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《人与自然系统耦合的因果推理|PNAS》

  • 来源专题：外来生物入侵
  • 编译者： 王成卓
  • 发布时间：2019-04-15

  • 耦合的人与自然系统(CHANS)是复杂的、动态的、相互关联的系统，具有跨社会和环境维度的反馈。这种反馈给因果推理带来了巨大的挑战。两个重要的挑战涉及关于排他性和无干扰的假设。在中国的文献中，这两个假设大部分都没有被探究过，但是当这两个假设都被违背时，从可观察到的数据中得出的因果推论就很难解释了。为了探索它们的合理性，系统的结构知识是必要的，同时也需要明确认识到，汉语中的大多数因果变量影响着环境和人类因素的耦合配对。在评估海洋保护区的大量文献中，近200项研究试图提出因果关系的主张，但很少涉及排除性假设。为了检验干扰对CHANS的相关性，我们开发了一个程式化的模拟海洋CHANS，其冲击可以代表政策干预、生态干扰和技术灾难。中国的人力和资本流动既是干扰的原因之一，对因果效应的推断存在偏见，也是因果效应本身的调节因素。在CHANS中，没有一个完美的解可以满足排他性和干扰假设。为了阐明汉语中的因果关系，一个给定的因果问题需要多种方法，目的是确定每种方法的偏差来源，然后根据可信的推论进行三角分析。在陈教授的研究和更广泛的可持续发展科学中，积累基于因果关系的证据的途径需要来自许多学科的技能和知识，以及有效的学术-实践者合作。

