《Groundwater for Sustainable Development》：Influence of Land Transformations on the Hydrodynamics of the Pampeano–Puelche Aquifer System: A Spatiotemporal Analysis in Gran La Plata, Argentina (1991–2023)
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本研究评估了1991-2023年阿根廷格兰拉普拉塔地区潘帕斯盆地地下水系统动态，发现城市化与农业集约化导致地下水位年均下降速率从-0.05 m/yr增至-0.27 m/yr，89%区域地下水呈净减少趋势。空间分析表明草皮转城市用地（I=-0.27）、温室种植（I=-0.18）及耕地扩张（I=-0.14）与地下水凹陷区显著相关，而河岸植被保护区域水位稳定性较高（I=+0.48）。在干旱化气候背景（SPEI-12从+0.26转为-0.45）下，土地转型成为地下水空间异质性主要驱动因素。
Felipe Herrera Ni?o|Daiana Dell' Arciprete|Silvina Carretero|Eduardo Kruse
拉普拉塔国立大学自然科学学院与博物馆综合外来动力研究中心（CEIDE），阿根廷布宜诺斯艾利斯市拉普拉塔区64号街3号，邮编1900
摘要
城市扩张和农业集约化会减少地下水的补给量，集中地下水需求，并改变多层含水层系统的水力梯度。本研究评估了1991年至2023年间阿根廷大拉普拉塔地区Pampeano–Puelche含水层系统的土地利用/土地覆盖（LULC）变化及水动力变化。研究方法结合了基于Landsat的LULC制图（1991/2003/2023年）和通过留一法交叉验证的克里金插值水位面。使用双变量Moran’s I指数和局部空间关联指数（LISA）分析了特定转换类型的空间关联，并通过12个月标准化降水-蒸散指数（SPEI-12）评估了水文气候背景。结果表明，草地面积从36.7%下降到20.9%，城市用地面积增加到26.2%，温室种植面积增加了七倍。平均水头下降了5.9米，抽水速率从1991-2003年的每年-0.05米加快到2003-2023年的每年-0.27米。89%的研究区域出现了地下水位的净下降，其中36%的区域水位低于海平面（<0米）。空间统计分析显示，草地转变为低密度城市用地（I = -0.27）、温室（I = -0.18）和农田（I = -0.14）的区域在空间上呈现出聚集趋势；而河岸植被的存续与水位稳定性正相关（I = +0.48）。2003年后水文气候条件变得更加干燥，SPEI-12指数从+0.26（微湿润）降至-0.45（微干燥）。然而，双顶点凹陷锥体仍与LULC转换热点区域在空间上一致，表明土地转换是地下水枯竭的关键空间因素。这些发现支持通过保护补给区和河岸走廊、为新开发项目设定渗透性能标准以及在转换热点区域优先实施监测、计量和容量限制来实现可持续的地下水管理。
引言
地下水约占全球淡水储量的30%，是全球数十亿人的主要饮用水来源（Shiklomanov, 1993; UNESCO, 2022）。快速的城市化和土地利用/土地覆盖（LULC）变化对含水层系统造成了越来越大的压力，尤其是在人口增长超过基础设施建设速度的情况下（Mishra et al., 2014; Elmahdy et al., 2020）。这种压力在多个地区都有体现，包括半干旱的墨西哥（LULC变化影响了地下水质量，Reyes Gómez et al., 2017）、阿拉伯联合酋长国（城市扩张导致地下水枯竭，Liaqat et al., 2021）以及印度快速城市化的地区（地下水水位随城市发展而下降，Nath et al., 2020; Verma et al., 2024）。这些变化通过改变补给条件和加剧局部需求威胁到城市水资源安全，并阻碍了实现可持续发展目标6（清洁水和卫生设施）的进程。将LULC动态与地下水响应联系起来需要理解其背后的水文机制。城市扩张由于不透水性的增加而减少了渗透，同时促进了地表径流（Han et al., 2017）。农业集约化改变了蒸散模式，并可能通过灌溉回流水引入污染物（Scanlon et al., 2007; García-Garizábal and Causapé, 2010）。不同地区都观察到了类似的影响。在巴西，LULC变化增加了环境的脆弱性和对水资源的压力（Oliveira-Andreoli et al., 2021）；在印度，土地变化重新配置了地下水潜力区并影响了补给路径（Bhattacharya et al., 2020）；在尼泊尔，城市硬化限制了补给（Prajapati et al., 2021）。尽管有这些认识，但相关研究在地理分布上仍不均衡。虽然印度、美国和中国在LULC-地下水研究方面占主导地位，但拉丁美洲的研究相对不足（Verma et al., 2024; Doost and Yaseen, 2025）。这一差距尤其令人担忧，因为拉丁美洲约80%的人口依赖地下水供应不断扩大的城市，而地表水基础设施仍然不足（UNESCO, 2022）。
在拉丁美洲这一研究不足的地区中，阿根廷的大拉普拉塔（GLP）地区典型地展示了快速城市增长与地下水依赖之间的耦合挑战。城市化进程超过了服务基础设施的发展，非正式和自给自足的系统在周边地区越来越普遍（Herrera Ni?o and Kruse, 2024），且领土扩张往往在监管框架薄弱的情况下发生（Frediani, 2010）。GLP依赖于Pampeano–Puelche含水层系统（PPAS），这是一个具有非限制性和半限制性单元之间水力连通性的多层水文地质系统。先前的研究已经探讨了地下水位的下降（Auge et al., 2004; Laurencena et al., 2010; Deluchi et al., 2022）和LULC变化（Frediani, 2010; Baldini, 2020），但这两个方面很少通过多十年空间相关性分析进行定量关联。
