特大干旱事件災害孕育機理及影響研究進展

馬明衛，韓宇平，嚴登華，張小麗

(1.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046； 2.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038)

全球變化背景下干旱災害愈演愈烈，已經成為當前社會經濟發展的重要制約因素[1-2]。一方面，干旱影響地表水和地下水，可能導致水資源供給不足、水質惡化、糧食減產、生產力降低、發電量減少，還會干擾河岸棲息地并影響其他社會經濟活動；另一方面，干旱還可能改變區域水文特性，通過影響徑流改變水體中泥沙、有機質、營養鹽等的運移與分配，從根本上影響江河湖庫的水環境與水生態。除此以外，特大干旱及其次生災害還可能在一定程度上重塑地表陸域生態環境，造成長期的、不可逆轉的影響。目前，有關旱災影響的研究仍多集中于直接影響，特別是干旱對缺水的影響[3-6]；而對干旱，尤其是特大干旱可能引發的次生災害及其長期影響的關注不夠，相關研究較為薄弱、分散，尚缺乏整體性的研究思路與框架。基于此，為有效推進特大干旱事件災害孕育機理及其影響方面的研究，本文在回顧與展望特大干旱災害的基礎上，分別對其次生災害孕育過程和對生態環境長期影響的相關研究進行梳理與評述，探討當前研究中存在的主要問題與薄弱環節，并展望未來研究的可能發展方向。

1 特大干旱回顧與展望

近年來，我國局部性、區域性的干旱災害連年發生，重特大干旱災害也呈現頻發的態勢[7]。我國歷史上平均每2～3年即發生一次較大影響的旱災。20世紀的100年間我國發生嚴重旱災18次，而進入21世紀以來的前20年就已發生了10次較嚴重的旱災。2006—2007年，我國川渝地區發生嚴重干旱；2009年底至2010年6月，西南5省(區、市)發生特大干旱災害；2011年1—5月，長江中下游地區湖北、湖南、江西、安徽、江蘇5省及西南部分省份發生了特大干旱[8]。文獻調研發現，目前國內特大干旱及其災害的最新研究大多聚焦于西南地區的特大干旱(其中大部分重點探討2009—2010年西南大旱)[9-14]，其他多見于對湖南、安徽、陜西、新疆、河南等局地歷史特大干旱的場次分析[15-19]。同時，有關干旱災害后評估方面的研究亟待加強，特別是重特大干旱災害相關研究還很不成熟。部分學者研究了歷史特大干旱的發生規律，偏重對場次旱災的具體評價，但往往只借助于經驗分析或代表性數據對比，所得結果可能缺乏客觀性[20]。

近幾十年，我國重特大干旱災害頻發的原因[8]有以下幾點：其主要原因是全球氣候變化所導致的極端氣候事件增加；其重要原因是人口數量、用水需求激增和用水結構變化等導致社會經濟干旱災害脆弱性增強；其客觀原因是水利基礎設施建設滯后于社會經濟發展導致應對極端干旱事件能力偏弱。上述因素的交織與疊加，將進一步加重未來應對特大干旱的壓力。

越來越多的證據表明，氣候變化加劇了與水有關的極端事件，其中就包括極端干旱的頻發，這將進一步影響水資源的時空分布和可用性。在全球范圍內，預計特大干旱的影響面積將顯著擴張[21-22]。由于氣候變化與干旱災害對生態環境和社會經濟方面的影響，許多國家將面臨日益嚴重的水資源短缺壓力。在可以預見的未來，氣候變化引起的干旱及其災害對人類社會的影響將更加廣泛而深入，包括對水資源、生態環境、人類健康、糧食和農業、能源和工業等諸多方面可能造成的威脅與災難性破壞[23]。面對與特大干旱等極端事件相關的當前影響和未來預期風險，我們必須為適應氣候變化和減少災害風險提供可持續的解決方案[24-25]。

2 特大干旱次生災害

目前國內外文獻中“次生災害”的表述多見于地震(占比最高)、暴雨洪澇、臺風等重大突發現象，而鮮見于干旱或旱災；而在災害系統或災害鏈的相關文獻中，一般表述為“干旱災害鏈”，考慮其中干旱或旱災作為原生災害的情形，但“干旱災害鏈”相關文獻的數量也不是很多。

