Analysing a large dataset on long-term monitoring of water quality and plankton with the SOM clustering

Analyse d’un large ensemble de données de surveillance à long terme de la qualité de l’eau et du plancton par classification SOM

⁽¹⁾ Department of Biology, University of Eastern Finland, Joensuu campus, PO Box 111, 80101 Joensuu, Finland
⁽²⁾ Department of Environmental Science, University of Eastern Finland, Kuopio campus, PO Box 1627, 70211 Kuopio, Finland
⁽³⁾ School of Forest Sciences, University of Eastern Finland, Joensuu campus, PO Box 111, 80101 Joensuu, Finland

^* Corresponding author: ari.voutilainen@uef.fi

Received: 20 February 2012
Revised: 21 June 2012
Accepted: 10 August 2012

Abstract

The Self-Organizing Map (SOM) proved to be the method of choice for analysing a large heterogeneous ecological dataset. In addition to distributing the data into clusters, the SOM enabled hunting for correlations between the data components. This revealed logical and plausible relationships between and within the environment and groups of organisms. The main conclusions derived from the results were: (i) the structure of early summer plankton community significantly differed from that of late summer community in Lake Pyhäselkä and (ii) plankton community in late summer was characterized by two functional groups. The first group was formed mainly by phytoplankton, rotifers, and small cladocerans, such as Bosmina spp., and driven by water temperature. The second group was formed by small copepods and the abundant generalist herbivorous cladocerans Daphnia cristata and Limnosida frontosa, which, in turn, associated with chlorophyll a concentration. Biomasses of Bosmina spp. and D. cristata showed decreasing monotonic trends during a 20-year study period supposedly due to oligotrophication. Versatile possibilities to cluster data and hunt for correlations between data components offered by the SOM decisively helped to reveal associations across the original variables and draw conclusions. The results would have been undetectable solely on the basis of unorganised values.

Résumé

La carte d’auto-organisation (SOM) s’est avérée être la méthode de choix pour l’analyse d’un large ensemble de données hétérogènes écologiques. En plus de distribuer les données en grappes, la SOM permet la recherche de corrélations entre les composantes des données. Cette étude a révélé des relations logiques et plausibles entre et au sein de l’environnement et des groupes d’organismes. Les principales conclusions tirées des résultats étaient les suivantes : (i) la structure de la communauté planctonique du début de l’été diffère significativement de celle de la communauté de fin de l’été dans le lac Pyhäselkä et (ii) la communauté planctonique en fin d’été a été marquée par deux groupes fonctionnels. Le premier groupe a été formé principalement par le phytoplancton, les rotifères, et les petits cladocères, tels que Bosmina spp., conditionné par la température de l’eau. Le deuxième groupe a été formé par de petits copépodes et l’abondance des herbivores généralistes cladocères Daphnia cristata et Limnosida frontosa, associé à la concentration de chlorophylle. Les biomasses de Bosmina spp. et D. cristata ont montré au cours d’une période d’étude de 20 ans des tendances monotones décroissantes supposées dues à l’oligotrophisation. Les multiples possibilités de classement des données et la recherche de corrélations entre les composants des données offertes par la SOM a bien permis de révéler les associations entre les variables et de tirer des conclusions. Les résultats auraient été indétectables uniquement sur la base de valeurs non organisées.