利用夜間燈光影像的云南省縣域光污染研究

李媛婷,李益敏,吳博聞,王東馳,趙娟珍

(1.云南大學(xué) 國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500;2.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,昆明 650500;3.云南大學(xué) 云南省高校國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感地質(zhì)工程研究中心,昆明 650500)

0 引言

隨著人類活動(dòng)的擴(kuò)大和全球環(huán)境的變化,生物多樣性減少與物種豐富度降低已成為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)探討問(wèn)題之一[1]。已有研究表明人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的壓力是造成生物多樣性下降的主要因素之一[2],而在各種類型的人類活動(dòng)壓力中,違反自然規(guī)律的長(zhǎng)期夜間燈光照射帶來(lái)的光污染無(wú)疑對(duì)生物的生活與生存產(chǎn)生了顯著影響。目前,光污染已成為一個(gè)全球性的環(huán)境問(wèn)題,特別是在發(fā)達(dá)國(guó)家和快速發(fā)展中國(guó)家[3]。近幾十年,全球邁入迅速城市化階段,預(yù)計(jì)未來(lái)的城市擴(kuò)張將主要發(fā)生在全球生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)[4]。這些區(qū)域的城市擴(kuò)張一方面會(huì)導(dǎo)致生物棲息地的減少,另一方面城市長(zhǎng)期人工照明對(duì)自然明暗周期的破壞可能會(huì)影響生物的生理、行為、遷移和繁殖,從而間接影響當(dāng)?shù)匚锓N的豐度和群落的結(jié)構(gòu)。

夜間穩(wěn)定的亮光絕大多數(shù)來(lái)自于城市區(qū)域的人造光源,過(guò)去光污染研究主要通過(guò)局部地面觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)室研究實(shí)現(xiàn),難以開(kāi)展較大空間范圍和較長(zhǎng)時(shí)間序列的光污染研究[5]。但夜光遙感技術(shù)的發(fā)展為綜合遙感觀測(cè)和生態(tài)模型的光污染影響量化提供了科學(xué)、可行、高效的解決辦法。越來(lái)越多的證據(jù)表明,夜間燈光遙感影像可以用于量化人工照明對(duì)區(qū)域生物多樣性與自然生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的影響[6]。近幾年國(guó)外已涌現(xiàn)許多基于夜間燈光數(shù)據(jù)的光污染現(xiàn)狀或生物多樣性威脅相關(guān)研究,而國(guó)內(nèi)有關(guān)研究還處于起步階段。從研究尺度來(lái)看,已有光污染研究多基于全球尺度、城市群尺度、省級(jí)尺度和保護(hù)區(qū)尺度[7]開(kāi)展,暫無(wú)基于縣域單元開(kāi)展的光污染威脅研究。從研究?jī)?nèi)容來(lái)看,Koen等[8]研究了1992-2012年全球范圍內(nèi)光污染對(duì)哺乳動(dòng)物、鳥(niǎo)類、爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的物種豐富度帶來(lái)的影響;Bennie等[9]利用DMSP/OLS影像與遙感土地覆蓋產(chǎn)品,評(píng)估了1992-2012年夜間人造燈光對(duì)全球不同生態(tài)系統(tǒng)類型帶來(lái)的影響;Zhu等[10]綜合DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)集和LCC估計(jì)的人類干擾(HD)指數(shù),量化了2000-2013年期間的人類活動(dòng)對(duì)國(guó)家自然保護(hù)區(qū)帶來(lái)的壓力與威脅。整體上,已有研究均是在定性分析夜間燈光可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加分析,缺少對(duì)光污染和物種密度相關(guān)性與威脅性的定量描述。

研究利用夜間燈光影像分析云南省2000- 2020年間各縣域受燈光污染程度與持續(xù)性的時(shí)空分異特征,并在夜間燈光與物種密度顯著相關(guān)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合哺乳類、兩棲類、爬行類的物種密度探測(cè)了各縣域單元受光污染威脅的大小及需要加大保護(hù)力度、加強(qiáng)保護(hù)措施的迫切程度,對(duì)實(shí)現(xiàn)快速城市化背景下的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)安全目標(biāo)有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