2.1 干旱災害鏈

通常情況下，一種災害的發生往往觸發或伴隨另一種或多種災害的發生。觸發或伴發的災害稱為次生災害，引起次生災害觸發或伴發的災害被認為是初始災害。同一地區或相鄰地區的各種災害，在一定條件下常常具有因果關系，構成自然災害的鏈式結構(災害鏈)[26-27]。國內有關“干旱災害鏈”的專門表述最早可能見于2002年[28]，據記載，2001年我國北方地區發生了嚴重的春夏連旱，不僅給工農業生產造成嚴重經濟損失，而且還誘發了許多與干旱有關的災害，形成一個“災害鏈”，包括：蟲災(蝗災)、火災、風沙災害、地面塌陷、危及野生動物等。此后，有少數學者對我國部分地區的干旱災害鏈相關問題進行專門研究和探討[29-32]。

孤立的單一災害客觀上是不存在的，客觀存在的是災害系統，次生災害是災害系統的重要組成部分。而次生災害具有多樣性、擴散性、潛伏性、循環性、交叉性、破壞性等特性[26]。最新數據顯示，次生災害將在全球范圍內引發更多自然災害損失；同時，次生災害帶來的風險往往被低估，因為其影響仍容易被原生災害事件造成的損失所掩蓋；然而已經有證據表明次生災害帶來的潛在損失在不斷增加，且這一特征越發明顯[33]。以下圍繞常見的干旱災害鏈及次生災害(圖1)，對國內外相關方面的研究現狀展開綜述。

2.2 高溫熱浪

干旱是一種較長時間尺度的氣候災害，而高溫熱浪是一種較短時間尺度的天氣災害；二者既有差異與區別，但又有緊密的內在聯系。持續干旱通常是高溫熱浪發生的背景，而頻繁的高溫天氣又會加快地表水分流失的速度，進一步加重干旱程度。干旱和高溫熱浪大都伴隨降水量的顯著偏少。在我國大部分地區，尤其夏季月平均氣溫與降水量呈負相關關系，溫度高往往就意味著降水少。高溫天氣日數增多，促使平均氣溫上升，導致地表蒸發量增加，夏季高溫酷暑天氣伴隨著干旱的情形很可能發生，或使干旱持續維持[34-35]。地表變干和降水量減少與氣溫升高相關，地表變濕和降水量增多與氣溫降低有關[36]。同時，土壤濕度與降水量呈正相關，與平均氣溫呈負相關，尤其夏季的氣溫與土壤濕度呈顯著負相關[37]；隨著氣溫升高，尤其夏季氣溫升高，促使上層土壤干旱化，深層土壤水分散失速度加快，土壤干旱程度加重[38]。因此，氣溫對于分析和評估干旱程度而言舉足輕重[39]。如，我國北方夏季干旱范圍及嚴重程度基本上與暖季極端氣溫變化相一致，若極端最高氣溫偏高、高溫熱浪頻繁發生，則干旱趨勢逐步加重，干旱影響范圍也逐步擴大[40]。

圖1 干旱災害鏈的互聯關系Fig.1 The interconnections in drought disaster chains

特別地，近年來有關高溫熱浪型驟發干旱的報道也需要引起重視，其主要是由高溫熱浪所驅動，高溫熱浪導致蒸散發迅速增加，進而造成土壤含水量迅速下降。驟發干旱是一種在植物生長季內發生迅速，持續1周到幾周(一般維持時間在1個月以內)，并以高溫和土壤含水量短缺為主要特征的干旱事件，“短歷時-高強度”導致其影響迅速、破壞性極大，且可能演變為長期持續性干旱[41-42]。

2.3 森林火災

高溫-干旱-火災是最常見的干旱災害鏈之一。高溫干旱極易引發森林、草原火災和山火等。大多數森林火災都發生在干旱高溫季節，且一旦發生后難以控制和撲滅[43]。如，2019年發生的澳大利亞山火和亞馬孫森林火災，除人為因素外，起火點多系干燥天氣、強風及高溫引起。

