【期刊导读】Cell Reports Sustainability报道我校一课题组开发的强大高效路径分析新模型

摘要：路径分析能够评估多个变量之间的因果机制，在医学、自然科学和社会科学领域应用广泛。在众多路径分析方法中，结构方程模型（SEM），包括该方法的贝叶斯应用，颇受欢迎。然而，当模型设定错误时，SEM会受到估计偏差的限制，而贝叶斯方法则受限于耗时和计算要求。在此，我们提

期刊导读

Journal Guide

Understanding biodiversity effects on trophic interactions with a robustapproach to path analysis

摘要：路径分析能够评估多个变量之间的因果机制，在医学、自然科学和社会科学领域应用广泛。在众多路径分析方法中，结构方程模型（SEM），包括该方法的贝叶斯应用，颇受欢迎。然而，当模型设定错误时，SEM会受到估计偏差的限制，而贝叶斯方法则受限于耗时和计算要求。在此，我们提出一种新颖的估计方法，它将稳健估计方程与贝叶斯框架相结合，以改进多层次路径分析。我们将该方法应用于一个生态营养级相互作用的案例研究中，评估全球植物多样性对植物、植食性无脊椎动物及其天敌之间相互作用的路径效应。通过模拟研究，我们证明这种新的估计方法无偏差且更具稳健性。此外，与多元贝叶斯分析相比，该估计过程的计算时间成本更低。

（信息以英文摘要为准）

文章介绍：路径分析（path analysis），也被称为“中介分析”（mediation analysis），是揭示研究对象中不同因素之间的相互关系及其影响机制的一种常见重要工具。然而，在生态大数据背景下，由于数据结构复杂、测量标准多样，不同研究所得数据往往存在较大差异。一般情况下，科研人员习惯于运用结构方程模型（Structural EquationModeling，SEM）进行路径分析，但SEM分析异质性数据时容易产生偏倚。相比于SEM，经典的多元贝叶斯方法虽然更具鲁棒性（Robustness），但受限于算法复杂度大，在分析大规模数据时，贝叶斯计算效率低下、运算时间耗费大、占据CPU内存大。该研究提出了一种全新的路径分析方法——VB-RobM（Variational Bayesian Robust Mediation analysis）；该方法融合了贝叶斯推断与SEM的优势，不仅提高了对数据异常值的鲁棒性，减少了估计偏倚，还降低了参数估计的计算成本，所需内存更小，计算结果更加精准。此外，VB-RobM 进一步拓展了路径分析功能，使其能够检验不同因素之间的关联是否由潜在的中介变量驱动，为解析复杂系统中多因子的因果关系提供了更强大的工具，方便应用到自然科学、工程技术科学、人文社会科学、医学科学、农业科学等众多领域。具体来说，VB-RobM 方法包括以下五个步骤：（1）输入数据并指定变量之间的路径；（2）利用回归分析获得每条路径的路径系数和回归残差的初始估计；（3）通过狄利克雷过程混合模型（DPMM）估计残差的密度函数以及稳健函数的一阶矩和二阶矩；（4）求解鲁棒估计方程获得路径系数的二阶段估计；（5）通过自助抽样法对中介效应进行统计推断。在模拟研究中，VB-RobM 在不同模拟场景下均展现出更低的参数估计偏倚、更优的置信区间覆盖率以及更短的计算时间。这表明，相较于传统的 SEM 方法，VB-RobM 具有更高的估计精度和更强的鲁棒性；而相比多元贝叶斯方法，它在保证准确性的同时大幅提升了计算效率。通过VB-RobM分析各营养级功能群之间的关系，得到如下结果：（1）在无天敌的作用下，植物多样性能够抑制植食性昆虫，使其危害降低，而植食性昆虫下降促进了植物的产量与品质；（2）在植物、植食性昆虫、天敌共存的三营养级功能群中，多样化的植物增加了天敌多样性，增强了天敌对植食性昆虫的控制效果。后续的路径分析进一步验证了植物可能通过“植物多样性→植食性昆虫→植物生产力”“植物多样性→天敌→植食性昆虫→植物生产力”这两条路径间接地提高植物生产力。这些结论也验证了万年峰课题组近些年提出的营养级联动理论（Nature Plants, 2020）、联动链理论（Current Biology, 2024a）、下行控害假说（Nature Communications,2022）、天敌假说（Journal of AppliedEcology, 2022）等生物多样性控害理论。

万年峰与复旦大学生物统计学系胡跃清教授为共同通讯作者，复旦大学生物统计学系王昱泉博士生为第一作者，复旦大学上海数学中心施大鹏博士生为第二作者，德国波恩大学Christoph Scherber教授、英国生态学和水文学中心Ben A. Woodcock高级研究员为共同作者。该研究得到了国家高层次青年人才项目、上海市科技创新行动计划国内合作项目等项目的资助。

万年峰课题组长期从事利用生物多样性控害研究，近期代表性论文以通讯/一作作者发表于Cell ReportsSustainability、Nature Plants、Nature Communications （2篇）、Current Biology （2篇）、iScience等CNS系列期刊以及Journal of AppliedEcology、eLife、Agriculture Ecosystems & Environment （2篇）、Ecological Indicators （4篇）、Journal of CleanerProduction （3篇）、Journal of Pest Science （2篇）、Pest Management Science（3篇）等中科院一区学术期刊上。

期刊介绍

Cell Reports Sustainability是 Cell Press 细胞出版社于 2023 年推出的全新多学科、黄金开放获取期刊，是 Cell Reports 期刊家族的最新成员。致力于发表高质量研究和讨论内容，以帮助理解和应对与环境、社会生态、技术、能源和健康相关的挑战，为无障碍的跨学科和合作研究提供平台。

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