關鍵變量關系模型擬合是解析生物與環(huán)境相互作用機制的基本統(tǒng)計學路徑之一。根據(jù)生物與環(huán)境相互作用機制，擬合構建的模型可分為兩類，一是環(huán)境變化對生物動態(tài)的影響模型，例如可利用這類影響模型解析水體營養(yǎng)鹽變化對浮游植物生物量動態(tài)的調(diào)控機制；二是生物對環(huán)境的驅動模型，例如可利用這類驅動模型解析浮游植物代謝活動對水體環(huán)境與大氣環(huán)境關聯(lián)物質的驅動機制。統(tǒng)計學方法和工具創(chuàng)新及野外環(huán)境原位觀測數(shù)據(jù)增加，使生物與環(huán)境相互關系擬合模型更趨于真實性。
關鍵變量關系變點檢驗是生物與環(huán)境相互關系定量解析中重要的統(tǒng)計學環(huán)節(jié)。這一變點檢驗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、環(huán)境科學等學科的研究在生物與環(huán)境關系模型的統(tǒng)計推斷方面帶來疑惑，甚至在相互作用機制解析方面產(chǎn)生爭論。中國科學院城市環(huán)境研究所聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學、北京大學和美國地質調(diào)查局等，以水體浮游植物的生物量關鍵參數(shù)（葉綠素Chlorophyll a，CHL）及其代謝驅動產(chǎn)生的冷室氣體物質（二甲基硫醚Dimethyl sulfide，DMS）作為自變量和因變量的案例數(shù)據(jù)，構建了冷室氣體對浮游植物響應邊界變點模型。
冷室氣體響應邊界變點模型具有兩個相互關聯(lián)的基本特征，一是自變量與因變量關系呈現(xiàn)出明顯的上邊界，意味著冷室氣體物質對浮游植物生物量響應存在最大潛力；二是自變量與因變量關系出現(xiàn)一個變點現(xiàn)象，進一步意味著冷室氣體物質對浮游植物生物量最大響應并非是持續(xù)線性增加，而是當浮游植物生物量增加到一個特定數(shù)值時冷室氣體物質開始出現(xiàn)線性減少。針對上述這兩個基本特征，冷室氣體響應邊界變點模型的構建在統(tǒng)計方法學上有別于傳統(tǒng)的分位數(shù)回歸，而是進一步耦合了貝葉斯推斷。相關模型方法和結果以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。
冷室氣體響應邊界變點模型構建為剖析湖泊和海洋浮游植物驅動的冷室氣體物質形成機制提供了另一統(tǒng)計學視角，或對水域生態(tài)系統(tǒng)甚至其他類型生態(tài)系統(tǒng)的關鍵變量關系變點檢驗具有相應的方法學參考價值。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)中冷室氣體物質形成機制。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。在水圈微生物驅動地球元素循環(huán)的機制等重大研究計劃的推動下，水域浮游植物生物量和冷室氣體物質野外環(huán)境原位觀測數(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，進而在多個尺度上更定量地闡釋浮游植物代謝活動驅動對冷室氣體物質形成機制。
邊界變點模型主要研究人員在另一項假設檢驗路徑構建中探索了數(shù)據(jù)“投喂”量對分位數(shù)回歸模型上邊界穩(wěn)定性的影響。這項假設檢驗路徑發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)“投喂”量的增加，能夠使利用分位數(shù)回歸方法擬合的關鍵變量關系模型趨于更加穩(wěn)定。分位數(shù)回歸方法創(chuàng)建于數(shù)量經(jīng)濟學領域并發(fā)展和應用于生態(tài)學領域。然而，這一方法對關鍵變量關系模型擬合往往需要大量數(shù)據(jù)“投喂”和循環(huán)計算，導致其在過去很長一段時間難以在生態(tài)學和環(huán)境科學的研究應用中發(fā)揮應有的科學價值。隨著生態(tài)學和環(huán)境科學領域野外環(huán)境原位觀測數(shù)據(jù)共享時代的到來，分位數(shù)回歸及其關聯(lián)方法學體系，如與貝葉斯推斷的方法耦合，可望在生態(tài)與環(huán)境關鍵變量上邊界模型擬合及相關影響、驅動和響應機制的解析產(chǎn)生更大的支撐作用。
冷室氣體對浮游植物響應邊界變點模型
來源：中國科學院城市環(huán)境研究所
