（2021级 生态学 潘文颖）

作为一名大一的新生，我满怀期待地踏入了生态学学习的门槛，我想了解得更多、更深入，今年的本科生导师制一启动，我便选择了韩博平教授作为我的指导老师。

第一次去见韩老师，是与他讨论我今后想要深入了解的研究方向。我怀着年轻人的满腔热情表示自己希望开展生态学基础理论方面的研究。韩老师问我：“你觉得生态学的基础理论研究是指什么呢？”我思考着，沉默了好一会儿，“应该是给生态现象一个数学解释吧。”老师笑了笑说：“不如先从了解大湖沼学家Stephen Carpenter老师开始吧？”

Stephen Carpenter教授是国际湖沼学和生态系统生态学领域杰出的学者，在湖沼学领域的贡献尤为突出。他于1979年在威斯康星大学麦迪逊分校获得博士学位后留校任教，先后担任威斯康星大学麦迪逊分校湖沼学研究中心主任、美国生态学会主席等职，曾获罗伯特·麦克阿瑟奖¹、AC Redfield终身成就奖²、斯德哥尔摩水奖³等。创办了国际生态学知名期刊《Ecosystems》，并于2001年入选美国科学院院士。他的兴趣是从生态系统的角度理解湖泊，为湖泊管理提供方案，主要研究方向集中在湖泊的食物网互作和生物地球化学，如在人类的影响下肉食性鱼类和外来物种对食物网的影响及管理对策、如何从陆地-水相互作用和食物网过程中预测湖泊特征等。

在我重点阅读的几篇关于Carpenter教授经典工作的文献中，他对湖泊的大尺度实验和定量化分析预测吸引了我的注意。Carpenter教授以Mendota湖流域做为研究对象，将目光聚焦于湖泊的磷负荷，分析了自工业化以来Mendota湖流域的水、沉积物和土壤中的磷含量、以及水、沉积物和土壤中的磷是如何相互作用的，并探究了这些相互作用又是如何影响Mendota湖的富营养化过程。他的研究提出了土壤、水以及沉积物的互作模型，并利用模型对Mendota湖流域未来的磷含量进行了预测。

在这个互作模型中，土壤是磷元素的最大集散地，农业施肥是土壤中最主要磷输入过程，土壤中所存贮的磷最终通过地表径流进入湖泊并进入沉积物。因此，Carpenter教授认为对于湖泊富营养化的生态治理应该落脚于对土壤中磷含量的管理。

Carpenter教授基于以上互作模型进行的Mendota湖泊富营养化状态预测还认为，需要从农业和非农业两个来源对流域的磷进行管理。农业活动中如化肥等含磷产品的使用所导致的土壤磷水平的升高显而易见，而非农业来源的磷输入往往因为其形式的不固定而受到忽视。如果仅仅关注土壤中农业来源的磷收支管理，非农业的磷输入将持续在土壤中累积，最终会导致生态系统越过一定的阈值进入另一个系统状态。而若同时对非农业来源的磷输入进行管理，则最终会降低土壤中的磷含量，若干年后，湖泊将实现清水态稳态。

基于他本人与Scheffer教授等在生态系统状态突变理论方面的工作，Carpenter教授提出：湖泊、尤其是浅水湖泊，磷的水平与磷的循环速率具有相关性，但磷的水平与循环速率之间的关系并不是简单的线性关系。如果相对于湖泊中磷流失而言，磷再循环速率很小，这种情况下，湖泊只存在一个稳定状态，（图1A中的交点），控制磷的输入可以明显地降低湖水中磷的浓度，湖泊对生态修复的响应也较为迅速。与之相对，若湖泊的磷再循环速率不是常量，那么，湖泊生态系统将存多个平衡点（图1B），多个平衡之间的转变较为困难，回到初始状态则需要强烈的扰动，或者需要大幅降低磷输入速率才能越过不稳定平衡点（交点2），此时，生态系统表现为“滞后响应”。

从Carpenter教授的工作可以看出：湖泊生态系统的富营养化治理需要关注磷等对于湖泊状态转变的影响, 同时要意识到仅仅关注引发状态转变的直接原因是不全面的^[2]。对于已经富营养化了的湖泊，应对其进行长期的管理以及监测，减少磷在湖泊沉积物中的积累，从而达到降低磷的再循环速率和磷浓度的目的，加速湖泊生态系统的恢复。  

Carpenter教授依托Mendota湖流域开展的大尺度实验和模型分析预测工作，已成为了湖泊流域管理和富营养化控制的经典范例，对于其后的研究和管理实践都产生了十分重要的指导意义。  

Carpenter教授在生态系统研究领域的成就是多方面的，以上只是我对他的研究工作最初步的了解，虽然理解得还很肤浅，但已经让我认识到了湖泊生态治理的复杂性和长期性，认识到了生态学基础理论可以对区域科学化管理起到的巨大指导作用，发挥出影响深远的社会价值，而这些都将是我继续了解和深入学习的内容。

参考文献：

[1] Carpenter S. R., 2005. Eutrophication of aquatic ecosystems: Biostability and soil phosphorus. PNAS, 102(29): 1001-1005.

[2]  Scheffer M., Carpenter S. R., Foley J. A., Folke C., Walker B., 2001. Catastrophic shifts in ecosystems. Nature, 413: 591-596.

1.     罗伯特·H·麦克阿瑟奖（Robert H. MacArthur Award）授予一位处于职业生涯中期的知名生态学家，以表彰他对生态学的杰出贡献，期望继续进行杰出的生态研究，并且通常距离博士学位不到25年。

2.     AC Redfield终身成就奖于1994年首次颁发，旨在表彰和表彰湖沼学和海洋学领域的主要长期成就，包括研究，教育和为社区和社会提供的服务。

3.     “斯德哥尔摩水奖”于1991年设立，由斯德哥尔摩水基金会发起创办、斯德哥尔摩国际水研究院负责管理，是世界水资源保护领域元老大奖，堪称“水业诺贝尔”，专门颁发给为解决世界水问题做出杰出贡献的个人或团体，奖金额为15万美元（由瑞典国王赞助）