通过天气雷达揭示的空中节肢动物数量的时空变化

《Global Change Biology》：Spatio-Temporal Variation in Aerial Arthropod Abundance Revealed by Weather Radars

气象雷达数据用于估算英国空中节肢动物数量及时空变化，发现昼夜数量空间异质性显著，南多北少，夜间数量总体下降，与温度、土地利用和人工光污染相关。

　　近年来，昆虫和节肢动物的种群数量在全球范围内出现了显著下降，这一现象引发了科学界和政策制定者的广泛关注。然而，目前对于这种趋势的普遍性及其背后驱动因素的理解仍然有限。本文利用了一种创新且公开可获取的数据集——气象雷达网络中的大气扫描数据，以量化英国不同地理区域和土地覆盖类型下日间和夜间节肢动物的空中数量。通过分析2014年至2021年间的数据，覆盖超过35,000平方公里的范围，研究团队估计了英国日间和夜间飞行节肢动物的个体数量分别为1.12×1013和5.02×1012，显示出显著的空间异质性。尽管日间和夜间节肢动物的空间分布模式有所不同，但两者在英国南部呈现出增长趋势，而在远北部则主要出现减少。值得注意的是，只有夜间节肢动物在整体上显示出下降趋势。研究还发现，节肢动物的空中数量与森林、草地和城市土地覆盖呈正相关，而与人工光强度和农田覆盖呈负相关。这些结果突显了节肢动物数量变化在不同时间和空间维度上的多样性，强调了对日间和夜间节肢动物进行比较研究的重要性。

此外，研究团队通过提取雷达反射率和极化特征的垂直剖面数据，展示了如何利用气象雷达数据集来量化空中节肢动物数量，检测其日间和季节性的活动模式，并分析其在大范围空间和时间尺度上的环境驱动因素。这种方法不仅提供了更全面的节肢动物数量信息，还为未来的长期和大规模研究提供了基准。研究过程中，团队还通过地面吸虫陷阱的长期监测数据对雷达估计结果进行了验证，确保其准确性。通过普通最小二乘回归方法，分析了地面观测数据与雷达垂直剖面数据之间的关系，发现两者之间存在显著的正相关性。

研究还采用了一种广义可加模型（GAM）来评估节肢动物数量在空间、时间和环境变量上的变化。模型结果表明，节肢动物数量在英国南部地区呈上升趋势，而在北部地区则出现显著下降。这种空间异质性可能与气候变化、土地利用变化以及人工光污染等多种因素有关。研究进一步揭示了不同土地覆盖类型对节肢动物数量的影响，其中森林、草地和城市区域与节肢动物数量呈正相关，而农田则表现出负相关。这表明，农田扩张可能对节肢动物种群产生不利影响，而城市环境则可能通过某些机制，如城市热岛效应，促进节肢动物的活动。

研究还发现，夜间节肢动物在城市区域的密度显著高于日间节肢动物，这可能与人工光污染对它们的吸引作用有关。然而，这种吸引效应可能掩盖了人工光污染对节肢动物生存和繁殖的负面影响。相比之下，日间节肢动物在高人工光强度下表现出更强烈的负面效应，这可能与其生理节律、导航和觅食行为受到干扰有关。研究团队通过调整模型，排除了人工光与城市覆盖之间的相关性，以确保对日间节肢动物数量变化的分析独立于城市环境。

此外，研究还关注了节肢动物数量随高度的变化情况。结果表明，节肢动物数量在不同高度上呈现出不同的分布模式，且随着高度增加，土地覆盖变量对节肢动物数量的影响逐渐减弱。这可能意味着，较高高度的节肢动物活动更少受到地面环境的影响，而更多地依赖于大气条件和迁徙行为。研究还指出，某些大型节肢动物，如蚜虫和微小膜翅目昆虫，可能并不完全被动地受地面环境的影响，而是通过主动迁徙行为，对光污染和气候变化做出响应。

本研究的成果不仅揭示了节肢动物数量变化的广泛空间分布和时间趋势，还为未来的节肢动物监测和保护提供了重要的方法论支持。通过利用已有的气象雷达网络，研究团队能够以低成本和高时空分辨率的方式获取节肢动物的大量数据，为生态系统服务和生物多样性保护提供了新的视角。此外，研究还指出了当前节肢动物监测方法的局限性，并提出了未来研究的方向，包括提高雷达数据的分类精度、探索不同生物类群的时空趋势以及加强科学家、工程师、保护实践者和公众参与者的合作，以推动雷达技术在生物多样性监测中的应用。

本研究的意义在于，它为理解节肢动物数量变化的驱动因素提供了新的工具和方法，特别是在大规模和长期的生态监测方面。通过分析雷达数据，研究团队能够揭示节肢动物在不同环境下的分布模式和活动规律，从而为生态系统的管理和保护提供科学依据。此外，研究还强调了节肢动物在生态系统中的关键作用，包括授粉、分解有机物以及作为食物链中的重要组成部分，这些功能的丧失可能对生态系统的稳定性和人类社会产生深远影响。因此，持续的节肢动物监测和保护措施对于维护生态平衡具有重要意义。