大量研究表明，世界各地的森林火災與干旱氣候因子有關。徐明超等[44]認為干旱氣候條件與森林火災的發生有密切的關系，氣溫、日照、蒸發量、風力、空氣濕度等影響著森林火災的發生與發展；一般情況下，氣溫高、降水少、濕度小、風力大易發生森林火災。張磊等[45]發現氣候越干旱林區火災發生的可能性越大，長期連續干旱可能導致森林大火的發生。蘭明才等[46]認為干旱情況下森林等植被含水率下降，當下降到一定程度時，森林火災容易發生；最長干旱持續日數和森林火災發生次數、受災面積的相關性較高；森林火災多發生在干旱條件下的連晴時段內。Siegert等[47]發現厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)引起的特大干旱可能導致森林易燃性和火災發生風險增加。Brown等[48]揭示了草原火災周期與草原干旱之間具有密切聯系。Reinhard等[49]發現氣候變化導致大部分氣候變量呈現有利于干旱和森林火災的趨勢，如無降水持續日數、日照時間和溫度的增加以及相對濕度的降低等。Dimitrakopoulos等[50]也認為氣候變化導致干旱事件增加，將對山火的發生產生重要影響。Littell等[51]發現森林火災的發生及面積都明顯隨干旱而增加，且短期和長期干旱都很重要，會在多個方面影響火情的時空特征(火災強度、嚴重性、空間范圍和頻率等)。Sutanto等[52]通過分析高溫熱浪、干旱、火災等多種災害遭遇和相繼發生的時空特征，認為高溫干旱將極大增加火災發生可能性和危險性。

2.4 風沙災害

季節性的高溫、干旱、少雨很容易導致區域性大風或強風天氣盛行。我國東北、內蒙古和西南主要林區，春旱引發大風，進一步加劇干旱的情況較為常見[53]。其他地區也多有干旱氣象引發短時大風(強風)的報道，如新疆在每年三月(南疆)、四月(北疆)至十月期間的大氣干旱常引發大范圍旱風。干旱還會引發旱風型干熱風，其特點是風速大。在遭遇高溫低濕情況下，大風還會加劇大氣干燥程度，加速作物蒸散發，使葉卷縮呈繩狀，嚴重時可致葉片撕裂破碎。此種情形常見于我國新疆地區和西北黃土高原的多風地帶，尤其在干旱年份頻繁出現。有研究[54]表明，我國北方氣候總體呈現長期暖干化的趨勢，可能導致干旱和干熱風發生區域擴大、次數增多、強度增強、危害加重。

持續干旱還可能誘發沙塵天氣，甚至沙塵暴。沙塵天氣的出現受風力作用和地表狀況的綜合影響。一方面，風是沙塵的重要驅動力，決定著沙塵天氣的強度；另一方面，地表是沙塵的主要來源，植被覆蓋、土壤濕度等狀況制約著沙塵天氣的規模和范圍。長期干旱很可能造成植被減少和土壤退化(如荒漠化、沙化)，惡化地表總體環境狀況。因而，在遭遇強風時極易形成浮塵、揚沙、沙塵暴等不同程度的沙塵災害。如，我國新疆地區的沙塵天氣主要發生在易旱的春季，其干旱災害與沙塵天氣之間存在明顯的正相關關系[55]。預計隨著干旱程度增加、極端天氣事件增多，風蝕和隨之而來的粉塵也會相應增加[56]。在未來干旱條件下，通常伴隨人為擾動并依賴足夠水分的傳統生態修復方法，可能帶來更大的地表侵蝕風險，這一點需要特別加以重視。

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2.5 病蟲災害

蝗蟲災害是一類常見且對地表植被(特別是農作物)具有極大破壞性的病蟲災害，其發生與蔓延過程大都與連續干旱少雨有關。1942—1943年發生在河南地區的旱、風、蝗災害，其災情之重、范圍之廣為近代所罕見[57-58]。1942年，該地區夏季降水量僅為常年降水的1/10～1/3，遠不能滿足作物生長需水；夏季雨水奇缺、秋季干旱持續是大旱發生的關鍵所在。同時，麥收季節干熱風的肆虐導致小麥大幅減產，僅收獲二成左右。1943年，多數縣水旱交疊，夏季小麥災重者僅收二三成，輕者五六成；麥后正值秋季作物生長季，河南全境爆發蝗災，蝗蟲肆虐，秋糧災重者絕收，災輕者僅能收一二成。據《河南大事記稿》載“河南本年餓死300萬人，流亡他省300萬人，瀕于死亡邊緣等待救濟者1 500萬人”。回顧此次觸目驚心的特大旱災，因旱而生蝗災的災難性后果可見一斑。姜逢清等[55]的研究也表明我國蝗災的暴發與旱災的發生具有一定的時空同步性，表現出明顯的災害鏈效應，如新疆地區農田干旱受災面積與蝗災受災面積之間存在顯著線性相關關系。2019年大規模暴發的東非沙漠蝗災，也與熱帶暴雨、洪澇、干旱等異常天氣與氣候條件不無關系[59]。

