Summary
Qui, miriamo a visualizzare la zonazione della produttività biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, sulla base del modello di bilancio di massa dell'azoto. I risultati informeranno la gestione dei nutrienti nelle regioni costiere per ridurre l'ipossia e l'eutrofizzazione.
Abstract
La produttività primaria nelle regioni costiere, legata all'eutrofizzazione e all'ipossia, fornisce una comprensione critica della funzione dell'ecosistema. Sebbene la produttività primaria dipenda in gran parte dagli apporti di nutrienti fluviali, la stima dell'entità delle influenze dei nutrienti fluviali nelle regioni costiere è difficile. Un modello di bilancio di massa dell'azoto è uno strumento pratico per valutare la produttività degli oceani costieri per comprendere i meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati. Questo studio visualizza le zone di produzione biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, USA, dove si verifica frequentemente l'ipossia, applicando un modello di bilancio di massa dell'azoto. La baia è divisa in tre zone - marrone, verde e blu - in base alla produttività primaria, che sono definite dai risultati del modello di bilancio di massa. Le zone marroni, verdi e blu rappresentano un processo fisico elevato, un processo biologico elevato e una zona di processo biologico basso, a seconda del flusso del fiume, delle concentrazioni di nutrienti e dei tassi di miscelazione. I risultati di questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti nell'oceano costiero in risposta all'ipossia e all'eutrofizzazione.
Introduction
La produttività primaria, la produzione di composti organici da parte del fitoplancton, alimenta le reti alimentari dell'ecosistema ed è importante per comprendere la funzione del sistema in risposta ai cambiamenti ambientali 1,2. La produttività primaria degli estuari è anche strettamente legata all'eutrofizzazione, definita come un eccesso di nutrienti nell'ecosistema1, che causa diverse conseguenze dannose nelle regioni costiere, come una crescita eccessiva di fitoplancton che porta a grandi fioriture algali e conseguente ipossia 3,4. È importante sottolineare che la produttività primaria negli estuari dipende fortemente dal carico di nutrienti fluviali, in particolare dalle concentrazioni di azoto, che sono il tipico nutriente limitante nella maggior parte degli ecosistemi oceanici temperati 5,6. Tuttavia, una stima dell'entità degli impatti dell'azoto fluviale nelle aree costiere rimane difficile.
Per stimare la produttività primaria dell'estuario, un modello di bilancio di massa dell'azoto (N) è uno strumento utile per calcolare i flussi di azoto2. Il modello di bilancio di massa N fornisce anche una comprensione dei meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati, rivelando informazioni ai margini di diverse zone di produttività primaria7. Tre diverse zone8, definite come zone marroni, verdi e blu, sono particolarmente utili per prevedere l'impatto del carico di nutrienti nelle regioni ipossiche. La zona marrone, definita come la regione più vicina alla foce di un fiume, rappresenta un processo fisico elevato, la zona verde ha un'elevata produttività biologica e la zona blu rappresenta un processo biologico basso. Il confine di ciascuna zona dipende dal flusso del fiume, dalle concentrazioni di nutrienti e dai tassi di miscelazione8.
La baia di Narragansett (NB) è un estuario costiero e temperato nel Rhode Island, negli Stati Uniti, che supporta servizi e beni economici ed ecologici 9,10,11, in cui l'ipossia si è verificata costantemente. Questi eventi ipossici, definiti come il periodo di basso livello di ossigeno disciolto (cioè meno di 2-3 mg di ossigeno per litro), sono particolarmente diffusi nei mesi di luglio e agosto e sono fortemente influenzati dal carico di azoto fluviale durante questi mesi12. Con l'aumento della produzione primaria e dell'ipossia dovuta alle emissioni antropogeniche di nutrienti13, la comprensione degli apporti di azoto nel NB è fondamentale per gestire e affrontare problemi costieri come l'eutrofizzazione e l'ipossia. Pertanto, in questo studio, il tasso di produzione primaria in NB è calcolato dal modello di bilancio di massa N utilizzando i dati nutrizionali storicamente osservati, in particolare l'azoto inorganico disciolto (DIN). Sulla base dei risultati del modello di bilancio di massa N convertendo in unità di carbonio utilizzando il rapporto Redfield, sono state identificate tre diverse zone di produttività primaria per visualizzare l'entità dell'influenza dell'azoto dal fiume in NB. Il modello è stato poi ricreato in una rappresentazione 3D per visualizzare meglio le diverse zone. I prodotti ottenuti da questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti in NB in risposta all'ipossia e all'eutrofizzazione. Inoltre, i risultati di questo studio sono applicabili ad altre regioni costiere per visualizzare gli effetti del trasporto fluviale sui nutrienti e sulla produttività primaria.
