夜间灯光时长与热环境联合影响城市植被物候（UVP）：城乡梯度下SOS与EOS的季节差异及非线性阈值

《Plants》：Nighttime Light and Thermal Environment Jointly Affect Urban Vegetation Phenology

　　

快速城市化通过地表温度升高和人工夜间光（artificial light at night, ALAN）增强显著影响植物生长节律。然而，热环境与ALAN对城市植被物候（urban vegetation phenology, UVP）的影响仍不明确，限制了研究人员对植物生长响应城市化和气候变化的认识。本研究采用高分辨率多源数据评估沈阳市城乡梯度下生长季开始期（start of the growing season, SOS）和生长季结束期（end of the growing season, EOS）的变化特征。采用结构方程模型（structural equation model, SEM）和累积局部效应（accumulated local effect, ALE）模型确定热环境与ALAN对UVP的联合影响及阈值。研究人员发现，夜间灯光持续时间与城市区域秋季植被物候延迟相关联。除地表温度（land surface temperature, LST）（标准化路径效应，β = 0.41，p < 0.05）外，夜间灯光持续时间（β = 0.27，p < 0.05）和夜间灯光强度（β = 0.05）是影响EOS的关键因素。夜间灯光持续时间对物候的影响呈现明显季节变化，其对EOS的影响（β = 0.27，p < 0.05）显著大于对SOS的影响（β = 0.14，p < 0.05）。这可能与植被碳同化能力及其对气候变化的反应有关。这些驱动因子与UVP之间呈复杂非线性关系，同一驱动因子对SOS和EOS也表现出不同变化模式。研究人员的发现表明，夜间灯光持续时间是植物生长的重要关联因子，对预测快速城市化下的植被动态具有重要意义。

研究背景与问题。物候是植物响应周边环境变化的周期性生长节律，包括萌芽、展叶、开花和落叶等过程。快速城市化显著改变城市植被生长活动和生态系统动态。既有研究表明，城市热环境和人工夜间光（ALAN）可改变植物季节性生长节律，城市春季物候通常早于乡村、秋季物候通常晚于乡村。然而，当前研究多将UVP变化归因于城市热岛效应，常忽视ALAN，尤其是夜间灯光持续时间对植被生长的潜在影响。控制实验显示，温度和光共同调控植物生长活动；夜间灯光强度可通过调节物候积温需求与冷激需求的非线性关系影响春季物候事件，夜间灯光持续时间则可改变植物昼夜节律。由于夜间灯光持续时间难以测量，量化其对植被生长活动影响的研究很少。此外，既有研究多采用简单城乡二分，难以捕捉热环境和ALAN沿城乡梯度的不均匀变化；传统统计分析也难以有效测量驱动因子与UVP的非线性关系。SEM可同时评估多变量因果关系，但难以有效测量非线性变化；ALE则不受影响因子共线性限制，可快速表征影响因素对目标因子的总体贡献。沈阳市作为东北地区中心城市，2024年城市化率已达85.5%，为探究热环境和ALAN对UVP影响提供了良好样本。因此，研究人员量化SOS和EOS沿城乡梯度的空间变化，并采用SEM和ALE阐明热环境和ALAN对UVP的影响，目标包括：阐明城乡梯度下UVP变化特征；量化热环境、ALAN及其他因子的直接或间接影响；识别驱动因子与UVP之间的非线性关系和阈值。该研究对理解植被生长乃至生态系统响应城市化具有重要意义。

关键技术方法概括。研究人员以沈阳市主城区为研究区，总面积为1.25 × 10³ km²，样本来源为2023年沈阳市城乡梯度。使用Landsat 8的30 m分辨率NDVI和反照率数据、30 m分辨率LST数据、10 m分辨率GIU夜间灯光强度数据，以及土地利用、EULUC、城市边界、CLCD、GUB/GAIA、Open Street Map道路和建筑高度等多源数据。夜间灯光持续时间数据通过整合多源遥感和野外观测构建，并按城市功能分区赋值，利用15个沿城乡梯度野外测量站点验证，验证R²为76.2%。采用同心圆缓冲区划分outer buffer和inter buffer 1—3。采用双logistic曲线拟合NDVI时间序列，并以20%动态阈值提取SOS和EOS。采用SEM分析路径效应，采用ALE识别非线性效应与阈值。

研究结果。2.1 城市–乡村梯度下UVP的空间变化。通过城乡梯度同心圆缓冲区分析SOS和EOS，发现UVP呈现明显梯度变化。SOS从outer buffer向inter buffer 3逐渐降低，最高值出现在outer buffer，为147.35 ± 17.26 DOY，最低值出现在inter buffer 3，为129.42 ± 17.10 DOY。与outer buffer相比，inter buffer 1、inter buffer 2和inter buffer 3的SOS分别提前3.11天、12.81天和17.93天。城市区域内SOS空间异质明显，靠近城市中心的区域SOS提前更显著；outer buffer东北山区SOS明显较高。EOS则从outer buffer向inter buffer 3逐渐升高，最低值出现在outer buffer，为267.60 ± 13.09 DOY，最高值出现在inter buffer 3，为274.37 ± 21.22 DOY。与outer buffer相比，inter buffer 1、inter buffer 2和inter buffer 3的EOS分别延迟0.35天、4.61天和6.77天。高EOS值主要集中于inter buffer 2和inter buffer 3，低EOS值集中于outer buffer和inter buffer 1；outer buffer东北山区EOS明显较低。

