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科学研究中的“瞎子摸象”现象

发表时间:2022/08/25 21:08:40  作者: 刘其根  浏览次数:1898  
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水域生态学研究也和其他科学研究一样,我们每开展一个研究,都会受到经费、场地或实验条件等的限制,也会受到研究经验、认识、判断或精力不足的影响,以及由此造成的实验设计、选取的研究方法上的局限或偏差,并直接造成实验结果以及对结果解读的偏差甚至谬误。因此,科学研究中的偏差和错误是非常常见或不可避免的。这就要求我们在开展研究时既要认真负责、又尽可能考虑周全,以尽量减少因为我们主观认识不足造成的限制,在解读研究结果时必须要慎之又慎,绝不可无限放大我们研究结果的应用范围。在没有得到足够的验证之前,千万不要认为自己的研究就代表了“真理”。在此我们通过一些具体的事例来详细说明水域生态学研究中可能经常会出现的一些缺陷或不足。

科学研究中的第一种常见不足就是所谓的“瞎子摸象”现象(也即以偏概全型不足)。

瞎子摸象的故事人尽皆知。实际上,我们的科学研究何尝不是在“瞎子摸象”呢?那么既然“瞎子摸象”闹出了笑话,是否说我们科学研究也没有价值或必要了呢?当然不是。我们说科学研究像“瞎子摸象”,会犯这一类的错误,就是要时时提醒我们自己,在科学研究时,要事先了解科学研究中存在着这样的局限,就要尽量减少由此造成的认识局限,不要夸大我们的研究结果。也就是说,我们知道了所摸到的部位只是大象的大腿,我们就不要说整个大象就是像个柱子了,而是说大象的某个地方好像是柱子状的。得出这样的结论,就不会与其他“瞎子”(研究)相排斥,也便于接纳类似研究中的不同结果。

在我们开展水域生态学研究时,瞎子摸象型的问题,又可以分成这样几类:

1.1 采样过程中的瞎子摸象现象

采样是科学研究中最基础的环节。我们在研究水环境或水生态系统时,不可能对整个水体作出研究,而通常都是通过采集水样进行水质测定或水生生物的观察去研究。你可能觉得,这有什么难的,我们早已有了各种水域生态学/水生生物学的调查规范或标准,只要按照这些规范做就可以了。然而,正是这第一步采样点的设置,就可能足以影响到我们的研究结果与真实情况之间的偏离度了。采样点的数量、一个采样点上分层采集的间隔设置等等,虽然都可能在规范中找到相应的规定或建议,但这些规定或建议是否能保证我们的结果呢?很遗憾,答案是否定的。且不说这些规范本身是否“科学”,即使是最权威的规范,也仍不能保证据此所作的研究就是正确的,这是因为,各种水体的类型非常多样,其水文、生态特点各不相同。规范对水体的差异的考虑是很难穷尽的,只有经验丰富,才能弥补规范中的不足;同时,我们在研究过程中也切不可只认规范而不顾实际,而要从采样和研究的原理和对现场的充分认识上进行具体分析,才能确保研究结果的更“科学合理”。就拿采样来说吧,就有分层采样和混合水样采集两种不同的处理方法。两种方法的代表性差别很大。即使都采用分层采样,也仍有分几个水层采样的问题,以及不同水层如何整合成为水柱的问题。即使设置的水层也一样,也仍会因为采水器而不同。目前,我国各科研单位的采水器,大多采用了如下图所示的有机玻璃采水器。

图1 我国淡水生态学研究中的常规采水器

然而尽管该采水器被广泛采用,但实践证明,该采水器的水交换较差,因此即使你设置的采样水层非常合理,但采水器仍会使所得的结果不能真正代表你所采集的水层。由于该采水器的使用是如此普遍,不难想象,我们采集水样的代表性离真正的要求有多远。当然,我今天想讲的当然不是仪器本身的问题,而是采样点不合理造成的瞎子摸象现象。但像这个采水器水交换差以至于不能采集到所期待水层的水样,其所造成的问题,其实质也可归纳在这一类的局限中。

除了主观上的问题,客观上,很多生物的分布并非随机或均匀,而是成群分布,但目前我们的采样并没有考虑这些因素。如在采集浮游动物水样时,我们都以某(几)个采样点采集的水样去代表整个水体的浮游动物数量/密度/生物量。然而,你只要稍加观察就知道,浮游动物在水体中的分布并非是均匀或随机分布的,如果我们采集到的是集群处的浮游动物,得到的结果就会偏大,相反,如果采集到的是非集群处的,结果就又偏低。不但水平方向如此,浮游动物还有垂直的分布,我们的采样点往往也不能涵盖整个水柱,因此我们的研究过程会存在很多的误差,这些误差的大小,与我们的实验设计会有很大的关系,在现有条件下如何才能减少这些误差,仍需要我们不断去思考的。

