Summary
Her sigter vi mod at visualisere zoneinddelingen af biologisk produktivitet i Narragansett Bay, Rhode Island, baseret på kvælstofmassebalancemodellen. Resultaterne vil informere næringsstofforvaltningen i kystområderne for at reducere hypoxi og eutrofiering.
Abstract
Den primære produktivitet i kystområderne, der er forbundet med eutrofiering og hypoxi, giver en kritisk forståelse af økosystemets funktion. Selv om den primære produktivitet i høj grad afhænger af tilførslen af næringsstoffer fra floder, er det en udfordring at anslå omfanget af flodernes næringsstofpåvirkning i kystområderne. En kvælstofmassebalancemodel er et praktisk værktøj til at evaluere kystnære oceaners produktivitet for at forstå biologiske mekanismer ud over dataobservationer. Denne undersøgelse visualiserer de biologiske produktionszoner i Narragansett Bay, Rhode Island, USA, hvor hypoxi ofte forekommer, ved at anvende en nitrogenmassebalancemodel. Bugten er opdelt i tre zoner - brune, grønne og blå zoner - baseret på primær produktivitet, som er defineret af massebalancemodellens resultater. Brune, grønne og blå zoner repræsenterer en høj fysisk proces, en høj biologisk proces og en lav biologisk proceszone, afhængigt af flodstrøm, næringsstofkoncentrationer og blandingshastigheder. Resultaterne af denne undersøgelse kan bedre informere næringsstofforvaltning i kysthavet som reaktion på hypoxi og eutrofiering.
Introduction
Primær produktivitet, produktion af organiske forbindelser af fytoplankton, brænder økosystemets fødenet og er vigtigt for at forstå systemets funktion som reaktion på miljøændringer 1,2. Den primære produktivitet i flodmundinger er også tæt forbundet med eutrofiering, der defineres som for store næringsstoffer i økosystemet1, hvilket har flere skadelige konsekvenser i kystområderne, såsom overvækst af fytoplankton, der fører til store algeopblomstringer og efterfølgende hypoxi 3,4. Det er vigtigt, at primærproduktiviteten i flodmundinger i høj grad afhænger af vandløbets næringsstofbelastning, især kvælstofkoncentrationer, som er det typiske begrænsende næringsstof i de fleste tempererede havøkosystemer 5,6. Det er dog fortsat en udfordring at vurdere omfanget af flodernes kvælstofpåvirkning i kystområderne.
For at estimere flodmundingernes primære produktivitet er en kvælstof (N) massebalancemodel et nyttigt værktøj til beregning af kvælstofstrømme2. N-massebalancemodellen giver også en forståelse af biologiske mekanismer ud over dataobservationer og afslører information i kanterne af forskellige primære produktivitetszoner7. Tre forskellige zoner8, defineret som brune, grønne og blå zoner, er særligt nyttige til at forudsige virkningen af næringsstofbelastning i hypoxiske regioner. Den brune zone, defineret som den nærmeste region af en flodmunding, repræsenterer en høj fysisk proces, den grønne zone har høj biologisk produktivitet, og den blå zone repræsenterer lav biologisk proces. Grænsen for hver zone afhænger af flodstrøm, næringsstofkoncentrationer og blandingshastigheder8.
Narragansett Bay (NB) er en kystnær, tempereret flodmunding i Rhode Island, USA, der understøtter økonomiske og økologiske tjenester og varer 9,10,11, hvor hypoxi har været konsekvent forekommende. Disse hypoxiske hændelser, defineret som perioden med lavt opløst ilt (dvs. mindre end 2-3 mg ilt pr. Liter), er særligt udbredt i juli og august og er stærkt påvirket af flodkvælstofbelastning i disse måneder12. Med en stigning i primærproduktionen og hypoxi på grund af menneskeskabte emissioner af næringsstoffer13 er forståelse af kvælstoftilførslen til NB afgørende for at styre og tackle kystnære problemer som eutrofiering og hypoxi. I denne undersøgelse beregnes primærproduktionen i NB således ud fra N-massebalancemodellen ved hjælp af historisk observerede næringsstofdata, især opløst uorganisk nitrogen (DIN). Baseret på resultaterne af N-massebalancemodellen ved at konvertere til kulstofenheder ved hjælp af Redfield-forholdet blev der identificeret tre forskellige primære produktivitetszoner for at visualisere omfanget af kvælstofpåvirkning fra floden i NB. Modellen blev derefter genskabt til en 3D-repræsentation for bedre at visualisere de forskellige zoner. De produkter, der produceres fra denne undersøgelse, kan bedre informere næringsstofforvaltning i NB som reaktion på hypoxi og eutrofiering. Desuden kan resultaterne fra denne undersøgelse anvendes på andre kystområder for at visualisere virkningerne af flodtransport på næringsstoffer og primær produktivitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Anvendelse af N-massebalancemodellen
- Download data om opløst uorganisk kvælstof (DIN) fra US Environmental Protection Agency (USEPA) for 166 stationer i Narragansett Bay fra 1990 til 2015.