2.2 量化UVP的直接或间接效应。通过SEM分析驱动因子对UVP的直接或间接效应。SOS路径分析显著，LST、夜间灯光强度和夜间灯光持续时间均对SOS呈正向直接路径效应，其中LST影响最大（β = 0.55，p < 0.05）。反照率可能通过影响LST间接影响SOS。路径效应大小依次为LST、反照率（β = 0.18，p < 0.05）、夜间灯光持续时间（β = 0.14，p < 0.05）和夜间灯光强度（β = 0.08，p < 0.05）；夜间灯光强度和持续时间对SOS的路径效应显著小于LST。EOS路径分析中，反照率和夜间灯光强度对EOS影响不显著，其他因子显著影响EOS。LST和夜间灯光持续时间对EOS均呈正向直接路径效应，LST影响最大（β = 0.41，p < 0.05）；反照率不仅直接影响EOS，还通过作用于LST间接影响EOS。路径效应大小依次为LST、夜间灯光持续时间（β = 0.27，p < 0.05）、反照率（β = 0.19，p < 0.05）和夜间灯光强度（β = 0.05）。夜间灯光持续时间对SOS和EOS的影响均大于夜间灯光强度，且其对EOS的影响显著大于对SOS的影响。

2.3 识别驱动因子对UVP的非线性效应。通过ALE识别驱动因子对UVP的非线性效应，发现不同驱动因子与UVP之间存在复杂非线性关系，同一驱动因子在SOS和EOS中也表现不同。随着反照率增加，SOS先降低后升高，EOS先升高后降低。随着LST升高，SOS整体呈上升趋势，EOS呈复杂非线性变化。随着夜间灯光强度增加，SOS先降低后升高，EOS先升高后降低。夜间灯光持续时间与UVP之间呈简单单调关系：夜间灯光持续时间增加时，SOS单调降低，EOS单调升高。除LST外，其他因子对SOS和EOS的影响总体呈相反变化特征。反照率对SOS和EOS影响相反，但二者阈值近乎一致。LST对SOS整体呈单调增加趋势，并在LST = 21.96 °C时从抑制转为促进；LST低于16.87 °C或处于19.82—21.76 °C时促进EOS，处于16.87—19.82 °C或高于21.76 °C时抑制EOS。多数夜间灯光强度值低于10 nW/cm²/sr；当夜间灯光强度高于8.73 nW/cm²/sr时提前SOS，而处于9.37—378.56 nW/cm²/sr时延迟EOS。夜间灯光持续时间对SOS呈单调降低、对EOS呈单调升高。

讨论部分总结。3.1 UVP呈现明显梯度变化。研究人员发现，城市边界内SOS比outer buffer早11.28天，EOS比outer buffer晚3.91天，这在一定程度上证明城市化可导致春季物候提前和秋季物候延后。采用同心圆缓冲区评估城乡梯度UVP变化，可减少城市规模和土地利用类型对研究结果的影响。从outer buffer到inter buffer，SOS逐渐降低而EOS逐渐升高，符合既有研究；原因主要是越靠近城市中心，城市热岛效应越显著，温度升高改变植物生长节律。outer buffer东北山区SOS明显晚于其他区域、EOS明显早于其他区域，可能因该区域以森林为主，不同土地覆盖类型物候变化差异显著。穿越城市中心的浑河周边区域与其他区域差异明显，可能因这些区域主要为水体，NDVI值较低且稳定，对城市化响应不显著。当前仅有少量研究考察夜间灯光强度对植物生长活动影响，夜间灯光持续时间对植被物候影响则鲜有报道。因遥感技术难以捕捉夜间灯光长期连续变化，中尺度夜间灯光持续时间评估仍有限。研究人员结合多源遥感和野外验证，从城市功能分区角度估算沈阳夜间灯光持续时间空间格局。研究发现LST沿城乡梯度增加，夜间灯光强度和持续时间也增加，但LST变化范围较夜间灯光更均匀，可能因城市中心照明基础设施密度高，导致夜间照明增加明显不均。夜间灯光持续时间可通过破坏光周期和热效应等机制间接影响植物生长。在照明密集区域，植被物候常受城市热岛和夜间灯光联合影响。