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Protocol
1. Applicazione del modello di bilancio di massa N
- Scarica i dati sull'azoto inorganico disciolto (DIN) dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti (USEPA) per 166 stazioni nella baia di Narragansett dal 1990 al 2015.
NOTA: In questo studio, la somma delle concentrazioni di ammonio (NH4+), nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-) è stata considerata come concentrazione DIN. - Dividi la baia di Narragansett in quindici caselle lungo il suo asse, modificate dallo studio precedente14 utilizzando Adobe Illustrator per dividere la baia nella mappa (Figura 1).
- Applicare il modello di bilancio di massa N per calcolare la concentrazione media di DIN in ciascuna scatola.
NOTA: In questo studio, il modello di bilancio di massa N, costituito da termini di ingresso e uscita DIN, è stato modificato rispetto ai precedenti studi 2,15 e applicato a ciascuna scatola (1-15) della baia di Narragansett come equazione 1.
Eq. (1)
La Tabella 1 mostra le definizioni di ciascun termine e unità di misura utilizzati in questo modello di Narragansett Bay. Il modello calcola la concentrazione media di DIN determinando la differenza in ciascuna scatola di Narragansett Bay, che rappresenta la rimozione netta di DIN per produzione biologica. Informazioni dettagliate sul modello di bilancio di massa N sono riportate negli studi precedenti 2,15. I valori dettagliati utilizzati nel modello di questo studio sono stati ricavati dagli studi precedenti14. - Calcola il tasso di produzione primaria potenziale (PPP) in base ai risultati del modello di bilancio di massa N convertendo la rimozione netta DIN in unità di carbonio utilizzando il rapporto Redfield (C: N = 106: 16, rapporto molare) in un foglio di calcolo.
Eq. (1)2. Visualizzazione di tre zone nella mappa della baia di Narragansett
- Tracciare le tre zone identificate nella mappa della baia di Narragansett come grafico di contorno utilizzando il software Ocean Data View.
- Salvare i dati della tariffa PPP di ciascuna casella come file di testo (.txt) dal file del foglio di calcolo.
NOTA: il file .txt include anche la posizione di ciascun numero di casella come latitudine e longitudine. Metti la longitudine come valore negativo. I dati sul tasso PPP sono etichettati come PPP [gC·m-2·day-1]. - Caricare i dati della tariffa PPP nel software Ocean Data View.
- Vai ad aprire nel menu File .
- Fare clic su Associa casella variabili, Latitudine, Longitudine con stazione, latitudine [degrees_north] e Longitudine [degrees_east], nella finestra Associazione variabili metadati , quindi fare clic sul pulsante OK .
- Fare clic sul pulsante OK nella finestra Importa .
- Disegna il grafico di contorno per mostrare gli intervalli PPP nella mappa di Narragansett Bay.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla mappa, scegliere Zoom, trascinare la casella rossa per ingrandire l'area dati della mappa, quindi fare clic su Invio.
- Fare clic sulla finestra 1 SCATTER dei Modelli di layout nel menu Visualizza .
- Fate clic con il pulsante destro del mouse nel pannello Esempio e selezionate Variabili derivate (Derived Variables).
- Fare clic sul pulsante Aggiungi dopo aver selezionato Latitudine in Metadati dall'elenco del pannello Scelte . Eseguire la stessa operazione per Longitudine e quindi fare clic sul pulsante OK .
- Selezionare drvd: Longitude [degrees_East] come X-Variable facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
- Selezionare drvd: Latitudine [degrees_North] come variabile Y facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
- Selezionare PPP [gC·m-2·day -1] come variabile Z facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
- Selezionare Proprietà facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra a dispersione e passare all'opzione Stile di visualizzazione .
- Selezionare il campo Griglia .
- Vai all'opzione Contorni e fai clic sul pulsante << per fare in modo che i valori 0, 0.1 e 2 rimangano solo nei riquadri già definiti a sinistra.
- Fare clic sul pulsante OK .
- Salvare i dati della tariffa PPP di ciascuna casella come file di testo (.txt) dal file del foglio di calcolo.
- In base al grafico di contorno del software Ocean Data View, definisci il bordo delle zone marroni, verdi e blu nella baia di Narraganset e visualizza le zone utilizzando Adobe Illustrator per tracciare tre zone nella mappa.
NOTA: A seguito del precedente studio15, il tasso di PPP della zona marrone era superiore a 2 gC·m-2·giorno-1, la zona verde era compresa tra 0,1-2 gC·m-2·giorno-1 e la zona blu era inferiore a 0,1 gC·m-2·giorno-1, rispettivamente.
