第二节  干旱影响及其脆弱性

一、干旱对自然和人类社会的影响

干旱通过改变区域环境的水文过程、地球化学过程、生理生态过程及生物关系等，对区域社会和生态系统产生了深远影响，危及人类健康与生存、社会经济发展、生态系统稳定，及自然资源存储等。近几十年，在全球气候变化的大背景下，全球降水的不均一性增加，陆地生态系统遭受干旱事件的风险上升。同时由于人类社会的快速发展，社会水资源需求也发生增加，导致区域水资源问题及部门间水资源竞争问题恶化。干旱灾害成为了对区域社会和生态系统的严重威胁，逐渐引发全球各界的关注。联合国环境规划署的危机预防与恢复局（United Nations Development Programme/Burean of Crisis Prevention & Recovery, UNEP/BCPR）意识到全球许多地区尤其是非洲深受干旱的危害，因此若想实现针对人类发展脆弱性的全球应对策略，则一定不能忽略干旱事件的影响（UNEP/BCPR, 2003）。世界银行（World Bank, WB）关注到气候变化对极端事件产生了明显影响，如近几十年全球的干旱面积可能在逐渐增加，且未来气候变化可能还会增加许多地区的干旱频次和干旱程度，提倡积极主动进行气候变化管理（WB, 2012）。距联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO）统计，干旱对农业部门造成的危害明显高于对其他部门。2006～2016年间干旱造成的破坏和损失中约有83%由农业承担，其中作物和牲畜受到的影响最大，且随干旱发生的增加而对发展中国家的粮食安全构成的威胁日益增大（FAO, 2018）。

（一）自然生态系统

干旱事件的增加和加剧，尤其是当发生在生长季期间，不仅可能直接对生态系统过程造成破坏，还可能影响生态系统的结构和功能，对区域生态系统产生长期且多样化的影响，导致的后果包括但不限于生物量减少、碳汇下降、死亡率上升和多样性丧失。这些干旱影响造成的后果往往随干旱事件的频次、持续时间和强度的增加而趋于严重。生态系统的净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）是单位时间内生态系统光合作用吸收的碳减去其呼吸作用所消耗的碳后的富余值，是衡量生态系统结构功能的重要指标，受气候等环境因子变化的制约。在全球变化背景下，气候变暖和大气二氧化碳浓度上升有助于增加全球NPP。然而在21世纪初，南半球大规模的周期性区域干旱事件与总体的干旱化趋势使当地的NPP减少。因此虽然南半球NPP仅占41%，但其下降趋势（–18.3亿吨碳/10年）抵消掉了北半球的NPP增加（12.8亿吨碳/10年），使全球NPP下降，对全球粮食安全和未来生物燃料生产造成威胁（Zhao and Running, 2010）。位于半干旱地区的草地生态系统尤其容易受到干旱的影响，如中国内蒙古的草地生态系统NPP在干旱作用下显著下降，而且草甸草原NPP减少得最多，典型草原次之，荒漠草原最少（Lei et al., 2015）。值得注意的是，就算生态系统可以在干旱期间通过减少与生长无关的自养呼吸来使生长优先化，使总NPP维持稳定，但碳分配的不均衡化使植物在维护组织和防御组织方面的投入下降，可能转而增加干旱过后的植物死亡率（Doughty et al., 2015）。

