特大干旱事件灾害孕育机理及影响研究进展

2020-10-20马明卫韩宇平严登华张小丽

水资源保护 2020年5期

马明卫，韩宇平，严登华，张小丽

(1.华北水利水电大学水资源学院，河南郑州 450046； 2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038)

全球变化背景下干旱灾害愈演愈烈，已经成为当前社会经济发展的重要制约因素[1-2]。一方面，干旱影响地表水和地下水，可能导致水资源供给不足、水质恶化、粮食减产、生产力降低、发电量减少，还会干扰河岸栖息地并影响其他社会经济活动；另一方面，干旱还可能改变区域水文特性，通过影响径流改变水体中泥沙、有机质、营养盐等的运移与分配，从根本上影响江河湖库的水环境与水生态。除此以外，特大干旱及其次生灾害还可能在一定程度上重塑地表陆域生态环境，造成长期的、不可逆转的影响。目前，有关旱灾影响的研究仍多集中于直接影响，特别是干旱对缺水的影响[3-6]；而对干旱，尤其是特大干旱可能引发的次生灾害及其长期影响的关注不够，相关研究较为薄弱、分散，尚缺乏整体性的研究思路与框架。基于此，为有效推进特大干旱事件灾害孕育机理及其影响方面的研究，本文在回顾与展望特大干旱灾害的基础上，分别对其次生灾害孕育过程和对生态环境长期影响的相关研究进行梳理与评述，探讨当前研究中存在的主要问题与薄弱环节，并展望未来研究的可能发展方向。

1 特大干旱回顾与展望

近年来，我国局部性、区域性的干旱灾害连年发生，重特大干旱灾害也呈现频发的态势[7]。我国历史上平均每2～3年即发生一次较大影响的旱灾。20世纪的100年间我国发生严重旱灾18次，而进入21世纪以来的前20年就已发生了10次较严重的旱灾。2006—2007年，我国川渝地区发生严重干旱；2009年底至2010年6月，西南5省(区、市)发生特大干旱灾害；2011年1—5月，长江中下游地区湖北、湖南、江西、安徽、江苏5省及西南部分省份发生了特大干旱[8]。文献调研发现，目前国内特大干旱及其灾害的最新研究大多聚焦于西南地区的特大干旱(其中大部分重点探讨2009—2010年西南大旱)[9-14]，其他多见于对湖南、安徽、陕西、新疆、河南等局地历史特大干旱的场次分析[15-19]。同时，有关干旱灾害后评估方面的研究亟待加强，特别是重特大干旱灾害相关研究还很不成熟。部分学者研究了历史特大干旱的发生规律，偏重对场次旱灾的具体评价，但往往只借助于经验分析或代表性数据对比，所得结果可能缺乏客观性[20]。

近几十年，我国重特大干旱灾害频发的原因[8]有以下几点：其主要原因是全球气候变化所导致的极端气候事件增加；其重要原因是人口数量、用水需求激增和用水结构变化等导致社会经济干旱灾害脆弱性增强；其客观原因是水利基础设施建设滞后于社会经济发展导致应对极端干旱事件能力偏弱。上述因素的交织与叠加，将进一步加重未来应对特大干旱的压力。

越来越多的证据表明，气候变化加剧了与水有关的极端事件，其中就包括极端干旱的频发，这将进一步影响水资源的时空分布和可用性。在全球范围内，预计特大干旱的影响面积将显著扩张[21-22]。由于气候变化与干旱灾害对生态环境和社会经济方面的影响，许多国家将面临日益严重的水资源短缺压力。在可以预见的未来，气候变化引起的干旱及其灾害对人类社会的影响将更加广泛而深入，包括对水资源、生态环境、人类健康、粮食和农业、能源和工业等诸多方面可能造成的威胁与灾难性破坏[23]。面对与特大干旱等极端事件相关的当前影响和未来预期风险，我们必须为适应气候变化和减少灾害风险提供可持续的解决方案[24-25]。

2 特大干旱次生灾害

目前国内外文献中“次生灾害”的表述多见于地震(占比最高)、暴雨洪涝、台风等重大突发现象，而鲜见于干旱或旱灾；而在灾害系统或灾害链的相关文献中，一般表述为“干旱灾害链”，考虑其中干旱或旱灾作为原生灾害的情形，但“干旱灾害链”相关文献的数量也不是很多。

