Summary
Ici, nous visons à visualiser la zonation de la productivité biologique dans la baie de Narragansett, Rhode Island, sur la base du modèle de bilan massique d’azote. Les résultats éclaireront la gestion des éléments nutritifs dans les régions côtières afin de réduire l’hypoxie et l’eutrophisation.
Abstract
La productivité primaire dans les régions côtières, liée à l’eutrophisation et à l’hypoxie, permet de comprendre de manière critique le fonctionnement des écosystèmes. Bien que la productivité primaire dépende en grande partie des apports de nutriments fluviaux, il est difficile d’estimer l’ampleur de l’influence des nutriments fluviaux dans les régions côtières. Un modèle de bilan massique de l’azote est un outil pratique pour évaluer la productivité des océans côtiers afin de comprendre les mécanismes biologiques au-delà des observations de données. Cette étude visualise les zones de production biologique de la baie de Narragansett, Rhode Island, États-Unis, où l’hypoxie se produit fréquemment, en appliquant un modèle de bilan massique azoté. La baie est divisée en trois zones - zones brunes, vertes et bleues - en fonction de la productivité primaire, qui sont définies par les résultats du modèle de bilan massique. Les zones brunes, vertes et bleues représentent un processus physique élevé, un processus biologique élevé et une zone de processus biologique faible, en fonction du débit de la rivière, des concentrations de nutriments et des taux de mélange. Les résultats de cette étude peuvent mieux éclairer la gestion des nutriments dans l’océan côtier en réponse à l’hypoxie et à l’eutrophisation.
Introduction
La productivité primaire, la production de composés organiques par le phytoplancton, alimente les réseaux trophiques de l’écosystème et est importante pour comprendre la fonction du système en réponse aux changements environnementaux 1,2. La productivité primaire estuarienne est également étroitement liée à l’eutrophisation, définie comme un excès de nutriments dans l’écosystème1, entraînant plusieurs conséquences néfastes dans les régions côtières, telles qu’une prolifération de phytoplancton entraînant de grandes proliférations d’algues et une hypoxie ultérieure 3,4. Il est important de noter que la productivité primaire dans les estuaires dépend fortement de la charge en éléments nutritifs des cours d’eau, en particulier des concentrations d’azote, qui sont les éléments nutritifs limitatifs typiques dans la plupart des écosystèmes océaniques tempérés 5,6. Cependant, il reste difficile d’estimer l’ampleur des impacts de l’azote fluvial dans les zones côtières.
Pour estimer la productivité primaire estuarienne, un modèle de bilan massique azote (N) est un outil utile pour calculer les flux d’azote2. Le modèle de bilan massique N permet également de comprendre les mécanismes biologiques au-delà des observations de données, révélant des informations aux limites de différentes zones de productivité primaire7. Trois zones8 différentes, définies comme des zones brunes, vertes et bleues, sont particulièrement utiles pour prédire l’impact de la charge en nutriments dans les régions hypoxiques. La zone brune, définie comme la région la plus proche de l’embouchure d’une rivière, représente un processus physique élevé, la zone verte a une productivité biologique élevée et la zone bleue représente un processus biologique faible. La limite de chaque zone dépend du débit de la rivière, des concentrations de nutriments et des taux de mélange8.
La baie de Narragansett (NB) est un estuaire côtier tempéré du Rhode Island, aux États-Unis, qui soutient des services et des biens économiques et écologiques 9,10,11, dans lequel l’hypoxie se produit constamment. Ces événements hypoxiques, définis comme la période de faible teneur en oxygène dissous (c’est-à-dire moins de 2 à 3 mg d’oxygène par litre), sont particulièrement fréquents en juillet et août et sont fortement influencés par la charge d’azote fluviale au cours de ces mois12. Avec l’augmentation de la production primaire et de l’hypoxie due aux émissions anthropiques de nutriments13, il est essentiel de comprendre les apports d’azote au Nouveau-Brunswick pour gérer et résoudre les problèmes côtiers tels que l’eutrophisation et l’hypoxie. Ainsi, dans cette étude, le taux de production primaire au Nouveau-Brunswick est calculé à partir du modèle de bilan massique N à l’aide de données nutritionnelles historiquement observées, en particulier l’azote inorganique dissous (DIN). D’après les résultats du modèle de bilan massique d’azote en convertissant en unités de carbone à l’aide du rapport Redfield, trois zones de productivité primaire différentes ont été identifiées pour visualiser l’étendue de l’influence de l’azote de la rivière au Nouveau-Brunswick. Le modèle a ensuite été recréé en représentation 3D pour mieux visualiser les différentes zones. Les produits issus de cette étude peuvent mieux éclairer la gestion des nutriments au Nouveau-Brunswick en réponse à l’hypoxie et à l’eutrophisation. De plus, les résultats de cette étude sont applicables à d’autres régions côtières pour visualiser les effets du transport fluvial sur les nutriments et la productivité primaire.
