把脉湖泊营养状态:基于TSI的新思考和新框架
给病人先把脉诊断而后对症下药，是医疗常识。在生态学家眼里，生态系统健康如同人体系统，也有类似的先“把脉诊断”而后“对症下药”的常识。只不过，生态学通常采用“评价或评估”、“治理和管理”等相应的专业术语。如此说来，给生态系统正确“把脉诊断”的重要性可谓不言而喻。湖泊是一类具有明显边界而相对封闭的生态系统，来自流域内营养盐输入如同人们日常的饮食。过量的营养盐输入所导致的湖泊富营养化，如同过量的饮食所导致的人体肥胖症。身体质量指数(Body Mass Index, BMI)通常用来衡量人体肥胖程度。类似地，湖泊营养状态指数(Trophic State Index，TSI)通常用来衡量湖泊的“肥胖”程度。
上世纪70年代美国著名湖沼学家Carlson教授在湖沼学顶级期刊Limnology and Oceanography发表了营养状态指数，用于评价湖泊的贫营养、中营养和富营养状态(Carlson, 1977)。据Google Scholar统计，该论文已经被引用接近3000次，成为湖沼学研究领域的经典论文之一。Carlson指数作为营养状态经典定义收录于维基百科，并得到美国环保局(EPA)和北美湖泊管理协会(NALMS)的大力推荐使用。其中，美国环保局已有超过500个技术文档使用Carlson指数。直到目前，Carlson指数已经在全世界被广泛使用了30多年，但其可能的局限性一直没有得到湖沼界和环境管理部门的重视。其一，Carlson指数方程构建所依据的研究数据来源于包括个别火山湖在内的少数几个湖泊，但这些湖泊生境特征未必能代表全球类型丰富多样的湖泊。其二，Carlson指数的转换方程基于最小二乘法回归(Ordinary Least Squares Regression, OLSR)分析所建立，但从现代统计学的视角来看OLSR分析并不适用于推断生态因果关系。
考虑到Carlson指数应用的局限性，美国佛蒙特大学EPSCoR研究中心三位研究人员(Yaoyang Xu, Andrew W. Schroth和Donna M. Rizzo)近期在湖沼学另一顶级姐妹期刊Limnology and Oceanography: Methods提出了新思路：具体湖泊营养状态的评估应基于该湖泊观测数据所建立的指数方程，而不该直接采用该湖泊以外的观测数据所构建的方程。围绕该思路，研究人员提出了具体湖泊营养状态指数方程构建的新框架：即采用分位回归(Quantile Regression, QR)拟合具体湖泊观测数据压力—响应变量散点图的上边界，取代Carlson方程构建所采用的OLSR方法。新框架的创新点在于:具体湖泊数据的上边界模型与生态系统限制因子定律相统一，即用理想状态下的压力—响应模型作为营养状态指数构建的基准方程。应用这个新框架，研究人员进一步发展了营养状态评估多重分级的新标准，用于识别贫营养水体的伪中营养、伪富营养状态、过量磷输入的中营养风险和富营养风险，以及中营养水体的伪富营养状态和过量磷输入的富营养风险。相应地，研究人员以尚普兰湖21年的观测数据集为典型案例，对新思路、新框架和新标准进行了详细的解释和阐述，并成功地评估了该湖营养状态和过量磷输入富营养化风险的空间格局。
在文章讨论部分，EPSCoR研究人员反复强调，他们利用尚普兰湖观测数据所建立的具体方程只适用于该湖泊本身的评估，但其新思路、新框架和新标准可广泛用于具有长期观测数据积累的具体湖泊。具体湖泊观测数据在上世纪70年代极度匮乏，以Carlson教授为代表的湖沼学界不得不采用多个湖泊数据集构建营养状态方程。进入21世纪后具体湖泊的观测数据已经积累很多并将持续快速增加，湖沼学界和管理部门是时候采取新思路、新框架和新标准对具体湖泊“精准评估”了。同时，数理统计的发展和计算软件的普及，也使得新思路、新框架和新标准的广泛运用得以实现。
《Developing a 21st Century framework for lake-specific eutrophication assessment using quantile regression》( 面向21世纪的特定湖泊营养状态评估框架构建：基于分位回归的尝试)(Limnology & Oceanography:Methods,2015)全文下载链接：
推荐文献阅读：
Carlson, R. E. 1977. A trophic state index for lakes. Limnology and Oceanography. 22: 361–369.
Carlson R. E.1991.Expanding the trophic state concept to identify non-nutrient limited lakes and reservoirs. Enhancing the states's lake management programs. 59-71.
Carlson, R. E. & K. E. Havens K. E. 2005. Simple graphical methods for the interpretation of relationships between trophic state variables. Lake and Reservoir Management 21: 107–118.
Carlson R.E. 2007. Estimating trophic state. Data Analysis. 25-27
U. S. EPA (United States Environmental Protection Agency). (2000) Nutrient Criteria Technical Guidance Manual: Lakes and Reservoirs.
U. S. EPA (United States Environmental Protection Agency). Lake and Reservoir Bioassessment and Biocriteria: Technical Guidance Document. EPA 841-B-98-007
Xu Y., Cai Q., Han X., Shao M. & Liu R. 2010. Factors regulating trophic status in a large subtropical reservoir, China. Environmental Monitoring and Assessment, 169, 237-248.
Xu Y., Shao M., Han X. & Cai Q. 2011. Temporal asynchrony of trophic status between mainstream and tributary bay within a giant dendritic reservoir: The role of local-scale regulators. Water, Air, & Soil Pollution, 219, 271-284.
Xu Y., Schroth A.W. & Rizzo D.M. 2015. Developing a 21st Century framework for lake-specific eutrophication assessment using quantile regression. Limnology and Oceanography: Methods, 13, 237–249.
推荐网页浏览：
北美湖泊管理协会：
http://www.secchidipin.org/index.php/monitoring-methods/trophic-state-equations/
维基百科：
https://en.wikipedia.org/wiki/Trophic_state_index
台湾环保信息网：
http://wq.epa.gov.tw/WQEPA/Code/Business/Standard.aspx?Languages=en
美国环保信息网
http://www2.epa.gov/sites/production/files/documents/guidance_lakes.pdf
http://water.epa.gov/type/lakes/assessmonitor/bioassessment/lakes.cfm