云南省地處中國(guó)西南邊陲,地跨97°31′E～106°11′E、21°8′N～29°15′N,總面積為3.941×105km2,轄129個(gè)縣級(jí)區(qū)劃。云南省位于亞歐板塊、印度洋板塊和太平洋板塊3大板塊相互碰撞、擠壓的特殊地理位置,北高南低的縱向嶺谷造就了山地云南的復(fù)雜地質(zhì)條件,西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的交替影響則帶來(lái)了多樣的氣候環(huán)境,這些自然條件與生態(tài)環(huán)境促使云南成為了全球生物多樣性最豐富、最集中的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),云南在4%的國(guó)土面積上棲息著全國(guó)50%以上的動(dòng)植物種類和70%以上的微生物種類,擁有85%以上的植被及生態(tài)系統(tǒng)類型,在我國(guó)乃至世界的生物多樣性保護(hù)中有著不可或缺的重要地位[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究所需數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)、夜間燈光影像數(shù)據(jù)與物種分布數(shù)據(jù)3部分。

矢量數(shù)據(jù)主要為云南省129個(gè)縣域的行政區(qū)劃數(shù)據(jù),來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)中的1∶100萬(wàn)公眾版基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(2021)。

DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)揭開(kāi)了夜光遙感的新篇章,而NPP/VIIRS數(shù)據(jù)則進(jìn)一步彌補(bǔ)了DMSP/OLS數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間和輻射分辨率上的不足[12]。余柏蒗團(tuán)隊(duì)通過(guò)提升DMSP-OLS數(shù)據(jù)質(zhì)量,將其與NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)拼接,得到了能夠通過(guò)精度驗(yàn)證的長(zhǎng)時(shí)序類NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)集[13]。從國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)上下載該數(shù)據(jù)集,并利用縣域矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取。同時(shí),為保證投影前后區(qū)域的面積保持不變[14],研究將所有影像的投影坐標(biāo)系都設(shè)置為Albers等積投影。

物種分布數(shù)據(jù)主要下載自國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟紅色名錄空間數(shù)據(jù)集,包括2021年哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和爬行動(dòng)物的分布數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 夜間燈光指數(shù)

研究分別使用總夜光值(total night light,TNL)和夜光平均值(night light mean,NLM)來(lái)表示夜間燈光污染水平的總和和光污染密度,用于反映縣域光污染的總體水平和平均水平。通過(guò)計(jì)算不同年份TNL指標(biāo)的差值,可以進(jìn)一步測(cè)度縣域光污染趨勢(shì)與持續(xù)類型,從而表征縣域光污染的時(shí)間特征。NLM指標(biāo)則能夠消除不同縣域間面積差異帶來(lái)的影響,表征了縣域光污染的空間特征。具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[3]的研究。

2.2 光污染趨勢(shì)分析

Theil-Sen 中值趨勢(shì)估計(jì)是一種受異常值干擾小的非參數(shù)估計(jì)方法,一般通過(guò)計(jì)算j-i時(shí)間步長(zhǎng)下所有成對(duì)觀測(cè)值Xj-Xi之間斜率的中位數(shù)得到[15]。所有像元對(duì)斜率的中值用β表示,為0表示觀測(cè)值無(wú)變化,為正表示觀測(cè)值在時(shí)間序列上呈增加趨勢(shì),反之則表示呈減少趨勢(shì)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法常用于檢驗(yàn)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性[16],目前已有學(xué)者將其用于檢測(cè)夜間燈光的長(zhǎng)時(shí)序變化趨勢(shì)顯著性[17]。具體通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn),即在顯著性水平α下,當(dāng)|Z|>Z1-α/2,表明觀測(cè)值在長(zhǎng)時(shí)間序列上存在顯著性變化,反之則為不顯著變化。

