一种定量有机碳环境响应力的方法

本发明属于环境生态学领域，尤其涉及一种定量有机碳环境响应力的方法。

背景技术：

1、全球变化背景下有机碳如何响应环境变化等基础科学问题是全球变化研究的热点领域。量化有机碳对环境变化的响应能更好地预测未来全球背景下生态系统有机碳的动态变化以及识别全球有机碳敏感性热区。目前，关于有机碳环境响应的研究多关注总有机碳含量、温室气体排放等宏观层面，考虑到有机碳分子多样性高、分子特性各异，在分子水平认知有机碳如何响应环境变化具有较大难度，因此，目前还缺乏相关方法基于有机碳分子特性，从样品或生态系统水平来定量有机碳的环境响应力，包括响应力强度和响应方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种定量有机碳环境响应力的方法。

2、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种定量有机碳环境响应力的方法，包括：

4、采集不同环境变量条件下的环境样品，测定其有机碳分子组成和环境变量数值；

5、将环境样品按照预设比例多次随机划分为第一数据集和第二数据集；

6、取每次随机划分生成的第一数据集，计算每个有机碳分子和环境变量变化关系的标准效应值，表征每个有机碳分子的环境响应力；

7、取每次随机划分生成的第二数据集，基于第一数据集中每个有机碳分子的环境响应力的计算结果，利用统计方法计算每个样品的环境响应力；

8、根据多次随机过程中第二数据集的每个样品的被随机次数和每次随机计算得到的对应样品的环境响应力，通过算术平均计算每个样品的环境响应力。

9、作为一种优选的实施方式，所述不同环境变量条件下的环境样品为环境变量变化梯度条件下的自然环境样品，或置于环境变量变化梯度下培养后的环境样品。所述不同环境变量条件包含明确的环境变量梯度，可为连续环境变化或设置特定环境变化处理。例如以温度为环境变量，环境样品是温度梯度变化条件下的自然环境样品，或取环境样品在温度梯度变化条件下培养，得到不同温度条件下培养的环境样品。

10、作为一种优选的实施方式，所述有机碳分子组成数据通过高分辨质谱技术获得。

11、作为一种优选的实施方式，利用机器学习模型训练方法，将环境样品按照预设分配比例随机划分为第一数据集和第二数据集。

12、作为一种优选的实施方式，随机划分的次数≥999。随机划分的次数应足够大，从而确保多次随机后第二数据集能覆盖所有样品，即每个样品都在第二数据集被随机到。

13、作为一种优选的实施方式，所述有机碳分子和环境变量变化关系的标准效应值基于秩相关系数、效应量或回归分析斜率的统计方法建立。

14、作为一种优选的实施方式，通过秩相关系数计算标准效应值，所述秩相关系数基于双尾假设检验获得显著性标准效应值，其计算方式如下：

15、

16、

17、p＝1-2×pt(t,n-2)

18、式中，ρ为秩相关系数，di为第i个有机碳分子相对丰度和环境变量数据对在样品之间的位次值之差，n为样品数；t为t假设检验，p为显著性检验p值，pt为t分布。

19、作为一种优选的实施方式，通过效应量指标定量计算标准效应值，其计算方式如下：

20、

21、

22、df＝nt+nc-2

23、其中，es为效应量，为处理环境条件时目标有机碳分子相对丰度的平均值，为对照环境条件时目标有机碳分子相对丰度的平均值，spooled为目标有机碳分子在处理环境条件和对照环境条件时相对丰度的合并标准差，it为处理环境条件时每个样品中目标有机碳分子的相对丰度，ic为对照环境条件时每个样品中目标有机碳分子的相对丰度，γ为gamma函数，df为自由度，nt为处理环境条件时的样品个数，nc为对照环境条件时的样品个数。

