Summary
Aqui, objetivamos visualizar a zonação da produtividade biológica em Narragansett Bay, Rhode Island, com base no modelo de balanço de massa de nitrogênio. Os resultados servirão de base para o manejo de nutrientes nas regiões costeiras para reduzir a hipóxia e a eutrofização.
Abstract
A produtividade primária nas regiões costeiras, associada à eutrofização e hipóxia, fornece uma compreensão crítica da função do ecossistema. Embora a produtividade primária dependa em grande parte dos aportes de nutrientes dos rios, estimar a extensão das influências de nutrientes ribeirinhos nas regiões costeiras é um desafio. Um modelo de balanço de massa de nitrogênio é uma ferramenta prática para avaliar a produtividade oceânica costeira para entender mecanismos biológicos além das observações de dados. Este estudo visualiza as zonas de produção biológica em Narragansett Bay, Rhode Island, EUA, onde a hipóxia ocorre com frequência, aplicando um modelo de balanço de massa de nitrogênio. A Baía é dividida em três zonas - marrom, verde e azul - com base na produtividade primária, que são definidas pelos resultados do modelo de balanço de massa. As zonas marrom, verde e azul representam um alto processo físico, um alto processo biológico e uma baixa zona de processo biológico, dependendo do fluxo do rio, das concentrações de nutrientes e das taxas de mistura. Os resultados deste estudo podem informar melhor o manejo de nutrientes no oceano costeiro em resposta à hipóxia e eutrofização.
Introduction
A produtividade primária, a produção de compostos orgânicos pelo fitoplâncton, alimenta as teias alimentares ecossistêmicas, sendo importante para o entendimento da função do sistema em resposta às mudanças ambientais 1,2. A produtividade primária estuarina também está intimamente ligada à eutrofização, que é definida como o excesso de nutrientes no ecossistema1, causando várias consequências nocivas nas regiões costeiras, como um crescimento excessivo do fitoplâncton levando a grandes florações de algas e subsequente hipóxia 3,4. É importante ressaltar que a produtividade primária em estuários é altamente dependente da carga de nutrientes fluviais, particularmente das concentrações de nitrogênio, que são o nutriente limitante típico na maioria dos ecossistemas oceânicos temperados 5,6. No entanto, uma estimativa da extensão dos impactos do nitrogênio fluvial em áreas costeiras permanece desafiadora.
Para estimar a produtividade primária estuarina, um modelo de balanço de massa de nitrogênio (N) é uma ferramenta útil para calcular os fluxos de nitrogênio2. O modelo de balanço de N-massa também fornece uma compreensão dos mecanismos biológicos além da observação dos dados, revelando informações nas bordas das diferentes zonas de produtividade primária7. Três zonas diferentes8, definidas como marrom, verde e azul, são particularmente úteis para prever o impacto da carga de nutrientes em regiões hipóxicas. A zona marrom, definida como a região mais próxima de uma foz, representa um processo físico elevado, a zona verde apresenta alta produtividade biológica e a zona azul representa um processo biológico baixo. O limite de cada zona depende da vazão do rio, das concentrações de nutrientes e das taxas de mistura8.
A Baía de Narragansett (NB) é um estuário costeiro e temperado em Rhode Island, EUA, que suporta serviços e bens econômicos e ecológicos9,10,11, no qual a hipóxia tem ocorrido consistentemente. Esses eventos hipóxicos, definidos como o período de baixo oxigênio dissolvido (isto é, menos de 2-3 mg de oxigênio por litro), são particularmente prevalentes em julho e agosto e são fortemente impactados pela carga de nitrogênio fluvial durante esses meses12. Com o aumento da produção primária e a hipóxia devido às emissões antropogênicas de nutrientes13, a compreensão dos aportes nitrogenados no RN é fundamental para o manejo e abordagem de questões costeiras, como eutrofização e hipóxia. Assim, neste estudo, a taxa de produção primária em RN é calculada a partir do modelo de balanço de N-massa, utilizando dados de nutrientes historicamente observados, especialmente nitrogênio inorgânico dissolvido (DIN). Com base nos resultados do modelo de balanço de massa de N, convertendo para unidades de carbono usando a razão Redfield, três diferentes zonas de produtividade primária foram identificadas para visualizar a extensão da influência do nitrogênio do rio em NB. O modelo foi então recriado em uma representação 3D para melhor visualizar as diferentes zonas. Os produtos produzidos a partir deste estudo podem informar melhor o manejo nutricional em RN em resposta à hipóxia e eutrofização. Além disso, os resultados deste estudo são aplicáveis a outras regiões costeiras para visualizar os efeitos do transporte fluvial sobre os nutrientes e a produtividade primária.
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Protocol
1. Aplicação do modelo de balanço de N-massa
- Faça o download dos dados de nitrogênio inorgânico dissolvido (DIN) da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (USEPA) para 166 estações na Baía de Narragansett de 1990 a 2015.
NOTA: Neste estudo, a soma das concentrações de amônio (NH4+), nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-) foi considerada como a concentração de NID. - Divida a Baía de Narragansett em quinze caixas ao longo de seu eixo modificado do estudo anterior14 usando o Adobe Illustrator para dividir a Baía no mapa (Figura 1).
- Aplicar o modelo de balanço de massa N para calcular a concentração média de DIN em cada caixa.
OBS: Neste estudo, o modelo N-balanço de massa, composto pelos termos de entrada e saída de NID, foi modificado de estudos anteriores 2,15 e aplicado a cada caixa (1-15) da Baía de Narragansett conforme Equação 1.