除了蝗災，其他蟲害也是暖干條件下容易發生的干旱衍生自然災害[60]。受近幾十年全球氣候變暖的影響，我國大部分地區暖冬現象明顯多發，有利于病蟲菌卵越冬。入春后，由于南方暖濕、陰雨寡照及北方暖干等氣象條件，適宜某些病蟲害的發生與蔓延，而且發生早、范圍廣[61]。黃淮海地區及四川、湖北、上海、陜西、甘肅等地各類農作物有紅蜘蛛、赤霉病、白粉病、條銹病、蚜蟲、吸漿蟲、紋枯病等病蟲發生與蔓延。特別是春夏長期干旱，容易繼發麥蟲、棉蟲等病蟲害，在作物生長季造成嚴重威脅[62]；松毛蟲等林區病蟲害，也會引起樹木病害甚至死亡[63]。

2.6 疫病和饑荒

持續干旱可能導致水源枯竭，造成供水嚴重不足(人畜飲用水困難、農業灌溉和工業生產缺水等)。特別是長期嚴重干旱導致飲用水源水質惡化、衛生條件差，很容易誘發各類疾病[64]。干旱期間水資源供應不足，水源的補給量和水位降低，水的稀釋能力減弱；持續的干旱使不符合飲用水標準的二次供水和自備水源比例增加，且水中游離余氯、細菌總數和大腸菌群超標率較高。因而，干旱期間的水源更容易受到糞尿和病原體污染，引起消化道疾病的暴發流行[65]。同時，干旱缺水直接導致農作物大面積枯萎、減產甚至絕收，進而引發糧食危機和饑荒。2002—2003年南部非洲的糧食危機和1998年蘇丹南部的災難性饑荒，大量人口和牲畜因缺水、缺糧而死，進一步導致疫病的流行和死亡率的上升。此外，干旱和氣候變化也是導致貧困發生的重要原因之一，特別是落后的農村和山區，用水和糧食不安全問題仍較為突出[66]。

3 特大干旱對生態環境的長期影響

20世紀下半葉以來，全球處于快速升溫增暖狀態；不過在1998—2012年出現過暫時的增溫停滯現象，近幾年全球快速變暖趨勢已基本恢復到原來的水平[67]。在此種背景下，全球氣候和地表環境的長期暖干化趨勢似乎越來越明顯。全球干旱化的加劇，特別是超大范圍(地區、大陸尺度)極端干旱事件的頻繁發生，將在不同程度上對地表生態環境(能量圈、水圈、大氣圈、土壤圈、生物圈、人類圈等)產生廣泛而深遠的影響(圖2)。

圖2 干旱對地表圈層的長期影響Fig.2 The long-term effects of drought disasterson the surface circumstance

