Nature Climate Change | 气候变化加剧了隐藏在地表之下的土壤干旱

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2025年11月14日，中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院顾西辉教授团队联合中国科学院大气物理研究所、纽约州立大学、得克萨斯农工大学、亥姆霍兹环境研究中心、密歇根州立大学等国内外机构，在Nature Climate Change发表题为“Anthropogenic enhancement of subsurface soil moisture droughts”的最新研究成果。

过去数十年，全球整层（0–100 cm）土壤水分持续流失，造成海平面上升、地轴极移等难以逆转的影响。然而，既有研究多从单层视角关注表层或根区土壤干旱，忽略了干旱在垂直方向上的结构与演变，难以完整揭示干旱事件的发生与发展。在区域尺度上，观测到的整层土壤干旱很可能只是表层土壤相对湿润与深层土壤严重干旱等多种垂向状态叠加后的净结果。当前大尺度农业干旱监测主要依赖表层土壤水分信息，不仅难以识别被表层条件掩盖的深层干旱，也无法准确刻画土壤干旱垂向结构的演变。针对这一科学空白，研究团队提出时空连续的四维（经度×纬度×深度×时间）拉格朗日追踪框架，系统识别和分析土壤干旱在不同土壤层间形成的垂向结构及其时空演变，并评估其对人为气候变化的响应，为改进全球干旱监测和多维度影响评估提供了新视角。

主要发现

基于站点观测、ERA5-Land等再分析数据及CMIP6多模式地球系统模式模拟，团队首次在全球尺度上识别并追踪了具有垂向结构的四维土壤干旱事件。根据垂向结构特征，将土壤干旱划分为深层主导、重底型的深层干旱和表层主导、重顶型的表层干旱（图1）。深层干旱表现为深层（28–100 cm）土壤水分亏缺比表层（0–28 cm）土壤水分亏缺面积更广、历时更久的垂向特征。这类如“冰山”般隐藏在地下的深层干旱，难以被主要依赖表层土壤水分信息的大尺度卫星遥感手段充分捕获，其相较于表层干旱整体历时更久、强度更大，主要分布在南美洲、非洲及南亚等地区。

图1 四维土壤干旱事件的垂向结构特征

过去40年间，全球深层干旱的历时与强度均呈显著上升趋势，且增速高于表层干旱。多种检测归因方法一致表明，人为气候变化是全球深层干旱加剧的主要驱动因素，其影响已深入地表以下100 cm的深层土壤。在未来中等碳排放情景下，至21世纪末，北半球中高纬地区表层干旱的历时和强度预计将分别增加88.8%和335.9%，而全球范围内深层干旱的增强更为明显，其历时和强度分别增加154.9%和477.3%（图2）。这一增强随土壤深度和排放等级同步加剧，亚马逊、非洲雨林以及北半球中高纬深根植被将面临更高的缺水胁迫。

图2 全球表层干旱和深层干旱事件未来不断加强

进一步的机制分析表明，深层干旱的驱动机制呈现广泛的空间异质性。在干旱区，如北美西部、欧洲和中东，深层干旱主要受前期极端高温主导，表层土壤水分亏缺与近地面高温形成正反馈，提高水汽压差和大气蒸发需求，将更多水分从土壤深层抽向大气。在湿润区，如热带和东亚，深层干旱由前期降水亏缺与极端高温共同驱动，前期降水减少导致表层干燥，随后极端高温进一步放大土壤蒸发和植物蒸腾，在表层已偏干的前提下，增强的蒸散潜能更多依赖深层土壤水分以满足大气需求。在北半球高纬度地区，前期植被变绿增强深根植被的吸水和蒸腾，引起春季深层土壤干燥并持续到夏季，从而加剧深层土壤干旱。

总结

研究团队提出了一个具有垂向连续性的四维土壤干旱追踪框架，揭示了具有不同垂向结构的土壤干旱在形成机制、时空演变及对气候变暖响应上的系统性差异。这一发现强调在大范围农业干旱监测中亟需提升卫星及相关技术对深层土壤干旱的探测能力，研发面向深层土壤干旱的大范围监测新技术，为完善干旱监测和生态风险评估评估体系提供理论依据。

论文信息

中国地质大学（武汉）2025届硕士研究生管延松、王伦澈教授为论文第一作者，顾西辉教授为论文通讯作者。纽约州立大学奥尔巴尼分校戴爱国教授，中国科学院大气物理研究所周天军研究员、袁星研究员，得克萨斯农工大学Ashok K. Mishra教授，亥姆霍兹环境研究中心Jakob Zscheischler教授，密歇根州立大学Yadu Pokhrel教授，香港中文大学李剑锋副教授，华北水利水电大学黄生志教授，中国地质大学（武汉）张翔教授、孔冬冬副教授、博士生罗思嘉、李良伟为论文合作者。该工作得到国家自然科学基金（U2340230）等项目资助。

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