青藏高原——这座被誉为"亚洲水塔"的世界屋脊，正在经历一场看似矛盾的剧变。过去二十余年，它明显变湿了，土壤日益湿润，植被持续绿变；然而，一项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究却发出了截然不同的警示：这种湿润带来的短暂稳定，很可能在未来数十年内被持续升温彻底逆转。论文题为"Warming-driven rise in soil moisture entropy signals growing instability risk in the Asian Water Tower"，由陈晓松教授领衔的研究团队完成。他们借助物理学中的"熵"概念，首次揭示出青藏高原土壤水系统的深层组织性变化，并预测在本世纪中叶前后，该系统可能跨越临界阈值，陷入一种更无序、更脆弱的新状态。这一发现，为亚洲近二十亿人口的水资源安全敲响了新的警钟。

一、变湿促稳：青藏高原土壤水系统在增湿中走向"有序"

传统观念中，土壤变湿往往意味着更多的水资源储备和更强的生态韧性。但这项研究指出，韧性增强的深层机制并不在于水多了本身，而在于水如何分布与组织，变湿的过程正在重塑整个系统的协同模式。

陈晓松教授研究团队采用其原创的本征微观态统计物理学方法及本征微观态熵（Eigen Microstate Entropy，S_EM），将2000年至2024年的青藏高原土壤水系统视为一个复杂动力系统。在这里，熵的核心含义是无序度：熵越低，说明土壤水的变化越集中在少数几个协同的本征微观态上，系统越有序、越稳定；熵越高，则意味着变化杂乱无章，系统抵御扰动的能力越差。

分析结果揭示了一个清晰的长期趋势：在过去24年间，随着青藏高原整体变湿，土壤水的熵值显著下降（月均下降0.000021，p < 0.001），表明水文系统正因水分增加而变得更加井井有条、更加有序。尤其值得注意的是，2018年成为了一个关键转折点，此后熵的下降速度骤增至此前的近十倍。论文指出，这背后的物理机制是：更湿润的土壤拥有更强的水文缓冲能力，能够吸收干旱或蒸散发激增等外部扰动，从而将系统波动压缩在少数主导模式中。换句话说，水分充当了系统的"粘合剂"，让原本松散的土壤水网络形成了更紧密的协同结构。

二、ENSO的"遥控"：太平洋如何搅动青藏高原土壤水秩序

然而，这种由湿润带来的秩序并非牢不可破。研究发现，青藏高原土壤水的无序度受到远在太平洋的厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的显著调制。

通过比对尼诺3.4区的温度场熵与高原土壤水熵，研究团队发现了一个滞后约六个月的强相关关系（相关系数达0.59，p < 0.001）。在厄尔尼诺年（如2004、2015、2023年），高原土壤湿度熵值陡增，系统陷入混乱；而在拉尼娜年（如2007、2010、2011、2017年及2020–2022年的三重拉尼娜事件），熵值则显著降低。

进一步分析显示，ENSO主要通过塑造一个西–西南偶极子空间模态来发挥作用：厄尔尼诺事件会加剧青藏高原西部与西南部之间的土壤湿度反差——西部变得更湿，西南部则更干；拉尼娜则相反。这种被放大的空间异质性直接推高了整个系统的熵值。论文指出，降水是驱动这一偶极子的主因，而ENSO通过改变印度洋–太平洋的大气环流，远程调控着高原上的水汽输送。可以说，太平洋的一丝涟漪，就能在半年后搅动世界屋脊的水秩序。

图1 青藏高原土壤水熵的演化及其受ENSO的调控作用

(a)2000—2024年青藏高原土壤水熵（S_TP）时间演化（黑色曲线）呈现显著下降趋势。分段回归表明，下降速率在2018年前后发生变化：2018年之前趋势较弱（p < 0.1），之后则显著加速（p < 0.001）；(b) 2018年前后两个时段空间平均土壤水的箱线图；2018年后土壤水系统转向更湿润的状态，且系统无序度降低；(c) 熵对土壤水的空间依赖性。土壤湿度时间平均较高的格点表现出较低的熵；(d) S_TP（黑色）与S_ENSO（蓝色）的演化。S_TP滞后S_ENSO 6个月时，达到最大相关系数r = 0.59（p < 0.001），凸显了ENSO对青藏高原土壤水熵调控作用。

图2 ENSO通过改变空间异质性调控土壤水熵

(a) 土壤水第一大本征微观态的空间模态（SM U₁），呈现出西部—西南部偶极子分布特征。(b) 土壤水第一大本征微观态的时间演化（SM V₁，蓝色）与ENSO指数（MEI.v2，红色）的时间演化，两者表现出强相关性（r = −0.60，p < 0.001）。(c) S_TP（蓝色）与区域间土壤水差异δ_SM（红色）的协同演化，空间异质性越高，系统熵也越高（r = 0.66，p < 0.001）。(d) ENSO相位对空间异质性的调控。

