越來越缺水的世界

專題報導 04/01/2008


在食物供給不穩定的地區,難以預測的惡劣氣候,為土壤、植物與人口帶來更劇烈的衝擊。面對夏季熱浪乾旱侵襲,究竟需要怎樣的水資源策略?

二○○三年打破歷史紀錄的歐洲大陸熱浪並非憑空發生。在此之前,已經有一段極不尋常的乾燥春季。當時歐陸一片天乾地燥,造成土壤水分蒸發量的急遽減少,也使夏季氣溫變得極高。

氣候科學專家認為,隨著全球氣溫的升高,在本世紀下半段,夏季極端的高溫與旱象將成為常態。而二○○三年年初歐洲大陸土壤水分的快速減少,似乎預示了歐洲接下來的夏季熱浪。熱浪使土壤水分快速消失,極其乾燥的土壤,又助長了熱浪,兩者交互影響。

土壤水分的變化可能影響土壤沖蝕、地表逕流、土壤養分與雲霧形成,但是科學家表示,氣溫上升對土壤含水量的真正影響,仍難確定。許多學者雖對非洲與南美洲的氣候變遷進行模擬,也無法確定未來土壤含水量會有什麼變化。

難以監測

瑞典斯德哥爾摩「國際水資源研究所」水文學家法肯瑪(Malin Falkenmark)等專家都認為,面對無法精確預測的氣候變遷問題,政府機構必須大幅改變水資源規劃與管理的方式,也必須徹底放棄過去「船到橋頭自然直」的消極等待態度。

現有氣候模型都顯示,未來全球的雨量可能增加,然而下雨的頻率卻會減少,土壤含水量極低的時間會持續延長。若觀察現在情況,我們會發現,北美、歐洲、非洲南部與澳洲,已經出現「單一降雨事件雨量增加、旱季延長」的趨勢。

對於科學家來說,土壤濕度的變化趨勢很難捉摸,但是與山區冰河、極地冰層相比較,土壤又似乎更能承受全球暖化的衝擊。多年來科學家在烏克蘭等少數幾個一直詳細記錄土壤狀況的地區進行調查(過去四十五年來,烏克蘭科學家都保留了完整的土壤變化資料),沒有發現能證實土壤狀況已經嚴重惡化的可靠證據。

美國國家大氣研究中心氣候專家米賀爾(Jerry Meehl)也是聯合國跨政府氣候變遷小組(IPCC,去年此組織與前美國副總統高爾共同獲頒諾貝爾和平獎)的成員。他說,IPCC早在二十年前左右就預測「美洲大陸中央在夏季會出現土壤乾燥化的現象」,但是目前還沒有任何證據能支持或駁斥這個多年前完成的預測。

學者建構的氣候變遷模型,大都預測二○五○年以後,除了南極洲以外,所有陸洲都會發生夏季土壤變得更加乾燥的情況。不過,究竟哪些地區的土壤乾燥化會更嚴重,而且嚴重到什麼程度,也很難說,因為每一種模型的預測都不同(圖見本期知識通訊評論),沒有一種模型能夠對各地河川流域及其下層地質的土壤濕度變化進行非常詳細的預測,問題是,在水資源管理專家眼中,這種規模細緻的預測,才是真正有意義的預測。

土壤含水量的預測很困難,主要原因是模擬雨量變化比模擬氣溫變化困難許多。雲層形成、雨滴形成這類會影響雨量多寡的天氣狀態,觀測尺度比現有的氣候變遷電腦模型都要小。各地土壤的組成情形也實在太複雜,現有的氣候變遷模型並不可靠。況且,雨量、水分蒸發、二氧化碳濃度、植物生長與土壤濕度的互動,根本很難以電腦模型呈現。

總之,土壤狀況的監測,比氣溫、降水的測量要困難許多,科學家必須找到一些可以「直接」並且「持續」測量土壤含水量的觀測方法。

技術突破

有人認為衛星遙測可能有幫助。歐洲太空局與美國太空總署都有計劃擴大ERS-1、ERS-2這兩個衛星的觀測項目,以包含土壤濕度的觀測。裝置在這兩個衛星上的微波感測器,應該能夠捕捉地表土壤濕度的即時變化,其感測範圍幾乎可以涵蓋整個地球。即時圖像中植被濃密而且把土壤覆蓋住的區塊,則可以用綠色來代替。

