2002-2021年俄勒冈州和内华达州泉水和潜水植物群落对地下水位下降的脆弱性
月桂斋藤
扎克释放
莎拉·拜尔1而且- 1美国内华达州里诺市自然保护协会内华达事业部
- 2美国俄勒冈州本德市自然保护协会俄勒冈业务部
对地下水需求的增加导致含水层下降，影响了泉水和潜水植物群落等依赖地下水的生态系统(GDEs)的生存能力。为了了解俄勒冈州和内华达州地下水水位下降可能会对哪些泉水和潜水植物群落造成压力，我们评估了附近监测井的地下水水位趋势。在有足够数据的监测井附近，很少有泉水和潜水植物群落。在内华达和俄勒冈州的5万个泉水中，不到1%位于分析井的800米范围内，只有52个泉水位于浅井(低于地表30米)附近。在分析井附近的泉水中，内华达州56%和俄勒冈州29%的泉水位于地下水位下降趋势的井附近，在分析浅井800米范围内的泉水所占比例相似。在内华达州和俄勒冈州，只有不到22%的潜水植物群落位于分析井附近，只有9.6%的群落位于浅井800米范围内。在分析井附近的潜水植物群落中，48%和57%分别位于内华达州和俄勒冈州有下降趋势的井附近。GDE类型的差异反映了潜水植物存在的地下水发育程度更高。各州之间水井附近泉水比例的差异有下降趋势，这可能是由于俄勒冈州地表水捕获量增加或内华达州地下水开发压力增加所致。针对两个州的地下水权和监测的具体政策和管理影响数据的可用性和观察到的趋势。 More groundwater level data are essential for understanding impacts of groundwater withdrawals to GDEs.
1介绍
由于过度使用和气候变化，地表水供应越来越有限，人类越来越依赖地下水(Grantham and Viers 2014；de Graaf等人，2019年)．这些限制在半干旱和干旱地区尤其明显，这些地区占全球地下水抽取总量的39%，但仅占全球地下水补充总量的2% (Wada等人，2010)．地下水的过度使用已导致美国和世界各地的地下水枯竭和地下水位下降(Konikow 2015；Perrone和Jasechko 2017)．地下水位下降会降低植物和野生动物获取地下水的能力，影响其长期生态系统的生存能力，以及它们为人类社区提供的重要服务，如饮用水、农业、水质改善和娱乐活动(布朗等人，2011年)．地下水依赖生态系统(GDEs)，如泉水和潜水植物群落，其结构、组成和功能都依赖地下水(k øve等人，2011)，并可作为生态避难所，因为它们具有缓冲气候的能力(卡特赖特等人，2020年)．尽管含水层具有气候弹性，但地下水的过度使用可能会威胁到它们(泰勒等，2013)．在干旱地区，地下水供应减少对大自然的影响尤其深远，因为在沙漠泉水、河流和溪流周围的远距离地区，地下水是野生动物必不可少的常年水源。Hjort等人，2015)，而已适应这些孤立水体的稀有及敏感物种，则未必能在其他地方存活(Wolaver等人，2020年)．
人们和自然获取地下水的机会减少的一个指标是监测井的地下水位下降。Perrone and Jasechko (2017)发现2013-2015年他们分析的美国西部的井中有3.3%是干井，而且随着时间的推移，美国大部分地区的井深都在加深(Perrone和Jasechko 2019)，这意味着地下水位的下降正在影响人类用水。研究亦显示，由于地下水位下降，漫滩及河岸植被的压力愈来愈大(Stromberg等人，1992年；González等，2012；Kath等人，2014年)，而地下水位的微小下降也会改变水流(de Graaf等人，2019年)．潜水植物群落直接受到地下水开采导致的地下水位下降的影响(例如，库珀等人，2006；Patten等人，2008年)如果浅层地下水位下降到根区以下的速度快于植物生长的响应速度(瑙姆伯格等人，2005年)．由于短期或长期气候变化、土地利用变化导致地下水开采增加、消耗使用增加、抽水的累积和慢性影响以及其他原因，地下水水位可能下降。无论下降的原因是什么，与地下水下降相关的水文变化都会影响gde (Kath et al.， 2018)。然而，人们对泉水和潜水植物等可能受到地下水下降影响的gde的分布和丰度知之甚少。