生物多样性是生态系统的组成丰富性和过程复杂性的基础，是决定生态系统稳定性的重要特征之一。根据保险假说，生物多样性更高的群落更可能包含某些在环境压力下可存活以维持生态系统功能的物种（Yachi and Loreau, 1999）。因而高生物多样性可有效抑制生态系统受到的环境扰动影响。在干旱影响下，部分地区的生态系统内压力增加，死亡率上升。干旱致死的基本机制主要有两种：一是当干旱发生时，碳储量和光合作用下降，使呼吸作用和成长消耗的碳供应不足，引起碳饥饿；二是干旱发生时，蒸腾拉力超过木质部内部水柱的张力，形成气穴现象，影响水分输送（Mcdowell et al., 2011）。最后植物因碳饥饿或缺水而死亡，且前者多发生在长持续时间的干旱下，后者多发生在高强度的干旱下。但干旱造成的植物死亡有滞后效应，加上植物自我适应和其他气候要素的影响次序等，干旱致死机制难以评估。虽然森林生态系统的庞大根系可以通过吸收地下水和保持充足的水分来减轻生态系统对瞬时干旱的脆弱性（Teuling et al., 2010），使其抗旱能力较草地生态系统高，但在大型干旱事件的压力下，全球范围内发生了许多树木死亡率上升事件（Allen et al., 2010; Jordi et al., 2012），尤其是浅根小树、年龄太大的树林、过于稠密的树林或物种丰富度较低的树林，对干旱响应的表现更为脆弱（Klos et al., 2009; Young et al., 2017）。但是森林的干旱致死率是否普遍发生增加仍存在争议（Steinkamp and Hickler, 2015）。随着影响程度的增加或累积，干旱胁迫的相关后果可以在个体—物种—种群—生态系统等层面逐渐发生，带来森林枯死（Sangüesa- Barreda et al., 2015）、树冠坍塌（Matusick et al., 2013）、草地退化等严重事件（Liu et al., 2017），可能会在全球范围内改变生态系统的结构和分布。同时生态系统的生物多样性将受到威胁，特别是受水分条件制约的物种或生态型（Esquivel‐Muelbert et al., 2017）。而如果生态系统生物多样性下降到一定程度，则其抵抗干旱等灾害的能力也可能下降（Wagg et al., 2017），进而可能形成导致生态功能损失的恶性循环。另一方面，干旱事件对生态系统组成与结构起到洗牌的作用。物种间对干旱事件响应的差异将改变物种竞争的格局。

（二）农业

农业是人类社会产业中受干旱影响最为严重的部门之一。农业干旱影响全球的食物产量和质量，威胁粮食安全。粮食是人类社会生存的重要基础。干旱可能难以直接对人造成伤亡，但可通过粮食不安全间接形成影响。因此对农业干旱的研究、检查和管理也是对人类健康和生命的保障，有助于社会稳定。中国是具有悠久农耕文明历史的农业大国，以世界7%的耕地供养世界20%的人口，同时也是世界上重要的农产品生产和消费大国。然而，中国气候格局呈现出北方易遭旱灾、南方旱涝并发的特征。大范围的干旱灾害连年频发。干旱灾害正严重威胁着中国粮食和生态安全，已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素之一。中国西北地区位于北半球中纬度地带，地处欧亚大陆腹地。该地区绝大部分面积处在干旱和半干旱气候区，地表干燥。所以，西北地区空中云水资源相对稀缺，水分内外循环均不太活跃，不仅年平均降水少，而且降水的气候波动很大，是中国最容易发生干旱灾害的区域。每年干旱造成的经济损失高达国内生产总值（Gross Domestic Product, GDP）的4%～6%（张强等，2015）。东北和华北干旱化是当前所面临最严重的环境问题。干旱导致可利用水资源的严重匮乏（马柱国等，2003）。而上述地区多为中国主要农业生产区。因此，中国农业的气象灾害管理尤为重要（王丹丹等，2018）。

干旱灾害对中国农业的粮食作物（水稻、小麦、玉米、薯类、杂粮）和经济作物（棉花、油料作物、糖料作物、经济林果与蔬菜）的产量与品质产生了不同程度的影响，其中对小麦和玉米的影响尤为严重。1978～2016年，中国农作物的年均旱灾受灾面积达2 267.56万公顷，高于水灾、风雹灾和冷冻灾的受灾面积，占农作物总受灾面积的52%。虽然近几十年旱灾的受灾面积呈减少趋势，但旱灾的成灾面积呈增加趋势。旱灾对农作物带来的巨大消极影响不仅体现在影响面积上，还体现在造成的经济损失量上。1978～2015年，中国各大粮食区的农作物经济灾损超万亿，其中旱灾损失占比约51%，高于水灾、风雹灾和冷冻灾造成的经济损失。根据中华人民共和国水利部统计公布的《中国水旱灾害公报（2018）》（http://www. mwr.gov.cn/），2018年中国共有25省（自治区、直辖市）发生干旱灾害，作物受灾面积7 397.21千公顷，作物成灾面积3 667.23千公顷，因旱粮食损失156.97亿公斤，因旱直接经济损失483.62亿元。由此可见，干旱灾害对中国农业影响广泛且造成的损失巨大，对农业生产的健康发展形成阻碍。

