關(guān)鍵變量關(guān)系模型擬合是解析生物與環(huán)境相互作用機(jī)制的基本統(tǒng)計(jì)學(xué)路徑之一。根據(jù)生物與環(huán)境相互作用機(jī)制，擬合構(gòu)建的模型可分為兩類，一是環(huán)境變化對(duì)生物動(dòng)態(tài)的影響模型，例如可利用這類影響模型解析水體營養(yǎng)鹽變化對(duì)浮游植物生物量動(dòng)態(tài)的調(diào)控機(jī)制；二是生物對(duì)環(huán)境的驅(qū)動(dòng)模型，例如可利用這類驅(qū)動(dòng)模型解析浮游植物代謝活動(dòng)對(duì)水體環(huán)境與大氣環(huán)境關(guān)聯(lián)物質(zhì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和工具創(chuàng)新及野外環(huán)境原位觀測(cè)數(shù)據(jù)增加，使生物與環(huán)境相互關(guān)系擬合模型更趨于真實(shí)性。

關(guān)鍵變量關(guān)系變點(diǎn)檢驗(yàn)是生物與環(huán)境相互關(guān)系定量解析中重要的統(tǒng)計(jì)學(xué)環(huán)節(jié)。這一變點(diǎn)檢驗(yàn)方法差異造成的模型參數(shù)不確定性，在較大程度上給生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的研究在生物與環(huán)境關(guān)系模型的統(tǒng)計(jì)推斷方面帶來疑惑，甚至在相互作用機(jī)制解析方面產(chǎn)生爭(zhēng)論。中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學(xué)、北京大學(xué)和美國地質(zhì)調(diào)查局等，以水體浮游植物的生物量關(guān)鍵參數(shù)（葉綠素Chlorophyll a，CHL）及其代謝驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的冷室氣體物質(zhì)（二甲基硫醚Dimethyl sulfide，DMS）作為自變量和因變量的案例數(shù)據(jù)，構(gòu)建了冷室氣體對(duì)浮游植物響應(yīng)邊界變點(diǎn)模型。

冷室氣體響應(yīng)邊界變點(diǎn)模型具有兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的基本特征，一是自變量與因變量關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的上邊界，意味著冷室氣體物質(zhì)對(duì)浮游植物生物量響應(yīng)存在最大潛力；二是自變量與因變量關(guān)系出現(xiàn)一個(gè)變點(diǎn)現(xiàn)象，進(jìn)一步意味著冷室氣體物質(zhì)對(duì)浮游植物生物量最大響應(yīng)并非是持續(xù)線性增加，而是當(dāng)浮游植物生物量增加到一個(gè)特定數(shù)值時(shí)冷室氣體物質(zhì)開始出現(xiàn)線性減少。針對(duì)上述這兩個(gè)基本特征，冷室氣體響應(yīng)邊界變點(diǎn)模型的構(gòu)建在統(tǒng)計(jì)方法學(xué)上有別于傳統(tǒng)的分位數(shù)回歸，而是進(jìn)一步耦合了貝葉斯推斷。相關(guān)模型方法和結(jié)果以Bayesian change point quantile regression approach to enhance the understanding of shifting phytoplankton-dimethyl sulfide relationships in aquatic ecosystems為題，發(fā)表在Water Research上。

冷室氣體響應(yīng)邊界變點(diǎn)模型構(gòu)建為剖析湖泊和海洋浮游植物驅(qū)動(dòng)的冷室氣體物質(zhì)形成機(jī)制提供了另一統(tǒng)計(jì)學(xué)視角，或?qū)λ蛏鷳B(tài)系統(tǒng)甚至其他類型生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵變量關(guān)系變點(diǎn)檢驗(yàn)具有相應(yīng)的方法學(xué)參考價(jià)值。然而，這并非意味著該模型已能完美地解析這一水域生態(tài)系統(tǒng)中冷室氣體物質(zhì)形成機(jī)制。這是由于分位數(shù)回歸和貝葉斯推斷在數(shù)據(jù)需求上屬于“饑餓”型方法，而目前可用的案例數(shù)據(jù)仍然匱乏。在水圈微生物驅(qū)動(dòng)地球元素循環(huán)的機(jī)制等重大研究計(jì)劃的推動(dòng)下，水域浮游植物生物量和冷室氣體物質(zhì)野外環(huán)境原位觀測(cè)數(shù)據(jù)將可能出現(xiàn)大幅增加。這將能夠更全面“投喂”分位數(shù)回歸和貝葉斯推斷這一數(shù)據(jù)“饑餓”型耦合方法，進(jìn)而在多個(gè)尺度上更定量地闡釋浮游植物代謝活動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)冷室氣體物質(zhì)形成機(jī)制。

邊界變點(diǎn)模型主要研究人員在另一項(xiàng)假設(shè)檢驗(yàn)路徑構(gòu)建中探索了數(shù)據(jù)“投喂”量對(duì)分位數(shù)回歸模型上邊界穩(wěn)定性的影響。這項(xiàng)假設(shè)檢驗(yàn)路徑發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)“投喂”量的增加，能夠使利用分位數(shù)回歸方法擬合的關(guān)鍵變量關(guān)系模型趨于更加穩(wěn)定。分位數(shù)回歸方法創(chuàng)建于數(shù)量經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域并發(fā)展和應(yīng)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域。然而，這一方法對(duì)關(guān)鍵變量關(guān)系模型擬合往往需要大量數(shù)據(jù)“投喂”和循環(huán)計(jì)算，導(dǎo)致其在過去很長一段時(shí)間難以在生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的研究應(yīng)用中發(fā)揮應(yīng)有的科學(xué)價(jià)值。隨著生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域野外環(huán)境原位觀測(cè)數(shù)據(jù)共享時(shí)代的到來，分位數(shù)回歸及其關(guān)聯(lián)方法學(xué)體系，如與貝葉斯推斷的方法耦合，可望在生態(tài)與環(huán)境關(guān)鍵變量上邊界模型擬合及相關(guān)影響、驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)機(jī)制的解析產(chǎn)生更大的支撐作用。

冷室氣體對(duì)浮游植物響應(yīng)邊界變點(diǎn)模型

來源：中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所