3. Conversione del grafico di contorno di tre zone nel telaio tridimensionale (3D) con luce LED
- Incidi tre pannelli acrilici da 5,5'' x 8'' con una taglierina laser per mostrare il confine di ciascuna zona.
- Impila tre pannelli acrilici in una cornice illuminata. Sovrapponi ogni pannello acrilico che mostra le zone blu, verde e marrone. Posiziona un pannello che mostra le zone verdi sopra il pannello delle zone blu e un pannello delle zone marroni sopra di esso.
- Per il secondo modello fisico, incidere quattro fogli acrilici da 5,5'' x 8'' con una taglierina laser, con i tre confini delle zone stampati UV e un pannello per rappresentare l'intera baia di Narragansett (come da passaggi 3.1-3.2).
- Cambia il colore di ciascuna zona in marrone, verde e blu utilizzando i LED posizionati nella parte inferiore della cornice.
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Representative Results
Tre zone teoriche della baia di Narragansett basate sul modello di bilancio di massa N
Le tre zone teoriche nella baia di Narragansett (NB) sono state definite sulla base dei risultati del modello di bilancio di massa N, in cui i dati DIN sono stati applicati a quindici scatole di NB, e quindi il DIN medio in ciascuna scatola è stato convertito nei tassi PPP per il periodo estivo. Come mostrato nella Figura 2, sulla base dei tassi PPP medi estivi (da giugno a settembre) di ciascuna scatola, sono state identificate tre zone (marrone, verde e blu) in NB che seguono i criteri dei tassi PPP di ciascuna zona dello studio precedente15. Durante il periodo estivo, le caselle 1, 2, 5, 6, 7 e 10, per lo più situate vicino alla foce del fiume, sono state definite come zone marroni con alti tassi di PPP superiori a 2 gC·m-2·day-1, indicando che c'era un forte processo fisico e un processo biologico con elevata torbidità e limitazione della luce. Le caselle 3, 4, 8, 9 e 11 sono state classificate come zone verdi, con intervalli di PPP da 0,1 a 2 gC·m-2·giorno-1, dove si è verificato un forte processo biologico, che mostra una limitazione dei nutrienti e un'elevata produzione primaria. A causa dell'elevata torbidità nella zona marrone, la penetrazione della luce era limitata, il che rappresentava una differenza significativa rispetto alla zona verde. Al contrario, le zone blu, con bassi tassi di PPP inferiori a 0,1 gC·m-2·giorno-1, sono state identificate nelle caselle 12, 13, 14 e 15 ed erano le più lontane dalla costa, rappresentando una bassa produttività biologica.
Visualizzazione di tre zone della baia di Narragansett utilizzando strutture fisiche
Per implementare visivamente i confini di tre zone teoriche in NB, è stata creata una rappresentazione 3D in cui sono stati utilizzati e incisi pannelli acrilici stratificati, creando due strutture fisiche come descritto nella sezione 3. Come mostrato nella Figura 3, sono stati utilizzati tre pannelli acrilici con le luci a LED nella parte inferiore del telaio, che possono essere modificate per mostrare una migliore rappresentazione delle caratteristiche di ciascun confine. Inoltre, i modelli a matrice di punti sono stati incisi con un grado diverso per rappresentare la quantità di torbidità dei sedimenti in ciascuna zona. La Figura 4 mostra la seconda struttura fisica con quattro fogli acrilici contenenti tre confini di ciascuna zona, stampati ai raggi UV e uno strato inciso per mostrare l'intero NB. Le immagini della fase di sviluppo del secondo quadro sono mostrate nella Figura 4A, con tre fogli che rappresentano ciascuna zona e un foglio aggiuntivo che mostra tutte e tre le zone. Nella Figura 4B, la seconda struttura fisica è stata illuminata dalle luci a LED e ha mostrato le sovrapposizioni dei confini per ciascuna zona.