在給定的0.01、0.05和0.1的置信水平α下,綜合斜率中值β和統(tǒng)計(jì)量|Z|的取值進(jìn)行光污染趨勢(shì)類別劃分,如表1所示。

表1 基于β值與統(tǒng)計(jì)量Z的光污染趨勢(shì)分類

2.3 時(shí)空特征分析

1)空間馬爾科夫鏈。空間馬爾可夫鏈?zhǔn)恰翱臻g滯后”概念與傳統(tǒng)馬爾可夫鏈方法結(jié)合的產(chǎn)物,能夠更好地刻畫(huà)區(qū)域內(nèi)因相互聯(lián)系和相互作用而產(chǎn)生的空間溢出效應(yīng)[18]?？臻g馬爾可夫鏈通常以地域單元的鄰接區(qū)域觀測(cè)值的加權(quán)平均值作為其在初始年份的空間滯后值來(lái)將其離散為k種空間滯后類型,并在此基礎(chǔ)上將傳統(tǒng)的N×N階狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣分解為k個(gè)。具體的計(jì)算公式參考周亮等[19]的研究。

2)聚類和異常值分析。聚類和異常值分析主要基于Local Moran’s I 指數(shù)來(lái)度量每個(gè)地域單元與其臨近空間單元的屬性特征值之間的相似性和相關(guān)性,從而反映出局部區(qū)域的空間異質(zhì)性、不穩(wěn)定性和相互關(guān)聯(lián)特征[20]。若Local Moran’s I為正,表示觀測(cè)值之間顯著正相關(guān),為高高集聚或低低集聚;為負(fù),則呈顯著負(fù)相關(guān),高值與低值集聚;當(dāng)接近期望值-1/(n-1)時(shí),則區(qū)域單元不存在空間自相關(guān),無(wú)明顯聚類[21]。

2.4 縣域光污染威脅類型劃分

根據(jù)研究時(shí)段內(nèi)NLM指數(shù)增值和各物種密度D,將縣域受到的光污染威脅分為7類(表2),通過(guò)光污染增長(zhǎng)類型與物種密度等級(jí)的信息疊加,分析云南省各縣級(jí)區(qū)劃中受人類活動(dòng)威脅較低的區(qū)域與亟需采取措施改善光污染狀況的區(qū)域。

表2 基于光污染指數(shù)與物種密度的光威脅分類標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 縣域光污染程度與趨勢(shì)分布格局

1)光污染程度與短期變化趨勢(shì)。分別計(jì)算2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的NLM指數(shù),并采用自然斷點(diǎn)法將污染程度劃分為未被污染、低污染、較低污染、中等污染、較高污染和高污染6種類型(圖1)。此外,研究還分別計(jì)算了2000-2020年間4個(gè)時(shí)段的TNL指數(shù)差值,作為縣域光污染持續(xù)性的簡(jiǎn)單測(cè)度標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)差值正負(fù)劃分為增強(qiáng)污染和減弱污染兩種趨勢(shì)。

圖1 2000-2020年云南省縣域污染程度與趨勢(shì)

可視化結(jié)果顯示,從同一時(shí)間不同縣域單元的受污染程度來(lái)看(圖1),整體上云南省縣域單元呈以昆明主城區(qū)的官渡、呈貢等縣域單元為中心向四周減弱的光污染分布格局。從各縣域單元在不同時(shí)間的受污染程度來(lái)看,整體光污染程度呈逐年上升趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為2015年前西北的貢山與東北的鹽津等未受光污染影響區(qū)域在2020年已遭受夜間燈光的侵蝕,且2000年的較低及以上污染僅分布于昆明主城區(qū)附近,發(fā)展到2020年較低及以上污染則廣泛分布于曲靖、楚雄等州市下轄的縣域單元。從各年份不同光污染程度占比來(lái)看(圖2),同一時(shí)期內(nèi)受到低污染縣域占比最多均在85%以上,可見(jiàn)云南省整體受光污染干擾程度不高。但2000-2020年期間,未受污染和低污染的縣域占比分別由1.55%、95.35%逐年下降至0%、85.27%,較低污染與中等污染縣域則分別增長(zhǎng)了6.97和3.10個(gè)百分點(diǎn),表明雖然整體受污染程度不高仍以較低污染為主,但呈逐年增加的趨勢(shì)。

