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1、第2 3 卷第3 期 2 0 0 6 年5 月 中 国 科 学 院 研 究 生 院 学 报 J o u rna l o f t h e G r a d u a t e S c h o o l o f t h e C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s V o l . 2 3 M a y No . 3 2 0 0 6 A r t i c l e 1 D: 1 0 0 2 - 1 1 7 5 ( 2 0 0 6 ) 0 3 - 0 3 5 7 - 0 7 Q u a n t i t a t i v e R e c o n s t r u c
2、t i o n f o r L a k e E n v i r o n me n t a l C h a n g e s U s i n g t h e D i a t o m - p H T r a n s f e r F u n c t i o n C H E N G X i a o - Y i n g 1 ， ， L l S h i - b e ( 1 N a n j i n g I n s t i t u t e of G e o g r a p h y 2 G r a d u a t e S c h o o l o f t h e C h i n e s e A c a d e m
3、y o f S c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 9 , C h i n a ; 3 S c h o o l of B i o te c h n o l o g y ， S o u t h e r n Y a n g tz e U n iv e r s i ty , W u x i 2 1 4 1 2 2 , C h i n a ) ( R e c e i v e d 2 M a r c h 2 0 0 5 ;R e v i s e d 1 0 J u n e 2 0 0 5 ) C h e n g X Y, L i S J .r e c o n s
4、 t r u c t i o n f o r l a k e e n v i r o n m e n t a l c h a n g e su s ing 3 6 3 t h e d i a t o m- p H t r a n s f e r .J o u rna l o f t h e G r a d u a t e S c h o o l o f t h e C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， 2 0 0 6 , 2 3 ( 3 ) : 3 5 7 - A b s t r a c t I n t e r m s o f p
5、r i n c i p l e c o m p o n e n t s a n a l y s i s ， d e t r e n d e d c o r r e s p o n d e n c e a n a ly s i s a n d c a n o n i c a l c o r r e s p o n d e n c e a n a l y s i s ，a d i a t o m - p H t r a n s f e r f u n c t i o n c o u l d b e r e c o n s t r u c t e d d i a t o m d a t a a n
6、d p H f r o m 3 4 l a k e s i n Wa l e s . I n l i g h t o f r o o t m e a n s q u a re e r r o r a n d b y u s i n g t h e m o d e r n r e s i d u a l s r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t s ， p a rt i a l l e a s t x - v a l i d a t e d w e i g h t e d a v e r a g i n g w i t h c l a s s i
7、 c a l d e s h r i n k i n g a n d x - v a l i d a t e d w e i g h t e d a v er a g i n g s q u a r e s c o m p o n e n t 2 w e r e s e l e c t e d f o r p Hr e c o n s t r u c t i o nw i t h WA w i t h c l a s s i c a l d e s h r i n k i n g a s c o mp a ris o nA c c o r d i n g t o t h e s e d i a
8、 t o m - p H t r a n s f e r f u n c t i o n s ， t h e f o s s a n a l y s e d t o r e c o n s t r u c t t h e p H v a l u e i n L l y n H i r( l a k e )f r o m 1 9 5 6 i m p ro v e m e n t o f p H i n 1 9 8 5 w a s t h e r e s u l t o f l i m i n g b y t h e h i s t o ry r e c o r d t h e f o l l o
9、 w i n g s i x y e a r s b u t t h e e f f e c t w e a k e n e d g r a d u a l l y a n d v a n i s h e d i l d i a t o m i n t h e s e d i me n t w e r e t o 1 9 9 5.I t s h o w e d t h a t t h e a n d t h e r e w a s a n o b v i o u s e f f e c t . A l t h o u g h l i m i n g c a n i n c r e a s e
10、i n a r e l a t i v e l y s h o rt p e r i o d ， i t c a n n o t e r a d i c a t e l a k e a c i d i f i c a t i o n . m州 K e y w o r d s d i a t o m a s s e m b l a g e ， b u i l d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n , re c o n s t ru c t t h e p a s t p H c h a n g e , I l y n H i r C LC P 3 4 3
