水環(huán)境動態(tài)性是環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)在水域生態(tài)系統(tǒng)的主要交叉研究主題之一。根據(jù)水域生態(tài)系統(tǒng)邊界特征，水環(huán)境動態(tài)性關(guān)聯(lián)機制包括外部和內(nèi)部兩方面，一是從環(huán)境科學(xué)角度看水環(huán)境動態(tài)性受到系統(tǒng)外部因素的驅(qū)動，例如流域內(nèi)氣候水文和人類活動疊加作用下水體環(huán)境變化；二是從生態(tài)學(xué)角度看水環(huán)境動態(tài)性與系統(tǒng)內(nèi)部水生生物之間具有相互作用，如通過有機物生產(chǎn)和分解等過程改變水體的環(huán)境。水體野外原位觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻與日俱增，為環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)在水環(huán)境動態(tài)性外部和內(nèi)部關(guān)聯(lián)機制多尺度定量剖析帶來了新機遇。
水環(huán)境動態(tài)性的研究隨著水體野外原位觀測數(shù)據(jù)快速遞增帶來“喜悅”的同時，增長中的“煩惱”也隨之而來。觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻的快速遞增亟待破解數(shù)據(jù)共享中遇到的一系列難題。例如，不同研究中在觀測期限和頻率上的差異，明顯成為數(shù)據(jù)共享的主要壁壘之一。中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合美國新墨西哥州立大學(xué)，以水庫總氮這一關(guān)鍵營養(yǎng)物季節(jié)變化為案例，構(gòu)建了針對科學(xué)文獻水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)性框架。
水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架包括三個逐級關(guān)聯(lián)的模塊：第一級是數(shù)據(jù)提取模塊，其模塊功能是文獻下載、篩選和分組以及文獻圖表數(shù)據(jù)的提取與匯總；第二級是數(shù)據(jù)分流模塊，其模塊功能是根據(jù)觀測時長、觀測頻率和原始數(shù)據(jù)表達方式等限制條件對第一級模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行多次分流，即分出“混濁”數(shù)據(jù)，洗出“清潔”數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間序列數(shù)據(jù)矩陣；第三級是數(shù)理統(tǒng)計模塊，其模塊功能是對時間序列數(shù)據(jù)矩陣進行歸一化處理和凝聚層次聚類分析及分析結(jié)果可視化。
在案例分析中，該框架識別了水庫總氮動態(tài)的三種模式：一是夏低谷模式，即水庫總氮動態(tài)由浮游植物的生長和降雨等自然過程驅(qū)動；二是夏高峰模式，即濕沉降和農(nóng)業(yè)徑流導(dǎo)致水庫總氮在夏季處于峰值；三是春高峰模式，即水庫總氮季節(jié)動態(tài)可能受到人為排放的干擾。這個案例分析并不意味著全球總氮動態(tài)僅有三種模式。隨著水庫總氮動態(tài)原位觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻的繼續(xù)遞增，迭代應(yīng)用該框架可能會識別出更多的模式，或有更充足的證據(jù)表明僅存在三種模式。
水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架進一步整合和夯實了科研人員多年前兩項研究中的數(shù)據(jù)分析路徑。該框架的第一級和第二級模塊，對其中一項針對產(chǎn)油藻類種群動態(tài)科學(xué)文獻數(shù)據(jù)提取路徑進行了分級和優(yōu)化；第三級模塊對另一項關(guān)于水庫浮游植物動態(tài)同步性檢驗統(tǒng)計學(xué)方法進行了相應(yīng)改進。這些路徑分級和優(yōu)化及方法改進，不意味著該框架已能夠完全適用于水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘。事實上，因水環(huán)境參數(shù)多種多樣及數(shù)據(jù)觀測過程和表達方式差異化，其科學(xué)文獻數(shù)據(jù)共享存在不同程度的挑戰(zhàn)。這預(yù)示著水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架的優(yōu)化和升級研究尚待發(fā)展。
水環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架和案例分析結(jié)果以Revisiting seasonal dynamics of total nitrogen in reservoirs with a systematic framework for mining data from existing publications為題，發(fā)表在Water Research上。研究團隊在同期Water Research上以Bayesian change point quantile regression approach to enhance the understanding of shifting phytoplankton-dimethyl sulfide relationships in aquatic ecosystems為題，發(fā)表了關(guān)于水域生態(tài)系統(tǒng)冷室氣體物質(zhì)對浮游植物生物量響應(yīng)的邊界變點模型的合作研究成果。
數(shù)據(jù)挖掘框架中提取-分流-統(tǒng)計逐級關(guān)聯(lián)模塊
來源：中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所