2.1 干旱灾害链

通常情况下，一种灾害的发生往往触发或伴随另一种或多种灾害的发生。触发或伴发的灾害称为次生灾害，引起次生灾害触发或伴发的灾害被认为是初始灾害。同一地区或相邻地区的各种灾害，在一定条件下常常具有因果关系，构成自然灾害的链式结构(灾害链)[26-27]。国内有关“干旱灾害链”的专门表述最早可能见于2002年[28]，据记载，2001年我国北方地区发生了严重的春夏连旱，不仅给工农业生产造成严重经济损失，而且还诱发了许多与干旱有关的灾害，形成一个“灾害链”，包括：虫灾(蝗灾)、火灾、风沙灾害、地面塌陷、危及野生动物等。此后，有少数学者对我国部分地区的干旱灾害链相关问题进行专门研究和探讨[29-32]。

孤立的单一灾害客观上是不存在的，客观存在的是灾害系统，次生灾害是灾害系统的重要组成部分。而次生灾害具有多样性、扩散性、潜伏性、循环性、交叉性、破坏性等特性[26]。最新数据显示，次生灾害将在全球范围内引发更多自然灾害损失；同时，次生灾害带来的风险往往被低估，因为其影响仍容易被原生灾害事件造成的损失所掩盖；然而已经有证据表明次生灾害带来的潜在损失在不断增加，且这一特征越发明显[33]。以下围绕常见的干旱灾害链及次生灾害(图1)，对国内外相关方面的研究现状展开综述。

2.2 高温热浪

干旱是一种较长时间尺度的气候灾害，而高温热浪是一种较短时间尺度的天气灾害；二者既有差异与区别，但又有紧密的内在联系。持续干旱通常是高温热浪发生的背景，而频繁的高温天气又会加快地表水分流失的速度，进一步加重干旱程度。干旱和高温热浪大都伴随降水量的显著偏少。在我国大部分地区，尤其夏季月平均气温与降水量呈负相关关系，温度高往往就意味着降水少。高温天气日数增多，促使平均气温上升，导致地表蒸发量增加，夏季高温酷暑天气伴随着干旱的情形很可能发生，或使干旱持续维持[34-35]。地表变干和降水量减少与气温升高相关，地表变湿和降水量增多与气温降低有关[36]。同时，土壤湿度与降水量呈正相关，与平均气温呈负相关，尤其夏季的气温与土壤湿度呈显著负相关[37]；随着气温升高，尤其夏季气温升高，促使上层土壤干旱化，深层土壤水分散失速度加快，土壤干旱程度加重[38]。因此，气温对于分析和评估干旱程度而言举足轻重[39]。如，我国北方夏季干旱范围及严重程度基本上与暖季极端气温变化相一致，若极端最高气温偏高、高温热浪频繁发生，则干旱趋势逐步加重，干旱影响范围也逐步扩大[40]。

图1 干旱灾害链的互联关系Fig.1 The interconnections in drought disaster chains

特别地，近年来有关高温热浪型骤发干旱的报道也需要引起重视，其主要是由高温热浪所驱动，高温热浪导致蒸散发迅速增加，进而造成土壤含水量迅速下降。骤发干旱是一种在植物生长季内发生迅速，持续1周到几周(一般维持时间在1个月以内)，并以高温和土壤含水量短缺为主要特征的干旱事件，“短历时-高强度”导致其影响迅速、破坏性极大，且可能演变为长期持续性干旱[41-42]。

2.3 森林火灾

高温-干旱-火灾是最常见的干旱灾害链之一。高温干旱极易引发森林、草原火灾和山火等。大多数森林火灾都发生在干旱高温季节，且一旦发生后难以控制和扑灭[43]。如，2019年发生的澳大利亚山火和亚马孙森林火灾，除人为因素外，起火点多系干燥天气、强风及高温引起。

大量研究表明，世界各地的森林火灾与干旱气候因子有关。徐明超等[44]认为干旱气候条件与森林火灾的发生有密切的关系，气温、日照、蒸发量、风力、空气湿度等影响着森林火灾的发生与发展；一般情况下，气温高、降水少、湿度小、风力大易发生森林火灾。张磊等[45]发现气候越干旱林区火灾发生的可能性越大，长期连续干旱可能导致森林大火的发生。兰明才等[46]认为干旱情况下森林等植被含水率下降，当下降到一定程度时，森林火灾容易发生；最长干旱持续日数和森林火灾发生次数、受灾面积的相关性较高；森林火灾多发生在干旱条件下的连晴时段内。Siegert等[47]发现厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)引起的特大干旱可能导致森林易燃性和火灾发生风险增加。Brown等[48]揭示了草原火灾周期与草原干旱之间具有密切联系。Reinhard等[49]发现气候变化导致大部分气候变量呈现有利于干旱和森林火灾的趋势，如无降水持续日数、日照时间和温度的增加以及相对湿度的降低等。Dimitrakopoulos等[50]也认为气候变化导致干旱事件增加，将对山火的发生产生重要影响。Littell等[51]发现森林火灾的发生及面积都明显随干旱而增加，且短期和长期干旱都很重要，会在多个方面影响火情的时空特征(火灾强度、严重性、空间范围和频率等)。Sutanto等[52]通过分析高温热浪、干旱、火灾等多种灾害遭遇和相继发生的时空特征，认为高温干旱将极大增加火灾发生可能性和危险性。