11、. 3 1 I n t r o d u c t i o n D ia to m s a r e g o o d e c o l o g ic a l in d ic a t o r s o f la k e - p H L “ . T h e s tu d y o f d i a t o m s c a n e n a b l e p a s t t r e n d s in w a te r q u a l i t y o f p H t o b e e s t a b l i s h e d o n a l a r g e r a n g e o f t i m e s c a l e s
12、 ( 1 口一1 0 0 a ) w h i l e t h e r e a re n o q u a n t i t a t i v e d o c u m e n ta ry re c o r d s o f s u lp h u r c o n c e n tr a t io n s p r io r t o th e 1 9 “ c e n tu ry 2 1 . I n re c e n t y e a r s a v a r ie ty o f n u m e r ic a l p ro c e d u r e s h a v e b e e n d e v e lo p e d
13、fo r q u a n t ita tiv e in f e r e n c e o f p H D . R e c o n s tr u c tio n p a s t la k e - p H f r o m th e d ia to m d a t a i n c l u d e s t w o s t e p s ， r e g r e s s i o n a n d c a l i b r a t i o n . F o r r e g r e s s i o n ， t h e r e s p o n s e s o f t h e m o d e m d i a t o m p
14、 r o x y t o c o n t e m p o r a ry e n v i ro n m e n t a l v a r i a b l e s a re m o d e l l e d . F o r c a l i b r a t i o n ， t h e p a s t e n v i ro n m e n t a l v a ri a b l e s a r e i n f e r re d f r o m t h e f o s s i l p r o x y d a t a a c c o r d i n g t o t h e m o d e l l e d r e
15、 s p o n s e . P r e v i o u s m e t h o d s o f r e c o n s t ru c t i n g p H a r e m o s t l y v a r i o u s o n m u l t i p l e - l i n e a r re g r e s s i o n - t y p e m o d e l s t h e n f o l l o w e d b y n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n - t y p e m o d e l s . T e r B r a a k a n d
16、 v a n D a m a l in t r o d u c e d t w o u n i m o d a l r e s p o n s e m o d e ls ， m a x i m u m li k e l i h o o d ( M L ) a n d w e ig h te d a v e 师n g ( W A ) ，s u p p o rt e d b y K n o w l e d g e I n n o v a t i o n P ro j e c t o f t h e C h i n e s e A c a d e m y o f S c le n c e s ( K
17、 Z C X I - S W - 1 2 - 1 ) 3 5 8中国科学院研究生院学报第 2 3 卷 r e g r e s s i o n a n d c al ib r a t io n ， b o th s o u n d in g th e o r e t ic a lly a n d p e r f o r m in g b e tte r th a n o th e r s 3 1 . M L f its th e n o n - l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n d i v i d u al t a x o
18、 n a n d t h e c h o s e n e n v i r o n m e n t al v a r i a b l e . H o w e v e r , t h i s a p p ro a c h d e m a n d s a g re a t d e a l o f c o m p u t a t io n w h i l e a s i m p l e r a p p ro a c h W A p r o v i d e s s i m i la r p r e d i c t iv e r e s u l t s ( i n t e r m s o f s t a
19、n d a r d e r r o r o f p r e d ic tio n )to M L 12 ,1 1 . T h u s , W A r e g r e s s io n a n d c al i b r a tio n a r e in itial l y a p p li e d t。r e c o n s tru c t p H 2 3 . F u r th e r m o re ， th e im p ro v e d m e th o d o f W A , n a m e ly w e i g h te d a v e 师n g p a r ti al l e a s
20、t s q u a r e s ( W A - P L S ) 5 ， al s o h a s g o o d p ro p e r t i e s w i t h c o m p o s i t i o n al p re d i c a t o r s . L l y n H i r i s a s m a l l u p l a n d l a k e i n m i d - Wal e s w i t h t h e al t i t u d e o f 3 9 0 m a n d t h e m a x i m u m al t i t u d e o f 4 5 0 m i n