圖2 2000-2020年云南省縣域不同污染程度與趨勢(shì)占比

從光污染趨勢(shì)來(lái)看(圖1),增強(qiáng)污染區(qū)域占比最大且分散分布于各縣域單元,而增強(qiáng)污染的縣域又分為夜光污染基數(shù)大且持續(xù)增強(qiáng)的區(qū)域如官渡、呈貢等,以及原本未受污染但逐漸受到少量人類活動(dòng)干擾的區(qū)域如綏江、貢山等。而減弱污染區(qū)域如東部的富寧、西部的盈江、北部的德欽、南部的綠春等地則屬于云南省邊界發(fā)展相對(duì)緩慢的縣域,其中較為特殊的是2005-2010年期間的部分縣域如昆明五華,只在該時(shí)間段內(nèi)為減弱污染,與其2005-2010年統(tǒng)計(jì)年鑒中縣年末總?cè)丝跀?shù)呈現(xiàn)的下降趨勢(shì)大致吻合。從各年份不同光污染趨勢(shì)縣域占比來(lái)看(圖2),20年間所有縣域單元(100%)都經(jīng)歷了光污染的增加,但在不同時(shí)段內(nèi)增強(qiáng)污染的縣域單元占比有所起伏變化。表明雖然部分縣域并非在任何時(shí)段內(nèi)都受到持續(xù)增強(qiáng)的光污染,但在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)受到的光污染依舊呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2)光污染長(zhǎng)時(shí)間序列趨勢(shì)。為進(jìn)一步探究光污染20年間的長(zhǎng)時(shí)間序列趨勢(shì),研究基于Theil-Sen中值趨勢(shì)和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法,對(duì)光污染趨勢(shì)類型做了具體的分類與顯著性檢驗(yàn)。如圖3所示,整體上光污染在長(zhǎng)時(shí)間序列中呈增加趨勢(shì)。其中呈極顯著增加趨勢(shì)地區(qū)以滇池北岸部分主城區(qū)為主,其余的大理、麒麟等地也明顯呈增加趨勢(shì),其中曲靖市的行政中心麒麟(圖3(b))等區(qū)域光污染的增長(zhǎng)考慮是受到人口增加和城市擴(kuò)張的影響,而大理白族自治州的大理(圖3(c))等縣域單元人類活動(dòng)侵?jǐn)_增強(qiáng)則在一定程度上受到當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展的影響。從各類趨勢(shì)占比來(lái)看(不考慮無(wú)變化區(qū)域),2000-2020年間呈增加趨勢(shì)(89.43%)的柵格單元數(shù)量明顯大于減少趨勢(shì)(10.57%),而增加趨勢(shì)中顯著增加與極顯著增加共占比44.30%,即光污染增加趨勢(shì)顯著。而部分呈光污染減少趨勢(shì)的地區(qū),如滇池北岸主城區(qū)小部分區(qū)域(圖3(a)),可能是因?yàn)?007年5月起昆明市全面開(kāi)展了滇池流域和其他重點(diǎn)區(qū)域禁止挖砂采石工作,至2011年初累計(jì)關(guān)停礦山509家,從而導(dǎo)致了夜間燈光的減少。

圖3 2000-2020年云南省縣域光污染長(zhǎng)時(shí)序趨勢(shì)

3.2 縣域光污染時(shí)空演變特征

1)縣域光污染程度時(shí)空轉(zhuǎn)移特征?？臻g馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣能夠在傳統(tǒng)馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上,基于空間視角探究不同區(qū)域相互作用背景下各縣域單元光污染程度的時(shí)空動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移特征。在基于NLM指數(shù)將云南省縣域劃分為6種光污染程度的基礎(chǔ)上,分別計(jì)算2000-2020年間4個(gè)時(shí)段內(nèi)基于空間滯后類型的空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣(表3、表4)。從空間馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣中可以看出,云南省縣域光污染程度存在一定的空間溢出效應(yīng)。

