转自：生态学家
旱地扩张会导致大面积缺水以及生物多样性的丧失。虽然全球变暖对干旱的影响已经广为人知，但现有旱地在自我扩张过程中的作用却相对不为人所知。
研究结果表明，旱地迫切需要采取措施来减缓气候变化，以遏制自身的扩张。
研究背景
从大气的角度来看，当干旱指数AI超过1.55这一临界值时，旱地将会扩张，这标志着从湿润等级向亚湿润干旱等级的转变。当降水量（P）低于潜在蒸发量（Ep）的65%或Ep长时间（本研究中指至少10年）大于P的55%时，这种转变就会发生。
在亚季节到季节的时间尺度上，人们对降水量（P）不足的原因有了更深入的理解。通常，由全球环流模式变化引发的反气旋异常条件与海面温度异常密切相关，这些异常情况会导致降水量不足，并可能进一步演变成干旱。随后，陆地的干涸通过所谓的陆地-大气正反馈机制，加剧了降水量的不足和潜在蒸发量（Ep）的增加：降水量的不足会使土壤和植被变得更加干燥，通常这会导致空气湿润度的下降（通过蒸发作用）以及温度的上升（通过显热通量），而这反过来又会减少可降水量并增加潜在蒸发量。
本研究探讨了数十年来旱地在全球陆地表面下风湿润地区干旱化过程中的作用。研究假设旱地通过陆地-大气反馈机制促进了自身的扩张，进而导致下风湿润地区的干旱化，这一过程被称为“旱地的自我扩张”。
具体而言，本研究通过利用观测约束的拉格朗日大气传输模式 (Lagrangian atmospheric transport model)，对1981年至2018年大气中传输至湿润-干旱过渡区域的水分和热量进行模拟和追踪，以量化了这一过程的重要性。
1.全球旱地的扩张
在1981年至2018年期间，约有520万平方公里的湿润土地转变为旱地。即便考虑到同期约130万平方公里的旱地收缩，这仍意味着全球旱地面积扩大了约9%。全球各主要旱地均出现了向湿润地区的长期扩张，其中欧亚大陆的旱地面积增长最大，其次是非洲和南美洲。
相对而言，卡廷加地区的旱地面积扩张最为显著，达到79%，其次是南美旱地，增长了26%。这些模式与最近在美国西南部、刚果、中亚和卡廷加记录到的干旱趋势相一致。然而，在北美洲（主要是中西部）和欧亚大陆东部，观察到最大的旱地收缩，约减少了50万平方公里。正如预期的那样，旱地的扩张和收缩主要发生在与现有旱地相邻的地区。同样，各地的干旱化程度也存在显著差异，其中卡廷加地区的人工岛面积增幅最大，高达60%。
全球范围内，约有520万平方公里的湿润陆地转变为旱地，其中约40%的旱地扩张是由自我扩张所驱动，且在这些地区，自我扩张贡献了超过50%的干旱度增加。
在澳大利亚和欧亚大陆的部分地区，自我扩张成为旱地扩张的主要机制，占当地干旱度增加的50%以上。然而，自我扩张的重要性在不同区域之间存在显著差异，尤其是在非洲、卡廷加地区和欧亚大陆东部地区。
在气候学上高度依赖海洋和上风湿润地区提供水分（影响降水量P）和热量（影响潜在蒸发量Ep）的区域，旱地自我扩张的影响相对较小。然而，在某些地区，尽管上风旱地作为水分和热量来源的重要性较低，但它们在下风区域的干旱化过程中却发挥了不成比例的作用。例如，在澳大利亚，64.6%的干旱增长归因于自我扩张，尽管从气候学角度来看，上风旱地仅贡献了总P的约19%和总Ep的约41%。此外，以欧亚大陆东部为例，尽管湿润地区是主要的水分和热量来源，但上风旱地在旱地扩张中仍然扮演了关键角色。
4.上风旱地的干旱化是旱地自我扩张的驱动力
不断扩张的旱地上降水量（P）和潜在蒸发量（Ep）的变化，可能主要来源于上风向旱地的干旱化。这种干旱化导致了其陆地-大气通量的长期变化，即蒸发量（E）的减少和显热通量（H）的增加。
为了验证这一假设，研究根据下风湿润地区向旱地过渡期间上风旱地的干湿变化，将上风旱地分为两组——干旱组和湿润组。随后，比较了这两个群组（上风干旱旱地与湿润旱地）对下风扩张旱地的AI（干旱指数）变化的P和Ep贡献。
研究发现，尽管现有的旱地面积几乎同等比例地经历了干燥（约2900万平方公里）和湿润（约2700万平方公里），当上风旱地经历干燥趋势时，下风地区干旱化的P和Ep贡献的变化更为显著（图3），这进一步证实了上风旱地干旱化在旱地自我扩张中的重要性。陆地-大气通量的这些变化以及随后的平流为干旱化的下风传播提供了一个可能的机制。这些通量的差异在旱地自我扩张过程中扮演了重要角色，进一步推动了干旱区域的扩张。
4.旱地自我扩张过程及其影响
全球变暖导致现有旱地逐渐干旱化，这是旱地自我扩张的主要诱因。在这种过程中，旱地上空降水（P）的长期下降和潜在蒸发量（Ep）的增加，导致植被和土壤干燥，进而减少了蒸发。蒸发的各个组成部分，包括蒸腾、截流损失和裸土蒸发，都有所减少。这一减少尽管伴随着旱地的绿化，例如，干旱和湿润旱地的叶面积指数分别增加了6.4%和18.8%，但总体上反映出旱地蒸发量的下降与显热通量的增加相对应。
这些变化通过较干燥和较温暖空气的平流传播到下风湿润地区，导致这些地区的降水量减少和Ep增加。这样的陆地-大气反馈机制表明，旱地在历史上可能就是通过这种机制进行空间扩张的，且为预测未来旱地扩张提供了一个重要的理论框架。随着大气干旱化和土壤干燥化的进一步加剧，再加上植被绿化的潜在饱和，这一旱地自我扩张机制预计将在未来变得更加显著。
论文信息
标题：Dryland self-expansion enabled by land–atmosphere feedbacks
期刊：Science
类型：Research Articles
作者：Akash Koppa*【Ghent University】, Jessica Keune【Ghent University】, ...... , & Diego G. Miralles*【Ghent University】
时间：2024-08-29
DOI：https://doi.org/10.1126/science.adn6833
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