气象干旱可以传递到土壤干旱和生态干旱，导致土壤水分锐减和植被绿度下降，从而扩大生态系统受干旱影响的范围，并引发一系列级联性的功能退化。然而，“气象—土壤—生态”干旱的传递过程是否存在非线性放大效应，从而增加生态系统在干旱期间所遭受的损失，尚缺乏系统性定量评估。这极大地削弱了对灾难性干旱级联事件的预警与防控能力。
近日，北京师范大学地理科学学部李小雁教授领衔的国家自然科学基金“气候—水文—土壤—植被耦合机制与模拟”创新群体在Communications Earth & Environment期刊发表了题目为“Drought propagation as a nonlinear amplifier of ecohydrological damage”的研究论文。该研究创新性地提出了生态水文损失（ecohydrological damage）的概念，并将其定义为干旱期间植被绿度与土壤湿度标准化负异常的累积值。基于“生态—水文”耦合的视角，该指标综合表征了干旱事件导致的植被结构退化与土壤水分亏缺的系统性损失。
研究发现，干旱可以沿多种路径从气象干旱（M）传递至土壤干旱（S）和生态干旱（E），包括M–S、M–E、M–S–E和M–E–S。在所有路径中，生态水文损失均被放大，达到了初始气象干旱强度的162%—310%（图1）。这种放大效应通过土壤干旱与生态干旱持续时间的延长以及峰值强度的加剧得以实现。特别的是，当气象干旱强度超过3.08的标准化阈值后，干旱传递时间骤减；当气象干旱强度超过2.18的标准化阈值后，生态水文损失骤增。在全球，干旱传递放大了99%的被影响地区的生态水文损失，其中77%地区的生态水文损失超过了初始气象干旱强度的2倍，30%地区的生态水文损失超过了初始气象干旱强度的3倍（图2）。
图1 干旱沿不同路径从气象干旱（M）到土壤干旱（S）和生态干旱（E）的传递特征
图2 干旱传递时间和生态水文损失随气象干旱强度的变化，以及生态水文损失与气象干旱强度比值的空间分布图
从外部驱动的角度而言，降水亏缺和潜在蒸散发盈余是气象干旱两个截然不同的驱动因素。土壤和生态干旱分别对降水亏缺和潜在蒸散发盈余更敏感，且前者传递得更快、更有效。从内部相互作用的角度而言，当气象干旱先传递至土壤干旱时，低的土壤湿度加剧了后续的生态干旱；而当气象干旱先传递至生态干旱时，低的叶面积指数通过减弱的蒸腾作用降低了水分消耗，从而缓解了后续的土壤干旱（图3）。因此，当气象干旱先触发土壤干旱、再触发生态干旱时，将引发最大的生态水文损失。上述结果为提升干旱预警和预防能力、应对气候变化下日益加剧的干旱挑战和减轻灾难性干旱级联效应提供了重要的科学依据。
图3 从气象干旱到土壤干旱和生态干旱传递的概念图
北京师范大学地理科学学部博士研究生屈卓然为论文第一作者，李小雁教授为通讯作者，其余合作作者包括西班牙生态与林业应用研究中心Josep Peñuelas教授、清华大学陈德亮院士以及北京师范大学地理科学学部缪驰远教授等。该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目（42521001）、中华人民共和国教育部学科突破先导项目（JYB2025XDXIM901）、北京师范大学地理科学学部自然资源学院“英才计划”项目（2024YC06）等资助。