海岸沙丘的多年演变：从固定沙丘状态向移动沙丘状态的转变

《CATENA》：Multi-annual evolution of coastal dunes: Transition from fixed to transgressive dunes state

该研究基于2011-2023年期间高分辨率LiDAR地形模型和Sentinel-2卫星植被覆盖数据，系统分析了法国吉伦特海岸80公里段沙丘形态演变与植被动态的耦合机制，揭示近十年沙丘从稳定植被固持状态向快速迁移扩张的转型过程，发现受2013-2014年冬季极端海洋侵蚀事件触发后，约17.3%的吉伦特海岸沙丘进入迁移阶段，迁移速率最高达10米/年，并建立了风动力迁移与植被覆盖演变的定量关系模型。

　　

亚历山大·尼古拉·莱尔马（Alexandre Nicolae Lerma）|奥利维尔·布尔文特（Olivier Burvingt）|布鲁诺·卡斯泰尔（Bruno Castelle）|布鲁斯·阿亚什（Bruce Ayache）|尼古拉·罗宾（Nicolas Robin）|大卫·罗斯伯里（David Rosebery）|朱莉·比利（Julie Billy）

法国新阿基坦大区BRGM（地质与矿物资源局）佩萨克（Pessac）分部

摘要

大多数位于温带纬度的海岸沙丘，尤其是在北半球，相对稳定。然而，在2013-2014年冬季发生重大海洋侵蚀事件后，吉伦特海岸（法国西南部）观察到了显著的沙丘移动现象。本研究基于一个丰富的数据集进行分析，该数据集包括：(i) 10个高分辨率数字地形模型（DTM），这些模型是通过12年（2011-2023年）的机载激光雷达（LiDAR）调查获得的；(ii) 7张基于卫星图像的沙丘植被覆盖地图，这些图像来自2017年至2023年间拍摄的Sentinel-2卫星。这些形态学和生物学参数与观测到的风数据相结合，以全面分析从植被固定的沙丘向移动沙丘转变的过程。这是首次在大空间尺度（数十公里）上探讨沙丘的形态和植被动态变化，涵盖了不同的初始沙丘形态和沉积物供应情况。

沙丘从稳定状态转变为移动状态，主要是由沿岸沉积物预算的变化驱动的——这一变化范围从略微负值到显著正值（+10至15立方米/米/年）。在吉伦特海岸，移动沙丘的数量在过去10年里增加了两倍（约达到研究海岸线的15公里或17.3%）。在沙丘移动严重的地区，沙丘的背风坡以每年数米到超过10米的速度向陆地方向移动。如果不对这些沙丘进行重新稳定的管理，未来几年它们可能会继续在更广泛的范围内移动。

引言

海岸沙丘被称为“生态系统”地貌（Barbier等人，2011年），它们为沿海社区和生物多样性提供了多种宝贵的功能和服务。它们在保护特定植物物种方面发挥着关键作用（Martínez和Psuty，2004年；Delgado-Fernandez等人，2019年；Kim等人，2019年），并且可以作为抵御海岸侵蚀和洪水的天然屏障（例如，Sallenger Jr，2000年；Nordstrom等人，2007年；Hanley等人，2014年；Seabloom等人，2013年）。沙丘还能保护淡水资源（Mereu等人，2009年；Colombani等人，2016年）并支持娱乐活动（Everard等人，2010年；Guerry等人，2012年）。历史上，海岸沙丘一直受到人类活动的管理，并具有巨大的适应潜力（Cooper和Jackson，2021年）。因此，它们可以被视为减少与气候变化（海平面上升、生物多样性丧失等）相关的海岸风险以及应对沿海地区日益增加的人类压力的重要资源（De Freitas，2025年）。

海岸沙丘受到复杂的非线性生物物理相互作用的影响，涉及许多过程，其中主要的驱动和控制因素难以识别（Walker等人，2017年；Costas等人，2024年）。从多年到数十年时间尺度来看，沉积物预算、沙丘形态和植被动态通过生态地貌反馈相互作用（Costas等人，2024年）。这些因素控制着沉积物的流动性、沙丘内部结构以及沙丘的形态演变（Carter，1991年；Hesp，2002年；Delgado-Fernandez和Davidson-Arnott，2011年；de Vries等人，2012年；Hesp，2013年；Schwarz等人，2018年；Ruessink等人，2019年；Hesp和Smyth，2021年；Bauer和Wakes，2022年；Robin等人，2023年；Smyth等人，2023年；Doyle等人，2024年；Lamy等人，2024年），并且通常受到特定地点条件的强烈影响（Burvingt和Castelle，2023年；Doyle等人，2024年；Davis等人，2024年）。

