沉降三角洲泻湖中湿地退化的机制

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Mechanisms of wetland deterioration in a sinking deltaic lagoon

湿地沉陷与悬浮物浓度关系研究——以密西西比河三角洲平原西特雷布隆湾为例，通过AVIRIS-NG高分辨率遥感数据、数值模型和实地观测，揭示沉陷增强潮汐水体悬浮物输入并触发河道侵蚀，进而通过沉积物再悬浮支撑湿地平台垂直增长，为海平面上升影响预测提供机制依据。

　　

Carmine Donatelli|Cedric Fichot|Sergio Fagherazzi

美国马萨诸塞州列克星敦市大气与环境研究机构

摘要

沿海湿地是植被覆盖的地形，为社会提供了多种生态系统服务。这些生态系统对相对海平面上升（RSLR）的脆弱性与相邻水体中的悬浮沉积物量有关。沉积物通过多种过程被输送到湿地表面，在那里它可以促进垂直堆积并抵消RSLR的影响。在本研究中，我们利用NASA下一代机载可见光红外成像光谱仪（AVIRIS-NG）提供的总悬浮固体（TSS）浓度地图、数值模拟、航空影像和实地观测数据，来推断密西西比河三角洲平原西部Terrebonne湾湿地动态的控制机制。具体来说，我们以Terrebonne湾为例，探讨了湿地在陆地沉降时的响应情况。研究发现，沉降通过增加潮汐棱柱和引发河道侵蚀作用，从而增加了水柱中的悬浮沉积物含量。了解这些反馈机制对于预测和管理RSLR对湿地的影响具有重要意义。

引言

沿海湿地是位于陆地与海洋交界处的植被覆盖区域。这些脆弱的沿海栖息地通过固碳、为众多鸟类和鱼类提供栖息地以及减少海岸侵蚀等方式，为社会提供了重要的生态系统服务[例如，Costanza等人，2014；2017；Guimond等人，2020]。由于各种压力因素，这些宝贵的生态系统正在全球范围内消失，其快速衰退引发了人们的担忧[例如，Lin等人，2021；Murray等人，2022]。湿地的丧失对沿海社区构成了严重威胁，因为它会加剧极端事件对基础设施的影响，并在洪水情况下增加经济损失[例如，FitzGerald等人，2008；Temmerman等人，2013；Talke & Jay，2020；Orton等人，2023]。

湿地主要通过两种机制退化：侧向侵蚀和淹没。侧向侵蚀是指由于风浪作用导致沉积物从湿地边缘被移除[例如，Schwimmer & Pizzuto，2000；Carniello等人，2011；Marani等人，2011；FitzGerald & Hughes，2019]。当相对海平面上升（RSLR，即海平面上升与垂直陆地运动的结合）超过湿地沿垂直方向积累沉积物的能力时，就会发生淹没，逐渐使植被覆盖的平台被淹没[例如，Marani等人，2007；D’Alpaos等人，2012]。即使没有海平面上升，河流和沿海海洋提供的沉积物不足也可能导致湿地系统的崩溃（这里的“系统”指的是植被覆盖的平台及其邻近的非植被区域——例如小溪和潮间带——作为一个整体形态单元）[Mariotti & Fagherazzi，2010]。

评估RSLR的影响时，通常会利用潮间带和河道内水柱中的悬浮沉积物量来衡量湿地对海平面上升和沉降（即垂直向下移动）的脆弱性[例如，Kirwan等人，2010]。这些评估假设湿地接收的沉积物是均匀分布的[例如，Schuerch等人，2018；Ratliff等人，2015]，但实际上沉积物分布存在空间差异。仅依靠实地观测来捕捉这种差异效率低下、耗时且成本高昂[例如，Aldsdorf等人，2007]。因此，需要补充工具来扩展实地测量提供的空间信息。

数值模型常用于生成悬浮沉积物分布图。然而，模型的可靠性经常受到质疑，且缺乏用于验证的空间连续观测数据。高空间分辨率的遥感技术（空间分辨率小于10米）正成为填补这一数据空白的强大工具，能够提供潮汐环境中悬浮沉积物变化的概览[例如，Jensen等人，2019；Donatelli等人，2023]。NASA的下一代机载可见光红外成像光谱仪（AVIRIS-NG）是一种先进的高光谱光学传感器，能够在湿地水道表面以高空间分辨率提供准确详细的总悬浮固体（TSS）浓度分布[Harringmeyer等人，2024]。这种机载传感器结合其他技术，可以提供关键信息，帮助理解和预测湿地的损失与恢复。