BEMÆRK: I denne undersøgelse blev summen af ammonium (NH4+), nitrit (NO2-) og nitrat (NO3-) koncentrationer betragtet som DIN-koncentrationen. - Opdel Narragansett-bugten i femten kasser langs dens akse ændret fra den foregående undersøgelse14 ved hjælp af Adobe Illustrator til at opdele bugten på kortet (figur 1).
- Anvend N-massebalancemodellen til at beregne middelkoncentrationen af DIN ved hver kasse.
BEMÆRK: I denne undersøgelse blev N-massebalancemodellen, der består af DIN-input- og outputtermer, modificeret fra tidligere undersøgelser 2,15 og anvendt på hver boks (1-15) i Narragansett-bugten som ligning 1.
Eq. (1)
Tabel 1 viser definitionerne af hvert udtryk og enhed, der anvendes i denne model af Narragansett Bay. Modellen beregner den gennemsnitlige DIN-koncentration ved at bestemme forskellen i hver kasse i Narragansett Bay, der repræsenterer netto-DIN-fjernelsen ved biologisk produktion. Detaljerede oplysninger om N-massebalancemodellen er vist i de tidligere undersøgelser 2,15. De detaljerede værdier, der blev anvendt i modellen for denne undersøgelse, blev afledt af de tidligere undersøgelser14. - Beregn den potentielle primærproduktionshastighed (PPP) baseret på resultaterne af N-massebalancemodellen ved at konvertere netto-DIN-fjernelsen til kulstofenheder ved hjælp af Redfield-forholdet (C: N = 106: 16, molært forhold) i en regnearksfil.
Eq. (1)2. Visualisering af tre zoner på kortet over Narragansett Bay
- Plot de identificerede tre zoner på kortet over Narragansett Bay som et konturplot ved hjælp af Ocean Data View-softwaren.
- Gem dataene for PPP-hastigheden for hver boks som en tekstfil (.txt) fra regnearksfilen.
BEMÆRK: Den .txt fil indeholder også placeringen af hvert boksnummer som breddegrad og længdegrad. Sæt længdegraden som en negativ værdi. Dataene for KKP-raten er mærket som PPP [gC·m-2·dag-1]. - Indlæs dataene om PPP-hastigheden i Ocean Data View-softwaren.
- Gå til Åbn i menuen Filer .
- Klik på Tilknyt variabelfelt, breddegrad, længdegrad med station, breddegrad [degrees_north] og længdegrad [degrees_east] i vinduet Tilknytning til metadatavariabler , og klik derefter på knappen OK .
- Klik på knappen OK i importvinduet.
- Tegn konturplottet for at vise PPP-intervallerne på kortet over Narragansett Bay.
- Højreklik på kortet, klik på Zoom, træk den røde boks for at zoome ind på kortets dataområde, og klik derefter på Enter.
- Klik på vinduet 1 SCATTER i layoutskabelonerne i menuen Vis .
- Højreklik i panelet Eksempel , og vælg Afledte variabler.
- Klik på knappen Tilføj , når du har valgt Latitude under Metadata på listen over valgmuligheder . Gør det samme for Longitude, og klik derefter på OK knap.
- Vælg drvd: Længdegrad [degrees_East] som X-variabel ved at højreklikke på spredningsvinduet.
- Vælg drvd: Latitude [degrees_North] som Y-variabel ved at højreklikke på spredningsvinduet.
- Vælg PPP [gC·m-2·dag -1] som Z-variabel ved at højreklikke på spredningsvinduet.
- Vælg Egenskaber ved at højreklikke på spredningsvinduet og gå til indstillingen Visningsstil .
- Vælg feltet Gitter .
- Gå til indstillingen Konturer , og klik på knappen << for at få værdierne 0, 0.1 og 2 til kun at forblive i de allerede definerede ruder til venstre.
- Klik på knappen OK .
- Gem dataene for PPP-hastigheden for hver boks som en tekstfil (.txt) fra regnearksfilen.
- Baseret på konturplottet fra Ocean Data View-softwaren skal du definere kanten af de brune, grønne og blå zoner i Narraganset Bay og visualisere zonerne ved hjælp af Adobe Illustrator til at plotte tre zoner på kortet.
