需水分。此外，该系统也营造了适宜水生植物生长的湿地环境，进而建立能在秋冬季淹没期持久存活的挺水和沉水植物群落，形成水下碳汇结构。

 

为适应大浪坝消落带的海拔高程梯度和水位变化，将大浪坝消落带划分为 170~175 m、165~170 m、160~165 m、150~160 m 4 个高程带，分别设计碳汇模式（图 4）。

 

1）170~175 m 高程带水位波动较小，采用以林泽为主的碳汇模式，并配置少量基塘作 为 储 水 单 元。 该 模 式 以 耐 水 淹 的 桑 树 （Morus alba）与本地旱柳（Salix matsudana）为 优 势 种， 配 置 少 量 枫 杨 （ Pterocaryastenoptera）并保留黄葛树（Ficus virens）等根系发达的乡土树种构成密林；在乔木层下种植秋华柳（Salix variegata）等耐水淹灌木，构建复层群落结构。林泽能在冬季高达 5 m 的水淹条件下存活，并通过露出水面的树冠进行光合作用实现持续固碳。相较于原有的单一草本植被，林泽模式能更有效地利用场地资源，形成更稳定高效的碳汇结构。

 

2）165~170 m 高程带具有更长时间和更深的蓄水淹没区域，笔者团队构建了较 170~175 m 高程带密度更高的基塘结构，并利用潜流、凹槽和小型涵管，在塘之间建立水文连通。沿塘基种植桑树和极耐水淹的落羽杉 （ Taxodium distichum）、 中 山 杉 （ Taxodium ‘Zhongshanshan’）形成紧密的林网，其中混植少量乌桕（Triadica sebifera）以优化林分。该高程带的基塘面积约 15~20 m2，深度约 1~2 m，内部种植莲（Nelumbo nucifera）、慈姑 （Sagittaria trifolia）等挺水植物，增加夏季碳汇积累。为减少温室气体排放，在冬季蓄水前收割塘内部分植物。林网与基塘的立体嵌套，构成了既能稳固坡面水土又具有高效碳汇能力的林泽-基塘复合体。此设计策略中，每隔 3 m 设置的排水凹道不仅提高了雨季的排水效率，还与水流侵蚀形成的微型水塘和土堆相结合，增加了地形起伏度和空间异质性，有利于物种共存和提升林泽生产力。

 

3）160~165 m 高程带的冬季深度淹没期会严重胁迫乔木生存，因此设置基塘群（单个基塘面积约 15 m2，深度约 1~3 m）与草甸相结合的复合嵌套结构，既在夏季出露期提供了储水单元，支持草甸植被的自然萌发生长，恢复碳汇功能，又有助于减少水土流失导致的土壤碳矿化。首先利用壤土、卵石和砾石改良基塘底质，并在塘底设置 30 cm 深的水凼，既为水生植物、底栖动物和鱼类创造了适宜的生境，又增加了空间异质性。其次在基塘内种植莲、慈姑等湿地植物，塘基上形成以自生草本植物为主的草甸群落，并配置少量秋华柳等耐水淹灌丛以丰富植被群落结构。最后通过疏浚和涵管保持基塘之间的水文连通，与 165 m 以上高程带的基塘形成连续水文结构，从而达到优化林塘系统的水体自净功能、减源增汇的目的。

 

4）150~160 m 高程带受频繁的夏季洪水和冬季淹没影响更为显著，因此采用自然恢复的手法形成湿草甸碳汇模式。人为设置少量的洼地和土丘等微地形结构，形成多样化的小微生境类型，既能促进更多自生草本植物的生长和共存，提高植被生产力，又为鹭类、秧鸡类等湿地鸟类提供觅食和庇护生境[20]。

 

 3  碳汇评估方法 

 

 3.1  基于CASA 模型的植被净初级生产力及植被碳储量评估

 

 净初级生产力（net primary productivity,NPP）是植物群落总初级生产力扣除植物呼吸消耗后的剩余部分[21]。NPP 不仅反映植被的二氧化碳固定能力，也是评估生态系统碳汇功能的关键指标[22-23]。CASA（Carnegie-Ames-Stanford approach）模型因数据获取便捷、人为偏差小和易于应用等优点，成为估算 NPP的主流方法之一[24]。在三峡库区消落带，植被沿海拔的带状分布特征明显，应用 CASA 模型能有效减少以点数据代表整体的误差，提供相对全面和准确的 NPP 结果[25]。因此本研究采用 CASA 模型计算大浪坝消落带 2012、2016、2020 年的 NPP，以了解修复前后碳汇功能的变化情况。

 