21、t h e c a t c h m e n t . I n t h e l a t e 1 9 8 0 s t h e l a k e w a s f o u n d t o b e v e ry a c i d , i n w h i c h t h e m e a n p H i n 1 9 8 3 一1 9 8 5 w a s 4 . 7 . I t w a s l i m e d i n 1 9 8 5 i n a n a t t e m p t t o i m p ro v e t h e l a k e p H. A i m i n g t o s t u d y p H t e
22、m p o r al c h a n g e s d u e t o l i m i n g i n t h e l a k e ， p H w a s r e c o n s t ru c t e d f r o m d i a t o m a s s e m b l a g e s b y u s i n g WA a n d WA - P L S . T h e f o s s i l d i a t o m d a t a w e r e d e r i v e d f r o m a s e d i m e n t c o r e H I R 5 i n L l y n H i r
23、t a k e n i n 1 9 9 5 . 2 M e t h o d s 2 . 1 D i a t o m a n a l y s i s D ia t o m s l id e s w e r e p r e p a r e d a c c o r d in g to s t a n d a r d t e c h n iq u e s ， a s d e s c r ib e d b y S m o l e t a l 6 . A f te r r e m o v in g s al t s s o l u b l e i n h y d r o c h l o r i c a c
24、 i d , o r g a n i c m a t t e r , m i n e r o g e n i c m a t t e r , s e p a r a t i n g v al v e s a n d p r e p a r i n g s l i d e s ， a m i n i m u m o f 3 0 0 v al v e s w e r e c o u n t e d i n e a c h s a m p l e u s i n g l i g h t m ic r o s c o p y ( p h a s e c o n t r a s t ) a t 1 0
25、0 0 m a g n if i c a t i o n . 2 . 2 Or d i n a t i o n I n o r d e r t o i d e n t i f y w h e t h e r p H w a s s u i t a b l e f o r , t h e d e v e l o p m e n t o f a d i a t o m t r a n s f e r f u n c t i o n ， a n o r d i n a t i o n a n al y s i s i n v o l v i n g t h e p r i n c i p l e c
26、 o m p o n e n t s a n al y s i s( P C A ) ，d e t r e n d e d c o r r e s p o n d e n c e a n a l y s i s( D C A )a n d c a n o n i c al c o r r e s p o n d e n c e a n al y s i s ( C C A ) w a s u s e d i n i t i al l y . O r d i n a t i o n i s t h e c o l l e c t i v e t e r m f o r m u l t i v a
27、 r i a t e t e c h n i q u e s t h a t a r r a n g e s i t e s al o n g a x e s b a s e d o n s p e c i e s c o m p o s it io n 7 1 . O r d in a tio n in c lu d e s tw o m e th o d s . I n d i r e c t g r a d ie n t a n al y s i s re q u ir e s e ith e r s p e c ie s d a ta o r e n v i r o n m e n t
28、 a l d a t a w h i l e d i r e c t g r a d i e n t a n a l y s i s r e q u i r e s b o t h d a t a , a i m i n g t o d e t e c t t h e m a i n p a t t e rn b e t w e e n t h e s p e c i e s a n d t h e m e a s u re d e n v ir o n m e n t a l v a r i a b l e s 7 1 . A s t o i n d i r e c t m e t h o
29、d s ， P C A a n d D C A a r e m o s t p o p u l a r w i t h c o m m u n i ty e c o l o g i s t s 7 1 . P C A i s r e l a t e d t o l i n e a r r e s p o n s e i n w h i c h t h e a b u n d a n c e o f a n y s p e c i e s e i t h e r i n c r e a s e s o r d e c r e a s e s w i t h t h e v a l u e o f
30、 t h e l a t e n t e n v i ro n m e n t a l v a r i a b l e s ; b y c o n t r a s t ， D C A a s s o c i a t e d t o u n i m o d a l r e s p o n s e i n w h i c h t h e r e s p o n s e o f a t a x o n t o a g i v e n e n v i ro n m e n t a l v a r i a b l e c a n b e d e s c r i b e d r e a s o n a b