BEMÆRK: Efter den tidligere undersøgelse15 var PPP-raten for den brune zone over 2 gC·m-2·dag-1, den grønne zone var mellem 0,1-2 gC·m-2·dag-1, og den blå zone var mindre end henholdsvis 0,1 gC·m-2·dag-1.
3. Konvertering af konturplottet i tre zoner til den tredimensionelle (3D) ramme med LED-lys
- Æts tre akrylpaneler som 5,5 '' x 8 '' med en laserskærer for at vise grænsen for hver zone.
- Stak tre akrylpaneler i en oplyst ramme. Overlap hvert akrylpanel, der viser de blå, grønne og brune zoner. Placer et panel, der viser grønne zoner oven på det blå zonepanel og et brunt zonepanel oven på det.
- Til den anden fysiske model ætses fire akrylplader som 5,5 '' x 8 '' med en laserskærer, med UV trykt tre grænser for zoner og et panel til at repræsentere hele Narragansett Bay (som pr. Trin 3.1-3.2).
- Skift farven på hver zone til brun, grøn og blå ved hjælp af lysdioderne placeret i bunden af rammen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tre teoretiske zoner i Narragansett Bay baseret på N-massebalancemodellen
De tre teoretiske zoner i Narragansett Bay (NB) blev defineret ud fra N-massebalancemodelresultaterne, hvor DIN-dataene blev anvendt på femten kasser med NB, og derefter blev den gennemsnitlige DIN i hver boks konverteret til KKP-satserne for sommerperioden. Som vist i figur 2 blev der på grundlag af de gennemsnitlige sommer-, september-købekraftspariteter for hver kasse identificeret tre zoner (brune, grønne og blå) zoner i NB som følge kriterierne for købekraftspariteterne for hver zone fra den tidligere undersøgelse15. I sommerperioden blev boks 1, 2, 5, 6, 7 og 10, der for det meste ligger nær flodmundingen, defineret som brune zoner med høje PPP-hastigheder på mere end 2 gC·m-2·dag-1, hvilket indikerer, at der var en stærk fysisk proces og biologisk proces med høj turbiditet og lysbegrænsning. Boks 3, 4, 8, 9 og 11 blev klassificeret som grønne zoner med PPP-intervaller fra 0,1-2 gC·m-2·dag-1, hvor der forekom en stærk biologisk proces, der viste næringsstofbegrænsning og høj primærproduktion. På grund af høj turbiditet i den brune zone var lysets indtrængning begrænset, hvilket var en signifikant forskel fra den grønne zone. I modsætning hertil blev blå zoner med lave PPP-rater på mindre end 0,1 gC·m-2·dag-1 identificeret i boks 12, 13, 14 og 15 og var længst væk offshore, hvilket repræsenterer lav biologisk produktivitet.
Visualisering af tre zoner i Narragansett Bay ved hjælp af fysiske rammer
For visuelt at implementere grænserne for tre teoretiske zoner i NB blev der oprettet en 3D-repræsentation, hvor lagdelte akrylpaneler blev brugt og ætset, hvilket skabte to fysiske rammer som beskrevet i afsnit 3. Som vist i figur 3 blev der brugt tre akrylpaneler med LED-lysene i bunden af rammen, som kan ændres for at vise en bedre repræsentation af egenskaberne ved hver grænse. Derudover blev dot-matrix-mønstre ætset med en anden grad for at repræsentere mængden af sedimentturbiditet i hver zone. Figur 4 viser den anden fysiske ramme med fire akrylplader indeholdende tre grænser for hver zone, UV-trykt og et lag ætset for at vise hele NB. Billederne af udviklingsstadiet i den anden ramme er vist i figur 4A med tre ark, der repræsenterer hver zone, og et yderligere ark, der viser hele tre zoner. I figur 4B blev den anden fysiske ramme oplyst af LED-lysene og viste overlapningerne af grænserne for hver zone.
