沿海流域水文格局剧变：法医地图学揭示佛罗里达湿地丧失与排水网络扩张的175年轨迹

《Wetlands》：Fewer Wetlands, More Drainage: Forensic Mapping of Wetland Loss and Drainage Alteration Illustrates the Hydrological Transformation of Coastal Watersheds

　　本研究针对沿海流域因土地利用/覆被变化(LULC)导致的水质退化问题，采用法医地图学技术，重建了美国佛罗里达州大西洋沿岸圣卢西亚县过去175年（1850年代至2020年代）湿地、湖泊及自然/人工沟渠的时空变化。结果表明，该区域湿地和湖泊面积惊人地减少了89%，而排水密度却激增了近25,000%，极大地增强了内陆景观与邻近印度河潟湖(Indian River Lagoon)之间的水文连通性，加剧了营养盐负荷等环境问题。此研究为通过湿地恢复和排水网络管理来改善水质提供了关键的空间明确依据。

　　

在美国，尤其是佛罗里达州，沿海地区经历了前所未有的人口增长和土地开发。自1950年代以来，佛罗里达州每天净增750名新居民，这种扩张对自然环境，特别是湿地生态系统，造成了巨大压力。湿地被誉为“地球之肾”，在维持生物多样性、净化水质、蓄洪防旱等方面扮演着关键角色。然而，为了获得适宜耕种和建设的土地，大规模的排水和填埋活动历史悠长，导致湿地面积急剧萎缩。这种转变不仅破坏了生态平衡，也带来了诸如水质恶化、洪水风险增加等一系列严峻挑战。特别是在印度河潟湖——一个被列为国家重要河口、由美国国家河口计划管理的生态系统——其流域内的水文变化被认为是导致其出现大规模藻华、海草床退化和野生动物死亡事件的重要原因。然而，由于许多土地利用变化发生在现代测绘技术应用之前，我们对其具体的时空演变模式和程度缺乏清晰的认识，这阻碍了有效的保护和恢复措施的制定。

为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项名为“更少的湿地，更多的排水：湿地丧失和排水改变的法医制图阐释了沿海流域的水文转变”的研究，并发表在《Wetlands》期刊上。这项研究旨在精确描绘美国佛罗里达州大西洋沿岸圣卢西亚县 mainland 区域过去175年来湿地、湖泊和排水沟渠的时空动态变化，从而深入理解人类活动如何深刻改变了沿海流域的水文格局。

为开展此项研究，研究人员综合运用了法医地图学技术，整合了多时期、多来源的历史与当代地理空间数据。关键方法包括：1. 历史地图地理配准与数字化：利用19世纪的公共土地调查系统(PLSS)地图和笔记、军事地图、导航调查图等，通过地理配准和屏幕数字化技术，重建了1850年代的湿地、湖泊和自然河道分布。2. 航空影像解译：对1950年代的航摄影像进行地理配准、拼接形成正射影像图，并依据佛罗里达土地利用、覆被和形态分类系统(FLUCCS)标准，人机交互解译数字化了1950年代的湿地、湖泊和沟渠（包括自然和人工的）。3. 当代土地利用数据提取：从公共数据库中提取2000年代和2020年代的湿地、湖泊及农业区域数据。4. 子样本抽样与精度评估：在研究区内随机布设251个子样本圆形区域（总面积占研究区13.5%），用于详细数字化各时期的沟渠，并据此推算整个研究区的排水密度。通过外部评审和实地验证确保了地图数据的准确性。5. 变化分析：利用GIS空间分析工具，计算不同时期湿地/湖泊面积的净变化和排水密度的变化，并分析了湿地/湖泊与沟渠100米缓冲区内水文连通性的变化。