表3 2000-2010年云南省縣域光污染程度空間轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2010-2020年云南省縣域光污染程度空間轉(zhuǎn)移矩陣

整體而言,與中等污染縣域相鄰時(shí),向上轉(zhuǎn)移概率普遍增加,而與低污染程度縣域相鄰時(shí),向下轉(zhuǎn)移概率普遍增加,即相鄰縣域單元間光污染程度受彼此的相互影響。

2005-2010年,低污染向上轉(zhuǎn)移的概率平均為0.473,與低污染和較低污染程度縣域相鄰時(shí)概率為0.02和0.4,而與中等污染縣域?yàn)猷彆r(shí)概率上升至1。

總體上各個(gè)時(shí)段內(nèi),較低污染程度的縣域保持平穩(wěn)不變的概率均大于其向上或向下轉(zhuǎn)移的概率,表明較低污染的縣域時(shí)空變化與轉(zhuǎn)移存在慣性。

除2005-2010年的3個(gè)時(shí)段內(nèi),與中等污染縣域相鄰的縣域單元均保持平穩(wěn)狀態(tài)或向上轉(zhuǎn)移,無(wú)向下轉(zhuǎn)移,且其中自身污染程度較高的縣域單元向上轉(zhuǎn)移概率為1,而向下轉(zhuǎn)移則通常發(fā)生在與低污染相鄰的部分縣域。

與昆明主城區(qū)各光污染程度中等及以上縣域相鄰的區(qū)域,總體呈同步向上轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),表明此區(qū)域內(nèi)存在較強(qiáng)的正向溢出效應(yīng)。而這種縣域間的正向影響不利于減緩縣域內(nèi)光污染帶來(lái)的負(fù)面影響,為縣域光污染的治理帶來(lái)了一定的困難與挑戰(zhàn)。

2)縣域光污染變化空間聚類特征。為了度量屬性特征值的局部區(qū)域空間異質(zhì)性與不穩(wěn)定性,基于TNL指數(shù)差值和NLM指數(shù)差值對(duì)云南省各縣域單元在5個(gè)時(shí)段內(nèi)的時(shí)空演變格局進(jìn)行分析(圖4)。從可視化結(jié)果可以看到云南省縣域單元光污染變化的局部自相關(guān)特征。

圖4 2000-2020年云南省縣域污染變化聚類和異常值分析

20年間整體來(lái)看,TNL與NLM指數(shù)變化的空間分布具有明顯的聚集特征,且兩個(gè)指數(shù)的空間聚集特征大致重合,高高聚類集中分布于昆明南部的晉寧、玉溪北部的澄江與曲靖西部的馬龍等地,高低聚類縣域數(shù)量相對(duì)較少且呈點(diǎn)狀分布于楚雄與臨滄的行政中心,低高聚類多與高高聚類縣域單元緊鄰分布如玉溪的江川、昆明的石林等地,低低聚類則主要分散分布于云南南北部邊緣發(fā)展較為緩慢的縣域。

從不同時(shí)間段來(lái)看,2010-2020年與2000-2010年相比,具有顯著空間聚類特征的縣域單元數(shù)量相對(duì)較多且分布范圍更廣,表明隨著時(shí)間推進(jìn)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,各縣域單元間的“俱樂(lè)部趨同”效應(yīng)有所增強(qiáng)且較低及以上污染程度縣域的影響力有所提升。

總體而言,成片分布的高高聚類與低高聚類縣域單元周圍分布有在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)都屬于中等及以上污染程度的五華、官渡、西山等受人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的縣域,即這附近的縣域單元受到人口、交通、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面的影響,中等及以上污染程度的縣域在空間關(guān)聯(lián)模式下對(duì)鄰域單元光污染增長(zhǎng)起到了一定的促進(jìn)作用,與空間馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣所得結(jié)論基本一致。因此改善縣域的光污染現(xiàn)狀不僅需要從各縣域單元自身的管理與政策著手,還需要考慮相鄰縣域可能造成的夜間燈光影響擴(kuò)散。