Figur 1: Kort over Narragansett Bay. De nummererede segmenter viser de 15 bokse langs aksen, som er ændret fra en tidligere undersøgelse14. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Udstrækning af de tre teoretiske zoner i Narragansett Bay. Zoner blev defineret baseret på resultaterne af N-massebalancemodellen. Hver zone divideres med de gennemsnitlige sommer (juni til september) potentielle primærproduktion (PPP), som konverteres til N-massebalancemodelresultaterne defineret fra den foregående undersøgelse15. Den gennemsnitlige sommer-PPP-rate for brune zoner er over 2 gC·m-2·dag-1, de grønne zoner er mellem 0,1-2 gC·m-2·dag-1, og de blå zoner er mindre end 0,1 gC·m-2·dag-1. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Den første fysiske ramme for de tre zoner i Narragansett Bay. Den fysiske ramme bruger tre akrylpaneler og dot-matrix mønstre til at repræsentere mængden af sedimentturbiditet i hver zone. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Den anden fysiske ramme for tre teoretiske zoner i Narragansett Bay. (A) De skematiske billeder af hele tre zoner i bugten til UV-udskrivning og stabling af den anden fysiske ramme. (B) Den ramme, der er skabt ved hjælp af fire akrylplader for at vise overlapninger af zoners grænser. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Enhed | Definitioner |
 |
DIN-flux fra hver flodudledning |
 |
Diffusiv flux fra atmosfærisk aflejring |
 |
Bentisk flux fra bundsedimenterne |
 |
Denitrifikation i vandsøjlen |
 |
Et advektionsudtryk, der beregnes ud fra den aktuelle hastighed |
 |
Fjernelse ved biologisk produktion |
Tabel 1: Definitioner af hvert udtryk i N-massebalancemodellen. De detaljerede værdier, der blev anvendt i modellen, blev afledt af tidligere undersøgelser 14,16,17.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne undersøgelse estimerede omfanget af næringsstofpåvirkninger fra flodinput i Narraganset Bay (NB) baseret på N-massebalancemodellen ved at definere de tre teoretiske zoner. Historisk set optrådte hypoxiske zoner nær Providence River, den vestlige side af Greenwich Bay og Mount Hope Bay i sommerperioden18, som blev defineret som brune zoner i denne undersøgelse. Desuden er zoneinddelingen af NB sammenlignelig med resultaterne af en tidligere undersøgelse19, der undersøgte næringsstofkoncentration og primærproduktion i NB. Begge fremhæver vigtigheden af næringsstofreduktionsindsatsen. Derudover lignede grænserne for hver zone i denne undersøgelse resultaterne fra en tidligere undersøgelse19, hvilket indikerer, at hypoxi i den øvre bugt af NB kan kontrolleres ved advektion af organisk materiale fra Providence-floden, hvilket giver forhøjet åndedræt med høj produktivitet over 2,6 gC·m-2·dag-1. Disse resultater i den øvre bugt af NB var repræsenteret af den brune zone i denne undersøgelse. Derudover fortsatte produktiviteten med at falde mod havet, angivet med de grønne og blå zoner.
I modsætning hertil blev Mt. Hope Bay (boks 10) i sommersæsonen defineret som den brune zone i denne undersøgelse, der viste højere primærproduktivitet over 2 gC · m-2 · dag 1 sammenlignet med den tidligere undersøgelse19. Denne øgede produktivitet indikerer, at andre næringsstoftilførsler ud over flodkvælstoftilførslen kan påvirke denne region og bør betragtes som et andet DIN-inputudtryk i N-massebalancemodeller. Zoneinddelingen i denne undersøgelse forventes at informere bedre forvaltningsindsats for næringsstoffer i NB med det formål at reducere flodkvælstofudledning samt atmosfærisk kvælstofaflejring, hvilket er blevet fremhævet i andre flodmundingssystemer, herunder Chesapeake Bay 2,20. Oviatt et al. (2002) fandt, at blandingshastighed og lysindtrængning påvirkede PPP21, men der er behov for fremtidigt arbejde for bedre at kvantificere disse faktorer, der tilskrives høj PPP i de brune zoner.
Endelig opnås der visuelt en bedre forståelse af omfanget af floders eller andre næringsstoffers tilførsler til kystområdet ved at repræsentere NB's tre teoretiske zoner som to fysiske rammer. Mens rammer kan have faste grænser for hver zone, vises der i vores ramme desuden fleksibilitet for at informere om, at de tre teoretiske zoner kan ændre sig fra måned til måned i henhold til næringsstofkoncentrationerne af ferskvand, blandingshastighed og flodstrøm, som påpeget fra de tidligere anvendelser af N-massebalancemodellen 2,15. For eksempel blev flere bokse i figur 3 og figur 4 repræsenteret som blandede zoner, fordi de blev kategoriseret som forskellige zoner månedligt i sommerperioder baseret på N-massebalancemodelresultater. Rammerne viser effekten af flodnæringsstoffer i NB ved at give en integreret visualisering af videnskabelige biogeokemiske data gennem en kunstform, som er nyttig for næringsstofforvaltning i kystområdet og for videnskabelig formidling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter at erklære.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) og Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vi vil også gerne takke Rhode Island School of Design for at udvikle Vis-A-Thon-projektet og denne visualisering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adobe Illustrator | Adobe | version 27.6.1 | https://www.adobe.com/products/illustrator.html |
| Ampersand Gessobord Uncradled 1/8" Profile 8" x 8" | Risdstore | 70731053088 | https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8x8-flat-1-8-profile.html |
| Ocean Data View software | https://odv.awi.de/en/software/download/ | ||
| W-Series (Wide) Flexible LED Strip Light - Ultra Bright (18 LEDs/foot) | aspectLED | SKU AL-SL-W-U | https://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_ E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE |
References
- Nixon, S. W. Coastal marine eutrophication: A definition, social causes, and future concerns. Ophelia. 41, 199-219 (1995).