2.4 风沙灾害

季节性的高温、干旱、少雨很容易导致区域性大风或强风天气盛行。我国东北、内蒙古和西南主要林区，春旱引发大风，进一步加剧干旱的情况较为常见[53]。其他地区也多有干旱气象引发短时大风(强风)的报道，如新疆在每年三月(南疆)、四月(北疆)至十月期间的大气干旱常引发大范围旱风。干旱还会引发旱风型干热风，其特点是风速大。在遭遇高温低湿情况下，大风还会加剧大气干燥程度，加速作物蒸散发，使叶卷缩呈绳状，严重时可致叶片撕裂破碎。此种情形常见于我国新疆地区和西北黄土高原的多风地带，尤其在干旱年份频繁出现。有研究[54]表明，我国北方气候总体呈现长期暖干化的趋势，可能导致干旱和干热风发生区域扩大、次数增多、强度增强、危害加重。

持续干旱还可能诱发沙尘天气，甚至沙尘暴。沙尘天气的出现受风力作用和地表状况的综合影响。一方面，风是沙尘的重要驱动力，决定着沙尘天气的强度；另一方面，地表是沙尘的主要来源，植被覆盖、土壤湿度等状况制约着沙尘天气的规模和范围。长期干旱很可能造成植被减少和土壤退化(如荒漠化、沙化)，恶化地表总体环境状况。因而，在遭遇强风时极易形成浮尘、扬沙、沙尘暴等不同程度的沙尘灾害。如，我国新疆地区的沙尘天气主要发生在易旱的春季，其干旱灾害与沙尘天气之间存在明显的正相关关系[55]。预计随着干旱程度增加、极端天气事件增多，风蚀和随之而来的粉尘也会相应增加[56]。在未来干旱条件下，通常伴随人为扰动并依赖足够水分的传统生态修复方法，可能带来更大的地表侵蚀风险，这一点需要特别加以重视。

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2.5 病虫灾害

蝗虫灾害是一类常见且对地表植被(特别是农作物)具有极大破坏性的病虫灾害，其发生与蔓延过程大都与连续干旱少雨有关。1942—1943年发生在河南地区的旱、风、蝗灾害，其灾情之重、范围之广为近代所罕见[57-58]。1942年，该地区夏季降水量仅为常年降水的1/10～1/3，远不能满足作物生长需水；夏季雨水奇缺、秋季干旱持续是大旱发生的关键所在。同时，麦收季节干热风的肆虐导致小麦大幅减产，仅收获二成左右。1943年，多数县水旱交叠，夏季小麦灾重者仅收二三成，轻者五六成；麦后正值秋季作物生长季，河南全境爆发蝗灾，蝗虫肆虐，秋粮灾重者绝收，灾轻者仅能收一二成。据《河南大事记稿》载“河南本年饿死300万人，流亡他省300万人，濒于死亡边缘等待救济者1 500万人”。回顾此次触目惊心的特大旱灾，因旱而生蝗灾的灾难性后果可见一斑。姜逢清等[55]的研究也表明我国蝗灾的暴发与旱灾的发生具有一定的时空同步性，表现出明显的灾害链效应，如新疆地区农田干旱受灾面积与蝗灾受灾面积之间存在显著线性相关关系。2019年大规模暴发的东非沙漠蝗灾，也与热带暴雨、洪涝、干旱等异常天气与气候条件不无关系[59]。

除了蝗灾，其他虫害也是暖干条件下容易发生的干旱衍生自然灾害[60]。受近几十年全球气候变暖的影响，我国大部分地区暖冬现象明显多发，有利于病虫菌卵越冬。入春后，由于南方暖湿、阴雨寡照及北方暖干等气象条件，适宜某些病虫害的发生与蔓延，而且发生早、范围广[61]。黄淮海地区及四川、湖北、上海、陕西、甘肃等地各类农作物有红蜘蛛、赤霉病、白粉病、条锈病、蚜虫、吸浆虫、纹枯病等病虫发生与蔓延。特别是春夏长期干旱，容易继发麦虫、棉虫等病虫害，在作物生长季造成严重威胁[62]；松毛虫等林区病虫害，也会引起树木病害甚至死亡[63]。