 CASA 模型中用到的数据源包括植被类型图、气象数据、归一化植被指数（normalizeddifference vegetation index, NDVI）和土地利用类型数据，统一使用 UTM-WGS1984-50N 坐标系投影。植被类型图来源于 1990—2020 年土地利用类型图（30 m 分辨率），在 ENVI 4.2软件中进行预处理。NDVI 来自 2000—2022 年中国区域 250 m 分辨率数据集[26]。气温数据来源于 1 km 分辨率的逐月平均气温数据集 （1901—2021 年），通过插值计算获取[27]；降水数据通过 1 km 分辨率的逐月降水数据集 （1960—2020 年）进行插值获取[28]；辐射数据获取自美国可再生能源实验室（NationalRenewable Energy Laboratory），覆盖大浪坝及周边的 15 个数据点，使用 Arc GIS 10.7 软件进行克里金插值计算。所有气象数据都经R 4.2.3 处理，与植被类型图的坐标和分辨率一致后，再通过 ENVI 4.2 计算得到大浪坝的月平均温度、降水和辐射的栅格数据。

 

本研究采用朱文泉等改进后的 CASA 模型[29]，通过植被所吸收的光合有效辐射（APAR）和光能利用率（ε）两个变量计算植被净初级生产力，NPP（x,t）=APAR（x,t）×ε（x,t），（1）APAR（x,t）ε （x, t）NPP（x,t）式中： 是 t 时刻在 x 位置的光合有效辐射，g C·m2/月； 指 t 时刻在 x 位置的光能利用率， g C·MJ?1； 指 t时 刻 在  x 位 置 上 的 植 被 净 初 级 生 产 力 ，g C·m2·a?1。

 

 

3.2  植被生物量调查及碳汇计算

 

2023 年，在植物生长高峰期（6—9 月），对大浪坝消落带（实验组）以及未经生态修复的澎溪河右岸小浪坝消落带（对照组）进行调查采样。实验组共设置 4 条样线（两线间隔 200 m），每条样线都包含 170~175 m、165~170 m、160~165 m、150~160 m 高程带，各高程带内随机选取 4 个 1 m×1 m 草本样方和 1 个 10 m×10 m 乔木样方进行调查；对照组内共设置 3 条样线（两线间隔 100 m），同实验组方式设置高程带和选取样方。

 

1）草本样方调查：记录样方内草本植物的种类、株数、高度及盖度，并收割包括地上部分和地下根系在内的草本植物样品，现场测定鲜重；将样品带回实验室，在 80 ℃ 烘箱中烘干 24 h 至恒重后测量干重，得到草本生物量；草本植物的碳储量按生物量的 50%计算[30]。2）乔木样方调查：记录所有乔木的种类、胸径（D）、高度（H）和冠幅，利用生长异速方程估算乔木地上生物量（Wtop，表 1）[31-32]，地下生物量按地上生物量的 28%计算[33]，乔木碳储量则按总生物量的 50% 计算[34]。将草本植物与乔木的数据相结合，计算各高程带单位面积的植被碳储量，并通过面积加权法计算消落带植被碳储量。

 

 

 4  碳汇功能评估结果

 

  4.1  净初级生产力的时间变化及分布格局

  

  实施修复前，大浪坝的 NPP 主要由狗牙根和苍耳形成的草本群落贡献，生产力低，2012 年的 NPP 仅为 154.4 g C·m2·a?1；经过修复，2016 年（即修复完成当年）NPP 提升至 177.7 g C·m2·a?1，反映碳汇能力的明显改善；到 2020 年，人工栽植植物逐渐自然扩繁，形成了更为多样化的植物群落，NPP 进一步增长至 182.5 g C·m2·a?1。由此可见，植物多样性的提升使 NPP 平均值显著增加且分布更为均衡（图 5），这不仅反映了修复后大浪坝消落带碳汇潜力的增强，也表明了该地区的光能利用效率提升、能量流动路径更加多元化。

  

  2016 年大浪坝消落带的 NPP 值沿海拔降低而减小，与碳汇提升设计预期相符，也显示了 NPP 对消落带生态条件的敏感响应，即随淹水深度和时长的增加而逐渐降低。NPP的高值区主要集中在大浪坝的中部及南部海拔 165 m 以上区域；这些区域得益于高覆盖度的复层林泽，最高 NPP 达 233.92 g C·m2·a?1。而东岸 150~160 m 高程区域为 NPP 低值区，由低覆盖度的草甸植被构成，最低 NPP 仅约0.1 g C·m2·a?1。

 

 4.2  林塘系统的碳汇功能与作用机制

 

 调查结果表明，大浪坝消落带的单位面积碳汇能力达 1.235 kg C/m2，显著高于未进行修复的小浪坝（0.587 5 kg C/m2）。实验组所有高程带的碳汇能力均显著高于对照组，并且呈现出随海拔降低而减弱的趋势，与 NPP分析结果一致（图 6）。170~175 m 高程带达到 1.827 kg C/m2， 160~165 m 高 程 带 仅 为0.830 kg C/m2，表明较高海拔内的林塘系统为植物生长提供了适宜生境条件，促进了植被生产力增长和碳汇积累，且耐水淹的林泽乔木能够在冬季深水淹没期间通过出露的树冠维持碳汇累积。然而 150~160 m 高程带由于靠近澎溪河，夏季出露期水分条件更充足，草甸植物生长旺盛，因此碳汇能力超过 160~165 m高程带。

