水環(huán)境動(dòng)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(dòng)態(tài)性關(guān)聯(lián)機(jī)制包括外部和內(nèi)部?jī)煞矫?，一是從環(huán)境科學(xué)角度看水環(huán)境動(dòng)態(tài)性受到系統(tǒng)外部因素的驅(qū)動(dòng)，例如流域內(nèi)氣候水文和人類(lèi)活動(dòng)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(dòng)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(guò)有機(jī)物生產(chǎn)和分解等過(guò)程改變水體的環(huán)境。水體野外原位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻(xiàn)與日俱增，為環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)在水環(huán)境動(dòng)態(tài)性外部和內(nèi)部關(guān)聯(lián)機(jī)制多尺度定量剖析帶來(lái)了新機(jī)遇。
水環(huán)境動(dòng)態(tài)性的研究隨著水體野外原位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)快速遞增帶來(lái)“喜悅”的同時(shí)，增長(zhǎng)中的“煩惱”也隨之而來(lái)。觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻(xiàn)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(guān)測(cè)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(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)，以水庫(kù)總氮這一關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物季節(jié)變化為案例，構(gòu)建了針對(duì)科學(xué)文獻(xiàn)水環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)性框架。
水環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架包括三個(gè)逐級(jí)關(guān)聯(lián)的模塊：第一級(jí)是數(shù)據(jù)提取模塊，其模塊功能是文獻(xiàn)下載、篩選和分組以及文獻(xiàn)圖表數(shù)據(jù)的提取與匯總；第二級(jí)是數(shù)據(jù)分流模塊，其模塊功能是根據(jù)觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、觀(guān)測(cè)頻率和原始數(shù)據(jù)表達(dá)方式等限制條件對(duì)第一級(jí)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間序列數(shù)據(jù)矩陣；第三級(jí)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)模塊，其模塊功能是對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化處理和凝聚層次聚類(lèi)分析及分析結(jié)果可視化。
在案例分析中，該框架識(shí)別了水庫(kù)總氮?jiǎng)討B(tài)的三種模式：一是夏低谷模式，即水庫(kù)總氮?jiǎng)討B(tài)由浮游植物的生長(zhǎng)和降雨等自然過(guò)程驅(qū)動(dòng)；二是夏高峰模式，即濕沉降和農(nóng)業(yè)徑流導(dǎo)致水庫(kù)總氮在夏季處于峰值；三是春高峰模式，即水庫(kù)總氮季節(jié)動(dòng)態(tài)可能受到人為排放的干擾。這個(gè)案例分析并不意味著全球總氮?jiǎng)討B(tài)僅有三種模式。隨著水庫(kù)總氮?jiǎng)討B(tài)原位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)文獻(xiàn)的繼續(xù)遞增，迭代應(yīng)用該框架可能會(huì)識(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架進(jìn)一步整合和夯實(shí)了科研人員多年前兩項(xiàng)研究中的數(shù)據(jù)分析路徑。該框架的第一級(jí)和第二級(jí)模塊，對(duì)其中一項(xiàng)針對(duì)產(chǎn)油藻類(lèi)種群動(dòng)態(tài)科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)提取路徑進(jìn)行了分級(jí)和優(yōu)化；第三級(jí)模塊對(duì)另一項(xiàng)關(guān)于水庫(kù)浮游植物動(dòng)態(tài)同步性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。這些路徑分級(jí)和優(yōu)化及方法改進(jìn)，不意味著該框架已能夠完全適用于水環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘。事實(shí)上，因水環(huán)境參數(shù)多種多樣及數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)過(guò)程和表達(dá)方式差異化，其科學(xué)文獻(xiàn)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘框架的優(yōu)化和升級(jí)研究尚待發(fā)展。
水環(huán)境動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(duì)浮游植物生物量響應(yīng)的邊界變點(diǎn)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(jì)逐級(jí)關(guān)聯(lián)模塊
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所