本研究使用了2021年NASA Delta-X春季和秋季考察期间使用AVIRIS-NG收集的TSS浓度详细地图[Fichot & Harringmeyer，2022]。这些地图数据经过实地测量验证[Harringmeyer等人，2024]，并提供了密西西比河三角洲平原三个流域（特别是Terrebonne湾西部、Fourleague Bay和Atchafalaya Bay）的高空间分辨率（约4-5米）TSS浓度估计（图1）。我们将这些TSS数据与数值模拟、航空影像和实地观测相结合，以推断影响Terrebonne湾湿地动态的机制。该地区是美国土地损失较为严重的热点区域。同时研究了所选系统与邻近海湾之间的相互作用。我们的研究旨在回答以下问题：1）Terrebonne湾西部潮道内的TSS分布受哪些过程控制？2）所有湿地是否以相似的机制退化？3）如果不同，其原因是什么？这些问题对于判断该系统内的湿地能否抵御RSLR至关重要，并为路易斯安那州乃至全球的适应和缓解策略提供依据[例如，Wilson & Allison，2008；Jankowski, T?rnqvist, & Fernandes，2017；Minderhoud等人，2017；Dunn & Minderhoud，2022]。

研究区域与站点选择

Terrebonne湾是位于路易斯安那州南部的一个浅水微潮汐三角洲泻湖，介于密西西比河三角洲和Atchafalaya Bay之间（图1b）。该泻湖长约70公里，由几座长约10公里的屏障岛与墨西哥湾隔开。潮汐入口负责在泻湖与沿海海洋之间交换水和沉积物。这里的潮汐为昼夜周期性，平均天文潮差为0.32米。该系统正在经历路易斯安那州最快的湿地退化过程之一。

方法

首先，我们利用AVIRIS-NG的高空间分辨率数据探讨了Terrebonne湾西部悬浮沉积物的空间变化，并研究了其与Atchafalaya Bay之间的沉积物交换情况（小节3.1）。然后，我们通过数值模拟计算了三个站点的床面剪切应力，以更好地理解影响TSS浓度的潜在过程（小节3.2）。最后，我们利用航空影像和实地观测数据量化了

通过遥感技术检测到的Terrebonne湾西部的沉积物动态

AVIRIS-NG拍摄的Terrebonne湾西部影像显示，在Delta-X春季考察期间悬浮沉积物存在显著的空间变化。Atchafalaya河在推动这种变化中发挥了重要作用，它将沉积物输送到路易斯安那州海岸线及Fourleague Bay（图2a）和Terrebonne湾西部部分地区（图2、图3a、b）。然而，在直接受河流沉积物影响的区域之外也出现了高TSS浓度（见站点421的位置）

讨论

我们利用高空间分辨率的遥感数据、水动力建模、航空影像和实地观测，研究了沉降三角洲泻湖中湿地退化的机制，并提出了在RSLR影响下湿地演变的概念框架。本研究关注的系统位于密西西比河三角洲平原，其部分区域的植被覆盖正在迅速消失。总的沉降量（包括浅层和深层沉降）存在差异

结论

本研究整合了实地测量、建模和遥感数据，提出了一个关于退化沿海系统中湿地演变的概念性机制框架。具体而言，本文的主要结论如下：

• 1.
  在Delta-X春季考察期间，AVIRIS-NG显示Terrebonne湾西部TSS浓度较高，这种情况既出现在受河流影响的区域（例如站点322、399），也出现在沉积物匮乏的区域（例如站点421）。
• 2.
  我们使用了数值

作者贡献声明

Sergio Fagherazzi：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。Cedric Fichot：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据管理。Carmine Donatelli：撰写——初稿撰写、调查、数据分析、概念构建

未引用参考文献

D’Alpaos等人，2010；Greenberg等人，2022；Groves等人，2023；Liu等人，2018；Marani等人，2010；Neukermans等人，2012b；Ralston和Geyer，2017；van de Kreeke和Brouwer，2017；Varugu和Jones，2023；Whaling和Shaw，2020。

数据可用性声明

AVIRIS-NG数据可从ORNL DAAC下载（https://daac.ornl.gov/daacdata/deltax/）。CRMS站的观测数据可在此处获取：https://www.lacoast.gov/crms_viewer。CRMS站点的插值深沉降率数据可在此处获取：https://mpdap.coastal.la.gov/。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢编辑和两位匿名审稿人的宝贵意见。S.F.和C.F.获得了NASA地球系统科学项目“增强沿海韧性”（奖项编号80NSSC23K0129）以及NASA Delta-X项目“Earth Venture Suborbital-3计划”（编号NNH17ZDA001N-EVS3）的资助。S.F.还获得了NSF的DEB-2425178号资助（用于Virginia Coast Reserve长期生态研究项目）和OCE-2224608号资助（用于Plum Island生态系统长期生态研究项目）。