在北半球的温带纬度地区，由于植被的覆盖，大多数海岸沙丘被认为是稳定的（Provoost等人，2011年；Moulton等人，2020年；Jackson等人，2019a；Gao等人，2020年），同时人类也进行了大规模的稳定化工作（Nordstrom，2000年；Gómez-Pina等人，2002年；Clemmensen和Murray，2006年；Clarke和Rendell，2009年；Jackson和Nordstrom，2011年；Jackson和Nordstrom，2013年；Arens等人，2013年；Jackson等人，2013年；Bossard和Lerma，2020年）。与固定沙丘相对，移动沙丘或沙丘场是指在大范围内移动的沙丘（Gardner，1955年），它们根据区域风况的变化而迁移（Hesp，2013年；Jackson等人，2019b），并受到多种次要因素的影响，如气候变率、植被覆盖、极端洪水或沉积物供应（Mathew等人，2010年；González-Villanueva等人，2013年；da Silva和Hesp，2013年；Pickart和Hesp，2019年；Robin等人，2023年）。在的小冰期（LIA），移动沙丘或沙丘场在欧洲海岸较为常见（Jackson等人，2019b），但如今仅限于几百米到几公里长的局部海岸段（例如，Tastet和Pontee，1998年；Bailey和Bristow，2004年；Munoz-Perez等人，2009年；Navarro等人，2011年；Osswald等人，2019年；Robin等人，2023年）。在当前条件下，当强烈的干扰启动或加剧了形态动力学过程的正反馈时，固定沙丘可能会演变成移动沙丘（Schwarz等人，2018年；Bonte等人，2021年）。从固定沙丘到移动沙丘的转变通常分为三个阶段：I. 被植被覆盖的固定沙丘；II. 沙层的形成；III. 移动沙丘或沙丘场——这一过程可能因新的干扰或植被重新覆盖而中断（Hesp等人，2022年；Robin等人，2023年；DaSilva等人，2024年）。已经提出了两种主要的移动沙丘形成机制（Jackson等人，2019b；Hesp等人，2022年）：

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一段高沉积物供应期，导致大量风蚀作用将沙子从海滩转移至沙丘，逐渐形成大面积的沙层。

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大规模的海洋侵蚀形成沙丘陡坡，随后风蚀作用导致陡坡不稳定。风蚀作用使沙丘平台上的沙层通过回收原有沙丘的沉积物而形成，从而形成移动沙丘场。

然而，正如Hesp等人（2022年）所指出的，尽管文献中提出了许多可能导致沙丘移动的因素（主要解释了小冰期期间大规模沙丘场的形成和发展），但缺乏提供定量证据来证明引发移动沙丘形成的主要因素及其中间阶段的研究。迄今为止，专门用于将海洋侵蚀/堆积与风蚀作用引起的从固定沙丘到移动沙丘演变联系起来的持续和适应性海岸监测仍然很少，且仅限于局部区域（几百米到一公里范围）（Mathew等人，2010年；Hesp等人，2022年；Robin等人，2023年；DaSilva等人，2024年）。

如今，机载激光雷达（LiDAR）地形数据常用于研究数百公里海岸线的海滩-沙丘特征和形态变化（例如，Houser等人，2015年；Nicolae Lerma等人，2019年；Doyle等人，2019年；Bossard和Lerma，2020年；Itzkin等人，2020年）。这些研究调查了沙丘对风暴的反应及其恢复的空间变异性（Burvingt等人，2017年；Nicolae Lerma等人，2019年；Konstantinou等人，2021年），形态变化与植被覆盖之间的相互作用（Yousefi Lalimi等人，2017年；Doyle和Woodroffe，2018年），沉积物供应（Zarnetske等人，2015年），以及沙丘管理计划的影响（Itzkin等人，2020年）。然而，据我们所知，没有一个数据库能够全面分析大规模沙层和移动沙丘的形成过程，而这些分析通常依赖于使用航空摄影的平面测量方法，无法定量评估形态变化和沉积物预算的演变。然而，了解驱动因素、控制条件以及评估大规模发展沙丘移动所需的时间尺度对于制定有效和适应性的管理策略至关重要。这样的知识对于指导干预措施至关重要，无论是促进具有生态或地貌效益的移动，还是限制移动以实现保护或灾害缓解目标（Delgado-Fernandez等人，2019年）。

