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光明的黑暗面:人造光如何威胁生态

研究发现夜晚光线正在对生态系统产生无处不在的长期压力

作者:宗华

荷兰的微型生态系统中,研究人员正在测试人造光的影响。 图片来源:Kamiel Spoelstra/NIOO-KNAW

荷兰的微型生态系统中,研究人员正在测试人造光的影响。
图片来源:Kamiel Spoelstra/NIOO-KNAW

夏夜,德国一个森林湖附近,一些怪异的事情正在发生。除了黑暗的湖水拍打着岸边,微弱的光芒从悬停在湖面上的光圈中散发出来。附近,正在摆动的手电筒发出的红光——可见光谱中干扰性最小的部分——“出卖了”呆在岸边的科学家。他们正在测试当海洋生物失去光时会发生什么情况。

这项在柏林附近开展的试验是正在进行的若干最具雄心的项目之一。这些项目在欧洲零散的乡村地区开展,旨在探究光污染正在对生态系统产生何种影响。研究人员正愈发担心该问题。尽管很多研究记录了人造光如何伤害单个物种,但对整个生态系统及其提供的服务(比如作物授粉)产生的影响还是不太清楚。若干野外调查希望通过监控植物和动物群落如何应对直接光线和夜晚天空更加分散的非自然照明,为此提供答案。

生态学家面临着诸如精确测量光线、评估多个物种如何在行为上作出响应等多项挑战。不过,早期结果表明,夜晚光线正在对生态系统产生无处不在的长期压力——从海岸到农田再到城市水系均是如此,其中很多已经遭到其他更为熟知的污染形式的影响。美国伊利诺依大学香槟分校植物生物学家、《全球变化生物学》杂志编辑Steve Long表示,这是一个重要的盲点。“目前,我们对二氧化碳浓度上升的影响有很多了解。然而,光污染的影响有多广泛?我们现在对环境的所作所为,其实是在拿未来做赌注。”

对生态系统的影响

对于光污染的影响,一些雄心勃勃的试验正在取得进展。其中,规模最大的田间试验之一正在荷兰开展。在那里,位于自然保护区和黑暗区域的8个地点被安装了很多排路灯。每排路灯均发出不同颜色的光线——绿色、红色、白色,并且从草地或者荒地一直延伸到森林中。6年来,科学家和志愿者利用相机陷阱监控小型哺乳动物的活动;利用自动蝙蝠探测器记录回声定位声波;利用雾网诱捕鸟类;利用巢箱估测繁殖的时间和成功率。植物学家则正在研究照明灯下面的植被。

该团队发现了光污染对野生动物健康所造成危害的生理学证据。在白色光线附近栖息的鸣禽整个夜晚都会焦躁不安,睡眠时间变少,并且出现了预示健康状况变差的代谢变化。该项目还研究了光线如何影响蝙蝠——当暴露于人造光线,它们的命运可谓喜忧参半。诸如伏翼等物种会尽情享用围绕照明灯飞行的昆虫“盛宴”。其他害怕光线的蝙蝠则丧失了栖息地并且从一些地方消失。在荷兰开展的研究中,红色光线对蝙蝠物种未产生任何影响。这意味着人工照明可用红色光线替代白色光线。

不过,该试验也获得了一些令人困惑的发现。若干项城市研究表明,夜晚的人造光线会触发鸣禽在白天鸣叫得更早。由于雌鸟往往选择早鸣的雄鸟,因此被改变的清晨鸟叫声可能影响鸟类繁殖。不过,上述荷兰团队在14个鸣禽物种中并未发现这种影响。可能的原因是鸣禽暴露的光线较弱,以至于无法产生影响——光线强度被调整到反映乡村道路和自行车道的照明水平,而非城市公园里的炫光。

主导该项目的荷兰生态研究所生物学家Kamiel Spoelstra表示,两类结果对当地政府都有用。其团队的发现正被囊括进荷兰关于户外照明的监管条例。例如,一些寻求为当地蝙蝠种群提供支撑的地区已将光线换成红色。Spoelstra预计,这一趋势将继续增加。

天空辉光

大部分地球能摆脱直接人造光线,但天空辉光——被气溶胶和云层散射回地球的光线——要更加广泛。它是如此微弱,以至于人类看不到它。但研究人员表示,天空辉光仍能威胁到30%和60%的在夜间活动且对光线极其敏感的脊椎动物和无脊椎动物。

英国埃克塞特大学生物多样性和保护专家Kevin Gaston表示,“几乎可以肯定的是”,天空辉光会影响生物多样性,因为其光照强度刚好超过触发很多生物应激反应的阈值。不过,“对此开展明确的研究实际上非常困难”。

这正是上述森林湖试验的切入点。发光的光圈悬停在没入施特希林湖的圆柱体上,并且再现了天空辉光。它们是莱布尼兹大学物理学家Andreas Jechow的杰作。Jechow不得不寻找一种在不阻挡白天光线或者布妨碍科学家进入的情况下,产生低强度、均匀照明的方法。他和团队成员利用诸如先进射线追踪模型等最先进的光学工具,实现了这一点。“作为生物学家,我们一直对光线作为一种物理现象的复杂性视而不见。过去,一些试验甚至无法解释月亮在天空中移动的事实。”该项目负责人Mark Gessner表示。他还是人造光项目——“照亮湖泊生态系统”(ILES)的共同领导人。

ILES旨在扩展来自一项著名的浮游动物研究的成果。这些浮游动物白天生活在黑暗的深水中,然后在夜晚迁移到较浅水域并且食用海藻。这一移动被认为是世界上最大规模的生物质迁移。上世纪90年代末对波士顿附近湖泊进行的研究发现,天空辉光使浮游动物向上迁移的路程缩短了2米,同时使上升的生物体数量减少了10%~20%。这种行为上的改变可能是诸如藻华等基本湖泊过程的未经确认的驱动因素。

明亮的未来

在Gaston看来,虽然该领域的研究进展缓慢且需要非常关注细节,但随着证据累积,相关成果正汇聚到一起。“过去两三年来,我们对该领域的了解有了极大提高。”

不过,目前仍有很多改善空间。即便是测量暴露程度都很困难。在田野中,某种生物体能接受的光线很难测量。比如,鸟类可能撤退到附近树木的阴影中,以避免光照。为此,一些科学家尝试在鸟儿身上安装曝光计,以便更好地了解曝光剂量。

随着结果出炉,一件既令生态学家沮丧又使其受到鼓舞的事情是:补救措施就在面前。

目前,南加州大学生物地理学家Travis Longcore正在收集已发表的关于不同物种比如海鸥和海龟如何对光谱不同部分作出响应的数据,并将结果和不同类型的光照释放的频谱进行比对。他想为关于光照的决策提供信息,比如哪种类型的灯可被用于桥梁或者海滨胜地照明。

正如德国地球科学研究中心物理学家Christopher Kyba所言,工程师和生态学家们深知,深思熟虑的照明方案可在“不向天空散射光线的情况下”很好地履行自己的使命。LED灯可被调整,从而在特定光谱部分发光、变暗,甚至执行远程开关任务。“我的愿景是在30年的时间里,街道的照明变得比现在好,但我们仅利用了1/10的光线。”

柏林莱布尼茨淡水生态和内陆渔业研究所生态水文学家Franz Hölker表示,这对于生态系统来说是个好消息,因为黑暗是形成自然界的最深邃的力量之一。“半个地球一直是黑暗的。”Hölker说,“因此,夜晚构成了故事的一半。”(宗华编译)

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《自然》网站相关报道(英文)

文章来源:科学网

原文链接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/1/401812.shtm

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