在这篇文章中，我们对俄勒冈州和内华达州过去20年(2002-2021年)的地下水位趋势进行了评估，这两个州位于美国西部，对有限的供水压力越来越大。我们将地下水位下降与监测井附近泉水和潜水植物群落的存在和丰度联系起来，以更好地了解这些gde中有多少可能受到水文变化的威胁。这两个州加起来有5万多个泉水和数百万公顷依赖地下水的潜水植物群落。我们研究了地下水下降趋势与这些对人类、植物和野生动物至关重要的全球消耗de之间的关系。
2方法
俄勒冈州和内华达州在气候和地质上都很多样。俄勒冈州的降水具有很强的季节性，只有不到10%的降水发生在夏季(西部地区气候中心2013)．俄勒冈州的年降水量从干旱的东部地区每年不足20厘米(8英寸)到西部地区每年近500厘米(200英寸)(30年正常水平;俄勒冈州立大学2014)．俄勒冈州的含水层主要是松散的沉积物或玄武岩，范围从中新世到上新世或更早(1994年怀特海德)．在俄勒冈州海岸可发现未分化和胶结的沉积含水层(1994年怀特海德)．内华达州全国平均降水量约23厘米(9英寸)。该州的含水层有盆地填充物、碳酸盐岩、火山岩、火山岩和沉积岩含水层，大多数主要的地下水发育在盆地填充物含水层(内华达州水资源规划部，1999年)．
在这项工作中，我们使用了每个州的gde的映射数据(图1)以及联邦和州数据库中可用的地下水位数据。2019年绘制了内华达州的gde指标，其中以泉水为点数据，以潜水植物群落为多边形(斋藤等人，2020年)．如在斋藤等人(2020)内华达州的斯普林斯数据来自斯普林斯管理研究所。内华达潜水植物数据来自自然保护协会提供的内华达160多万公顷(超过400万公顷)的遥感覆盖;LANDFIRE (2014)；和潜水植物边界多边形映射Minor et al. (2019)．俄勒冈州春季地点的地图是由国家水文数据集(美国地质调查局，2019年)、GTILO-2数据集(地质矿产产业部(DOGAMI))，以及两项实地调查(Freed等人，2019年；释放了2021)，而俄勒冈州的潜水植物群落则使用实地观测、地貌分类、复合地形指数和土壤排水数据绘制(加西亚等人，2021a)．
图1．在本研究中评估的地下水依赖生态系统在全州的分布(一)俄勒冈州(n= 29,379弹簧和n= 682,136公顷潜生植物群落)和(B)内华达(n= 25,194弹簧和n= 2,171,800公顷潜水植物群落)。
2002年至2021年的地下水数据来自美国地质调查局(USGS)的国家水信息系统(NWIS;https://waterdata.usgs.gov/nwis)，内华达水资源部的WellNet数据库(http://water.nv.gov/WaterLevelData.aspx)，以及俄勒冈水利部地下水信息系统(GWIS)数据库(https://apps.wrd.state.or.us/apps/gw/gw_info/gw_info_report/Default.aspx)．如果相同的数据在多个数据库中，则使用具有最新数据的数据库中的数据。当USGS和州数据库中存在相同的数据时，使用USGS数据。所有井收集的属性数据包括水位测量、测量日期、井深和监测井位。俄勒冈州的监测井深范围从地下0.51米(1.7英尺)到地下610米(2000英尺)以上。在内华达州，井深范围从地下1.77米(5.8英尺)到地下超过2130米(7000英尺)。
包括2002年至2021年至少5年的预灌溉井(2月1日至4月1日)水位测量数据。当水井在同一年有多次灌水前水位测量时，使用最浅的水位。水位数据仅限于2月至4月之间的测量，以确定年度高地下水水位，同时限制抽水的影响，这应该会导致大多数井处于近乎静止的状态。在俄勒冈州(Zach Freed，未公布数据)和内华达州(Wyatt Fereday，个人通讯)，灌溉季节通常从4月开始。
我们使用改良Mann-Kendall方法分析了至少有5年数据的井的地下水位趋势，使用R (Patakamuri和O 'Brien 2021)．正的地下水位趋势显著不同于零p≤0.05表示地下水净补给增加，生态地下水可用量增加，而≤0.05为负趋势，差异显著p≤0.05表示地下水净流失，生态地下水可利用性降低。
如果井距泉水或潜水植物800米(0.5英里)以内，则监测井数据被认为是GDE含水层状况的代表。800米(0.5英里)阈值的选择是基于先前的出版物(例如，加西亚等人，2021b)，但并不一定意味着监测井就能代表给定GDE的地下水状况。共有5675口井符合分析标准。我们进一步区分了浅层(地表30米以内;Rohde等人，2021年)监测那些更有可能从浅层无承压含水层取水的井。因此，对两组监测井进行分析:所有监测井(n(5,675口)和浅井(n = 464口)。利用空间连接(ESRI 2022)．总结了地下水位呈下降趋势的监测井所关联的潜水植物群落的泉数和面积(ha)。
