孔祥臻 | 创新研发生态模型 矢志守护湖泊环境

湖泊被誉为“大地上的明珠”，是重要的国土资源和生态安全屏障。我国是湖泊大国，据2022年中国科学院南京地理与湖泊研究所编制的《中国湖泊生态环境研究报告》显示，我国现有面积1平方千米以上的天然湖泊2670个，总面积8.07万平方千米，是我国极其珍贵的地表水资源。为了更好地保护和利用这一资源，用科学的手段深入了解湖泊生态系统长期演变规律至关重要。

有湖泊的地方，常常能看见这样一支团队：他们脚踏实地、兢兢业业，为祖国绿水青山的生态环境保护注入科技力量。中国科学院南京地理与湖泊研究所青年研究员孔祥臻就是其中一员。

▲孔祥臻（中）与荷兰瓦赫宁恩大学博士生导师合影

与“湖泊科学”研究结缘多年，孔祥臻聚焦全球变化下的湖泊生态系统长期演变规律及其机制，创新研发湖泊生态模型，并与长期湖沼学记录相结合，阐明湖泊流域人－地互作机制，探究全球变化影响下不同气候区与不同类型湖泊生态系统演变的新模式和机制，用科技力量守护着祖国的绿水青山。

专业选择：从物理到地理的跨越

作为一名在湖泊研究领域经验颇丰的青年研究者，孔祥臻最开始的专业方向却是物理学。

孔祥臻一直对基础理论学科十分感兴趣，并在本科期间选择了物理学专业。物理学科在培养过程中十分注重数学建模的概念，本科阶段孔祥臻积极参与到国内外多个数学建模竞赛中并数次荣获一等奖。在这一过程中，他了解到数学模型可广泛应用在生态环境问题研究中，并对此产生了浓厚的兴趣。为了能够将自己所学的专业更好地加以应用，本科毕业后孔祥臻选择保送至北京大学攻读博士学位，师从徐福留教授，并将专业方向转换到了环境地理学。

科研方向的转换，让孔祥臻经历了一段“阵痛期”。“因为物理学与环境科学之间没有太多的交集，所以要从很多基础理论知识开始恶补。”他说。这一阶段，徐福留教授给予了孔祥臻专业的指导和巨大的支持，同时也鼓励他发挥自己的专业背景特点开展工作。随着学习的深入，孔祥臻利用在物理专业学习中塑造的逻辑思维和数理分析能力，从独特的视角更加全面地理解湖泊生态系统的演变规律，并在环境地理学研究中拓展出新的科研创新问题，在相关领域研究中越发得心应手。

创新实践：成功研发湖泊生态系统模型

巢湖位于安徽省中部，面积约780平方千米，是我国第五大淡水湖，也是富营养化问题最为严重的湖泊之一。

从博士阶段开始，孔祥臻就以巢湖作为研究对象开展了系列研究，致力于研发符合巢湖生态环境特点的数学模型，揭示和预测湖泊的历史演变过程，探究富营养化和稳态转换过程的发生机制。

事实上，关于湖泊生态模型的研发，国际上早有先例。

20世纪90年代，荷兰瓦赫宁根大学的科学家曾研发了浅水湖泊富营养化模型PCLake并被广泛应用。通过系统研究，孔祥臻发现PCLake并不完全适用于国内湖泊。“荷兰地处温带地区，其气候条件与巢湖所处的亚热带地区有很大的不同。同时，不同地区湖泊的生态结构与功能也有显著差异。我国湖泊营养级下行效应偏弱，杂食性鱼类比例较高，生物群落结构与功能显著不同于温带湖泊。另外，我国湖泊普遍受到富营养化与有害污染物的复合污染，已有的湖泊生态模型（包括PCLake）尚无法研究复合污染条件下的湖泊生态系统演变。”孔祥臻说。

在这一背景下，孔祥臻基于PCLake并针对我国湖泊特点，成功研发了生态系统模型EUTOX（EUtrophication & TOXicant，v1.0）。模型以流域－湖泊系统为模拟对象，由物质循环与湖泊生态系统模块构成，能够根据不同湖泊食物网结构特点进行模块化设置，相对传统模型在应用范围方面有大幅提升。