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Protocol
1. Application du modèle du bilan massique N
- Téléchargez les données sur l’azote inorganique dissous (DIN) de l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) pour 166 stations dans la baie de Narragansett de 1990 à 2015.
REMARQUE : Dans cette étude, la somme des concentrations d’ammonium (NH4+), de nitrite (NO2-) et de nitrate (NO3-) a été considérée comme la concentration de DIN. - Divisez la baie de Narragansett en quinze cases le long de son axe modifié par rapport à l’étude précédente14 à l’aide d’Adobe Illustrator pour diviser la baie sur la carte (Figure 1).
- Appliquer le modèle de bilan massique N pour calculer la concentration moyenne de DIN à chaque boîte.
NOTE : Dans cette étude, le modèle de bilan massique N, composé de termes d’entrée et de sortie DIN, a été modifié par rapport aux études précédentes 2,15 et appliqué à chaque case (1-15) de la baie de Narragansett en tant qu’équation 1.
Équation (1)
Le tableau 1 présente les définitions de chaque terme et unité utilisés dans ce modèle de la baie de Narragansett. Le modèle calcule la concentration moyenne de DIN en déterminant la différence dans chaque boîte de la baie de Narragansett, représentant l’élimination nette de DIN par la production biologique. Des informations détaillées sur le modèle du bilan massique N sont présentées dans les études précédentes 2,15. Les valeurs détaillées utilisées dans le modèle de cette étude ont été dérivées des études précédentes14. - Calculer le taux de production primaire potentielle (PPA) en fonction des résultats du modèle de bilan massique N en convertissant l’élimination nette de DIN en unités de carbone à l’aide du rapport Redfield (C : N = 106 : 16, rapport molaire) dans un fichier de feuille de calcul.
Équation (1)2. Visualisation de trois zones sur la carte de la baie de Narragansett
- Tracez les trois zones identifiées sur la carte de la baie de Narragansett sous forme de courbe de niveau à l’aide du logiciel Ocean Data View.
- Enregistrez les données de taux PPA de chaque zone sous forme de fichier texte (.txt) à partir du fichier de feuille de calcul.
REMARQUE : Le fichier .txt comprend également l’emplacement de chaque numéro de boîte comme latitude et longitude. Mettez la longitude comme valeur négative. Les données sur le taux de PPA sont étiquetées comme PPA [gC·m-2·jour-1]. - Chargez les données de taux PPP dans le logiciel Ocean Data View.
- Allez ouvrir dans le menu Fichier .
- Cliquez sur Zone Associer des variables, Latitude, Longitude avec la station, latitude [degrees_north] et Longitude [degrees_east], dans la fenêtre Association de variables de métadonnées , puis cliquez sur le bouton OK .
- Cliquez sur le bouton OK dans la fenêtre Importer .
- Dessinez le tracé des courbes de niveau pour montrer les plages de PPP sur la carte de la baie de Narragansett.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la carte, cliquez sur Zoom, faites glisser la zone rouge pour zoomer sur la zone de données de la carte, puis cliquez sur Entrée.
- Cliquez sur la fenêtre 1 SCATTER des modèles de mise en page dans le menu Affichage .
- Cliquez avec le bouton droit de la souris dans le panneau Exemple et sélectionnez Variables dérivées.
- Cliquez sur le bouton Ajouter après avoir sélectionné Latitude sous Métadonnées dans la liste des choix . Faites la même chose pour Longitude , puis cliquez sur le bouton OK .
- Sélectionnez drvd : Longitude [degrees_East] comme X-Variable en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion.
- Sélectionnez drvd : Latitude [degrees_North] comme variable Y en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion.
- Sélectionnez PPP [gC·m-2·day -1] comme variable Z en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de diffusion.
- Sélectionnez Propriétés en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion et accédez à l’option Style d’affichage .
- Sélectionnez le champ Grille .
- Accédez à l’option Contours et cliquez sur le bouton << pour que les valeurs 0, 0,1 et 2 ne restent que dans les volets déjà définis de gauche.
- Cliquez sur le bouton OK .
- Enregistrez les données de taux PPA de chaque zone sous forme de fichier texte (.txt) à partir du fichier de feuille de calcul.
- Sur la base du tracé des contours du logiciel Ocean Data View, définissez le bord des zones brunes, vertes et bleues de la baie de Narraganset et visualisez les zones à l’aide d’Adobe Illustrator pour tracer trois zones sur la carte.