Figura 1: Mappa della baia di Narragansett. I segmenti numerati mostrano i 15 riquadri lungo l'asse, che è stato modificato da un precedente studio14. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Estensione delle tre zone teoriche nella baia di Narragansett. Le zone sono state definite in base ai risultati del modello di bilancio di massa N. Ogni zona è divisa per i tassi medi di produzione potenziale primaria (PPP) estivi (da giugno a settembre), che vengono convertiti nei risultati del modello di bilancio di massa N definiti dallo studio precedente15. Il tasso medio estivo di PPP delle zone marroni è superiore a 2 gC·m-2·giorno-1, le zone verdi sono comprese tra 0,1-2 gC·m-2·giorno-1 e le zone blu sono inferiori a 0,1 gC·m-2·giorno-1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: La prima struttura fisica delle tre zone nella baia di Narragansett. La struttura fisica utilizza tre pannelli acrilici e modelli a matrice di punti per rappresentare la quantità di torbidità dei sedimenti in ciascuna zona. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: La seconda struttura fisica di tre zone teoriche nella baia di Narragansett. (A) Le immagini schematiche di tutte e tre le zone della baia per la stampa UV e l'impilamento della seconda struttura fisica. (B) La struttura creata utilizzando quattro lastre acriliche per mostrare le sovrapposizioni dei confini delle zone. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Unità | Definizioni |
 |
Flusso DIN da ogni portata fluviale |
 |
Flusso diffusivo da deposizione atmosferica |
 |
Flusso bentonico dai sedimenti di fondo |
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Denitrificazione nella colonna d'acqua |
 |
Un termine di avvezione che calcolato dalla velocità corrente |
 |
Rimozione per produzione biologica |
Tabella 1: Definizioni di ciascun termine nel modello di bilancio di massa N. I valori dettagliati utilizzati nel modello sono stati derivati da studi precedenti 14,16,17.
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Discussion
Questo studio ha stimato l'entità degli impatti nutrizionali degli apporti fluviali nella baia di Narraganset (NB) sulla base del modello di bilancio di massa N, definendo le tre zone teoriche. Storicamente, le zone ipossiche sono apparse vicino al fiume Providence, il lato occidentale della baia di Greenwich e la baia di Mount Hope durante il periodo estivo18, che sono state definite come zone marroni in questo studio. Inoltre, la zonazione di NB è paragonabile ai risultati di un precedente studio19, che ha esaminato la concentrazione di nutrienti e la produzione primaria in NB. Entrambi sottolineano l'importanza degli sforzi di riduzione dei nutrienti. Inoltre, i confini di ciascuna zona in questo studio erano simili ai risultati di uno studio precedente19, indicando che l'ipossia nella baia superiore di NB può essere controllata dall'avvezione di materia organica dal fiume Providence, producendo una respirazione elevata con un'elevata produttività su 2,6 gC·m-2·giorno-1. Questi risultati nella baia superiore di NB sono stati rappresentati dalla zona marrone in questo studio. Inoltre, la produttività ha continuato a diminuire verso l'oceano, indicata dalle zone verde e blu.
Al contrario, durante la stagione estiva, Mt. Hope Bay (riquadro 10) è stata definita come la zona marrone in questo studio, mostrando una maggiore produttività primaria su 2 gC·m-2·giorno-1 rispetto allo studio precedente19. Questo aumento della produttività indica che altre fonti di input di nutrienti, oltre all'input di azoto fluviale, potrebbero influenzare questa regione e dovrebbero essere considerate come un altro termine di input DIN nei modelli di bilancio di massa N. Si prevede che la zonazione in questo studio informi gli sforzi di gestione dei nutrienti in NB volti a ridurre lo scarico di azoto fluviale e la deposizione di azoto atmosferico, che è stata evidenziata in altri sistemi di estuario, tra cui la baia di Chesapeake 2,20. Oviatt et al. (2002) hanno scoperto che la velocità di miscelazione e la penetrazione della luce hanno influenzato la PPP21, ma sono necessari lavori futuri per quantificare meglio questi fattori attribuiti all'elevata PPP nelle zone marroni.
Infine, rappresentando le tre zone teoriche di NB come due quadri fisici, si ottiene una migliore comprensione dell'estensione degli apporti fluviali o di altri nutrienti all'area costiera. Mentre le strutture possono avere confini fissi per ogni zona, nel nostro quadro di riferimento, la flessibilità è ulteriormente dimostrata per informare che le tre zone teoriche possono cambiare di mese in mese in base alle concentrazioni di nutrienti dell'acqua dolce, alla velocità di miscelazione e al flusso del fiume, come sottolineato dalle precedenti applicazioni del modello di bilancio di massa N 2,15. Ad esempio, diverse caselle nella Figura 3 e nella Figura 4 sono state rappresentate come zone miste perché sono state classificate come zone diverse mensilmente durante i periodi estivi in base ai risultati del modello di bilancio di massa N. I quadri mostrano l'effetto dei nutrienti fluviali in NB fornendo una visualizzazione integrata di dati biogeochimici scientifici attraverso una forma d'arte, utile per la gestione dei nutrienti nell'area costiera e per la comunicazione scientifica.
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Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) e dal Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vorremmo anche ringraziare la Rhode Island School of Design per aver sviluppato il progetto Vis-A-Thon e questa visualizzazione.
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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