3的结果
在内华达州和俄勒冈州，共有54,573个测绘泉水，其中434个(0.8%)位于分析井的800米(0.5英里)内。共测绘了2,853,936公顷的潜水植物，其中627,724公顷(22%)位于分析井800米(0.5英里)以内。
在内华达州，在2002年至2021年期间，全州分析的井中有33.0%(1879口井中的620口)的地下水位有显著下降趋势，14.4%的井有显著上升趋势，其余的井没有显著趋势(图2)．内华达州25,194个泉水中，只有197个泉水位于分析井800米(0.5英里)范围内(表1)．在197个泉水中，56.3%位于有下降趋势的井附近。在内华达州，超过518,000公顷的潜水植物群落位于分析井800米(0.5英里)范围内(表1)，其中47.6%的面积位于Wells附近，且有显著下降趋势。
图2．之间具有统计意义的地下水趋势图(一)俄勒冈州和联邦3796口监测井(B)内华达州1879个州和联邦监测井。Sen斜率趋势的统计显著性是使用修正的Mann-Kendall检验来评估的p≤0.05。泉水和潜水植物群落被显示为背景。
表1．内华达和俄勒冈潜水植物群落和泉水的统计数据。
在俄勒冈州，在2002年至2021年期间，27.2%的井(3796口井中的1032口)的地下水位有显著下降趋势，9.2%的井有显著上升趋势，63.6%的井没有显著趋势(图2)．在俄勒冈州的29379个泉水中，只有237个泉水距离所分析的井800米(0.5英里)以内(表1)．在237个泉水中，29.1%位于有下降趋势的水井附近。俄勒冈州约有109,000公顷的潜水植物群落位于分析井800米(0.5英里)范围内(表1)，其中57.0%位于Wells附近，且有显著下降趋势。
内华达州共有175口浅层监测井，其中38口(27.7%)呈显著下降趋势，13口(7.4%)呈显著上升趋势，124口(70.9%)呈不显著趋势。在内华达州分析的浅井800米(0.5英里)内有28个泉水，其中57%(16个泉水)位于浅井附近，并呈下降趋势(表1)．内华达州分析的浅井附近有250,334 ha潜水植物群落，其中26% (64,427 ha)位于浅井附近，并呈下降趋势。在俄勒冈州289口浅层监测井中，40口(13.8%)地下水位呈显著下降趋势，29口(10.0%)地下水位呈显著上升趋势，其余220口(76.1%)地下水位呈不显著趋势。在俄勒冈州，在所分析的浅井800米(0.5英里)内的24个泉水中，有8个(33%)位于浅井附近，并呈下降趋势。俄勒冈州只有23761公顷的潜水植物位于分析的浅井附近，其中3667公顷(15%)位于有下降趋势的浅井附近。内华达州在浅井附近的泉水和潜水植物群落面积比俄勒冈州多，浅井附近的gde比例略高，且有明显下降趋势，但在泉水或潜水植物群落附近的浅监测井相对较少。
4讨论
依赖地下水的生态系统是气候变化生态恢复力的关键组成部分，但它们很容易受到局部和区域地下水抽取的影响。这一分析表明，大部分泉水和潜水植物都靠近地下水的下降，并可能面临水文变化的风险。综合俄勒冈州和内华达州的数据，我们的结果显示，42%的春季(n= 180个泉水)和49%的潜水植物群落面积(n= 309,327 ha)在监测井800 m范围内，2002 - 2021年地下水水位呈下降趋势的井附近。
因为在这两个州，水井都可能存在于浅的非承压含水层和较深的承压含水层中，我们也只考虑了俄勒冈州和内华达州的浅井，并发现46%的泉水(n= 24个泉水)和25%的潜水植物群落面积(n= 68,094 ha)的浅层井800 m范围内的井的地下水位呈下降趋势。抽水对承压含水层地下水位的响应不同于非承压含水层(Alley et al.， 1999)，而泉水可从浅层或较深的承压含水层(坎通纳蒂等人，2020年)．在为我们评估分析的井附近的泉水中，内华达州的泉水比例要高得多(56%;n= 111)，与俄勒冈州相比，在地下水下降的井附近(29%;n= 69)。当只考虑浅井时，这种模式是一致的:57% (n= 16)， 33% (n俄勒冈州的泉水都在地下水下降的浅井附近。俄勒冈州丰富的地表水资源和湿润的气候可能会使泉水附近的地下水开发被地表水捕获所抵消，使泉水附近的地下水位保持在较高的水平。Bredehoeft 2002)．此外，与俄勒冈州相比，内华达州的干燥气候可能会导致地下水开发压力增加，从而对泉水等gde产生更广泛的影响。