1.2. 选择性瞎子摸象或忽略型瞎子摸象

除了这些最基本的采样偏差外,即使是一些非常经典或权威的研究,细究起来,也可能因为选择上的问题而使结果出现偏差。众所周知,任何实际中的生态问题,都是同时受很多生态因素共同作用的,在我们还不了解各种因素的作用贡献大小之前,就只选择其中的一组关系加以研究,那么可想而知,其结果必然会有偏差。例如,研究水体中的叶绿素a含量及其变动,对于了解水体的初级生产力和水质变动趋势或规律都非常重要;而影响叶绿素a变动的因素非常多,如营养盐(特别是氮、磷、硅等)、水温、光照、流速、食物链等。但在实际研究中,我们经常看到的却是图2这样的研究,这是大家都非常熟悉、被广为引用或参考的一个经典研究——叶绿素a与总磷的关系。自从Sakamoto(1966)开始研究春季总磷浓度对夏季叶绿素a的影响以后不断被学者们效仿。而正是因为有了大量效仿的研究,人们才发现了叶绿素a与总磷其实并非如最初的研究那样是对数或半对数线性相关的,还有呈”S“或其他关系的(Watson, McCauley and Downing, 1992;van Niewenhuyse and Jones, 1996),甚至两者并不相关的(图3)。

图2 Sakamoto研究的夏季叶绿素a含量与春季磷含量的相关性(Dillon and Rigler, 1974)

理论上,大家都知道,水体中浮游植物的数量,既受水体中的营养盐负荷的影响,也受水体中的其他环境因素如水流、水温和光照等影响;而更受食物链特别是藻食生物种类、数量(牧食压力)的影响。因此,叶绿素a与总磷之间的关系仅仅是这些众多相互作用中的一个方面。忽略环境中其他因素对藻类的影响,仅仅研究营养盐特别是总磷对其影响,显然是不够的,尤其在我国的湖库生态系统中,不但其营养盐的输入受到人为因素的强烈影响,而且还存在大量人工放养的鲢鳙等牧食者,在此背景下,仅仅研究藻类与营养盐的关系,显然不可能得到正确的结论。其实更为重要的是,我们所测得的叶绿素a含量,往往仅代表了藻类的现存量,而并非是生产量,总磷与藻类的关系,其实更应是磷负荷与藻类生产量的关系。若仅仅考虑其生物量,那么也要选择合适时间点上的营养盐与相应的叶绿素a的关系才可能在某种条件下反映两者的动态关系。但显然,我们在阅读相关文献时,大家都可以看到不同学者对于所研究的时间并没有太多的考虑,因而有选择春季磷与夏季藻类关系的,也有选择同一时间段内总磷与藻类关系的,而没有认真地思考两者之间真正的内在关系。

图3 温带溪流中叶绿素a与总磷的关系(van Nieuwenhuyse and Jones, 1996)

之所以要在此提出这样的研究的不足,是因为这种研究既经典、权威而广为参考,而又往往会给人误导:以为只要研究营养盐与藻类的关系就可以了解藻类数量的真正变动规律了。其后果就是导致很多研究者把水体中蓝藻水华的暴发,仅仅归结为水体中的上行效应一样(参见第202次香山会议)。我国的很多权威专家或者主流观点都把蓝藻水华的暴发归结为水体富营养化的结果、标志或表征,在多个权威著作中甚至有这样的表述:富营养化...严重时会暴发蓝藻水华。换言之,暴发蓝藻水华是富营养化严重时才有的结果。这显然与很多事实并不相符。如果是这样的话,从图3、图4可知,太湖的蓝藻水华就不应在2007年、千岛湖的蓝藻水华就不应在1998-1999年暴发了。

图3 太湖历年的总氮、总磷含量(Paerl et al., 2011)

图4 千岛湖历年总氮、总磷(1998-1999年暴发蓝藻水华)(左焕春等,2003)

这样的例子是举不胜举的。我们在科学研究中,往往只关注我们期待中的某个单一生态因子对事物的影响,但在现实中,事物受到的影响并非只限于我们所实验的因子,往往是多种因素交织在一起,共同影响着事物的发展。也许你认为我们做的控制实验,不是把其他因子都控制在相同的水平/条件上了吗?且不说是否我们真的能把所有其他因素都能控制在同一条件上,即使我们真的做到了,那么得出的结论是否真的外推到实际场景中呢?答案也是显而易见的。这也是为什么我们对各种控制实验的解读和外推要慎之又慎的重要原因。在有多种因素作用的背景下我们仅挑选其中的一种因素去分析,然后得出结论说,该因素影响了某某过程,这样的结论显然是站不住脚的,就像我们中学学物理时大家都知道的,明明某个物体受很多力的作用,其合力才是物体运动的方向,但我们硬要说其中某个力是主要的影响因子,其结果不可能是正确的一样的道理。

某中营养水库也暴发了蓝藻水华现象

在研究因素的选择上,在我们日常开展的湖泊浮游生物生态学研究中最常缺乏考虑的因素至少还有这样两个方面:湖泊中的超微浮游植物(即显微镜观察不到的部分)和水动力学对藻类的影响等。

(来源:指点米津 刘其根)

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