结果

湿地和湖泊的广泛丧失

研究发现，从1850年代到2020年代，圣卢西亚县的湿地和湖泊经历了惊人的减少。

在1850年代，湿地和湖泊面积高达1222平方公里，覆盖了研究区84%的土地。到1950年代，减少了426平方公里（年均减少4.3平方公里），剩余796平方公里（占54%）。1950年代至2000年代是损失最剧烈的时期，减少了664平方公里（年均减少13.3平方公里），到2000年代仅剩132平方公里（占9%）。此后至2020年代，净变化几乎为零，最终剩余135平方公里（占9%）。总体来看，175年间湿地和湖泊面积减少了89%。

排水密度的急剧增加

与湿地丧失相对应的是人工排水网络的极度扩张。

在1850年代，仅有少量自然河道，排水密度(D_d)极低，仅为0.1 km/km2。到1950年代，排水密度增至12.0 km/km2。到2000年代，进一步增至27.6 km/km2。2020年代略有下降，为24.6 km/km2。从1850年代到2020年代，排水密度增加了近25,000%。

水文连通性的根本性转变

湿地丧失和沟渠增加共同导致了流域水文连通性的根本性改变。

在1850年代，研究区只有不到2%的土地位于沟渠100米缓冲区内，且这些缓冲区中87%是湿地和湖泊。到了2020年代，高达85%的土地位于沟渠100米缓冲区内，而这些缓冲区中仅有6%是湿地和湖泊。这意味着现今的降雨和其携带的污染物更容易通过密集的排水网络快速进入下游水体。

土地利用变化的典型轨迹

研究揭示了土地覆盖变化的典型模式：从1850年代的自然状态，到1950年代农业的建立，再到2020年代的城市发展。

在1850年代，开发极少。到1950年代，农业和城市发展开始，28%的历史湿地/湖泊区域已被排干用于农业或正在排干。到2000年代和2020年代，农业、郊区和城市开发占主导地位。最终，在1850年代至2020年代丧失的湿地和湖泊中，60%转变为农业用地，21%转变为城市发展用地。

讨论与结论

该研究通过精细的法医地图学方法，首次以高空间分辨率量化了佛罗里达一个典型沿海流域长达175年的水文地貌剧变。研究结论凸显了几个关键点：首先，湿地和湖泊的丧失（89%）以及排水密度的爆炸式增长（近25,000%）在幅度上远超以往基于非空间数据或较短时间序列的估计，深刻揭示了人类活动对自然水景改造的强度。其次，这种变化并非匀速发生，而是与人口增长浪潮紧密同步，特别是在1950年代至2000年代佛罗里达人口爆炸式增长期间，变化速率显著加快。再者，变化的驱动力经历了从早期以农业开发为主导向后期城市化、郊区蔓延为主的转变，许多最终转变为城市用地的区域最初是因农业目的而被排干的湿地。

这项研究的重要意义在于，它将历史生态学与景观水文学相结合，不仅提供了过去变化的“诊断书”，更重要的是为未来的“治疗”指明了方向。研究揭示的惊人规模的湿地丧失意味着相应规模的生态系统功能（如营养盐循环、水质净化、水文调节等）和自然资本的丧失，这直接关联到印度河潟湖等下游敏感水体的富营养化、藻华暴发等生态危机。密集的排水网络极大地增强了内陆与河口之间的水文连通性，使得污染物能够更快速、更直接地输运至河口，而沿途缺乏湿地等自然净化系统对其进行拦截和转化。

该研究产生的空间明确数据集（例如，湿地丧失的具体位置、沟渠增加的分布）为流域恢复工作提供了至关重要的科学依据。例如，它有助于优先确定那些位于污染物运移路径上、且历史上曾是湿地的区域进行恢复，从而最大限度地提升恢复措施对改善水质的效益。这些研究成果已经为当地开发印度河潟湖保护与恢复工具(CReST)奠定了基础，并支持了佛罗里达州政府对印度河潟湖的大规模投资计划。总之，这项研究不仅增进了对沿海流域水文生态演变历史的理解，更架起了连接历史变化认知与未来生态修复行动的桥梁，为实现基于自然的解决方案来应对当前环境挑战提供了强大的空间规划工具。