朴世龙团队《Nature Reviews Earth & Environment》发文厘清全球干旱区变化的地表多圈层特征及其机制

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北京大学城市与环境学院朴世龙教授团队联合国内外知名专家，历时四载，从大气、土壤、径流、植被和社会经济五个维度，系统研究了全球干旱区干旱程度的演变历史和未来趋势，厘清了不同圈层干旱变化的差异及其机制。该成果以“Multifaceted characteristics of dryland aridity changes in a warming world”为题于2021年3月9日发表于Nature Reviews Earth & Environment杂志(doi: 10.1038/s43017-021-00144-0)。

来源：北京大学城市与环境学院网站（2021年3月10日）

干旱区水资源匮乏，生态环境脆弱，变暖速率高于全球平均值，是对全球气候变化最敏感的地区之一，也是各国科学家、决策者和环境保护组织重点关注的地区。学术界曾基于气象干旱指标（如降水量占蒸散发比例，P/PET）评估了全球陆地干湿变化，认为全球陆地正在快速旱化，并表现为干­旱区面积扩张和土地荒漠化。然而，遥感观测却表明，过去40年干旱区的植被生产力显著提高了。

在干旱区，气象干旱加剧和植被生长趋好为何同时发生？此问题长期困扰学术界，大大制约了对干旱区环境未来变化的准确预测。

为了解答上述科学谜题，北京大学城市与环境学院朴世龙教授团队联合国内外知名专家，历时四载，从大气、土壤、径流、植被和社会经济五个维度，系统研究了全球干旱区干旱程度的演变历史和未来趋势，厘清了不同圈层干旱变化的差异及其机制。该成果以“Multifaceted characteristics of dryland aridity changes in a warming world”为题于2021年3月9日发表于Nature Reviews Earth & Environment杂志(doi: 10.1038/s43017-021-00144-0)。

研究团队综合利用地面观测数据、遥感资料和地球系统模型，结合早期建立的基于气候态空间信息的经验模型，量化了不同干旱指标的阈值，用于界定各指标定义的“干旱区”范围及其变化。论文第一作者，北京大学城市与环境学院在读博士生连旭概括该研究主要发现：大气指标（饱和水气压亏缺，VPD）和基于气象信息的地表干旱代用指标（如P/PET）均指示全球“气候干旱区”正快速扩张；水文指标（土壤水和地表径流）也指示全球“水文干旱区”正逐渐扩张，但其扩张速度慢于“气候干旱区”；但是，生态指标（如植被生长指数和生产力）却指示全球“植被干旱区”正退缩（图1和图2）。

团队结合过程模型和理论解析法，证明了大气CO2浓度升高是干旱区植被生长趋好的关键因素。论文通讯作者朴世龙教授指出：大气CO2浓度升高导致植被叶片气孔导度降低，植物可用更少的失水换取等量的碳，从而大幅度降低了生态系统的水分需求。在干旱区，这种CO2富集的生理效应对植被水分胁迫的缓解作用大于大气水分亏缺加剧对植被生长的胁迫作用。基于该理论，团队成功解释了“大气水分亏缺加剧但植被变绿”的观测事实，解决了当代气候变化背景下植被干旱是否加剧的热点争论。

论文共同作者，科罗拉多州立大学陈安平博士补充道：“大气CO2浓度升高不仅提高植物水分利用效率，还通过增加光合作用底物提高光合作用速率。由于干旱区生态系统主要受水分限制，前者对干旱区植被生长的促进作用胜于后者”。

朴世龙教授进一步指出：“大气CO2浓度升高还通过影响其他地表要素导致各干旱指标解耦。一方面，大气CO2浓度升高减少植被蒸腾失水，缓解了变暖导致的土壤干化和径流减少；另一方面，大气CO2浓度升高通过陆-气反馈过程加剧了大气暖干化。”

研究团队还发现，随着人口激增和社会经济高速发展，人类用水需求增加将成为干旱区水资源亏缺加剧的主要驱动力。届时，干旱区植被用水需求和人类用水需求之间的矛盾将愈演愈烈，生态和社会的可持续性发展将面临严峻挑战。论文共同作者，全球干旱生态系统国际大科学计划(Global-DEP)发起人兼科学委员会主席傅伯杰院士对此指出，“未来，干旱区水资源管理政策须着力于提高水资源利用效率，在维护粮食安全和经济发展的同时，应确保不过多挤占生态系统所需的水资源”。

最后，研究团队还指出了目前干旱区相关研究的薄弱环节。例如：未来气候极端事件（如骤发干旱）和自然扰动（如火灾）加剧的背景下，干旱区生态系统对气候变化的响应可能呈非线性且变化趋势的不确定性仍很大，需要深入研究破解其奥秘并支撑科学决策。

论文的国内合作者还包括兰州大学黄建平教授、北京大学王旭辉研究员、中科院青藏高原研究所汪涛研究员，以及清华大学杨雨亭研究员。该成果获得国家自然科学基金（41991230和41988101）和第二次青藏高原综合科学考察研究专项（2019QZKK0405）等项目资助。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s43017-021-00144-0

图1：不同干旱指数的平均值变化（左列）及其指示的干旱区面积变化（右列）

图2：全球干旱区大气-水文-生态-社会经济系统未来变化的示意图

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