考虑生态系统用水需求是准确监测和评估生态干旱的关键 |《自然-水》论文

原文发表于2024年3月《自然-水》

Integrating ecosystem water demands into drought monitoring and assessment under climate change

考虑生态系统用水需求是准确监测和评估生态干旱的关键

生态干旱即干旱在生态系统层面的呈现。生态干旱研究常考虑水分供给不足的生态影响，却忽视了不同植被类型间以及时空尺度上生态系统用水需求的差异，给生态干旱研究带来诸多困扰。本评论系统梳理了目前生态干旱研究存在的问题和挑战，倡议建立同时考虑生态系统水分供给和用水需求的生态干旱监测和评估框架，并提出了走向这一愿景的关键路径。

干旱深刻影响陆地生态系统和人类生产生活。然而，生态干旱研究常仅关注水文气象异常对生态系统水分供给（supply）不足的影响，却忽略了不同生态系统用水需求（demand）的差异及其动态变化。值得注意的是，气象干旱和生态系统的响应有时并不是一一对应的，甚至可能在时间和空间上脱钩。因此，不仅水分供给，生态系统用水需求也应纳入生态干旱的监测和评估框架，以提高对生态干旱影响的准确评估。

生态干旱监测和评估的挑战

近年来，干旱对生态系统的影响越来越受关注，相关论文增长迅速（图1）。然而，生态干旱研究面临的首要挑战是生态干旱定义不明。有学者认为生态系统脆弱性超过一定阈值谓之生态干旱，亦有学者认为生态干旱应是一个综合框架，包括生态系统对干旱响应的各个维度。对于“阈值”和“多维框架”的可操作性定义和评估规则，学术界并无共识。

生态干旱研究的另一个挑战是生态干旱量化指标匮乏。帕默尔干旱指数(PDSI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)等气象水文干旱指标常被用于识别生态干旱。然而，气象水文干旱指标仅考虑了生态系统水分供给，并未考虑生态系统用水需求及其时空变化。例如，IPCC第六次评估报告采用土壤水和饱和水气压差(VPD)评估生态干旱。土壤水和VPD虽能分别指示植被水分供给和大气水分需求，却不能反映植被的用水需求，并不能表征植被真正“感受到”的干旱程度。因此，仅利用土壤水和气象指标评估生态干旱会导致较大偏差。

图1. 生态干旱研究的现状和趋势。

a 过去20多年（2000-2023）有关“生态干旱”关键词的文献年发表量。b 生态干旱关键词共现网络图。圆圈的大小表示关键词共现的次数，颜色表示聚类。c 前20个增长最快的引用关键词。蓝色柱状图表示2000年至2023年。柱状图的红色部分表示关键词引用迅速增长的开始、结束和持续时间。

生态干旱的监测和评估框架应考虑生态系统用水需求

生态干旱的监测与评估应该纳入考虑生态系统用水需求的多样性，包括不同生态系统类型的差异，生态系统抵抗力和恢复力的变化等（图2）。例如，植被对干旱的敏感性可能随时间发生变化。树轮数据表明，1950年以来，针叶树对干旱的抵抗力增强，而恢复力下降。不仅如此，季节不同，植被用水需求也不同。另外，生态干旱的驱动机制因区域而异。例如，在干旱地区，土壤水降低是导致生态干旱的主因；而在湿润地区，植被生长对VPD升高更为敏感。因此，深入理解不同时间和空间尺度植被对干旱的响应，对于生态干旱的监测和评估至关重要。

图2. 生态干旱的多维度特征。

这些维度包括生态系统的群落及其结构组成层次、干旱阶段和特征，以及不同生态系统服务功能。每个维度还包括不同的尺度、阶段和过程等。

因生态干旱的多维特性，采用单一指标监测和评估生态干旱面临较大困难。然而，生态功能常内在关联，可采用少量对水分胁迫敏感的生态系统结构与功能指标来表征生态干旱。例如，在干旱半干旱区，植被绿度对水分胁迫非常敏感，可指示植被水分供需平衡状态。值得指出的是，遥感等技术手段可实时监测生态系统多维度动态变化，为研究人员和决策者及时获取大范围的生态干旱信息提供了极大便利。

建立完备的生态干旱监测和评估体系仍有很长的路要走，尤其是目前监测生态系统用水需求的能力不足且不确定性较大。提升监测生态系统水分胁迫的能力，并致力于开发能够捕捉不同生态功能水分需求的监测工具，对在气候变化背景下实现高效准确的生态干旱监测和评估至关重要。

作者简介

崔江鹏    中国科学院青藏高原研究所副研究员

陈安平    美国科罗拉多州立大学研究员

Chris Huntingford    英国生态与水文研究中心研究员

朴世龙    中国科学院院士、北京大学城市与环境学院教授