基于农业干旱受灾面积、成灾面积和粮食损失的数据分析表明，中国农业旱灾的空间分布还表现出地理聚集的局部空间自相关（Wang et al., 2019）。北方（内蒙古自治区、吉林省、黑龙江省、辽宁省、山西省、河北省、山东省、陕西省、河南省）是主要的农业旱灾聚集地，尤其是在黄河流域及其以北地区。此外，由于当地农业在过去的发展历程中受限于水资源问题的压力，对水资源的利用可能走过一些弯路。以黄淮海平原为例，当地的农业用水原先主要是粗放灌溉形式，而随着水资源的日益紧张和人口增长带来的粮食压力（农业灌溉用水规模增加），转而发展成地下水开采形式。但这种形式无异于饮鸩止渴。当地的地下水漏斗在遭受长期的地下水开采后严重扩大（Su et al., 2020），使水资源压力进一步增大。而今在宏观规划和科学指导下，当地农业用水发展为节水灌溉的形式，使水资源得以在可持续利用的前提下充分发挥其作用（于静洁和吴凯，2009），同时国家的南水北调东线工程合理地缓解了受水沿线的水资源紧缺状况（赵勇等，2002）。然而，黄淮海地区的农业用水的可持续发展仍不乐观，旱灾仍会带来严重的作物损失（Wang et al., 2019）。

（三）社会经济的其他方面

干旱还影响社会经济的其他方面，其中最直接的影响包括饮用水减少和质量下降。根据中华人民共和国水利部统计公布的《中国水旱灾害公报（2018）》（http://www.mwr.gov.cn/），2018年中国因旱灾导致的农村饮水困难人口达306.69万人，多分布于西南地区、东南地区和内蒙古自治区。除了直接导致饮用水困难之外，干旱灾害还间接通过降低牧场草地和饲料作物的产量对畜牧业和养殖业造成损失。干旱灾害给旅游业方面带来的影响主要有四个方面：一是影响游客旅游的体感舒适度；二是可能改变原本的自然物候规律，使与物候有关的自然文化节日提前、推迟或缺失；三是恶化与自然生态相关的旅游景观，降低景观价值；四是通过改变农产品产量、种类与质量安全等影响饮食文化。此外，干旱还会通过减少径流量影响水上交通运输和水力发电工程，通过影响水和食物来源影响人类的身体和心理健康，造成资源、经济、人力、精神等多方面的损失。

二、干旱脆弱性及其影响因素

区域干旱脆弱性评估对当地水资源管理和抗旱防旱具有重要意义。脆弱性本质上难以定义和衡量，可理解为系统因承受灾害而受到不利影响的倾向或易感性（IPCC, 2012），是对系统无法适应灾害冲击的负面影响程度的反映（Füssel and Klein, 2006; Mohmmed et al., 2018）。干旱脆弱性的差异可能使具有相同危险性特征的干旱事件对于不同的生态系统或群落意味着不同程度的风险（Vicente-Serrano et al., 2012a）。同样地，根据主要经济活动和人口对长期缺水的脆弱性，干旱的影响特点在不同国家甚至在一个国家内部都有明显的不同（Sivakumar et al., 2014）。在涉及干旱脆弱性的相关研究领域，许多研究只关注脆弱性的经济或农业因素，而忽略了健康和社会发展等其他方面。考虑到干旱对发展不均衡区域的破坏性影响，必须尽可能多地考虑各种因素。通过统计方法（如巴克迈尔等（Bachmair et al., 2016））建立的干旱指数与干旱影响之间的关系可用于干旱风险评估和脆弱性评估，但在选择相关因素时需要对研究区域有脆弱性方面的专家知识。由于干旱对不同区域自然和人力资源的影响是不同的，因此不可能确定一种适合所有区域的干旱脆弱性的衡量方法。