31、 l y w e l l b y a G a u s s i a n u n i m o d a l r e s p o n s e m o d e l 2 1 . A s t o t h e d i r e c t m e t h o d , C C A i s a u n i m o d a l c a n o n i c a l te c h n i q u e . U n i m o d a l m o d e l s a r e m o r e g e n e r a l t h a n m o n o t o n i c o n e s ) . T h e o r d i n a
32、t i o n d a t a w as f r o m t h e m o d e rn t r a i n i n g s e t . 2 . 3 T r a n s f e r f u n c t i o n W A f o l l o w s t h a t d i a t o m s w i t h t h e i r p H o p t i m a c l o s e t o t h e l a k e s p H w i l l t e n d t o b e t h e m o s t a b u n d a n t t a x a . A n e s t i m a t e
33、o f o n e t a x o n s p H o p t i m a i s t h u s t h e a v e r a g e o f a l l t h e p H v a l u e s o f l a k e s i n w h i c h t h e t a x o n o c c u r s ， w e i g h t e d b y t h e t a x o n s r e l a t i v e a b u n d a n c e( W A r e g r e s s i o n ) . C o n v e r s e l y , a n e s t i m a t
34、 e o f t h e l a k e s p H i s t h e w e ig h te d a v e r a g e o f th e p H o p ti m a o f a ll th e t a x a p r e s e n t ( W A c a lib r a t io n ) . W A is 。 。 e c o lo g ic a lly r e a l i s t ic a n d ro b u s t t r a n s f e r f u n c t i o n t o d i a t o m - p H w i t h s i m p l e c o m p
35、 u t a t i o n . N e v e rt h e l e s s ， WA s u f f e r s f r o m t w o f a u l t s ， w h i c h c a n b e i m p ro v e d b y WA - P L S m o d e l . T h e m o d e r n t r a i n i n g s e t l c o n s i s t e d o f 2 1 6 t a x a o f 3 4 s u r f a c e s a m p l e s f ro m 3 4 l a k e s i n W a l e s a
36、l o n g w i t h as s o c ia t e d p H a n d o t h e r c h e m ic a l a n d p h y s i c a l i n d e x e s ， n a m e l y A lt = a l t i t u d e ( m ) ， D e p t h = m a x i m u m l a k e d e p t h ( m ) ， % F o re s t = p e r c e n t a g e o f c a t c h m e n t w i t h c o n if e r a f f o r e s t a t
37、i o n ， C o n d 二 c o n d u c t i v i t y ( p s / c m ) ， D O C = d i s s o l v e d o r g a n i c c a r b o n ( m g / L ) ， C a 二 c a l c i u m( f te q / L ) ， C 1 = c h l o ri d e ( .e q / L ) ， A l - T o t = to t a l a l u m i n iu m( t tg / L ) . T h e T h e s e d a t a ， p ro v id e d b y D r .
38、H e l e n B e n n i o n in E C R C o f U C L , U K . 第 3 期C H E N G X i a o - Y i n g , L t S h i - 7 i e : Q u ant i t a t i v e R e c o n s t r u c t i o n f o r L a k e E n v i r o n m e n t a l C h a n g e s 3 5 9 d a t ar e p r e s e n t i ngt a x a w e r e e x p r e s s e d a s p e r c e n t a
39、 g e a b u n d a n c e o f t h e t o t a l d i a t o m c o u n t ( t y p i c a l l y 5 0 0 d i a t o m v a l u e s ) . T h e m o d e r n t r a i n i n g s e t i n c l u d e d r a r e t a x a w i t h o c c u r r e n c e r a t e l e s s t h a n 5 % a n d m a x i m u m a b u n d a n c e l e s s t h a n
40、 2 %. 2 . 4 P CA T o e x p l o r e t h e v a r i a n c e i n t h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , P C A w a s u s e d t o o r d i n a t e t h e e n v i r o n m e n t d a t a . M o d e r n c h e m i c a l a n d p h y s i c a l d a t a f o r t h e 3 4 l a k e s i