24、作为一种优选的实施方式，通过加权平均法计算每个样品的环境响应力，其计算方式如下：

25、

26、式中，icerm为基于加权平均值的环境响应力，ρi和ii分别为第i个有机碳分子的环境响应力和相对丰度，s为具有显著秩相关系数的有机碳分子数。

27、作为一种优选的实施方式，通过比值法计算每个样品的环境响应力，其计算方式如下：

28、

29、式中，icerr为基于比值法的环境响应力，pi和ni分别为第i个具有显著正值秩相关系数和负值秩相关系数的有机碳分子的相对丰度，m和n分别为具有显著正值秩相关系数和负值秩相关系数的有机碳分子数。

30、作为一种优选的实施方式，所述环境响应力包括目标有机碳分子或样品的环境响应强度和环境响应方向，所述环境相应强度基于环境响应力数值的大小表征，所述环境响应方向基于环境响应力数值的正负表征。

31、本发明中，所述环境变量指环境中可能影响生态系统的变化因素，包括温度、湿度、光照、ph、营养盐浓度、初级生产力、微塑料输入、重金属污染等。

32、所述环境样品可以是生物、微生物、土壤、水体等。

33、为了量化有机碳对环境变化的响应，本发明利用机器学习模型训练方法，将有机碳分子组成数据集按照一定分配比例随机划分为两份，用于独立计算两个层次的有机碳环境响应力，即，有机碳分子水平的环境响应力、有机碳集合水平的环境响应力。基于统计模型如秩相关系数在分子水平上计算每次随机划分生成的第一数据集和环境变量变化关系的标准效应值，以衡量每个有机碳分子的环境响应力；基于双尾假设检验获得显著性环境响应力。基于每次随机划分生成的第一数据集中分子水平的环境响应力和第二数据集中每个分子的相对丰度，通过加权平均或比值法的统计方法，在有机碳集合水平上定量每个样品有机碳的环境响应力；基于多次随机过程产生的有机碳集合水平上的环境响应力，通过平均值法计算所有样品有机碳的环境响应力；其中，有机碳环境响应力包括环境响应强度和环境响应方向。

34、本发明的方法可准确获取不同生态系统和环境变化梯度条件下有机碳分子水平和集合水平环境响应力的定量分析。该方法考虑有机碳各个分子的特性和环境响应力，可准确定量和比较不同生态系统或环境条件下有机碳的环境响应力，创建和阐明了从有机碳分子水平准确定量生态系统中有机碳对环境变化响应的研究思路。

技术特征：

1.一种有机碳环境响应力的定量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同环境变量条件下的环境样品为环境变量变化梯度条件下的自然环境样品，或置于环境变量变化梯度下培养后的环境样品。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用机器学习模型训练方法，将环境样品按照预设分配比例随机划分为第一数据集和第二数据集。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，随机划分的次数≥999。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机碳分子和环境变量变化关系的标准效应值基于秩相关系数、效应量或回归分析斜率的统计方法建立。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，通过秩相关系数计算标准效应值，所述秩相关系数基于双尾假设检验获得显著性标准效应值，其计算方式如下：

7.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，通过效应量指标定量计算标准效应值，其计算方式如下：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过加权平均法计算每个样品的环境响应力，其计算方式如下：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过比值法计算每个样品的环境响应力，其计算方式如下：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境响应力包括目标有机碳分子或样品的环境响应强度和环境响应方向，所述环境相应强度基于环境响应力数值的大小表征，所述环境响应方向基于环境响应力数值的正负表征。

技术总结
本发明公开一种有机碳环境响应力的定量方法，采集不同环境变量条件下的环境样品，测定其有机碳分子组成和环境变量数值；将环境样品按照预设比例多次随机划分为两个数据集；利用第一数据集中的数据计算每个有机碳分子和环境变量变化关系的标准效应值，表征每个有机碳分子的环境响应力；利用第二数据集中的数据和第一数据集的计算结果，基于统计方法计算每个样品的环境响应力；根据多次随机过程中第二数据集的每个样品的被随机次数和每次随机计算得到的对应样品的环境响应力，通过算术平均计算每个样品的环境响应力。本发明的方法可准确获取不同生态系统和环境变化梯度条件下有机碳分子水平和集合水平环境响应力的定量分析。

技术研发人员：胡盎,王建军
受保护的技术使用者：中国科学院南京地理与湖泊研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24