《湖泊科学》

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【学科前沿】湖泊“减肥”的个性化策略：理论假设与检验的新途径

发布时间:2015年11月02日点击数量:3838

富营养化是描述湖泊、水库、河流和海洋等水体“肥胖症”的专业性术语。长期以来，科学界围绕着水体富营养化的 “减肥”策略争论不休，即争论于“磷的单控”与“氮磷双控”的策略孰优孰劣。具有代表性的争论是2009年美国《Science》就富营养化主题发表了5篇读者来信。相关介绍参见：http://www.jlakes.org/ch/reader/view_news.aspx?id=20150107040942001

众所周知，美国总统奥巴马最近推出精准医疗计划(Precision Medicine Initiative, PMI)，其中包括了面向肥胖症患者的个性化减肥治疗的倡议。虽然这一计划和湖沼学研究没有本质的关联性，但该计划中精准理念的思考或许有助于减少水体“减肥”策略的争论。如果湖沼学界愿意借鉴该计划的个性化倡议，那么就可以不需要继续争论水体“减肥”策略是否有普遍性或统一性，而是确实行动起来研究和制定每个湖泊的个性化“减肥”策略。

据了解，受PMI计划理念和倡议的启发，美国佛蒙特大学(The University of Vermont, UVM)研究人员近日梳理了湖泊等水体“减肥”策略的争论焦点。考虑到气候驱动、流域土地利用和湖泊生态系统类型在全球尺度丰富多样，水体“肥胖症”的机理也是复杂多样，研究人员对此明确提出湖泊管理也应该有精准的个性化“减肥”策略(Ecosystem-specific management)。在此基础上，研究人员基于现代统计学的发展对原始文献的追溯阅读，整理发现湖泊富营养化经典模型(叶绿素与营养物关系模型)的构建和使用存在着统计学三个基本问题：1)多个湖泊数据集构建的模型不能用于拟合和预测单个湖泊生态学参数的关系；2)平均化和对数转化后的数据掩盖了有趣和重要的季节变异；3)最小二乘法线性回归不能用于推断生态学变量的因果关系。这些存在的问题在很大程度上导致了湖泊生态系统在“减肥”管理上的偏见、不确定性和持续不断的争论。

针对湖泊富营养化策略制定的争论和经典模型存在的问题，研究人员提出了可以基于分位回归(Quantile Regression, QR)构建单个湖泊营养盐限制上边界拟合模型，因为分位回归上边界模型与生态系统限制因子定律相统一。基于美国环保局(EPA)营养盐技术指南中的参照目标百分数选择(Percentile selection, PS)和分位回归上边界拟合的途径整合，研究人员提出了用于检验“具体湖泊是否存在单种或多种营养盐限制?”的新途径，并称之为 “PS-QR耦合途径”。

利用横跨美国和加拿大两国的尚普兰湖(Lake Champlain) 21年的15个长期观测样点数据，研究人员解释了 “PS-QR耦合途径 ”的基本原理并对该途径的应用进行了详细的例举和讨论。他们发现就尚普兰湖本身的检验结果而言，该湖泊的“减肥”策略应该以优先控制磷为主，辅之控氮有助于巩固控磷效果和缓解其它环境问题。在最后的讨论中，研究人员特别提醒到：“别的湖泊请不要直接采用尚普兰湖的“减肥”策略，因为每个湖泊的“肥胖”机理可能不尽相同”。但是，有着类似于尚普兰湖长期观测数据的湖泊(如北美的五大湖、美国的Okeechobee及中国的太湖、三峡水库和巢湖等)，可借鉴和采用“PS-QR耦合途径”，构建每个湖泊具体的富营养化基准方程(模型)及相应的个性化“减肥”管理策略。

有关“PS-QR耦合途径”的原理和应用案例，请阅读最近发表在国际水域科学主流学术期刊《Freshwater Biology》的研究论文。相关链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/fwb.12615/full

该研究由来自佛蒙特大学EPSCoR研究中心、地理系、环境与自然资源学院及工学院中不同学科背景(生态学、地球化学、资源科学和数理统计)的研究人员合作完成。其中的三位研究人员还在湖沼学顶级期刊(Limnology and Oceanography: Methods)发表了富营养化精准评估的新途径《Developing a 21st Century framework for lake-specific eutrophication assessment using quantile regression》。相关链接：http://www.jlakes.org/ch/reader/view_news.aspx?id=20150629013837667

据悉，研究人员有趣地将以上两项分别针对湖泊富营养化评估与管理的研究论文称为 “孪生论文(Twined Articles)”。该 “孪生论文”发表后，尚普兰湖富营养化和蓝藻水华相关研究得到了学术界、管理部门和产业界的兴趣与讨论及新闻媒体的关注。有兴趣的读者可通过以下链接中的电子邮件参与提问、讨论和交流，或者通过新闻链接了解更多的信息。

学术界：

Yaoyang Xu, VT-EPSCoR, The University of Vermont

http://www.uvm.edu/~epscor/ds/show_profiles6.php?p_type=8&p_type2=postdoc

Andrew W. Schroth, Department of Geology, The University of Vermont

https://www.uvm.edu/geology/?Page=faculty/schroth.php

Donna M. Rizzo, School of Engineering, The University of Vermont

http://www.uvm.edu/~drizzo/

Roger Koenker, Department of Economics , University of Illinois

http://www.econ.uiuc.edu/~roger/

Roger I. Jones, Department of Biological and Environmental Science, University of Jyväskylä

http://users.jyu.fi/~rjones/

John Smol, Department of Biology, Queen's University