定量转换函数在人类世湖泊水环境变化研究中的应用

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.038

近现代（1950年）以来，全球湖泊系统普遍面临水生态环境挑战，利用转换函数可定量重建湖泊水环境自然基线和演化历史，评估人类活动的影响程度并为生态修复提供合理目标。从转换函数构建及应用的基本流程入手，围绕pH值、总磷、溶氧量、透明度、水位、盐度和温度这几种水环境参数，综合梳理了生物—湖泊水环境定量转换函数在人类世湖泊流域中的典型应用案例，从不同角度考察了湖泊自然水生态环境受人类扰动而发生改变的速率、幅度以及演化过程与机制。最后，讨论了定量转换函数方法目前存在的不足，并从新载体开发和多指标体系构建、大样本训练集和机器学习、加强生物指标的现代生态学研究以及转换函数与生态系统模型的结合4个方面，针对性地提出几点展望，以进一步提升转换函数性能，并扩大其应用范围，为后续研究提供参考。

关键词: 湖泊水环境, 湖泊沉积, 转换函数, 定量重建, 环境演化, 人类世

Global lake systems have been facing ubiquitous aquatic environmental challenges since 1950. The baseline and changing history of lake aquatic environments can be reconstructed by quantitative transfer functions, which aids in the assessment of the degree of human impact on lake ecosystems and in setting practical targets for ecological restoration. The basic processes of developing and applying quantitative transfer functions are first introduced. Then, typical case studies from various lake catchments are comprehensively summarized to elaborate on the application of quantitative transfer functions based on sedimentary subfossils to reconstruct lake aquatic environmental parameters. These parameters include water pH, total phosphorus, dissolved oxygen, transparency, water level, salinity, and temperature. The rate and magnitude of deviation from natural baselines due to anthropogenic disturbances, changing trajectories, and underlying mechanisms in typical lake environments in the Anthropocene were examined from multiple perspectives. Finally, constraints and prospects for lake transfer functions are discussed from the following aspects: developing new indicators and a multi-proxy approach, improving training sets with larger sample sizes and machine learning, improving modern ecological studies of biological indicators, and combining transfer functions with ecosystem modeling to further improve the quality of transfer functions and enlarge application fields to provide scientific references and guidance for future research.

Key words: Lake aquatic environment, Lake sediment, Transfer function, Quantitative reconstruction, Environmental change, Anthropocene.

中图分类号:

P343.3

图1 定量转换函数构建及应用的基本流程

Fig. 1 Basic processes of developing and applying quantitative transfer functions

表1 用于定量转换函数构建和应用的软件平台和 R语言程序包

Table 1 Software platforms and R packages used in quantitative transfer functions development and application

流程	用途	软件平台	R语言程序包
确定目标变量	排序分析	Canoco 5和R	vegan
转换函数构建	线性方法	C2和R	rioja
	非线性方法	C2和R	rioja
	机器学习（RF）	R	randomForest
	机器学习（BRT）	R	gbm
	机器学习（ANN）	R	nnet
模型质量评估	交叉验证	C2和R	rioja，caret
重建有效性验证	随机TF检验	R	palaeoSig
重建有效性验证	匹配度检验	C2和R	analogue，rioja
转换函数应用	水环境定量重建	C2和R	rioja

表1 用于定量转换函数构建和应用的软件平台和 R语言程序包

Table 1 Software platforms and R packages used in quantitative transfer functions development and application

流程	用途	软件平台	R语言程序包
确定目标变量	排序分析	Canoco 5和R	vegan
转换函数构建	线性方法	C2和R	rioja
	非线性方法	C2和R	rioja
	机器学习（RF）	R	randomForest
	机器学习（BRT）	R	gbm
	机器学习（ANN）	R	nnet
模型质量评估	交叉验证	C2和R	rioja，caret
重建有效性验证	随机TF检验	R	palaeoSig
重建有效性验证	匹配度检验	C2和R	analogue，rioja
转换函数应用	水环境定量重建	C2和R	rioja

图2 人类世全球湖泊水环境转换函数定量重建研究点位分布图（各样点具体信息见表2）

Fig. 2 Location map of global study sites of applying transfer functions to quantitatively reconstructing lake aquatic environmental changes in the Anthropocene（detailed information of each site is in Table 2）

表2 人类世全球湖泊水环境转换函数定量重建研究信息汇总

Table 2 Summary of global studies on applying transfer functions to quantitatively reconstructing lake aquatic environmental changes in the Anthropocene

