在亞利桑那州南部的卡特琳娜山脈，干旱和野火活動的增加影響了這里的森林。圖片來源：Park Williams

已故詩人、諾貝爾文學(xué)獎得主T. S. Eliot曾寫到：干旱是地球的死亡。

干旱曾被定義為缺乏生命所需的水。一些學(xué)者認(rèn)為，1921年襲擊英國的一場大旱使得Eliot在詩歌中反復(fù)提及水和干旱。那一年，英國部分地區(qū)的降雨量不足260毫米，是有記錄以來的最低水平之一。

目前，隨著人口增長、氣候變化、地下水供應(yīng)減少，干旱對人類和環(huán)境構(gòu)成了越來越復(fù)雜的挑戰(zhàn)。4月17日，《科學(xué)》出版特刊探討了干旱對過去、現(xiàn)在和未來科學(xué)及社會的影響。研究人員評估了干旱成因及其對森林和土壤的影響，以及提高作物抗旱性等方面的進(jìn)展。

“單是干旱造成的作物年減產(chǎn)就比所有病原體的總和還多。”西班牙巴塞羅那自治大學(xué)農(nóng)業(yè)基因組研究中心的Ana I. Cano-Delgado告訴《中國科學(xué)報》，“因此，我們應(yīng)該努力尋找高產(chǎn)抗旱的新型作物。”

而氣候變暖又雪上加霜，讓干涸的土地更加燥熱。從2000年開始，美國西部和墨西哥北部就遭受了持續(xù)不斷的干旱�？茖W(xué)家警告說，氣候變化可能正在把該地區(qū)推向有史以來最嚴(yán)重的長期干旱。未參與這些研究的美國亞利桑那大學(xué)氣候?qū)W家Connie Woodhouse表示，“變暖將會加劇干旱，使干旱更嚴(yán)重、持續(xù)時間更長、范圍更廣。”

史無前例大干旱正在發(fā)生

同期雜志發(fā)表的一項新研究表明，一場甚至比已知的史前最糟糕災(zāi)難的超級大干旱很可能正在發(fā)生，而氣候變暖在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這項研究基于現(xiàn)代天氣觀測、1200年的年輪數(shù)據(jù)和幾十種氣候模型。

“早期研究主要是對未來的模型預(yù)測，但后來我們更專注的是現(xiàn)狀。”該研究主要作者、哥倫比亞大學(xué)拉蒙特—多爾蒂地球觀測站生物氣候?qū)W家Park Williams說，“現(xiàn)在我們有了足夠的關(guān)于當(dāng)前和過去干旱的年輪觀察結(jié)果，可以說我們正處于跟最嚴(yán)重史前干旱相同的軌道上。”

這項新研究覆蓋了美國9個州，從俄勒岡州和蒙大拿州，一直到加利福尼亞州和新墨西哥州，以及墨西哥北部的部分地區(qū)。研究人員利用數(shù)千棵樹的年輪繪制出了該地區(qū)從公元800年開始的數(shù)十次干旱的圖表。其中4次是所謂的超級大干旱：分別是9世紀(jì)晚期、12世紀(jì)中期、13世紀(jì)和16世紀(jì)晚期。他們將古代的特大干旱與土壤濕度記錄進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，目前的旱情已經(jīng)超過了前三次大旱，僅次于第四個時期（1575年至1603年），但差異很小。而且目前的干旱比以往任何一次都更持續(xù)地影響更廣泛的地區(qū)——這是全球變暖的一個特征。

“這是否真是有史以來最嚴(yán)重的干旱并不重要。”論文作者、戈達(dá)德空間科學(xué)研究所的Benjamin Cook說，“重要的是，由于氣候變化，情況變得更糟糕。”研究人員說，由于氣溫預(yù)計將繼續(xù)上升，干旱很可能在可預(yù)見的未來繼續(xù)下去。

其影響也是顯而易見的�？屏_拉多河沿岸的米德湖和鮑威爾湖是該地區(qū)農(nóng)業(yè)的重要水源，但它們的蓄水量已經(jīng)急劇縮小，蟲害暴發(fā)正在破壞干涸的森林，加州和美國西部的野火也在蔓延。

文明覆滅  森林消失

從古至今，干旱帶來的打擊一直都是毀滅性的。

大約1400年前， Wari殖民者到達(dá)秘魯南部的莫克瓜山谷。這一次，殖民者做了一件令當(dāng)?shù)厝艘庀氩坏降氖�，他們并沒有占領(lǐng)已經(jīng)有人居住的肥沃谷底，而是占領(lǐng)了高而干燥的荒蕪?fù)恋�。他們修建了運河和引水渠，把山坡雕刻成梯田，以便有效地收集和分配雨水和融雪的水到農(nóng)田中。