三、未来预警：升温将逆转秩序，2052年或现突变

如果说历史数据展现了一幅因湿润而暂时稳定的图景，那么研究团队对CMIP6气候模式的未来预测则勾勒出一幅令人忧虑的反转画面。

在SSP126、SSP245和SSP585三种排放情景下，青藏高原土壤水的熵值均将在2025年至2100年间呈现显著上升趋势。这意味着，随着未来变暖持续，土壤水系统将逐步丧失其组织性，变得更加无序。特别是在高排放的SSP585情景下，主导系统的偶极子模态将在2052年左右出现一个显著的转折点。此后，西部与西南部之间的土壤水反差将急剧扩大，熵值加速攀升。

更引人注目的是，在IPSL-CM6A-LR模式中，研究人员识别出了一个典型的"临界转变"（critical transition）信号：

2025–2051年：相对稳定期；

2052–2076年：快速转变期，土壤水偶极子急剧衰退；

2077年后：系统进入一个新的稳定态，但那是以高原大部分地区广泛干旱化为代价的。

这与论文中引用的局部促进细胞自动机（LFCA）理论模型高度吻合。在该模型中，熵的上升总是先于系统的突变性崩溃，如同地震前的前兆波动。论文强调：观测到的湿润降低了熵，而未来变暖驱动的干燥将提升熵，这种相反方向上的协同变化，强有力地证实了土壤水可用性与系统无序度之间存在稳健的负相关关系。

图3 青藏高原土壤水系统的未来演化

(a) 历史时期（2000—2024年，黑色）与CMIP6模式未来（2025—2100年）的STP，阴影表示标准误。与历史下降趋势不同，未来情景（SSP126、SSP245、SSP585）均呈现显著的上升趋势（p < 0.001），表明系统正趋向于更加无序和不稳定的状态。(b) SSP585情景下，主导的偶极子模态的多模式集合平均U₁。矩形框标定了偶极子的关键中心：区域1（青藏高原西部，负相位）和区域2（青藏高原西南部，正相位）。(c) 主导的偶极子模态时间演化（V₁，蓝色）与区域间土壤水分差异（δ_SM，红色）的多集合平均演化，阴影表示标准误。分段线性回归识别出2052年关键转折点（灰色虚线）。V₁在转折点后呈现显著下降趋势（p < 0.001），斜率超过此前值的两倍。δSM在转折点前无显著趋势，而此后则显著上升（p < 0.001）。(d) IPSL-CM6A-LR模式（SSP585）的V₁显示出三个不同阶段：2025—2051年的相对稳定状态、2052—2076年的快速状态转换期（p < 0.001），2077—2100年达到新的稳定状态。

四、失序的代价：下游水安全面临级联风险

为什么熵增值得警惕？研究者在讨论部分指出，一个熵值更高、空间异质性更强的土壤水系统，意味着水资源的时空分布将更加不可预测。青藏高原作为亚洲十大河流的源头，其水文系统的失稳将通过遥相关和大气反馈，对南亚、东亚的农业、水电和防洪产生级联影响。

事实上，2022年羌塘高原的极端热浪，以及同年东亚热浪与南亚洪水的并发，都已显示出青藏高原土壤水异常通过陆–气耦合和罗斯贝波路径远程影响气候的潜力。如果本世纪中叶真的发生研究所预测的系统性转变，目前的水资源管理模式可能将面临根本性的挑战。

结语

这项研究的价值，不仅在于它首次将"熵"这一抽象物理量成功转化为评估水文系统稳定性的实用诊断工具，更在于它揭示了一个深层气候悖论：短期的湿润可能掩盖长期的脆弱性。正如论文所言，当前的变湿趋势提供了一层稳定缓冲，但持续变暖正在从底层瓦解这一缓冲的组织结构。

对于政策制定者而言，这一发现传递的信息是明确的：不能仅凭青藏高原正在变绿变湿的表面现象而放松警惕。建立一个跨越本世纪中叶的、适应高异质性水文情景的水资源韧性框架，已刻不容缓。因为当亚洲水塔的秩序开始崩解时，它带来的可能不是渐进的干旱，而是一场突如其来的系统重构。

论文信息

该论文由陈晓松教授领导完成，北京师范大学国家安全与应急管理学院博士生谢怡燃为第一作者，慕尼黑工业大学刘腾博士、国家安全与应急管理学院汪明教授、浙江大学物理高等研究院陈晓松教授为共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划（2023YFE0109000）和国家自然科学基金（12135003）的资助，以及欧盟Horizon Europe ClimTip项目支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76955-w

供稿：谢怡燃

编辑：郝林青

审核：李  辉