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相关报告

  • 《稻田土壤铁-氮耦合的微生物机制取得重要进展》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：金慧敏
    • 发布时间：2014-12-18
    • 　　稻田土壤是一种典型的人工湿地系统，其周期性的干湿交替导致了系列的氧化还原反应。由于稻田土壤的这一特性以及丰富的铁（Fe）含量，异化Fe(III)还原现象普遍存在于淹水稻田土壤中，并被认为可调控其他元素的生物地球化学过程。施氮（N）肥（尿素或氨）是人们为了维持稻田土壤肥力和增加水稻产量的一种重要农业管理措施。已有研究表明，在其他生境，如湿地和热带森林土壤中发现异化Fe(III)还原与N元素循环之间存在联系，然而人们对稻田土壤中微生物介导的异化Fe(III)还原与N元素循环相耦合的过程知之甚少。 　　鉴于稻田土壤在全球农业生产和生态环境功能中的突出地位，中科国学院生态环境研究中心朱永官课题组对我国稻田土壤中的Fe-N耦合过程进行了一系列研究。首先，他们选取我国南方第四纪红土母质发育的稻田土壤，通过室内泥浆厌氧培养手段，以13C-乙酸盐为底物，分别添加水铁矿和针铁矿作为唯一末端电子受体，采用基于rRNA的稳定性同位素探针（rRNA-SIP）结合基于16S rRNA的454高通量测序技术，研究了长期施N肥（尿素）对稻田土壤中依赖于乙酸盐同化的Fe(III)还原微生物群落的影响。他们首次揭示了长期施N肥能够促进稻田土壤中Fe(III)还原过程以及改变依赖于乙酸盐的Fe(III)还原细菌的群落结构。此外，他们还发现尽管不同形态的铁矿对Fe(III)还原细菌的类群具有选择性，水铁矿和针铁矿的添加均刺激了两种土壤中Geobacter属的增长，且长期施氮肥导致其增长幅度更大。这些结果暗示着长期施N肥在微生物介导的稻田土壤Fe的生物地球化学循环中的重要性，强调了元素生物地球化学循环之间复杂的相互作用。这一研究成果发表在自然出版集团的The ISME Journal（Ding et al., ISME J., 2014, DOI: 10.1038/ismej.2014.159）上。随后，他们以一个第四纪红土母质发育的时间序列稻田土壤为对象，采用基于15N-NH4+（15NH4+）的稳定性同位素示踪以及乙炔（C2H2）抑制技术，首次证明了稻田土壤中存在铁氨氧化过程，即在厌氧条件下，以Fe(III)为电子受体，Fe(III)被还原为Fe(II)的同时铵（NH4+）被氧化为氮气（N2），或亚硝酸盐（NO2–），或硝酸盐（NO3–）的过程（图1），其中，直接生成N2是稻田土壤中铁氨氧化过程的主要途径。此外，他们还发现水稻耕作可提高土壤微生物可还原Fe(III)水平，促进铁氨氧化反应，从而刺激土壤中N损失，通过估算发现铁氨氧化过程造成的N损失约占我国氨肥田间施用量的3.9–31%，推测此过程是稻田土壤N损失的潜在重要途径之一，可能影响到对陆地生态系统氮素损失的估算。这一研究成果发表在Environmental Science and Technology（Ding et al., Environ. Sci. Technol., 2014b, DOI: 10.1021/es503113s）上。
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  • 《自然资源部第一海洋研究所科研人员在全球高分辨率耦合海洋模式发展方面取得新突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-04-02
    • 水平分辨率和物理过程表达的精确性是决定全球海洋模式模拟结果真实性的两个最重要的因素。按照自然资源部第一海洋研究所数值模式“运行一代、研制一代、策划一代”的总体思路，物理海洋室肖斌工程师与团队成员密切协作，突破系列关键技术瓶颈，将自然资源部第一海洋研究所全球高分辨率海洋模式水平分辨率由1/10°提升至1/32°，并实现了全球海浪-潮流-环流耦合。新的模式命名为全球1/32°海浪-潮流-环流耦合海洋模式（FIO-COM32）。这为下一代业务化预报系统建设打下了坚实的基础。论文2023年3月28日发表于国际高端期刊《Geoscientific Model Development》（https://doi.org/10.5194/gmd-16-1755-2023），乔方利研究员为通讯作者。 首先，随着分辨率由1/10°提升至1/32°，模式的计算量和内存开销将分别增加约32倍和10倍，对模式研发与运行提出了巨大的技术挑战。该课题组通过设计四级并行框架，突破了高效并行计算技术瓶颈；通过IO二次剖分和多进程归集，突破了IO技术瓶颈。 模式分辨率的提升对地形岸线的解析、涡旋现象的模拟等都有本质性改进。新的高分辨率模式能够模拟更丰富的海洋涡旋现象，显著改进了模式对涡动能的模拟能力，尤其在黑潮和湾流等西边界强流区域，所模拟的强流路径与形态均有较大提升，涡动能的均方根误差随之大幅降低。 其次，即使分辨率提升至全球1/32°，夏季上层海洋混合不足的问题依然存在，图中显示模式与Argo观测的夏季混合层深度存在显著的偏浅问题，这是国内外海洋环流模式的共性问题。基于本研究组原创的浪致混合理论，将浪致混合方案Bv引入到新模式，显著改进了夏季混合层深度模拟，首次实现了高分辨率海浪-潮流-环流的耦合。 以往国内外超高分辨率海洋模式与卫星观测的海面高度数据对比显示，两者的中尺度波数谱斜率存在明显差异，这是一个困扰了物理海洋学领域多年的科学难题。基于建立的新型模式，该课题组首次在全球尺度科学阐释了该差异是由于海洋环流模式中未引入潮流而引起的。通过引入天体引潮力实现潮流-环流耦合，全球模式中激发的内潮和惯性重力波所致的海面起伏显著改进了模式的中尺度波数谱斜率。在乔方利研究员带领下，经过几十年的不断探索，该研究组打破了国内外海浪、潮流、环流分治的传动动力学框架，在国际上首次提出海浪、潮流、环流等多运动形态耦合建模的学术思想。该论文清晰表明，耦合建模是未来海洋模式发展的正确道路。 在联合国“海洋十年”框架下，乔方利联合欧美等25个国家34家海洋研究机构和3个国际组织，于2022年发起了“海洋与气候无缝预测（OSF）”大科学计划。该论文的发表标志着OSF又迈上了一个新台阶。  
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