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(gòu)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(qū)動模型，例如可利用這類驅(qū)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(guān)聯(lián)物質(zhì)的驅(qū)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(guān)系擬合模型更趨于真實性。
關(guān)鍵變量關(guān)系變點檢驗是生物與環(huán)境相互關(guān)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(guān)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(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(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(guān)系出現(xiàn)一個變點現(xiàn)象，進一步意味著冷室氣體物質(zhì)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(zhì)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(gòu)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(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。
冷室氣體響應邊界變點模型構(gòu)建為剖析湖泊和海洋浮游植物驅(qū)動的冷室氣體物質(zhì)形成機制提供了另一統(tǒng)計學視角，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(zhì)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(qū)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(zhì)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(qū)動對冷室氣體物質(zhì)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(gòu)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(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(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(guān)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(guān)鍵變量上邊界模型擬合及相關(guān)影響、驅(qū)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
