土壤水分是陸地水循環的關鍵組分, 既影響地表蒸散發與能量分配, 也調控徑流過程、地下水補給以及生態系統水分可利用性 [1] . 作為植被生長的直接水源, 土壤水分維系著生態系統的結構與功能. 從作物形成產量到植被維持碳匯功能, 都離不開土壤的持續供水. 由于植物根系深度存在明顯差異, 不同植被群落取水的“水源層”并不相同. 淺根草本植物對表層土壤水分波動更敏感, 而森林、灌叢與稀樹草原等深根植被則往往依賴深層土壤儲水. 受氣候、地形、土壤性質等因素的影響, 土壤水分變化在區域尺度上呈現明顯的垂向異質性, 即不同深度土壤水分的長期趨勢與變化幅度往往并不一致 [2] .

過去數十年, 人為強迫(主要為溫室氣體排放等人類活動)通過增強大氣蒸散需求、改變降水格局等途徑, 造成全球整層土壤水分持續流失, 從而加劇土壤水分干旱 [ 3 , 4 ] . 已有研究多從單層視角出發, 聚焦表層或根區土壤水分, 將土壤水分干旱頻率、歷時和強度等變化歸因于人為影響 [ 5 , 6 ] . 這類研究通常基于格點或站點尺度, 從單一土層的土壤水分時間序列中識別干旱事件, 卻忽略一個關鍵事實: 干旱并非只是發生在某一土層的孤立現象, 而是在水平方向與垂直方向共同演變的三維結構. 單層研究范式在刻畫干旱演變時往往會丟失土壤水分干旱的水平-垂直結構信息, 難以捕捉干旱在土壤剖面中發生、發展與消退的動態過程. 另一方面, 人為強迫會影響從表層到深層土壤的水分可用性. 這種人為影響會導致不同深度土壤水分出現不同步, 甚至相反的演變過程 [7] . 對于土壤水分干旱在四維(經度×緯度×深度×時間)時空域中的全生命周期過程, 以及其對人為強迫的響應, 目前還缺乏認識.

深層土壤是根深植被的“蓄水庫”, 其長期且大范圍的水分虧缺不僅會干擾水文與生物地球化學過程(如抑制碳匯), 還會威脅農業生產安全 [8] . 已有研究表明, 在區域尺度上觀測到的“整層”土壤變干, 很可能是多種垂向狀態(如表層濕潤和深層干燥)疊加后的凈結果 [7] . 若僅以整層平均或表層土壤水分表征干旱, 深層土壤水分虧缺風險可能被表層濕潤所掩蓋, 從而在農業干旱監測與生態系統損失評估中產生系統性偏差. 當前大尺度農業干旱監測主要依賴表層土壤水分信息, 不僅難以識別被表層條件掩蓋的深層土壤水分虧缺, 也難以刻畫土壤水分干旱水平-垂直結構的演變過程, 限制了干旱風險評估的準確性與氣候適應策略制定的合理性.

為系統探究土壤水分干旱的水平-垂直結構及其時空演變規律, 本課題組提出了基于拉格朗日視角的四維(經度×緯度×深度×時間)追蹤方法 [9] , 對暖季土壤水分干旱事件的發生、發展、消退全過程進行精準追蹤( 圖1(a) ). 綜合使用三套高時空分辨率的多層土壤水分再分析資料(ERA5-Land、CRA-Land、GLDAS-Noah)以及最新一代國際耦合模式比較計劃(CMIP6)的13個地球系統模式模擬集合, 結合相關性檢驗與正則化最優指紋法兩種檢測歸因方法, 定量評估人為強迫對不同水平-垂直結構的土壤水分干旱歷時與強度長期變化的影響, 并預估其在未來不同排放情景下的演變規律 [9] . 本課題組識別出一種如“冰山”般隱藏在深處、具有“重底型”水平-垂直結構的土壤水分干旱——深層土壤干旱. 相較表層 (0~28?cm) 土壤干旱, 這類干旱在深層土壤 (28~100?cm) 呈現出空間范圍更廣、持續時間更久的水分虧缺特征. 受衛星遙感觀測深度限制, 深層土壤干旱往往難以被充分捕獲, 具有天然“隱蔽性”. 深層土壤干旱并非偶發事件, 1981~2020年期間全球共發生1655±263次, 約占全部土壤水分干旱事件的四分之一, 主要分布于南美洲、非洲及南亞. 相較于“重頂型”結構的表層土壤干旱——即表層水分虧缺更久、空間范圍更廣的類型, 深層土壤干旱的歷時與強度平均高出約100%, 意味著一旦深層土壤干旱發生, 其對生態系統與農業生產的影響更可能呈現累積性與難恢復性.