3.3 縣域光污染威脅特征

1)光污染與物種密度相關(guān)性。在結(jié)合光污染指數(shù)與物種密度數(shù)據(jù)進(jìn)行縣域光污染威脅分析前,需要確定夜間燈光與物種分布間是否存在顯著的相關(guān)性。故基于對(duì)數(shù)化后呈正態(tài)分布的3類物種密度與4個(gè)光污染指數(shù),進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)(圖5)。圖中顏色由紅到藍(lán)表明變量間相關(guān)性絕對(duì)值由大到小,**和*分別表示在0.01和0.05置信水平下兩個(gè)變量相關(guān)性顯著。從圖中可以直觀看出,所有光污染指數(shù)均與物種密度呈顯著負(fù)相關(guān),表明基于物種分布數(shù)據(jù)與光污染數(shù)據(jù)分析夜間燈光可能對(duì)區(qū)域物種密度造成的影響與威脅是合理且可行的。從各光污染指數(shù)相關(guān)性絕對(duì)值大小來(lái)看,均呈哺乳類>兩棲類>爬行類的排序。對(duì)于3類物種而言,2020年NLM指數(shù)和2000-2020年間NLM指數(shù)差值均為相關(guān)性系數(shù)更高的夜間燈光指數(shù)。爬行動(dòng)物密度與2020年TNL指數(shù)和2000-2020年間TNL指數(shù)差值的相關(guān)性未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn),且與哺乳類和兩棲類的不同之處在于爬行類NLM指數(shù)差值與物種密度的相關(guān)性更高。而夜間燈光指數(shù)與物種密度間呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)的原因可能在于,一方面光污染通過(guò)改變自然夜間光照環(huán)境對(duì)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)造成直接影響,另一方面夜間燈光指數(shù)間接反映了城市擴(kuò)張、人口增長(zhǎng)等人為因素對(duì)物種密度帶來(lái)的威脅。

注:**.在0.05的水平下,斜率顯著不同于0;*.在0.05的水平下,斜率不顯著異于0。圖5 光污染指數(shù)與物種密度的相關(guān)性系數(shù)熱圖

2)光污染威脅類型分布特征。為了分析不同縣域單元內(nèi)光污染對(duì)區(qū)域內(nèi)物種可能造成的威脅,依據(jù)哺乳類、兩棲類和爬行類的物種密度大小將其劃分為較低、中等和較高3個(gè)等級(jí)。并在綜合考慮的基礎(chǔ)上,為了體現(xiàn)夜間燈光變化對(duì)物種密度的影響,選取2000-2020年間NLM指數(shù)差值進(jìn)行光污染威脅類型分析,根據(jù)表1所列標(biāo)準(zhǔn)將所有縣域分為7類(圖6)。

圖6 2000-2020年云南省縣域光污染威脅類型

可視化結(jié)果顯示,2000-2020年間空間上以昆明主城區(qū)及周圍幾個(gè)縣域?yàn)橹攸c(diǎn)光污染增長(zhǎng)區(qū)域,其余中等光污染增長(zhǎng)區(qū)域主要分布在大理、曲靖等州市的行政中心。且20年間光污染增長(zhǎng)最高的區(qū)域?yàn)槔ッ魇械墓俣蓞^(qū)與呈貢區(qū),同時(shí)該區(qū)域分布有相對(duì)密度較大的哺乳類、兩棲類和爬行類動(dòng)物,即這兩個(gè)縣域單元的物種受光污染威脅最大。從不同物種分布來(lái)看,哺乳類中等密度縣域單元相較其他兩類數(shù)量更多、分布更廣,同時(shí)哺乳類物種密度與光污染指數(shù)相關(guān)性最強(qiáng),這意味著3類物種中哺乳動(dòng)物光污染威脅最大。具體的,從各類型占比來(lái)看,整體上受到較低污染增長(zhǎng)影響的縣域單元占比最多(86.82%),且3類物種中光污染類型為L(zhǎng)L的縣域單元均占比最多在40%以上。物種密度中等及以上且污染程度中等及以上的縣域占比分別為哺乳類(12.41%)>爬行類(11.63%)>兩棲類(9.3%),同樣表明總體上哺乳類受到的光污染威脅最大。此外,物種密度為中等及以上但光污染增長(zhǎng)較小的縣域占比較多分別為44.96%、27.91%和27.91%,表明云南省各縣域單元中3類物種密度高的區(qū)域大多得到了較好的保護(hù),整體受到的光污染威脅不高。但仍有部分3類物種密度較高的縣域遭受了中等及以上的光污染增長(zhǎng)威脅,如昆明的官渡、呈貢、五華及德宏的瑞麗等地。這些縣域是需要重點(diǎn)加大保護(hù)力度的區(qū)域,應(yīng)當(dāng)在后續(xù)規(guī)劃縣域建設(shè)和完善縣域管理?xiàng)l例區(qū)時(shí),盡量做到科學(xué)、合理、協(xié)調(diào),以緩和環(huán)境保護(hù)和人類社會(huì)發(fā)展可能帶來(lái)的矛盾。