 

 修复后的大浪坝基塘、塘基、土丘、沟壑和洼地等多种微生境结构为不同物种提供了适宜的生存环境[35]。原本贫乏的植物种类增加至 139 种，包括 129 种草本植物和 10 种木本植物，植物多样性显著提升（图 6）。与小浪坝相比，大浪坝各高程带均具有更为多样化的植物优势种（图 7），更为丰富的植物种类组成和群落结构促进了碳汇功能的提升。此外，沿海拔高程梯度设计的不同碳汇模式在大浪坝消落带创造了丰富的空间生态位，为各类生活型的植物提供了合适的生长和共存条件，形成了陆生植物、湿生和水生植物以及自生草本植物在内的复层植物群落，构建了适应水位变化的“水上—水下”一体化立体固碳模式（图 8），有效提高了资源利用效率，显著增强了大浪坝消落带单位面积的固碳能力。

 

 4.3  碳汇及其他生态功能的协同耦合

 

 碳汇提升设计策略实施后，大浪坝消落带由原先单一的草本植物景观转变为丰茂且充满生机的林水复合景观，观赏效果显著提升。林塘系统中的“林-草-水”斑块嵌套，构成了丰富多样的景观格局与立体生态外貌。尽管该区域受到冬季深水淹没和夏季洪水与高温干旱交替的不利影响，但仍然呈现出夏季水木相依、繁茂生长的景致，以及冬季以红黄色叶片为特色的多彩风貌，成为三峡库区一道独特的自然景观（图 9）。

 

 夏季，修复后的大浪坝消落带具有物种多样且结构丰富的植物群落，为鸟类及其他野生动物提供了觅食、庇护、筑巢、育雏等功能性生境，使之种类和数量显著增加[36] （图 10）。冬季，淹没于水下且富含高蛋白质成分的桑叶成为鱼类及鸭科（Anatidae）游禽的食物，大浪坝消落带成为它们的理想越冬地；出露于水面的林泽树冠为鹭科（Ardeidae）和鸬鹚科（Phalacrocoracidae）等鸟类提供了夜栖生境[36]，而水下的鱼类则成为越冬水鸟的重要食物来源。各个季节鸟类的迁徙和活动促进了植物种子的传播，丰富了消落带的种子库，增加自生植物多样性的同时强化了碳汇功能。此外，消落带食物网结构的恢复和丰富，维持了生态系统的物质和能量流动，增强了碳汇系统的自组织与调节能力[37]。因此，大浪坝林塘系统呈现出生物多样性与碳汇功能协同耦合的关键特征。

 

林塘碳汇系统的建立不仅提升了大浪坝消落带的碳汇能力，还带来了经济收益，实现了碳汇修复与经济可持续性的双赢。例如，耐水淹的桑树通过光合作用积累碳，在减少水土流失和控制土壤碳矿化的同时产生经济价值，如销售桑葚、酿制果酒或将桑叶加工成优质家畜饲料——桑粕[38]，销售基塘内的莲、慈姑与菱角等具有食用价值的水生经济作物，增加了当地农户的收入[17]。而且这些植物通常在冬季蓄水前收割，既减少了深水淹没期间的厌氧分解和腐烂导致的碳排放，又能在来年水位下降后自然萌发和生长，保障了可持续的经济产出。

 

 

5  结论

 

实施林塘碳汇系统以修复和增强三峡库区消落带的碳汇能力，是笔者团队对该区域季节性水位变化和长时间深水淹没挑战的适应性探索。本研究表明，大浪坝林塘碳汇系统显著提升了消落带的碳汇功能，促进了生物多样性的自然恢复，提升了消落带生态系统的整体健康和稳定性，显示出适应复杂水位变化的高度韧性。在自然做功下，大浪坝的林塘碳汇系统已成为可持续固碳的生态工程样板，实现了碳汇功能提升、景观美化、生物多样性保育和社会经济效益的多功能耦合协同，为中国大型工程型水库消落带治理及碳增汇提供了创新且可复制的技术模式。

 

未来应进一步探究消落带中不同植物种类的碳汇能力及其对总碳汇贡献的影响，识别并筛选适应消落带水位波动且在单位时间内能积累更多生物量的植物种类，为构建更优碳汇功能的消落带生态系统提供科学依据。同时，还需深入研究水库消落带碳汇功能的调控机制，揭示水位变化影响下碳汇能力变化的生态过程及规律。也应通过定量科学研究，深入分析碳汇能力与环境因子以及生物多样性之间的相互作用，为优化和提升水库消落带的碳汇能力提供更加精确的科学指导。