圖 1 深層土壤干旱識別、演變與歸因分析. (a) 基于四維追蹤框架識別出的深層土壤干旱示例. (b) 深層土壤干旱年平均歷時距平的長期變化. 黑線為三套再分析資料的集合平均; 橙線為13個CMIP6全強迫試驗多模式平均(2015~2020年采用SSP2-4.5情景); 深紅線和淺紅線分別為CMIP6 SSP2-4.5情景和SSP5~8.5情景的多模式平均; 陰影表示±1個標準差. (c) 1981~2020年深層土壤干旱年平均歷時趨勢的概率分布. 紅線為CMIP6全強迫試驗多模式平均; 粉線為三套再分析資料集合平均; 條形圖為CMIP6工業化前控制試驗中2000個40年片段的趨勢概率分布. (d) 1981~2020年深層土壤干旱歷時增加的歸因結果. 紅線為再分析集合平均與CMIP6全強迫多模式平均的深層土壤干旱年平均歷時的斯皮爾曼相關系數; 條形圖為CMIP6工業化前控制試驗中2000個40年片段的深層土壤干旱年平均歷時與CMIP6全強迫多模式平均的斯皮爾曼相關系數的概率分布. 插圖給出正則化最優指紋檢驗中尺度因子的5%~95%置信區間. 修改自文獻 [9]

再分析資料顯示, 1981~2020年深層土壤干旱特征呈顯著上升趨勢(歷時: 4.0?d 10a–1; 強度: 9.3× 10–4?m3?m–3 10a–1; 圖1(b) ). 對比CMIP6工業化前控制試驗中2000個40年片段所識別的深層土壤干旱歷時與強度趨勢分布, 再分析資料得到的趨勢超出其2.5~97.5百分位范圍, 表明深層土壤干旱的增強難以僅由氣候系統內部變率解釋( 圖1(c) ). 當引入人為強迫后, CMIP6全強迫試驗能夠很好地再現深層土壤干旱歷時與強度的上升趨勢. 基于相關性檢測, 再分析資料所識別的深層土壤干旱歷時與強度的年際變化與CMIP6全強迫模擬的對應變化呈顯著正相關, 且這種相關性在95%概率上高于以工業化前控制試驗為代表的內部變率, 表明人為強迫的關鍵作用( 圖1(d) ). 進一步采用聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報告常用的正則化最優指紋法進行驗證: 將再分析資料的干旱特征與CMIP6全強迫模擬回歸得到尺度因子. 結果表明, 尺度因子的5%~95%不確定性范圍大于零, 說明全強迫信號可在深層土壤干旱歷時與強度增加中被檢測到 ( 圖1(d) ). 兩種檢測歸因方法一致表明: 人為強迫促進深層土壤干旱歷時和強度增加的證據至少達到90%置信水平, 使“人為強迫加劇了隱藏在地表之下的土壤干旱”從經驗判斷提升為可檢驗、可量化、可歸因的科學事實.

基于地球系統模式的未來預估可為干旱風險評估與氣候適應策略制定提供重要支撐. 不同碳排放情景的預估一致表明, 全球深層土壤干旱總體將趨于更持久、更強烈( 圖1(b) ). SSP2-4.5是氣候變化研究領域常用的排放情景, 其社會經濟發展大體延續歷史趨勢. 在SSP2-4.5情景下, 2021~2100年深層土壤干旱特征呈現顯著上升趨勢(歷時: 2.4?d 10a–1; 強度: 6.5× 10–4?m3?m–3 10a–1). 到21世紀末期(2061~2100年), 相較歷史時期(1981~2020年), 全球深層土壤干旱歷時與強度分別增加1.5和4.8倍, 且增強幅度隨土壤深度加深與排放等級升高而加劇. 空間上, 亞馬遜、非洲雨林以及北半球中高緯等根深植被區將面臨更高的深層缺水脅迫, 暗示未來生態系統穩定性與陸地碳匯功能可能出現結構性變化.

本課題組首次從四維時空連續演化的視角揭示了土壤水分干旱的水平-垂直結構類型及其對人為強迫的響應, 凸顯了改進現有干旱監測體系的必要性, 尤其是提升對土壤水分虧缺在垂向剖面中演變過程的捕捉能力. 當前大尺度農業干旱監測主要依賴衛星遙感, 但衛星對土壤水分變化的探測主要局限于表層土壤, 例如歐洲航天局氣候變化倡議(ESA-CCI)產品的有效穿透深度僅為 0~5?cm [10] . 僅依賴單層土壤水分動態, 往往難以識別地表重新濕潤后深層土壤水分虧缺仍持續的情形. 從整個土壤剖面來看, 表層濕潤和深層干燥可能在綜合指標中相互抵消, 削弱整層土壤的“干旱信號”, 導致對干旱歷時、強度及其生態影響的系統性低估. 人為強迫進一步延長并加劇深層土壤干旱, 使這種垂向脫節帶來的監測偏差在變暖背景下更加突出. 因此, 亟需在現有表層土壤水分衛星監測基礎上, 引入如基于環境地震噪聲反演等面向深層土壤水分的大范圍監測新技術 [11] , 從而使干旱監測能夠有效識別隱藏在地表之下的深層土壤干旱, 為氣候變暖情景下制定更有效的干旱緩解與適應策略提供支撐. 相關研究結果發表在 Nature Climate Change [9] .

參考文獻

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