本研究的目的是详细分析法国西南部（吉伦特地区）80公里海岸线上从固定沙丘向移动沙丘转变的控制因素、时间尺度和地貌过程。通过考虑各种沙丘形态特征（宽度、高度、坡度等）、长期海岸侵蚀的幅度、沉积物供应以及植被覆盖的空间/时间变化，本研究首次分析了在大空间和多年时间尺度上从固定沙丘向移动沙丘转变所涉及的复杂相互作用和反馈机制。

阿基坦沙丘

法国阿基坦的沙滩海岸从北部的吉伦特河口延伸到南部的阿杜尔河口，长约230公里。该海岸可以进一步分为两个主要部分：吉伦特海岸和朗德海岸，两者由阿尔卡雄潟湖入口分隔（图1）。海岸系统的形态变化主要由沿岸沉积物可用性的巨大梯度引起（Nicolae Lerma等人，2022年）。

吉伦特海岸的沙丘系统是...

风驱动数据

13年的研究期间，波浪和风况变化较大，某些年份冬季相对平静，如2011-2012年、2016-2017年或2022-2023年。另一方面，2013-2014年的冬季是自1948年以来欧洲大部分大西洋海岸能量最高的冬季（Masselink等人，2016年），而2019-2020年的冬季则是自1980年以来潜在风速第二高的冬季（Nicolae和Rosebery，2021年）。

连续...

全球形态演变

第一阶段（S1，2011-2014年）的数字高程模型（DoD）显示，2013-2014年冬季之后沙丘前沿发生了严重侵蚀（图4b）。与Castelle等人（2015年）和Nicolae Lerma等人（2019年）的研究结果一致，我们观察到显著的侵蚀（ΔV 2011-2014约为7.5×10^6立方米，即平均每年约-88.2米），导致整个吉伦特海岸线后退了几十米。

沙丘形态和植被覆盖变化

通过分析大范围高分辨率的机载LiDAR数据、卫星图像（Sentinel-2）和风速数据，我们得出了沙丘参数，并全面描述了沙丘形态、沙丘植被覆盖与风流量之间的相互作用，这些因素导致了多年来的沙丘形态变化和移动。

海岸沙丘的演变通常伴随着沙丘顶部的抬升，这一点在本研究和其他研究中也有体现（Houser等人，2008年；Zarnetske等人，2015年；Davidson-Arnott等人，2018年；He...

结论

通过对这一独特数据集的分析，我们利用机载LiDAR数据详细捕捉了沙丘的形态和体积变化。结合来自卫星图像的时间和空间植被覆盖描述符以及基于现场观测计算出的潜在风流量，这项分析提供了在剧烈海洋侵蚀后数十公里范围内沙丘大规模不稳定的全面概述。

在这80公里...

CRediT作者贡献声明

亚历山大·尼古拉·莱尔马（Alexandre Nicolae Lerma）：撰写——初稿、监督、方法论、概念构思。奥利维尔·布尔文特（Olivier Burvingt）：撰写——审阅与编辑、方法论、数据管理。布鲁诺·卡斯泰尔（Bruno Castelle）：撰写——审阅与编辑、概念构思。布鲁斯·阿亚什（Bruce Ayache）：可视化、数据管理。尼古拉·罗宾（Nicolas Robin）：撰写——审阅与编辑、概念构思。大卫·罗斯伯里（David Rosebery）：撰写——审阅与编辑、资源协调。朱莉·比利（Julie Billy）：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作是作为“DUNES研究计划‘Espace des Transitions’的一部分进行的，该计划得到了新阿基坦大区（Région Nouvelle-Aquitaine）和BRGM（研究协议）的联合资助，以及ONF、朗德省、Vermilion REP SAS、CCGL、Lège-Cap-Ferret市镇和AEAG的支持。我们还要感谢所有项目的共同资助者，以及为新阿基坦海岸观测站（Observatoire de la C?te Nouvelle-Aquitaine）和PSGAR CORALI提供的帮助。同时，我们也感谢审稿人的贡献。