基于EUTOX模型，孔祥臻系统梳理和定量反演了巢湖生态系统20世纪50年代以来的演变过程，发现了营养盐排放与水文调控的耦合作用机制，提出了巢湖“三阶段”富营养化和演变模式。进一步研究发现，有害污染物通过“资源稀释”效应降低湖泊富营养化发生阈值，使得湖泊更易发生系统突变和藻类水华。相关成果发表于《全球变化生物学》（Global Change Biology）、《水研究》（Water Research）等重要学术期刊。在优秀的科研成果基础上，孔祥臻于2016年、2018年先后获得北京大学环境地理学及荷兰瓦赫宁根大学生态学的双博士学位。

放眼全球：完善升级EUTOX模型

为了能够接触到更多前沿的科学观点，孔祥臻于2018年申请并成功获得了德国洪堡基金的资助，开始在德国亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）从事博士后工作，更加系统研究了全球变化下湖泊生态系统的演变规律。

德国等欧洲国家在湖沼学方面有着非常深厚的研究积淀。博士后阶段孔祥臻得到了更加全面、系统的专业训练，同时，UFZ的科研平台也让孔祥臻有机会与各国学者进行广泛交流，参与了包括跨领域国际影响模型比较计划（ISIMIP）在内的多个国际研究项目，同时进一步提升EUTOX（v2.0）模型对湖泊-流域耦合系统的模拟功能。

基于高频水质监测数据和升级的EUTOX（v2.0）模型分析，孔祥臻揭示了增温可缩短冬季湖冰时间，进而间接改变藻类季节演替模式及其驱动机制，为揭示湖泊生态系统长期演变规律和准确预警夏季蓝藻水华提供了新的理论依据。在此基础上，他进一步突破了传统的“气候-湖库”二元系统框架的局限性，提出了“气候-流域-湖库”多元耦合系统新框架，研究了连续极端干旱事件后森林大面积退化对下游湖库生态系统退化造成的影响，揭示了在未来短期内（10～15年）“气候→流域”偶联过程的湖库生态效应亟须优先应对，为管理决策提供了关键科学依据。相关成果连续发表在《水研究》（Water Research）和《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）等重要学术期刊，并被美国科学促进会（AAAS）、《科学日报》（Science Daily）、德国亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）网站等多家网络科学媒体采访并广泛报道。

研以报国：致力北方湖泊生态系统保护

游子思归，报效祖国。在国外从事科研工作多年，孔祥臻“学成报国”的信念越加强烈。

中国科学院南京地理与湖泊研究所，是目前全国唯一以湖泊－流域系统为主要研究对象的综合研究机构，也是孔祥臻一直向往的科研工作平台。2021年他如愿以人才引进的方式入职，加入了薛滨研究员的研究团队。

近年来，北方温带湖泊生态系统急剧退化，蓝藻水华等生态环境问题日趋严重，湖泊富营养化治理与防控迫在眉睫。加入地湖所之后，孔祥臻开始着眼于研究基础较为薄弱的北方温带高纬度地区湖泊。针对北方第一大淡水湖呼伦湖，孔祥臻多次组织团队进行实地考察和调研，发现蓝藻水华已经成了当前呼伦湖治理最棘手的问题之一。在研究团队带头人薛滨研究员大力推动下，中国科学院南京地理与湖泊研究所和呼伦湖国家级保护区管理局共建呼伦湖湿地生态系统定位观测研究站，并加入国家陆地生态系统定位观测网络。孔祥臻也积极参与到台站的建设与运行中，“以站为基”，全面投入以呼伦湖为代表的北方干旱半干旱地区湖泊研究工作中。

▲研究团队在呼伦湖采集湖泊岩芯（摄于2023年2月）

未来，孔祥臻希望能进一步开发适用于我国北方湖泊的EUTOX系列模型，力求突破北方温带湖泊生态系统演变规律的理论和模型技术瓶颈，回答“全球变化多重因素协同作用下我国北方温带湖泊生态系统演变机制”这一重要科学问题，为有效防控北方温带湖泊富营养化、保障区域水生态安全作出创新贡献。

光而不耀，静水深流。多年来脚踏实地前行在科研探索的道路上，孔祥臻始终在追求一种“自然而然、水到渠成”的状态。正如《道德经》中所说：“天之道，利而不害；人之道，为而不争。”而这便是他向往的工作与生活态度。他希望无论是现在还是以后，都能不忘初心，以最饱满的热情投入我国湖泊流域的生态环境研究中，为保护祖国的绿水青山贡献科学力量。