3.2 热环境与ALAN对UVP的联合效应。在高异质城市环境中，LST和ALAN沿城乡梯度显著变化，准确评估各自影响具有挑战。当前多数研究关注LST对UVP影响，忽视夜间灯光强度和持续时间变化对植被生长活动的影响。研究人员系统确定反照率、LST、夜间灯光强度和持续时间对植被物候的联合效应。结果表明，LST对EOS的直接效应（β = 0.41，p < 0.05）显著高于夜间灯光强度（β = 0.05，p < 0.05）和夜间灯光持续时间（β = 0.27，p < 0.05），这与既有研究一致；温度是影响植物生长活动最关键因子，其他因子通过改变植物温度敏感性影响植被物候。与简单将植被生长季延长归因于温度不同，该研究强调光周期（包括反照率、夜间灯光强度和持续时间）也在改变UVP中发挥关键作用，尤其对EOS。研究发现夜间灯光持续时间对EOS影响显著大于夜间灯光强度，可能因秋季足够光照持续时间对植被衰老具有重要作用。光波长也显著调节植物生长，未来研究应关注不同波长、光照持续时间和光照强度对植物生长的潜在影响。除LST外，反照率、夜间灯光强度和持续时间对SOS与EOS的影响总体呈相反变化特征。与温度等因素相比，光周期是植物感知季节转换最稳定的自然信号。春季日照持续时间达到特定阈值时提示植物开始生长，秋季日照持续时间缩短促进植物衰老和休眠。尤其在城市环境中，夜间灯光和光污染干扰使植物生长节律更不可预测。LST对SOS总体呈单调变化，而LST与EOS关系呈复杂非线性，可能因低温冷激和 preseason 积温是促进春季植物生长的关键因子，而植物衰老过程受多环境因子复杂调控。例如，植物衰老开始时，日照持续时间缩短是触发衰老过程的关键信号，温度起调节作用，可延迟或加速植物衰老。值得注意的是，LST反映瞬时白天地表温度，不能捕捉夜间增温或气温变化，难以有效表征植物生长的热需求。夜间灯光持续时间对SOS和EOS的影响呈明显单调变化，其阈值相对接近，为4.22 h和4.31 h。这因每个像元精确夜间灯光持续时间难以获得，导致夜间灯光持续时间与UVP之间呈明显线性关系；但该数学伪影可能掩盖线性或非线性关系中的真实临界阈值。

3.3 优势与局限。该研究采用SEM研究热环境和ALAN对UVP的联合效应，并采用ALE测量UVP与驱动因子之间的非线性关系。当前研究主要关注城市热岛效应对UVP影响，较少区分热环境和ALAN变化对UVP影响，尤其夜间灯光持续时间。因遥感技术难以捕捉夜间灯光长期连续变化，当前中尺度夜间灯光持续时间研究仍相当有限。该研究通过结合多源遥感和野外观测构建沈阳夜间灯光持续时间分布数据，进一步区分夜间灯光强度和持续时间对植被生长活动影响；同时采用ALE确定驱动因子影响UVP的阈值，增强了对植被生长机制的综合理解。研究也存在局限。第一，虽从城市功能分区角度评估夜间灯光持续时间数据，但忽视夜间灯光持续时间的季节差异，这些差异可能影响对真实光周期变化和植物生理机制的理解。第二，为保证整体研究数据一致性，该研究仅关注单一年份物候变化，而单年物候变化常受气候波动强烈影响，可能在一定程度上影响研究结果准确性。此外，植物生长季延长也延长生物源挥发性有机物排放期，从而加剧地面臭氧和二次有机气溶胶形成，未来研究应关注生长季延长带来的碳汇增加与相关生态成本之间的权衡。

研究结论翻译。研究热环境和ALAN对UVP的联合效应，对于理解人类活动如何影响生态系统动态至关重要。本研究采用同心缓冲区方法测量沈阳UVP沿城乡梯度的变化特征，比较内部缓冲区和外部缓冲区差异。SEM和ALE用于识别热环境和ALAN对UVP的联合效应及变化阈值。首先，SOS和EOS沿城乡梯度分别呈逐渐降低和逐渐升高趋势。城市边界内SOS比outer buffer早11.28天，EOS比outer buffer晚3.91天。其次，在EOS路径效应中，LST（β = 0.41，p < 0.05）是最显著驱动因子，其次是夜间灯光持续时间（β = 0.27，p < 0.05）和夜间灯光强度（β = 0.05）。驱动因子的路径效应呈现明显季节变化，夜间灯光持续时间对EOS影响（β = 0.27，p < 0.05）显著大于对SOS影响（β = 0.14，p < 0.05）。最后，驱动因子与UVP之间存在复杂非线性关系，同一驱动因子对SOS和EOS表现出不同变化模式。夜间灯光持续时间对SOS和EOS的影响分别呈明显单调下降和单调上升趋势。研究人员的发现表明，在评估城市化对植被动态影响时，必须同时考虑热环境和ALAN，尤其是夜间灯光持续时间深刻但常被忽视的影响。