序号	训练集范围	转换函数类型	样本数/个	环境梯度	建模方法及质量	重建湖泊名称及重建时段	参考文献
13	27.2°N， 81.3°W	硅藻—透明度	35	1.86~7.06 m	WA-PLS， R²=0.59， RMSEP=1.15 m	Annie湖：1633—2019年	［ 29 ］
14	25.9°N， 99.3°E	硅藻—水位	62	0~14.1 m	WA-PLS， R²=0.95； RMSEP=1.20 m	云龙湖：1919—2013年	［ 60 ］
15	38.4°N， 75.0°E	硅藻—水位	45	0~19 m	WA-PLS， R²=0.89， RMSEP=1.85 m	卡拉库里湖：9.9~0 ka	［ 31 ］
16	40.5°~40.6°N， 112.5°~112.8°E； 41.9°~42.2°N， 86.7°~87.4°E	摇蚊—水位	54	1.5~17 m	PLS， R²=0.85， RMSEP=1.58 m	岱海：1500—2018年	［ 30 ］
17	28.0°~39.0°N， 87.3°~102.5°E	硅藻—盐度（电导率）	87	100~119 400 μS/cm	WA， R²=0.74， RMSEP=2.4 μS/cm	沉错，纳木错：1800—2000年	［ 61 ］
18	中亚地区	硅藻—盐度（电导率）	387	—	WA， R²=0.77， RMSEP=2.94 μS/cm	咸海：400—2000年	［ 62 ］
19	39.5°~39.9°N， 102.2°~102.5°E	硅藻—盐度（电导率）	26	1370~38 150 μS/cm	WA-PLS， R²=0.91， RMSEP=1.37 μS/cm	少白吉林湖：1950—2008年；准敖格旗湖：1850—2008年	［ 63 ］
20	28.1°~38.9°N， 84.6°~100.7°E	摇蚊—盐度	38	0.24~56.59 g/L	WA-PLS， R²=0.77， RMSEP=2.03 g/L	苏干湖：990—2000年	［ 33 ， 64 ］
21	66.3°~69.5°S， 75.0°~102.0°E	硅藻—盐度	111	0.1~165 g/L	WA， R²=0.83， RMSEP=2.02 g/L	Beall湖等3个湖泊：8.6~0 ka	［ 65 - 66 ］
22	26.0°~34.0°N， 99.0°~104.0°E	摇蚊—温度	100	4.2~19.8 ℃	WA-PLS， R²=0.63， RMSEP=2.31 ℃	天才湖：1860—2008年	［ 34 ］
23	瑞士	摇蚊—温度	—	—	WA-PLS， R²=0.52， RMSEP=0.88 ℃	Seebergsee湖：1070—2005年	［ 67 ］
24	东欧地区	摇蚊—温度	212	11.3~20.1 ℃	WA-PLS， R²=0.88， RMSEP=0.88 ℃	Sylvilampi湖：1620—2014年	［ 68 ］
25	36.0°~40.0°S， 72.0°~71.0°W	金藻孢囊—温度（冬季天数）	24	0~216日	WA-PLS， R²=0.80， RMSEP=28.7日	Escondida湖：1920—2009年	［ 35 ］
26	阿尔卑斯地区	金藻孢囊—温度（融冰日期）	29	—	WA-PLS， R²=0.85， RMSEP=7.06日	Silvaplana湖：1870—1004年	［ 69 ］

表2 人类世全球湖泊水环境转换函数定量重建研究信息汇总

Table 2 Summary of global studies on applying transfer functions to quantitatively reconstructing lake aquatic environmental changes in the Anthropocene

序号	训练集范围	转换函数类型	样本数/个	环境梯度	建模方法及质量	重建湖泊名称及重建时段	参考文献
13	27.2°N， 81.3°W	硅藻—透明度	35	1.86~7.06 m	WA-PLS， R²=0.59， RMSEP=1.15 m	Annie湖：1633—2019年	［ 29 ］
14	25.9°N， 99.3°E	硅藻—水位	62	0~14.1 m	WA-PLS， R²=0.95； RMSEP=1.20 m	云龙湖：1919—2013年	［ 60 ］
15	38.4°N， 75.0°E	硅藻—水位	45	0~19 m	WA-PLS， R²=0.89， RMSEP=1.85 m	卡拉库里湖：9.9~0 ka	［ 31 ］
16	40.5°~40.6°N， 112.5°~112.8°E； 41.9°~42.2°N， 86.7°~87.4°E	摇蚊—水位	54	1.5~17 m	PLS， R²=0.85， RMSEP=1.58 m	岱海：1500—2018年	［ 30 ］
17	28.0°~39.0°N， 87.3°~102.5°E	硅藻—盐度（电导率）	87	100~119 400 μS/cm	WA， R²=0.74， RMSEP=2.4 μS/cm	沉错，纳木错：1800—2000年	［ 61 ］
18	中亚地区	硅藻—盐度（电导率）	387	—	WA， R²=0.77， RMSEP=2.94 μS/cm	咸海：400—2000年	［ 62 ］
19	39.5°~39.9°N， 102.2°~102.5°E	硅藻—盐度（电导率）	26	1370~38 150 μS/cm	WA-PLS， R²=0.91， RMSEP=1.37 μS/cm	少白吉林湖：1950—2008年；准敖格旗湖：1850—2008年	［ 63 ］
20	28.1°~38.9°N， 84.6°~100.7°E	摇蚊—盐度	38	0.24~56.59 g/L	WA-PLS， R²=0.77， RMSEP=2.03 g/L	苏干湖：990—2000年	［ 33 ， 64 ］
21	66.3°~69.5°S， 75.0°~102.0°E	硅藻—盐度	111	0.1~165 g/L	WA， R²=0.83， RMSEP=2.02 g/L	Beall湖等3个湖泊：8.6~0 ka	［ 65 - 66 ］
22	26.0°~34.0°N， 99.0°~104.0°E	摇蚊—温度	100	4.2~19.8 ℃	WA-PLS， R²=0.63， RMSEP=2.31 ℃	天才湖：1860—2008年	［ 34 ］
23	瑞士	摇蚊—温度	—	—	WA-PLS， R²=0.52， RMSEP=0.88 ℃	Seebergsee湖：1070—2005年	［ 67 ］
24	东欧地区	摇蚊—温度	212	11.3~20.1 ℃	WA-PLS， R²=0.88， RMSEP=0.88 ℃	Sylvilampi湖：1620—2014年	［ 68 ］
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26	阿尔卑斯地区	金藻孢囊—温度（融冰日期）	29	—	WA-PLS， R²=0.85， RMSEP=7.06日	Silvaplana湖：1870—1004年	［ 69 ］

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Application of Quantitative Transfer Functions to the Study of Anthropocene Lake Aquatic Environmental Change