- Kim, J. S., Brush, M. J., Song, B., Anderson, I. C. Reconstructing primary production in a changing estuary: A mass balance modeling approach. Limnology and Oceanography. 66 (6), 2535-2546 (2021).
- Kemp, W. M., et al. Eutrophication of Chesapeake Bay: historical trends and ecological interactions. Marine Ecology Progress Series. 303, 1-29 (2005).
- Brush, M. J., et al. American Geophysical Union. Coastal Ecosystems in Transition: A Comparative Analysis of the Northern Adriatic and Chesapeake Bay. Malone, T. C., Malej, A., Faganeli, F. Chapter 5, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ. (2021).
- Howarth, R. W., Marino, R. Nitrogen as the limiting nutrient for eutrophication in coastal marine ecosystems: Evolving views over three decades. Limnology and Oceanography. 51 (1 part 2), 364-376 (2006).
- Paerl, H. W. Controlling eutrophication along the freshwater-marine continuum: Dual nutrient (N and P) reductions are essential. Estuaries and Coasts. 32, 593-601 (2009).
- Kim, J. S., Chapman, P., Rowe, G., DiMarco, S. F. Categorizing zonal productivity on the continental shelf with nutrient-salinity ratios. Journal of Marine Systems. 206, 103336 (2020).
- Rowe, G. T., Chapman, P. Continental shelf hypoxia: Some nagging questions. Gulf of Mexico Science. 20 (2), 153-160 (2002).
- Nixon, S. W.
- Barbier, E. B., et al. The value of estuarine and coastal ecosystem services. Ecological Monographs. 81 (2), 169-193 (2011).
- Cloern, J. E., Foster, S. Q., Kleckner, A. E. Phytoplankton primary production in the world's estuarinecoastal ecosystem. Biogeosciences. 11 (9), 2477-2501 (2014).
- Codiga, D. L., Stoffel, H. E., Oviatt, C. A., Schmidt, C. E. Managed nitrogen load decrease reduces chlorophyll and hypoxia in warming temperate urban estuary. Frontiers in Marine Science. 9, 930347 (2022).
- Sigman, D. M., Hain, M. P.
- Kremer, J. N., et al. Simulating property exchange in estuarine ecosystem models at ecologically appropriate scales. Ecological Modelling. 221 (7), 1080-1088 (2010).
- Kim, J. S., Chapman, P., Rowe, G., DiMarco, S. F., Thornton, D. C. O. Implications of different nitrogen input sources for potential production and carbon flux estimates in the coastal Gulf of Mexico (GOM) and Korean Peninsula coastal waters. Ocean Science. 16, 45-63 (2020).
- Lake, S. J., Brush, M. J. The contribution of microphytobenthos to total productivity in upper Narragansett Bay, Rhode Island. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 95 (2-3), 289-297 (2011).
- Brush, M. J., Nixon, S. W. Modeling the role of macroalgae in a shallow sub-estuary of Narragansett Bay, RI (USA). Ecological Modelling. 221 (7), 1065-1079 (2010).
- Deacutis, C. F., Murray, D., Prell, W., Saarman, E., Korhun, L. Hypoxia in the upper half of Narragansett Bay, RI, during August 2001 and 2002. Northeastern Naturalist. 13 (Special Issue 4), 173-198 (2006).
- Oviatt, C., et al. Managed nutrient reduction impacts on nutrient concentrations, water clarity, primary production, and hypoxia in a north temperate estuary. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 199, 25-34 (2017).
- Boesch, D. F. Barriers and bridges in abating coastal eutrophication. Frontiers in Marine Science. 6, 123 (2019).
- Oviatt, C. A., Keller, A. A., Reed, L. Annual primary production in Narragansett Bay with no bay-wide winter-spring phytoplankton bloom. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 54, 1013-1026 (2002).