在衛星技術之外,電腦運算能力的提升,也讓學者有機會改進他們的氣候變遷模型。英國埃克塞特大學大學氣候模擬專家考克斯(Peter Cox)說,建構氣候模型的關鍵,在於利用各種不同的資訊來源,將這些資訊融合在一起,建立一個全球資料集。未來,氣候變遷模型與衛星觀測資料如果能在觀測的規模與細緻程度(解析度)上有所整合,研究者就可以把衛星資料輸入電腦模型中,讓模型擁有更強的預測能力。

水資源短缺問題並非人們想像的那樣簡單,一般大眾也常把缺水旱象與飲用水的短缺相提並論。但是,全球水資源短缺的真正後果,是「食物供應量的減少」,而非「飲用水不足」。土壤含水量下降,通常意味著乾旱期出現機率的增加,這直接衝擊農作物的生長。

研究人員說,極潮濕與極乾燥氣候之間的「過渡型氣候區」,最可能受到土壤乾燥化的傷害,非常脆弱。在非常潮濕的地方,土壤水分總是很多,水分蒸發量、降雨量與土壤中水分含量的關係也不是太大。另一方面,在非常缺水的乾旱地區,水分蒸發量本來就很小,蒸發量少,降雨量自然也隨之減少。

科學家還發現,若以地理位置做區隔,北美、撒哈拉以南的非洲、印度北部等等地區,受到氣候變遷的衝擊可能最大,這些地方的乾旱與洪災可能會更頻繁,土壤侵蝕也會更加惡化。

綠水藍水

土壤會把降雨儲存在植物的根部附近,這種位在植物根部的水份,可以稱之為「綠水」,它與河川、湖泊、地下水所儲存的「藍水」有所不同。

在乾燥地帶,藍水通常非常稀少。那些灌溉系統不足的熱帶與大草原地區,旱地農作物的生存,必須完全仰賴土壤吸收降雨的能力。

「綠水」、「藍水」名詞的原創者、水文學家法肯瑪等學者都認為,全球草原帶(各個大陸上乾燥或略微潮濕的地帶)的降雨量當中,只有百分之十到百分之三十被有效率地利用。

他們說,世界各國在管理水資源時,除了考慮自然界本身的變遷,更應該考慮人類對自然帶來的影響,而開發中國家最需要的是第二波「綠色革命」,他們必須對「綠水」的管理方式與土壤保持的作法進行改革,避免農作物受到越來越漫長的旱季的影響,進而提高農作物的產量。

綠水與藍水並不是可以截然區分的水資源,運作順利的灌溉系統,就可以把藍水變成綠水(圖見本期知識通訊評論)。只是,在乾燥地帶要藉由水壩等工程增加水資源供應量並不容易,目前大多數工程人員的思考方向,也還是偏重藍水的利用,很少從匯集綠水的角度來解決缺水問題。

水利工程界的思考模式仍待改進,但熟悉農業的學者,已經提出了一些增加綠水含量的實際作法。例如,在非洲旱地,農夫必須採取「對土壤比較友善」的犁田技術,讓旱季後的降雨能夠真正滲入土壤。這種技術已經在南美洲發揮了效果,農作物的產量也因此增加。有了南美洲的成功範例,專家開始建議非洲農人善用當地的「地表逕流」(雨水或雪水除了被蒸發、被土地吸收、被阻擋的以外,其餘沿著地面流動的水),撐過植物成長季節中的乾旱期。

其實,在撒哈拉以南的非洲地區,就連雨量比較多的年頭,也會出現嚴重的乾旱期,非洲農人的難題一直存在。水文學家法肯瑪就說:「在非洲,『雨季』這個詞代表可能會下雨,但是不代表一定會下雨。」

學者建立的氣候變遷模型大都顯示,全球暖化勢必強化整個「水文循環」,廣泛影響水分蒸發、降雨、逕流等現象。將來,全球陸地的降水可能會稍微增加,這在某些高緯度或熱帶地區尤其明顯。然而,未來的降雨量當中,會有更大一部份屬於雨勢很大的滂沱豪雨。

德國馬克斯普朗克生物地球化學研究所碳循環專家萊斯坦(Markus Reichstein),研究了這種極端雨量對生態系統的影響。他說,生態系統的每一層面、每一種過程,都可能受到雨量變化的衝擊。最近某個跨學科的研究小組也指出,雨量的變化,將會影響所有氣候區,只是不同的生態系統對這些影響的反應也會不同。

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【知識通訊評論月刊六十六期】2008.04.01

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