NOTE : D’après l’étude précédente15, le taux de PPA de la zone brune était supérieur à 2 gC·m-2·jour-1, la zone verte était comprise entre 0,1-2 gC·m-2·jour-1 et la zone bleue était inférieure à 0,1 gC·m-2·jour-1, respectivement.
3. Conversion du tracé de contour de trois zones en un cadre tridimensionnel (3D) avec lumière LED
- Graver trois panneaux acryliques de 5,5'' x 8'' avec une découpeuse laser pour montrer la limite de chaque zone.
- Empilez trois panneaux acryliques dans un cadre éclairé. Superposez chaque panneau acrylique montrant les zones bleues, vertes et brunes. Placez un panneau affichant des zones vertes au-dessus du panneau des zones bleues et un panneau de zones marron au-dessus.
- Pour le deuxième modèle physique, gravez quatre feuilles acryliques de 5,5 '' x 8 '' avec une découpeuse laser, avec l’impression UV de trois limites de zones et un panneau pour représenter l’ensemble de la baie de Narragansett (selon les étapes 3.1-3.2).
- Changez la couleur de chaque zone en marron, vert et bleu à l’aide des LED placées au bas du cadre.
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Representative Results
Trois zones théoriques de la baie de Narragansett basées sur le modèle de bilan de masse N
Les trois zones théoriques de la baie de Narragansett (N.-B.) ont été définies sur la base des résultats du modèle de bilan massique N, dans lequel les données DIN ont été appliquées à quinze boîtes de N.-B., puis le DIN moyen de chaque boîte a été converti en taux PPA pour la période estivale. Comme le montre la figure 2, d’après les taux moyens de PPA en été (juin à septembre) de chaque boîte, trois zones (brune, verte et bleue) au Nouveau-Brunswick ont été identifiées comme suivant les critères des taux de PPA de chaque zone de l’étude précédente15. Au cours de la période estivale, les boîtes 1, 2, 5, 6, 7 et 10, principalement situées près de l’embouchure de la rivière, ont été définies comme des zones brunes avec des taux élevés de PPA supérieurs à 2 gC·m-2·jour-1, indiquant qu’il y avait un processus physique et biologique fort avec une turbidité élevée et une limitation de la lumière. Les boîtes 3, 4, 8, 9 et 11 ont été classées comme zones vertes, avec des fourchettes de PPA allant de 0,1 à 2 gC·m-2·jour-1, où un processus biologique fort s’est produit, montrant une limitation des nutriments et une production primaire élevée. En raison de la turbidité élevée dans la zone brune, la pénétration de la lumière était limitée, ce qui était une différence significative par rapport à la zone verte. En revanche, les zones bleues, avec de faibles taux de PPA inférieurs à 0,1 gC·m-2·jour-1, ont été identifiées dans les encadrés 12, 13, 14 et 15 et étaient les plus éloignées des côtes, représentant une faible productivité biologique.
Visualisation de trois zones de la baie de Narragansett à l’aide de cadres physiques
Pour mettre en œuvre visuellement les limites de trois zones théoriques au Nouveau-Brunswick, une représentation 3D a été créée dans laquelle des panneaux acryliques superposés ont été utilisés et gravés, créant ainsi deux cadres physiques tels que décrits à la section 3. Comme le montre la figure 3, trois panneaux acryliques ont été utilisés avec les lumières LED au bas du cadre, qui peuvent être modifiées pour montrer une meilleure représentation des caractéristiques de chaque limite. De plus, les motifs matriciels ont été gravés à un degré différent pour représenter la quantité de turbidité des sédiments dans chaque zone. La figure 4 montre le deuxième cadre physique avec quatre feuilles d’acrylique contenant trois limites de chaque zone, imprimées aux UV et une couche gravée pour montrer l’ensemble du NB. Les images de l’étape de développement du deuxième cadre sont présentées à la figure 4A, avec trois feuilles représentant chaque zone et une feuille supplémentaire montrant les trois zones entières. Dans la figure 4B, le deuxième cadre physique était éclairé par les lumières LED et montrait les chevauchements des limites pour chaque zone.