2.6 疫病和饥荒

持续干旱可能导致水源枯竭，造成供水严重不足(人畜饮用水困难、农业灌溉和工业生产缺水等)。特别是长期严重干旱导致饮用水源水质恶化、卫生条件差，很容易诱发各类疾病[64]。干旱期间水资源供应不足，水源的补给量和水位降低，水的稀释能力减弱；持续的干旱使不符合饮用水标准的二次供水和自备水源比例增加，且水中游离余氯、细菌总数和大肠菌群超标率较高。因而，干旱期间的水源更容易受到粪尿和病原体污染，引起消化道疾病的暴发流行[65]。同时，干旱缺水直接导致农作物大面积枯萎、减产甚至绝收，进而引发粮食危机和饥荒。2002—2003年南部非洲的粮食危机和1998年苏丹南部的灾难性饥荒，大量人口和牲畜因缺水、缺粮而死，进一步导致疫病的流行和死亡率的上升。此外，干旱和气候变化也是导致贫困发生的重要原因之一，特别是落后的农村和山区，用水和粮食不安全问题仍较为突出[66]。

3 特大干旱对生态环境的长期影响

20世纪下半叶以来，全球处于快速升温增暖状态；不过在1998—2012年出现过暂时的增温停滞现象，近几年全球快速变暖趋势已基本恢复到原来的水平[67]。在此种背景下，全球气候和地表环境的长期暖干化趋势似乎越来越明显。全球干旱化的加剧，特别是超大范围(地区、大陆尺度)极端干旱事件的频繁发生，将在不同程度上对地表生态环境(能量圈、水圈、大气圈、土壤圈、生物圈、人类圈等)产生广泛而深远的影响(图2)。

图2 干旱对地表圈层的长期影响Fig.2 The long-term effects of drought disasterson the surface circumstance

3.1 全球变化与干旱

一般认为，太阳辐射变化(如太阳黑子活动)对地球天气气候具有重大影响[68]。但全球变化和干旱气候对地表能量交换与平衡可能产生何种程度的反馈作用，即对地表辐射和能量平衡的影响，值得深入研究与探讨。大量事实表明，地球表面已经并且正在发生巨大的变化，这种变化对整个地球能量平衡造成了不容忽视的影响。人类活动以外，气候变化本身会引起地表反照率的改变，而全球干旱加剧(特别是北半球中高纬度干湿过渡区)则通过影响土地覆被间接改变地表反照率和比辐射率等，这些都是导致地表能量不平衡的重要原因[69]。植被的存在对地表能量收支具有显著影响，如增加地表吸收的短波辐射和地表蒸发潜热，减少地表释放的长波辐射等。土壤湿度可以通过蒸散发作用，调节感热和潜热通量的占比，进而影响地表能量平衡及再分配。在极端干旱条件下，土壤湿度下降会大大抑制潜热通量，导致感热通量急剧增加[70]。有研究发现，我国西北干旱气候环境的进一步发展，将对全球的能量平衡过程及其空间分布状态产生影响[71]。过去几十年，我国黄土高原地区气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更为突出[72]。地表土壤热通量和土壤干湿变化会对地表辐射过程和能量平衡各分量产生重要影响，土壤湿度较小时(干旱条件下)，地表净辐射和潜热通量较低，而感热通量较大，土壤热通量差异明显[73]。综合看来，干旱化加剧导致的地表能量分布改变可能会在一定程度上影响未来全球变化(天气气候、陆气相互作用、地表环境等)的进程。

3.2 水资源与水生态

气候和地表环境的长期暖干化趋势将加速全球水循环，加剧极端水文事件发生，导致全球不同尺度水资源的重新分配。大气增温必然会引起大气物理过程和大气环流的改变或调整，从而造成降水量及其时空格局的变化；气候暖干和降水变化也会引起土壤温度和湿度等土壤特性的改变[72]。如，在全球变暖和干旱加剧的背景下，我国西北干旱地区的水资源系统将变得更加脆弱，其水文水资源可能面临的变化[74]包括：①降水、径流“突变型”增加；②冰川积雪融水径流量增加；③径流丰、枯变化加剧。气候变化与极端干旱将增加水文波动和水资源的不确定性，降水和气温较小的变化都可能引起径流较大幅度的改变，对区域生态水文过程产生重大影响。