41、 n c l u d e d n i n e i n d e x e s m e n t i o n e d a b o v e . P C A a x i s l( A 。 = 0 . 4 3 5 )a n d a x i s 2( A 2 = 0 . 1 7 2 ) e x p l a i n e d 6 0 . 7 % o f t h e t o t a l v a r i a n c e i n t h e e n v i r o n m e n t a l d a t a . A x i s l ， m a i n l y a c h e m i c a l g r a d i e
42、n t ， r e p r e s e n t e d C o n d , C a , C l ，p H a n d A l - T o t w h i l e a x i s 2 ，m a i n l y a p h y s i c a l g r a d i e n t ， d i s p l a y e d D e p t h a n d%F o r e s t . I n F i g . I ， p H a n d C l r e p r e s e n t e d i n t e n s i v e l y p o s i t i v e l y c o r r e l a t i
43、o n w h i l e p H a n d A l - T o t , C l a n d A l - T o t d i s p l a y e d i n t e n s i v e l y n e g a t i v e c o r r e l a t i o n s 2. 5 DCA T o e x p l o r e h o w t h e s i t e s v a r i e d i n t e r m s o f t h e i r c o m p o s i t i o n ， D C A w a s u s e d t o o r d i n a t e s p e c
44、 i e s d a t a . T h e d a t a 0 . 8 D e p t h 0 / F o r e s t Al - T o t DOC 一 0 . 8 4 - 一1 . 01O F i g . 1 P C A b i p l o t w i t h s i t e s a n d v a r i a b l e s F ROI I A s p e c i e s e x c l u d e d NA1 3 3 A AC0 1 4 A A l l 南4 B C MI 0 3 A r a r e t a x a a n d t h e r e f o r e c o n t a
45、 i n e d 1 2 7 t a x a o f 3 4 s a m p l e s f r o m 3 4 l a k e s . H o w e v e r , D C A d e t e c t e d a v e ry s i g n i f i c a n t o u t l i e r , S a m p l e 1 3 ( C W 0 2 0 ) . D C A p r o c e d u r e w a s r e - r u n a f t e r s a m p l e 1 3 w a s o m i t t e d . D C A a x i s l ( a : =
46、0 . 3 0 7 ) e x p l a i n e d 1 5 . 2 % o f t h e t o t a l v a r i a n c e i n t h e d i a t o m d a t a w h i l e D C A a x i s 2( k 2 = 0 . 1 5 3 ) e x p l a i n e d 7 . 6 %. A s t h e g r a d i e n t l e n g t h e s o f a x i s l ( 2 . 4 6 2 s . d . u n i t s ) a n d a x i s 2( 2 . 3 6 1 s . d .
47、 u n i t s ) w e r e b o t h m o r e t h a n 2 s . d . u n i t s ， m o s t d i a t o m d a t a b e h a v e d i n a 争S C9 9 6 8 E UO C M 0 5 2 A 1 4 0 A Af0 0 2 藉 CY9 9 9 1 S P 0 0 2 A 一4 今 fY0 0 1 A u n i m o d a l m o d e l . T h u s C C A w a s u s e d s u b s e q u e n t l y . A l s o , N 2 o f s
48、 p e c i e s万 -一- 一4 s h o w e d h i g h e f f e c t i v e a b u n d a n c e o f m o s t s p e c i e s ，i n d i c a t i n g t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s t u d y ( F i g . 2 ) .F ig . 2 D C A s p e c ie s N Z 2 . 6 CCA w i t h C W0 2 0 d e l e t e d I n o r d e r t o d e t e c t t h e p a
49、t t e r n s o f v a r i a t i o n i n t h e s p e c i e s d a t a t h a t c o u l d b e b e s t e x p l a i n e d b y t h e m e a s u r e d v a r i a b l e s , C C A w a s u s e d t o o r d i n a t e s p e c i e s d a t a a n d e n v i r o n m e n t a l v a r i a b l e s . T h e s p e c i e s d a t a w e r e t h e s a m e -a s t h o s e i n D C A w h e r e a s t h e e n v i r o n m e n t d a t a w e r e d i f f e r e n t f r o m t h o s e i n P C A ，a s a l l t h e v a r i a b l e s h a d b e e n l o g t r a