近期，由荷兰科学家牵头，共32名国际知名科学家组成的研究团队在Nature发表长文揭示世界“水塔”的重要性和脆弱性。地表过程与资源生态国家重点实验室主任效存德教授因在国际上首次提出冰冻圈功能和服务理论体系而被邀参与撰写此文，参与的中国科学家还有中科院青藏高原研究所姚檀栋院士。
全球高山地区被誉为“水塔”，是地球上的独特地理单元，以高峻地形插入大气水汽凝结高度甚至冰冻圈高度，形成独特的“湿岛”效应。这些“水塔”在全球水循环中扮演着极其重要的角色，确保了地球上大量的自然和人类用水需求。对我国而言，水塔不但是滋养西北干旱区绿洲存续和可持续发展的“生命线”，更是大江大河的源头。高山山区生物多样性异常丰富，全球三分之一的陆地生物多样性以及二分之一的生物多样性热点区位居于此。山地系统提供着大量的生态系统服务和冰冻圈服务，包括供给、调节、文化和支持服务等众多方面。然而，高山地区对气候变化高度敏感，随着全球变暖，高山地区冰冻圈退缩，降水和蒸发蒸腾模式不断改变，导致山地水资源供应时间和规模发生变化。此外，陡峭的地形和极端的气候条件经常引发滑坡、泥石流、雪崩、冰湖溃决洪水等多种灾害，人口增长、城市化以及经济和基础设施的发展可能进一步增加灾害暴露度，加剧水塔地区的脆弱性。然而，目前在全球范围内尚未对“水塔”的重要性和脆弱性进行量化。
该研究在全球范围内定义了78个水塔单元，水塔的重要性以山区“供给侧”和受影响区“需求侧”综合指标而界定。即通过从降水量、积雪、冰川和地表水储量四个维度构建供给指数，从生活需水、工业需水、灌溉需水和自然需水等维度构建需求指数（图1）。随后通过构建水胁迫、管制效率、国际河流冲突等静态指标和气候变化以及社会经济变化动态指标，定量评估了高山水塔的脆弱性（图2）。研究指出，水塔对于维持地球上的生命至关重要，而且最重要的水塔也往往也最脆弱。未来几十年气候和社会经济变化将深刻影响世界水塔单元，可能给下游数十亿人类带来灾难性的影响。因此全球必须立即采取行动，以维护世界上最重要和最脆弱的水塔的未来。
目前全球2.5亿人和16亿人（约占全球的22%）分别居住在水塔及其相关流域，GDP则分别占到全球的4%和18%。利用统一框架对世界水塔的重要性和脆弱性进行评估，将为指导全球高山区研究、保护和政策制定工作提供重要理论依据。
效存德教授团队近年来在国家自然科学基金重大项目、科技部重点研发计划专项以及北京师范大学人才引进项目的支持下积极推动冰冻圈功能和服务研究，在国际上首次建立了冰冻圈服务分类体系和评估体系，辨识了全球变暖背景下冰冻圈功能及其服务衰退的级联效应，并结合“一带一路”倡议、“2022年北京冬奥会”和“冰上丝绸之路”等重大国家需求积极开展相关研究，研究成果发表在《Nature》《National Science Review》《The Cryosphere》《Advance in Climate Change Research》《Sustainability》《科学通报》等期刊，并被《Nature》《PNAS》等知名期刊和IPCC AR6特别报告引用。
图1 水塔指数(WTI)、水塔单元及其下游流域的人口。图上标明了洲际尺度五个水塔指数最高的水塔。柱状图显示了生活在水塔单元内的人口和海拔以及和水塔单元距离的关系。
图2 各大洲前5位水塔单元的脆弱性和预测的变化。较大的多边形表示总脆弱性。BWS是流域基线水胁迫；GE是流域政府效率；HT是跨境水冲突；dGDP和dPop是根据共享社会经济路径预测的2000年到2050年国内生产总值和人口的变化；dP和dT是根据RCP4.5的CMIP5多模型集成平均值预测的2000年至2050年间的降水和温度变化。彩色填充表示水塔指数