频繁发生的干旱和极端干旱会对水生态系统产生显著影响[75]。作为重要驱动力，干旱造成的水分亏缺，可能从根本上改变水文循环条件和水文-生态过程，其主要表现有：水量减少、流速降低、水域面积减少、污染物迁移与转化规律改变、水体各尺度连通性降低、生物量减少和物种多样性降低等。干旱对水生态系统的影响程度取决于干旱发生时间和季节、干旱持续时间、干旱期间最枯径流量、干旱覆盖的空间范围以及区域本底或前期水文气候状况等[76]。在极端干旱条件下，由于水生态系统中物质和能量匮乏、栖息地面积萎缩、水环境恶化、捕食竞争性加剧等原因，将导致水生生物空间分布特征改变、多样性降低、繁殖能力下降、种群规模减小等严重后果[77]。

3.3 碳循环与养分

陆地生态系统是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支中占主导地位[70,78]。有数据显示，过去十多年间陆地生物圈吸收了约30%的化石燃料碳排放，使其成为全球碳库的关键组成部分，一定程度上缓解了化石燃料CO2排放及其造成的全球变暖[79]。陆地总初级生产力(gross primary production, GPP)是全球植被生长和粮食生产的基础，影响着生态系统碳平衡，在调节大气CO2中发挥着重要作用。尽管未来几十年大气中较高的CO2浓度可能通过施肥效应促进GPP，但由于养分限制和干旱频率、强度增加等因素的影响，GPP的未来趋势仍然不确定[80]。干旱可以通过直接方式(如水分限制和热胁迫)和间接方式(如造成火灾和昆虫爆发)影响GPP。一些模型研究表明，21世纪期间全球许多地区干旱发生的风险在增加，极端干旱对GPP的影响比轻度和中度干旱的影响更大。在中高排放情景下，到21世纪末极端干旱造成GPP的减少幅度预计将比2000年多3倍。随着大气变暖和干旱加剧，全球碳循环面临受极端干旱影响的高风险，具体量化未来全球范围内干旱对GPP影响的研究也存在高度不确定性[81]。另有研究表明，干旱气候环境进一步发展的情景下，全球平均陆地植被通过生理过程产生的CO2净通量将有所减少，而干旱气候环境改善的情景下，上述植被生理过程CO2净通量将有所增加[71]。同时，气温升高也会显著增加土壤的碳排放，降低土壤净CO2吸收。因此，伴随全球长期暖干化趋势，地表储存的有机碳可能不断减少，向大气中释放出更多CO2；但受高温干旱影响，地表总固碳能力和初级生产力可能逐渐下降[70]。

3.4 陆地生态系统

3.5 社会经济系统

干旱对人类社会的影响是非结构性的和分散的，其影响的范围比洪水、风暴和地震等其他自然灾害所造成损失的范围更大。粮食安全、城乡居住、能源生产、工业发展、经济增长和人类健康等方面都对水高度依赖，很容易受到气候变化和干旱的影响。特大干旱灾害可能导致难民流离失所，引发社会动荡和不安全因素。历史上特大干旱灾害所导致的人类社会崩塌和文明衰退(甚至消亡)，也警醒着未来可能引发的政治、经济和文化等方面的混乱[88]。

随着水及其他有限自然资源供给压力的增大，特大干旱导致的工农业生产、社会经济发展和生活用水等方面的损失可能倍增。过去的干旱相关研究(农业上的、水文学上的和社会经济上的)把重点放在了干旱的社会性影响方面，并更关注干旱作为自然现象与人类活动之际的相互作用和相互关系，即降水是否能为社会和环境提供足够的水资源[89-91]。然而，随着研究的深入，人们逐渐认识到宏观干旱事件的微观影响似乎并不直接取决于降水量，而受制于社会经济系统内部对水的多重调蓄和对干旱的抵御能力。换言之，研究中对于干旱自然属性(降水缺乏)的强调程度逐渐降低，而对于其影响复杂性和导致冲突的强调程度逐渐增加[92-93]。尤其对于特大干旱可能导致的社会系统性灾害压力，必须从根源(资源获取、管理体制)、宏观压力(人口增长、经济发展、生态环境等)和保障(资金投入、基础设施、教育培训等)等宏观与微观层面予以全盘考虑[94-95]。

干旱对人类健康的影响通常是间接的[96-97]。如，粮食短缺可能导致人体能量供应不足、营养不良，如某些维生素和微量元素缺乏。干旱通过影响居民生活用水质量，间接影响腹泻发病率。呼吸道相关疾病的严重程度、发病率等也与干旱程度有关，干旱所营造的有利生存条件可能导致蚊媒传染病的爆发。干旱还会在一定程度上加剧环境、气候、经济、社会压力，影响人类心理健康。