3.1 全球變化與干旱

一般認為，太陽輻射變化(如太陽黑子活動)對地球天氣氣候具有重大影響[68]。但全球變化和干旱氣候對地表能量交換與平衡可能產生何種程度的反饋作用，即對地表輻射和能量平衡的影響，值得深入研究與探討。大量事實表明，地球表面已經并且正在發生巨大的變化，這種變化對整個地球能量平衡造成了不容忽視的影響。人類活動以外，氣候變化本身會引起地表反照率的改變，而全球干旱加劇(特別是北半球中高緯度干濕過渡區)則通過影響土地覆被間接改變地表反照率和比輻射率等，這些都是導致地表能量不平衡的重要原因[69]。植被的存在對地表能量收支具有顯著影響，如增加地表吸收的短波輻射和地表蒸發潛熱，減少地表釋放的長波輻射等。土壤濕度可以通過蒸散發作用，調節感熱和潛熱通量的占比，進而影響地表能量平衡及再分配。在極端干旱條件下，土壤濕度下降會大大抑制潛熱通量，導致感熱通量急劇增加[70]。有研究發現，我國西北干旱氣候環境的進一步發展，將對全球的能量平衡過程及其空間分布狀態產生影響[71]。過去幾十年，我國黃土高原地區氣候干旱化對地表能量平衡的影響比氣溫變暖的影響更為突出[72]。地表土壤熱通量和土壤干濕變化會對地表輻射過程和能量平衡各分量產生重要影響，土壤濕度較小時(干旱條件下)，地表凈輻射和潛熱通量較低，而感熱通量較大，土壤熱通量差異明顯[73]。綜合看來，干旱化加劇導致的地表能量分布改變可能會在一定程度上影響未來全球變化(天氣氣候、陸氣相互作用、地表環境等)的進程。

3.2 水資源與水生態

氣候和地表環境的長期暖干化趨勢將加速全球水循環，加劇極端水文事件發生，導致全球不同尺度水資源的重新分配。大氣增溫必然會引起大氣物理過程和大氣環流的改變或調整，從而造成降水量及其時空格局的變化；氣候暖干和降水變化也會引起土壤溫度和濕度等土壤特性的改變[72]。如，在全球變暖和干旱加劇的背景下，我國西北干旱地區的水資源系統將變得更加脆弱，其水文水資源可能面臨的變化[74]包括：①降水、徑流“突變型”增加；②冰川積雪融水徑流量增加；③徑流豐、枯變化加劇。氣候變化與極端干旱將增加水文波動和水資源的不確定性，降水和氣溫較小的變化都可能引起徑流較大幅度的改變，對區域生態水文過程產生重大影響。

頻繁發生的干旱和極端干旱會對水生態系統產生顯著影響[75]。作為重要驅動力，干旱造成的水分虧缺，可能從根本上改變水文循環條件和水文-生態過程，其主要表現有：水量減少、流速降低、水域面積減少、污染物遷移與轉化規律改變、水體各尺度連通性降低、生物量減少和物種多樣性降低等。干旱對水生態系統的影響程度取決于干旱發生時間和季節、干旱持續時間、干旱期間最枯徑流量、干旱覆蓋的空間范圍以及區域本底或前期水文氣候狀況等[76]。在極端干旱條件下，由于水生態系統中物質和能量匱乏、棲息地面積萎縮、水環境惡化、捕食競爭性加劇等原因，將導致水生生物空間分布特征改變、多樣性降低、繁殖能力下降、種群規模減小等嚴重后果[77]。

3.3 碳循環與養分

陸地生態系統是全球碳循環的重要組成部分，在全球碳收支中占主導地位[70,78]。有數據顯示，過去十多年間陸地生物圈吸收了約30%的化石燃料碳排放，使其成為全球碳庫的關鍵組成部分，一定程度上緩解了化石燃料CO2排放及其造成的全球變暖[79]。陸地總初級生產力(gross primary production, GPP)是全球植被生長和糧食生產的基礎，影響著生態系統碳平衡，在調節大氣CO2中發揮著重要作用。盡管未來幾十年大氣中較高的CO2濃度可能通過施肥效應促進GPP，但由于養分限制和干旱頻率、強度增加等因素的影響，GPP的未來趨勢仍然不確定[80]。干旱可以通過直接方式(如水分限制和熱脅迫)和間接方式(如造成火災和昆蟲爆發)影響GPP。一些模型研究表明，21世紀期間全球許多地區干旱發生的風險在增加，極端干旱對GPP的影響比輕度和中度干旱的影響更大。在中高排放情景下，到21世紀末極端干旱造成GPP的減少幅度預計將比2000年多3倍。隨著大氣變暖和干旱加劇，全球碳循環面臨受極端干旱影響的高風險，具體量化未來全球范圍內干旱對GPP影響的研究也存在高度不確定性[81]。另有研究表明，干旱氣候環境進一步發展的情景下，全球平均陸地植被通過生理過程產生的CO2凈通量將有所減少，而干旱氣候環境改善的情景下，上述植被生理過程CO2凈通量將有所增加[71]。同時，氣溫升高也會顯著增加土壤的碳排放，降低土壤凈CO2吸收。因此，伴隨全球長期暖干化趨勢，地表儲存的有機碳可能不斷減少，向大氣中釋放出更多CO2；但受高溫干旱影響，地表總固碳能力和初級生產力可能逐漸下降[70]。