Figure 1 : Carte de la baie de Narragansett. Les segments numérotés montrent les 15 cases le long de l’axe, qui est modifié par rapport à une étude précédente14. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Étendue des trois zones théoriques dans la baie de Narragansett. Les zones ont été définies sur la base des résultats du modèle de bilan massique N. Chaque zone est divisée par les taux moyens de production primaire potentielle (PPA) de l’été (juin à septembre), qui sont convertis en résultats du modèle de bilan massique N défini dans l’étude précédente15. Le taux de PPA moyen en été des zones brunes est supérieur à 2 gC·m-2·jour-1, les zones vertes sont comprises entre 0,1-2 gC·m-2·jour-1 et les zones bleues sont inférieures à 0,1 gC·m-2·jour-1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Le premier cadre physique des trois zones de la baie de Narragansett. Le cadre physique utilise trois panneaux acryliques et des motifs matriciels pour représenter la quantité de turbidité des sédiments dans chaque zone. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Le deuxième cadre physique de trois zones théoriques dans la baie de Narragansett. (A) Les images schématiques de l’ensemble des trois zones de la baie pour l’impression UV et l’empilement du deuxième cadre physique. (B) Le cadre créé à l’aide de quatre feuilles d’acrylique pour montrer les chevauchements des limites des zones. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Unité | Définitions |
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Flux DIN de chaque rejet de rivière |
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Flux diffusif provenant des dépôts atmosphériques |
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Flux benthique des sédiments de fond |
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Dénitrification dans la colonne d’eau |
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Un terme d’advection calculé à partir de la vitesse actuelle |
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Élimination par production biologique |
Tableau 1 : Définitions de chaque terme dans le modèle de bilan massique N. Les valeurs détaillées utilisées dans le modèle ont été dérivées d’études antérieures 14,16,17.
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Discussion
Cette étude a estimé l’ampleur des impacts sur les nutriments des apports fluviaux dans la baie de Narraganset (NB) en se basant sur le modèle de bilan massique N en définissant les trois zones théoriques. Historiquement, des zones hypoxiques sont apparues près de la rivière Providence, du côté ouest de la baie de Greenwich et de la baie Mount Hope pendant la période estivale18, qui ont été définies comme des zones brunes dans cette étude. De plus, la zonation du Nouveau-Brunswick est comparable aux résultats d’une étude précédente19, qui a examiné la concentration en éléments nutritifs et la production primaire au Nouveau-Brunswick. Les deux soulignent l’importance des efforts de réduction des nutriments. De plus, les limites de chaque zone dans cette étude étaient similaires aux résultats d’une étude précédente19, indiquant que l’hypoxie dans la partie supérieure de la baie du Nouveau-Brunswick peut être contrôlée par l’advection de matière organique de la rivière Providence, ce qui permet une respiration élevée avec une productivité élevée supérieure à 2,6 gC·m-2·jour-1. Ces résultats dans la partie supérieure de la baie du Nouveau-Brunswick étaient représentés par la zone brune dans cette étude. De plus, la productivité a continué de diminuer vers l’océan, indiquée par les zones verte et bleue.
En revanche, pendant la saison estivale, la baie du mont Hope (encadré 10) a été définie comme la zone brune dans cette étude, montrant une productivité primaire plus élevée sur 2 gC·m-2·jour-1 par rapport à l’étude précédente19. Cette productivité accrue indique que d’autres sources d’apport d’éléments nutritifs, en plus de l’apport d’azote fluvial, pourraient affecter cette région et devraient être considérées comme un autre terme d’apport DIN dans les modèles de bilan massique N. La zonation de cette étude devrait éclairer les efforts de gestion des nutriments au Nouveau-Brunswick visant à réduire les rejets d’azote fluviaux ainsi que les dépôts atmosphériques d’azote, ce qui a été mis en évidence dans d’autres systèmes estuariens, y compris la baie de Chesapeake 2,20. Oviatt et al. (2002) ont constaté que le taux de mélange et la pénétration de la lumière influençaient la PPP21, mais des travaux futurs sont nécessaires pour mieux quantifier ces facteurs attribués à une PPA élevée dans les zones brunes.
Enfin, en représentant les trois zones théoriques du Nouveau-Brunswick comme deux cadres physiques, on permet de mieux comprendre l’étendue des apports de nutriments fluviaux ou autres dans la zone côtière. Bien que les cadres puissent avoir des limites fixes pour chaque zone, dans notre cadre, la flexibilité est également démontrée pour informer que les trois zones théoriques peuvent changer d’un mois à l’autre en fonction des concentrations de nutriments d’eau douce, du taux de mélange et du débit de la rivière, comme indiqué dans les applications précédentes du modèle de bilan massique N 2,15. Par exemple, plusieurs cases des figures 3 et 4 ont été représentées comme des zones mixtes parce qu’elles ont été classées comme des zones différentes chaque mois pendant les périodes estivales en fonction des résultats du modèle de bilan massique N. Les cadres montrent l’effet des nutriments fluviaux au Nouveau-Brunswick en fournissant une visualisation intégrée des données biogéochimiques scientifiques par le biais d’une forme d’art, ce qui est utile pour la gestion des nutriments dans la zone côtière et pour la communication scientifique.
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Disclosures
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Acknowledgments
Cette étude a été soutenue par la National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) et le Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Nous tenons également à remercier la Rhode Island School of Design pour le développement du projet Vis-A-Thon et de cette visualisation.
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 |
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