对于自然生态系统来说，区域的水资源状况和植被结构类型很大程度上决定着对干旱的脆弱性。若生态系统可获取的地表水和地下水等水资源丰富，则在同样程度的干旱影响下可能比水资源稀缺地区的生态系统有较低的敏感性。生态系统的脆弱性可以通过其在灾害和正常条件下的表现差异来表征（Van Oijen et al., 2013; Van Oijen et al., 2014）。植被生态系统的干旱脆弱性差异具有多样性，生态系统类型、群落、物种、密度、多样性、树龄，以及温度条件和土壤条件等方面的差异均可能导致对干旱胁迫有不同的响应策略或忍耐程度，进而产生不同的干旱脆弱性表现（Choat et al., 2012; Allen et al., 2015; Gremer et al., 2015; Bottero et al., 2017; Yuan et al., 2017）。植被在干旱期间的水资源获取能力和对非干旱期间水资源的存储能力在一定程度上影响着干旱脆弱性表现。例如，森林生态系统可以通过庞大而深的根系吸收地下水并保持充足的水分，因此对短期干旱事件的脆弱性较低（Teuling et al., 2010）。而若是一个浅根系的草原生态系统，则可能对同样的短期干旱事件有较高的脆弱性（Propastin et al., 2008）。此外，同样的承险对象面对不同危险性特征的干旱事件，如不同时间尺度、不同持续时间或不同强度的干旱，可能有不一样的脆弱性（Deng et al., 2020a）。把不同干旱特征下的脆弱性计算出来，则脆弱性随干旱特征的变化曲线即为干旱脆弱性曲线，是进行干旱风险评估与管理等研究或工作的重要内容。

经济社会在干旱影响下的脆弱性同样涉及多方面要素，但由于研究领域或目的的差异，学者们对具有影响脆弱性的要素具体有哪些则存在分歧。虽然对脆弱性的具体影响要素可能有很多，但从框架体系上分析则基本是对暴露度、敏感性、应对能力或适应能力等方面的一些度量（Birkmann, 2007; Glick and Stein, 2011）。需要注意区别的是，这里涉及到关于暴露度的度量，是指一些变量的暴露度特征会影响到脆弱性，而不是关于对应变量的暴露度计算，如人口增加不仅增加了暴露度，还可能会增加脆弱性。根据联合国国际减灾战略署（United Nations Office for Disaster Risk Reduction, UNISDR）提出的脆弱性框架，脆弱性的影响因子包含各种物理、社会、经济和环境因素，而且具有个人、社区、资产和基础设施等维度（UNISDR, 2004, 2009）。在类似框架下许多学者开展了干旱脆弱性评估研究，其脆弱性指标的选择反映出对干旱脆弱性影响因子的理解，即影响干旱脆弱性的影响因素可主要归类于经济、社会、水资源管理、基础设施等方面。有些研究还会把社会方面中与健康相关的指标单独归为健康一类，或把基础设施和水资源管理方面的部分指标归类为基础设施与技术发展一类（Nauman et al., 2014; 王莺等，2014; Carrão et al., 2016; Tánago et al., 2016; Jorge et al., 2017; Naumann et al., 2019）。

一般来说，经济方面的人均GDP、人均国民总收入（Gross National Income, GNI）、经济储备、能源使用、保险等用于反映区域的经济能力，社会方面的人类发展指数、行政效率、机构能力、平均寿命、就业率、医疗卫生等反映区域的社会福利或保障等状况；水资源管理方面的单位面积降水、水资源总量、灌溉面积占比、单位面积灌溉用水、灌溉设备配给、机电排灌面积等通常与较低的水资源管理压力或较高的水资源管理效率相关。基础设施与技术发展方面的供水基础设施、水库库容、路网密度、移动手机用户占比、互联网服务器、单位耕地面积化肥消耗、节水灌溉设备、耐旱抗旱作物等反映与应对干旱相关的基础设施状况与技术能力等。这些指标的增加可降低干旱脆弱性。相反地，经济方面的农业GDP占比、贫困率等则反映社会经济发展或结构的相对弱点。社会方面的人口、人口密度、农业人口占比、失业率、文盲率、难民人口、孕妇死亡率、婴幼儿死亡率等反映社会压力状况。水资源管理方面的总用水占水资源总量的比例、农业用水占总用水量的比例、耕地面积等通常与较高的水资源管理压力相关。这些指标越高则干旱脆弱性可能越高。当然，这些指标中有部分对干旱脆弱性的影响还存在争议，而且不同区域的干旱脆弱性评估可能有侧重采用的指标组合。以上指标固然较为全面，但由于在开展评估工作时需要考虑指标的可获取性和冗余性，所以用于干旱脆弱性评估工作的指标可能并没有涵盖影响干旱脆弱性的所有因素。