最近的研究表明，這種創(chuàng)新的水利工程使Wari得以擴(kuò)張和繁榮了大約400年。然而，一個難題是，它的終結(jié)似乎與一場嚴(yán)重的干旱同時發(fā)生。縱觀歷史，這種模式似乎很熟悉，其他古代文明，包括瑪雅文明和古埃及王國，似乎都在干旱時期崩潰了。但是，干旱是如何使Wari這個建立在最大限度利用有限水資源基礎(chǔ)上的社會走向滅亡的？

為了找到答案，研究人員正試圖重建人類和環(huán)境的故事。阿肯色大學(xué)費耶特維爾分校環(huán)境考古學(xué)家Benjamin Vining說，安第斯山脈氣候歷史極其復(fù)雜，唯一更復(fù)雜的是人類行為。

一場山體滑坡和隨之而來的極度干旱，使Wari似乎變得支離破碎，直到公元1050年徹底瓦解。菲爾德博物館考古學(xué)家Patrick Ryan Williams認(rèn)為，在維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施方面不斷增加的派系斗爭和不斷減少的合作可能意味著，氣候開始變化，這個社會也更容易受到影響。缺水并非古代社會崩潰的唯一原因，社會和自然之間有復(fù)雜的相互作用，干旱有時只是將楔子深深插入政治和經(jīng)濟(jì)體系的已有裂縫中。

除了人類社會，干旱同樣會顛覆樹木“社會”。“樹木是大多數(shù)陸地生物多樣性賴以生存的基礎(chǔ)。與珊瑚相似，樹種具有相當(dāng)不靈活的損害閾值，尤其是在水脅迫方面，這一點尤其令人擔(dān)憂。”澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)生物學(xué)家Timothy J. Brodribb告訴《中國科學(xué)報》。

Brodribb及同事探討了未來的森林將如何在更熱、更干燥的大氣中生長。沒有一種樹能在嚴(yán)重的干旱中存活，要了解未來干旱對樹種多樣性的影響，需要詳細(xì)了解不同樹種的功能與其環(huán)境之間的相互作用。研究人員表示，溫度和大氣中的二氧化碳濃度這兩種強(qiáng)有力的環(huán)境驅(qū)動因素的迅速變化，可能顯著改變樹木在干旱期間的行為方式。

分析結(jié)果顯示，極端快速的氣候變化似乎給全球森林死亡率帶來了巨大的不穩(wěn)定性。大多數(shù)模型預(yù)測，如果目前的氣候軌跡不能得到改善，下個世紀(jì)森林將受到嚴(yán)重破壞，而且森林的衰退正在進(jìn)行中。研究人員表示，在干旱和高溫的直接或間接作用下，樹種滅絕是必然的。

對抗干旱

干旱對農(nóng)業(yè)、人類和牲畜都影響深遠(yuǎn)。在過去的十年中，全球因干旱造成的農(nóng)作物損失總計達(dá)300億美元，預(yù)計到2050年將有50億人生活在缺水地區(qū)。Cano-Delgado指出，氣候變化正把人們引向更炎熱、更干旱的世界，現(xiàn)在迫切需要生產(chǎn)出比目前同類植物能更有效利用水的高產(chǎn)植物。

Cano-Delgado等人探討了水分有效性如何誘導(dǎo)細(xì)胞和組織的生長模式，以及這些模式如何在整個植物中協(xié)調(diào)一致，以提高其抗旱性而不損失產(chǎn)量。干旱響應(yīng)性狀的組織或時間特異性表達(dá)可在不降低產(chǎn)量的前提下改善干旱響應(yīng)。盡管水不安全狀況加劇，但綜合策略可能會提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

研究人員表示，在中度干旱條件下維持作物生長的遺傳性狀可能有多種來源，包括野生親緣或生物工程中的自然遺傳變異。傳統(tǒng)育種也一直是開發(fā)自然等位基因適應(yīng)性性狀遺傳多樣性的主要策略。而基因組工具的出現(xiàn)，如全基因組關(guān)聯(lián)研究和使用CRISPR-Cas9系統(tǒng)進(jìn)行精確的基因組編輯，有助于提高干旱條件下植物產(chǎn)量和性能。

此外，與植物根部相關(guān)的微生物可以改善植物的生長，它們能增強(qiáng)作物對未來干旱的恢復(fù)能力。“目前，我們對植物和微生物間干旱反應(yīng)的復(fù)雜反饋主要來自對照實驗中的非作物植物，因此需要改進(jìn)對干旱期間，特別是干旱之后相關(guān)反饋機(jī)制的理解。”英國曼徹斯特大學(xué)的Franciska T. de Vries告訴記者。

Vries等人分析了干旱響應(yīng)、植物信號、微生物機(jī)制、益生菌和植物代謝等方面的研究，他們認(rèn)為，要加強(qiáng)對這些反饋的理解，研究需要把重點放在作物上，并在田間條件下進(jìn)行試驗。“我們需要將生態(tài)學(xué)與植物、微生物和分子方法相結(jié)合，這是使作物生產(chǎn)更能適應(yīng)未來氣候的關(guān)鍵。”Vries說。