4 結(jié)束語(yǔ)

總地來(lái)說(shuō),2000-2020年間研究區(qū)光污染呈增加趨勢(shì),云南中部昆明主城區(qū)和西部地區(qū)的光污染增速正在加快。這些發(fā)現(xiàn)可以與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和政策指導(dǎo)聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于局部地區(qū)而言,光污染變化受到多方面的影響,如麒麟等行政中心的人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張、大理等地旅游業(yè)的發(fā)展、滇池北岸主城區(qū)部分礦廠的關(guān)閉等,都可能導(dǎo)致光污染的增強(qiáng)或減弱。而增強(qiáng)的光污染改變了夜晚原有的黑暗環(huán)境,無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一系列負(fù)面效應(yīng)。一方面是對(duì)人類自身的危害,越來(lái)越多的證據(jù)表明夜間燈光與人類健康狀況之間存在潛在聯(lián)系,對(duì)人類的睡眠質(zhì)量[22]、乳腺癌[23]、糖尿病[24]等疾病發(fā)病率有一定的影響。另一方面是對(duì)生態(tài)的危害,夜間高強(qiáng)度燈光既可能在生態(tài)系統(tǒng)水平上影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng),也可能在生物水平上影響動(dòng)植物正常的生物鐘與生長(zhǎng)規(guī)律[25]。因此,為了促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和地方利益之間的協(xié)調(diào)發(fā)展,有必要采取措施防止或減少夜間燈光的負(fù)面影響,維持和增加自然的無(wú)照明區(qū)域是有效途徑之一,此外限制照明時(shí)間、改變照明強(qiáng)度或頻譜等措施也能一定程度地減輕光污染帶來(lái)的危害。

本研究?jī)H從宏觀角度分析了縣域光污染對(duì)當(dāng)?shù)厣锒鄻有詭?lái)的威脅大小,但實(shí)際上并非所有哺乳類、兩棲類和爬行類的物種都會(huì)受到夜間光照的影響,在制定針對(duì)性保護(hù)政策時(shí)應(yīng)首先考慮在夜間活動(dòng)的物種、棲息地容易受到光污染的物種,以及在IUCN瀕危物種紅色名錄上提及的或在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的物種。同時(shí)也并非研究區(qū)內(nèi)所有地區(qū)都會(huì)接觸到人工燈光,這取決于地理位置,在劃定保護(hù)范圍時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮敏感地區(qū)、保護(hù)區(qū)和對(duì)夜間燈光特別敏感物種很重要的地區(qū)。而研究后續(xù)的發(fā)展方向,則是在城市尺度、1 km×1 km格網(wǎng)等更小的地域單元上劃分光污染威脅類型,選擇更容易受到光污染影響的物種如蝙蝠、貓頭鷹、夜鶯、壁虎、青蛙等夜行動(dòng)物,或?qū)馕廴久舾械牡貐^(qū)如有在國(guó)際自然保護(hù)聯(lián)盟紅色名錄類別中瀕危物種相關(guān)記錄的自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行精細(xì)化研究。