在两州，分析的浅井附近有下降趋势的井附近的潜水植物群落比例较少(26%，n=内华达州64,427公顷;15%,n俄勒冈州= 3,667公顷)，而考虑到所有分析井的下降趋势(48%，n=内华达州247,191公顷;57%，俄勒冈州为62,136 ha)。当地下水位低于根区(瑙姆伯格等人，2005年)，无论地下水来源如何，所以所有分析井的较高百分比是令人担忧的。Eamus et al. (2015)这表明，当地下水水位低于约7-10 m深度时，依赖地下水的生态系统的生态系统结构和功能会受到影响。
这些结果与加州1985年至2019年期间与地下水显著下降相关的44%的gde大致一致(Rohde等人，2021年)．该评估使用随机森林模型来估计gde所在的地下水位，而我们的评估仅依赖于考虑有足够井数据的地区。此外,Rohde等人(2021)使用年平均测量值，而不是灌溉前的年最大地下水位。使用灌溉前的年最大地下水位允许在一致的局部最大值之间构建年际趋势(如下)加西亚等人，2021b)，减少灌溉造成的季节性水位下降的影响。灌溉的季节性水位下降因抽水的量和时间以及含水层的水文地质特征而异。
地下水位下降对所有GDE均有胁迫作用，但具体影响因GDE类型而异。随着地下水的流失，泉水在完全干涸之前，可能会从常年流向过渡到间歇性，使它们成为生态陷阱，而不是安全的气候避难所(卡特赖特等人，2020年)．随着浅层地下水水位的下降，原本可以排入泉水的地下水可能会留在含水层中，通过泉水的全部流量来抵消含水层下降的速度(Bredehoeft 2002)．当地下水位下降时，潜水植物群落会遭受植物胁迫和死亡(瑙姆伯格等人，2005年)．失去获取地下水的途径会导致潜水植物群落向生态价值较低的群落过渡。例如，黑油木是内华达州面积最大的地下水依赖生态系统，是浅层地下水存在的良好指标(Lopes等人，2006年)，这种潜水植物天生防火，但一旦无法获取地下水，就会转变为杂草丛生、易起火的植被(Provencher等人，2020年)．
在俄勒冈州和内华达州，从2002年到2021年，分析的5675口监测井中有1652口(29%)的地下水位下降(图2)，表明这两个州的含水层都在下降。长期地下水位趋势是可持续性的一个指标，反映含水层储水量的变化，这种变化可能是补给减少和抽取增加或两者兼有的结果(Currell 2016)．与这两个州含水层的可用地下水相比，地下水被过度利用(例如，加西亚等人，2022年；斋藤等人，2022)，而开发地下水的压力将会增加，因为作物的蒸散速率需要更多的水来维持目前的产量(亨廷顿等人，2015；Albano等人，2022年)．预计干旱频率和程度将增加(Ahmadalipour等人，2016；斋藤等人，2022)可能会导致更多的地下水开发，因为地表水的可用性变得不可靠。随着抽取地下水需求的加剧，未来的气候条件也将影响地下水的补给。预计美国西部的气候变暖将使冬季降水由雪转为雨，从而减少积雪的体积和持久性(诺尔斯等人，2006年)．预计这一转变将减少高海拔地区的地下水补给(Meixner等人，2016)，造成地下水供应与需求之间的进一步差异。具有较短或较浅流动系统的泉水和潜水植物，如低渗透地层中的泉水和潜水植物，可能更容易受到补给变化的影响(Freed等人，2019年)，因为它们缺乏在较长流动系统中较大含水层储存的缓冲能力(Waibel等人，2013)．
在2002年至2021年期间，俄勒冈州和内华达州超过四分之一的分析监测井数量显著下降，这表明需要更有效的管理，以确保这两个州的长期可持续性，以保存gde并保护地下水资源供人类使用。每个州对地下水的管理是不同的。根据俄勒冈州水法，州机构必须保持“合理稳定”的地下水位，含水层必须受到保护，以免透支导致地下水位“过度下降”。年轻的1991)．虽然“合理稳定”没有明确定义，但“过度下降”在规则§OAR 690-008-0001中有定义。“过度下降”的定义之一是任何含水层在至少10年的时间里平均每年下降3英尺(0.91米)或更多，本研究对108口监测井进行了20年的评估，符合这一标准(补充表S1)．