因此，本研究评估了1991年至2023年间GLP下方PPAS含水层系统中LULC变化与地下水动态之间的时空联系。研究目标有三：（i）为1991年、2003年和2023年建立一致的多时期LULC分类；（ii）重建这些时期的地下水位面；（iii）使用双变量空间统计方法量化LULC变化轨迹与水位下降之间的空间关联。1991-2023年的时间跨度涵盖了从20世纪90年代的适度郊区增长到2003年后加速扩张和集约化的转变过程，这有助于评估抽水速率的潜在非线性加速。该方法通过结合三十年间的综合分析、双变量LISA以及考虑气候变异性、空间权重敏感性和多重检验的假发现率校正，超越了传统的描述性方法。研究假设特定的土地转换类型（尤其是草地转为城市和农业用地）与逐渐加剧的水位下降存在空间关联。这种下降可能反映了多种协同机制，包括由于地表硬化增加和局部地下水开采需求加剧（例如郊区自给井和灌溉农业）导致的补给减少。尽管缺乏直接抽水数据，但转换热点区域与凹陷锥体之间的空间一致性为这些耦合过程提供了间接证据，为数据稀缺的城市含水层监测和监管干预提供了可借鉴的基础。
研究区域
大拉普拉塔（GLP）地区是阿根廷布宜诺斯艾利斯省东北部的主要城市中心，占地913平方公里，其流域汇入拉普拉塔河口（图1）。该地区位于河口南部（南纬34°50′–35°05′；西经57°50′–58°10′），包括拉普拉塔、贝里索和恩塞纳达三个市镇，这些市镇共同构成了省级水务部门正式认可的“首都区”流域管理单元（ADA）。材料与方法
为了研究景观与水文地质动态之间的相互作用，采用了一种综合方法框架（图2），结合了多时相卫星遥感、地质统计插值和双变量空间自相关技术。分类准确性
所有时期的LULC分类都达到了较高的准确性：1991年、2003年和2023年的总体准确率分别为94.1%、95.7%和90.4%，Kappa系数分别为0.93、0.94和0.89。这些数值表明尽管传感器平台和景观异质性存在差异，但各时期之间的分类一致性很强。各类别的指标和混淆矩阵见补充表S5–S7。不同时期的景观组成
1991年，自然和半自然覆盖类型主导了景观（表1；图3A）。草地...
研究贡献与区域背景
土地转换及其相关需求模式——而不仅仅是整个流域的水文气候强迫——有助于解释PPAS地区地下水枯竭的空间分布。SPEI指数表明该地区正在向更干燥的条件转变，但最显著的水位下降集中在与城市扩张和密集的郊区农业扩张前沿重合的两个主要凹陷锥体中——这种配置难以用均匀的水文气候强迫来解释。
结论
这项为期32年的研究提供了明确的证据，表明在最近变得更为干燥的水文气候条件下，土地转换是Pampeano–Puelche含水层系统地下水位加速下降的主要空间因素。平均抽水速率增加了5.4倍（从每年-0.05米增加到-0.27米）；95%的研究区域出现了地下水位的净下降，约36%的区域目前水位低于海平面。地下水位的下降具有空间异质性，表现为局部...
CRediT作者贡献声明
Daiana Dell' Arciprete：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、数据管理。
Silvina Carretero：撰写、审稿与编辑、验证、方法论研究、数据分析。
Eduardo Kruse：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金获取。
Felipe Herrera Ni?o：撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论研究、数据分析、概念构建
未引用参考文献
Abidin et al., 2011; Benjamini and Hochberg, 1995; Landis and Koch, 1977; Mack et al., 2013; NOAA Climate Prediction Center; Ortiz-Zamora and Ortega-Guerrero, 2010; Roy et al., 2022.
数据可用性声明
本研究支持的数据已公开。1991年和2003年的地下水位数据可在Auge (1997) 和Auge et al. (2004) 中找到。2023年的地下水位数据由作者在实地调查中收集，可根据合理请求提供给通讯作者。本研究生成的LULC地图和分析代码（GEE和R脚本）存储在Zenodo仓库中，链接为：
https://doi.org/10.5281/zenodo.17456119资助
本研究得到了拉普拉塔国立大学（Universidad Nacional de La Plata）通过研究项目I+D（项目编号1002, 2023-2027）的支持；首席研究员为Eduardo E. Kruse。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿的准备工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢综合外来动力研究中心（CEIDE）在机构支持方面的帮助，以及对其2023年地下水监测活动的资助。特别感谢大拉普拉塔的郊区和农村社区，他们慷慨地提供了家庭用水井的使用权，这对研究至关重要。同时，我们也感谢Maximiliano Fabiano先生在野外工作和样本设计中的宝贵合作。
