夜间人造光对生态系统代谢的广泛影响及其碳循环效应

《Nature Climate Change》：Widespread influence of artificial light at night on ecosystem metabolism

本研究针对全球日益严重的光污染问题，通过整合86个FLUXNET2015站点的涡度协方差观测数据和夜间人造光（ALAN）强度指标，揭示了ALAN通过增强生态系统呼吸（Re）间接降低年净生态系统交换量（NEE）的机制。研究发现ALAN与夜长时间存在非线性交互作用，导致Re与总初级生产力（GPP）部分解耦。该研究为将光污染纳入全球变化和碳-气候反馈评估提供了关键证据。

　　

当夜幕降临，人类活动点亮的人造光源不仅改变了城市的夜空，也悄然重塑着自然生态系统的运行规律。这种被称为"夜间人造光（ALAN）"的光污染现象正在全球范围内加速蔓延，然而其对生态系统代谢的影响机制却始终是个科学谜题。生态系统代谢包括总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（R_e），通过净生态系统交换（NEE）决定着碳-气候反馈的强度和方向。尽管全球约四分之一的陆地生态系统暴露在ALAN下，但光污染如何影响碳循环过程仍是未知领域。

传统观点认为，GPP和R_e分别受短波辐射（SW）和温度（T）的基本能量约束。然而ALAN可能打破这种能量处理规律，通过改变生物的光周期反应、物候时序和营养级相互作用，进而影响生态系统碳平衡。理解ALAN对生态系统代谢的影响程度和方向，有助于在地球系统模型（ESMs）中更好地约束碳-气候过程。

在这项发表于《Nature Climate Change》的研究中，Alice S.A. Johnston等人联合利用 harmonized nighttime light dataset 和 FLUXNET2015 的涡度协方差观测数据，系统分析了ALAN对北美洲和欧洲86个站点生态系统代谢的多尺度影响。

研究方法上，团队整合了1992-2018年的 harmonized global nighttime light dataset（ALAN强度指标）和FLUXNET2015的涡度协方差碳通量观测数据（包括NEE、GPP和R_e）。通过建立修正的阿伦尼乌斯函数作为基础模型，分别采用线性混合效应模型（LMMs）和广义加性混合模型（GAMMs）分析半小时和日尺度数据，并使用分段结构方程模型（SEM）分析年尺度数据。为验证模型稳健性，还进行了平衡数据集敏感性分析。

ALAN强度梯度下的站点分布特征

研究选取了北美洲34个站点和欧洲52个站点，涵盖高、中、低三种ALAN强度梯度。站点选择基于存在中或高ALAN强度站点的纬度范围，以最小化高纬或低纬站点气候因素对低ALAN强度影响的混淆。

生态系统碳通量对能量约束的依赖性及ALAN效应

研究发现，ALAN改变了碳通量（F_c）与其基本能量约束之间的关系。R_e对基本约束的响应在短时间尺度（半小时和日尺度）对ALAN强度特别敏感。所有F_c的GAMMs都选择了ALAN和夜长（ND）的平滑张量积交互项，表明ALAN强度和时序在调节多尺度生态系统代谢中的重要性。

ALAN和ND对生态系统代谢的非线性影响

在半小时尺度上，短夜条件下ALAN诱导的R_e增加最强，反映了即时的生理和微生物响应，如气孔开放时间延长、叶片暗呼吸持续以及昼夜节律调节紊乱下的微生物分解增强。而日均夜间R_e估计值显示，在较长的夜晚中ALAN相关的增加更大，表明聚合抑制了短期变异性，同时揭示了较长夜晚中R_e的更广泛变化。

日均生态系统碳通量对ALAN和ND的非线性响应

时间聚合导致ALAN对R_e影响的强度和方向发生显著变化，而GPP和NEE在不同时间尺度对ND表现出更一致的非线性响应。与半小时模型相比，每日GAMMs显示出ALAN和F_c之间更平滑和更单调的关系，反映了通过时间聚合减少的昼夜和短期变异性。

年尺度NEE、GPP和R_e通量的最终SEM结构

在年尺度上，ALAN对NEE的影响主要通过增加的R_e间接介导，而不是直接抑制GPP。生长季长度对NEE的影响通过增加的GPP显著介导。留一法敏感性分析表明，排除ALAN、到最近城市多边形的距离（DtNUP）、蒸汽压赤字（VPD）或生长季长度会导致模型性能显著下降，反映了这些因素在解释生态系统代谢年际变化中的重要性。

研究结论表明，ALAN通过增强R_e而间接降低年NEE，在不同时间尺度上破坏了生态系统代谢的基本能量约束。R_e在不同时间尺度上对ALAN表现出比GPP更高的敏感性，ALAN对生产-呼吸耦合的 destabilizing 效应源于控制碳分配和利用效率的多种自养和异养过程的转变。

该研究的重要意义在于首次提供了跨大陆证据，表明ALAN在不同时间尺度上影响生态系统代谢。研究结果强调了将光污染纳入全球变化研究和碳-气候反馈评估的紧迫性。与气候和土地利用变化不同，光污染的影响可以在一夜之间得到缓解，通过定向、可调光和自适应照明设计等干预措施，可以在平衡社会效益的同时减少光污染的负面生态影响。

这项研究为理解人为光源对全球碳循环的影响提供了新视角，强调了在日益明亮的世界中保护陆地碳汇的重要性。随着全球光污染持续加剧，深入理解生态系统对ALAN的敏感性，对于设计既能保护生物多样性又能维持碳汇功能的干预措施至关重要。