内华达州的地下水在256个水道区进行管理，并指定了“常年产量”，这表明在不耗尽水源的情况下可以抽取和消耗的可用水量(内华达州水资源规划部，1999年)．这些多年生产量大部分是在20世纪50年代至70年代估算的，其中许多是根据地下水排放，利用估算playas的蒸发量和潜水植物植被的蒸散量(Bredehoeft 2002)．因此，如果地下水的使用是常年产量，随着含水层中储存的水达到新的平衡，gde可以逐步消除。目前，内华达州约有50%的水道地区被过度利用，近20%的地区的取水量超过了常年产量(沙利文2022)．2017年，内华达州立法机构宣布，将地下水和地表水一起管理是该州的政策(§NRS 533.024)，这应该能够更多地考虑地下水抽取和GDE的影响，但最近对白河下游流系统的裁决表明，内华达州工程师可能没有足够的权力应用联合管理(LVVWD和SNWA诉威尔逊案2022)．
我们发现，现有的监测井在GDE类型中并不相同:有20年记录的井很少同时位于距离泉水800米以内，但在800米以内发现了相对较大比例的潜生植物群落，在泉水和潜生植物群落附近有足够数据的井很少是浅井(深度小于30米)。俄勒冈州和内华达州的监测井在谷底地区更为丰富，那里的地下水抽取(奥尔德斯和甘尼特，2021年)和潜水植物群落(加西亚等人，2021a)更常见。地下水的开发很可能在地表水资源(如泉水)不可用的地方更为普遍。现有井中GDE类型之间可用监测数据的差异强调了地方、州和联邦机构需要额外投资，以更有效地监测泉水附近的地下水水位，以了解地下水的可用性和GDE的可持续性。
在气候变率下，地下水可提供相当稳定的水环境，为依赖地下水的生态系统提供生态稳定性，使特有类群(坎通纳蒂等人，2020年)，但过度抽取地下水会使泉水干涸，导致依赖泉水的分类群消失(威廉姆斯和萨达2021年)．在适当的时间和空间尺度上进行监测可以为影响提供早期预警，并可以帮助资源管理者做出适当的决策，以保持可持续产量，从管理行动中吸取教训，并减轻全球生态系统崩溃的风险(斋藤等人，2021年)．该研究表明，2002 - 2021年间，俄勒冈州和内华达州的地下水水位经常下降，监测井附近的泉水和潜水植物可能受到下降的影响。为了了解地下水位下降对潜水植物群落状况和生态系统功能的影响，需要对泉水流量和潜水植物群落状况进行长期连续监测。未来的研究需要评估地下水位下降对泉水、潜水植物群落和其他GDE类型(如地下水依赖的河流、湖泊和湿地)的影响。与此同时，国家机构和资源管理者必须通过减少地下水的长期过度开采，在气候变化中可持续地管理地下水。
数据可用性声明
该研究中提出的原始贡献已包括在文章/中补充材料进一步的查询可以联系通讯作者。
作者的贡献
LS、SB、ZF和MS对研究方法做出了贡献。LS和采埃孚构思了这项研究，并撰写了最初的草案。SB提供了NV数据分析。采埃孚提供OR数据分析。SB和MS为研究的数据管理和地图开发做出了贡献。所有作者均已阅读并同意该手稿的出版版本。
资金
LS和SB是由土地管理局合作协议L17AC00150提供的。Freed和Schindel项目的资金由波特兰通用电气三文鱼栖息地支持基金2021-07年度赠款提供。
致谢
作者感谢来自俄勒冈州自然保护协会的Claire Ruffing和Shonene Scott，以及来自内华达州自然保护协会的Kevin Badik和Louis Provencher为井趋势分析和GDE位置提供建议。作者感谢两位审稿人和处理编辑为改进稿件提出的有益意见。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
补充材料
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关键词:地下水位趋势，地下水依赖的生态系统，压力源，地下水抽取，泉水，潜水植物
引用:Saito L, Freed Z, Byer S, Schindel M(2022) 2002-2021年俄勒冈州和内华达州泉水和潜水植物群落对地下水位下降的脆弱性。前面。环绕。科学。10:1007114。doi: 10.3389 / fenvs.2022.1007114
收到:2022年7月29日;接受:2022年12月5日;
发表:2022年12月15日。
编辑:
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