3.4 陸地生態系統

3.5 社會經濟系統

干旱對人類社會的影響是非結構性的和分散的，其影響的范圍比洪水、風暴和地震等其他自然災害所造成損失的范圍更大。糧食安全、城鄉居住、能源生產、工業發展、經濟增長和人類健康等方面都對水高度依賴，很容易受到氣候變化和干旱的影響。特大干旱災害可能導致難民流離失所，引發社會動蕩和不安全因素。歷史上特大干旱災害所導致的人類社會崩塌和文明衰退(甚至消亡)，也警醒著未來可能引發的政治、經濟和文化等方面的混亂[88]。

隨著水及其他有限自然資源供給壓力的增大，特大干旱導致的工農業生產、社會經濟發展和生活用水等方面的損失可能倍增。過去的干旱相關研究(農業上的、水文學上的和社會經濟上的)把重點放在了干旱的社會性影響方面，并更關注干旱作為自然現象與人類活動之際的相互作用和相互關系，即降水是否能為社會和環境提供足夠的水資源[89-91]。然而，隨著研究的深入，人們逐漸認識到宏觀干旱事件的微觀影響似乎并不直接取決于降水量，而受制于社會經濟系統內部對水的多重調蓄和對干旱的抵御能力。換言之，研究中對于干旱自然屬性(降水缺乏)的強調程度逐漸降低，而對于其影響復雜性和導致沖突的強調程度逐漸增加[92-93]。尤其對于特大干旱可能導致的社會系統性災害壓力，必須從根源(資源獲取、管理體制)、宏觀壓力(人口增長、經濟發展、生態環境等)和保障(資金投入、基礎設施、教育培訓等)等宏觀與微觀層面予以全盤考慮[94-95]。

干旱對人類健康的影響通常是間接的[96-97]。如，糧食短缺可能導致人體能量供應不足、營養不良，如某些維生素和微量元素缺乏。干旱通過影響居民生活用水質量，間接影響腹瀉發病率。呼吸道相關疾病的嚴重程度、發病率等也與干旱程度有關，干旱所營造的有利生存條件可能導致蚊媒傳染病的爆發。干旱還會在一定程度上加劇環境、氣候、經濟、社會壓力，影響人類心理健康。

4 研究展望

由于對特大干旱次生災害認識的局限，特別是其對生態環境的影響存在復合、潛在、不確定性等諸多復雜特征，目前特大干旱事件災害孕育機理及影響研究尚處于起步階段，基礎非常薄弱。研究中的主要問題與可能發展方向包括：

a. 對特大干旱的界定認識不清，缺乏合理、客觀的判別依據和標準。同時，現有研究對特大干旱的聚焦不夠，而更多關注一般意義上的干旱現象與旱災。

b. 災害鏈研究意義重大，但目前國內外災害鏈相關研究仍較為薄弱，且多集中于研究沿海地區的臺風災害鏈和山區的地震災害鏈，而對干旱災害鏈的研究十分有限。

c. 干旱災害鏈上的能量傳遞涉及多維、非線性系統問題，而目前的研究一般僅通過定性方法分析災害鏈的鏈條結構及災害傳遞方向。如何利用定量方法有效揭示災害系統中干旱引發次生災害的機理及多災種協同演進過程，亟待進一步深入研究。

d. 多渠道檢索顯示，該領域內最新研究文獻占比較低。大量文獻僅集中于少數幾個方面的研究，特別是氣候變化對干旱的復雜影響、森林火災和植被(森林、草地)退化等，而某些方面的研究(如特大干旱對養分循環、生態過程的長期影響)則相對匱乏。

e. 當前研究開展情況和已有研究成果表明，特大干旱事件災害孕育機理及影響方面的整體研究框架尚未確立，相應研究體系和技術方法體系也遠未形成。