Eq. (1)
A Tabela 1 mostra as definições de cada termo e unidade utilizados neste modelo da Baía de Narragansett. O modelo calcula a concentração média de DIN determinando a diferença em cada caixa da Baía de Narragansett, representando a remoção líquida de DIN pela produção biológica. Informações detalhadas sobre o modelo de balanço de N-massa são mostradas em estudos anteriores 2,15. Os valores detalhados utilizados no modelo deste estudo foram derivados de estudos anteriores14. - Calcule a taxa de produção primária potencial (PPC) com base nos resultados do modelo de balanço de massa N, convertendo a remoção líquida de DIN em unidades de carbono usando a razão Redfield (C: N = 106: 16, razão molar) em um arquivo de planilha.
Eq. (1)2. Visualizando três zonas no mapa da Baía de Narragansett
- Plote as três zonas identificadas no mapa da Baía de Narragansett como um gráfico de contorno usando o software Ocean Data View.
- Salve os dados de taxa PPP de cada caixa como um arquivo de texto (.txt) do arquivo de planilha.
Observação : O arquivo de .txt também inclui o local de cada número de caixa como latitude e longitude. Coloque a longitude como um valor negativo. Os dados da taxa de PPP são rotulados como PPP [gC·m-2·dia-1]. - Carregue os dados da taxa PPP no software Ocean Data View.
- Vá para abrir no menu Arquivo .
- Clique em Caixa Associar Variáveis, Latitude, Longitude com Estação, latitude [degrees_north] e Longitude [degrees_east], na janela Associação de Variáveis de Metadados , em seguida, clique no botão OK .
- Clique no botão OK na janela Importar .
- Desenhe o gráfico de contorno para mostrar os intervalos PPP no mapa da Baía de Narragansett.
- Clique com o botão direito do mouse no mapa, clique em Zoom, arraste a caixa vermelha para ampliar a área de dados do mapa e, em seguida, clique em Enter.
- Clique na janela 1 SCATTER dos Modelos de Layout no menu Exibir.
- Clique com o botão direito do mouse no painel Exemplo e selecione Variáveis derivadas.
- Clique no botão Adicionar depois de selecionar Latitude em Metadados na lista do painel Opções . Faça a mesma coisa para Longitude e, em seguida, clique no botão OK .
- Selecione drvd: Longitude [degrees_East] como Variável X clicando com o botão direito do mouse na janela de dispersão.
- Selecione drvd: Latitude [degrees_North] como Y-Variable clicando com o botão direito do mouse na janela de dispersão.
- Selecione PPP [gC·m-2·dia -1] como Z-Variable clicando com o botão direito do mouse na janela de dispersão.
- Selecione Propriedades clicando com o botão direito do mouse na janela de dispersão e vá para a opção Estilo de Exibição .
- Selecione o campo Gradeado .
- Vá para a opção Contornos e clique no botão << para fazer com que os valores 0, 0.1 e 2 permaneçam apenas nos painéis já definidos da esquerda.
- Clique no botão OK .
- Salve os dados de taxa PPP de cada caixa como um arquivo de texto (.txt) do arquivo de planilha.
- Com base no gráfico de contorno do Ocean Data View Software, defina a borda das zonas marrom, verde e azul em Narraganset Bay e visualize as zonas usando o Adobe Illustrator para plotar três zonas no mapa.
NOTA: Seguindo o estudo anterior15, a taxa de PPP da zona marrom estava acima de 2 gC·m-2·dia-1, a zona verde estava entre 0,1-2 gC·m-2·dia-1, e a zona azul era inferior a 0,1 gC·m-2·dia-1, respectivamente.
3. Convertendo o gráfico de contorno de três zonas no quadro tridimensional (3D) com luz LED
- Gravar três painéis de acrílico como 5.5'' x 8'' com um cortador a laser para mostrar o limite de cada zona.
- Empilhe três painéis de acrílico em uma moldura iluminada. Sobreponha cada painel de acrílico mostrando as zonas azul, verde e marrom. Coloque um painel mostrando zonas verdes na parte superior do painel de zonas azuis e um painel de zonas marrons sobre isso.
- Para o segundo modelo físico, gravar quatro folhas de acrílico como 5.5'' x 8'' com um cortador a laser, com o UV impresso três limites de zonas e um painel para representar toda a Baía de Narragansett (conforme os passos 3.1-3.2).
- Altere a cor de cada zona para marrom, verde e azul usando os LEDs colocados na parte inferior do quadro.
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Representative Results
Três zonas teóricas da Baía de Narragansett baseadas no modelo de balanço de N-massa
As três zonas teóricas da Baía de Narragansett (NB) foram definidas com base nos resultados do modelo de balanço de N-massa, no qual os dados de DIN foram aplicados a quinze caixas de RN e, em seguida, o DIN médio em cada caixa foi convertido para as taxas de PPP para o período de verão. Como mostrado na Figura 2, com base nas taxas médias de PPP de verão (junho a setembro) de cada caixa, três zonas (marrom, verde e azul) no RN foram identificadas seguindo os critérios das taxas de PPP de cada zona do estudo anterior15. Durante o período de verão, as caixas 1, 2, 5, 6, 7 e 10, localizadas principalmente próximas à foz do rio, foram definidas como zonas marrons com altas taxas de PPP superiores a 2 gC·m-2·dia-1, indicando que havia um forte processo físico e biológico com alta turbidez e limitação de luz. As caixas 3, 4, 8, 9 e 11 foram classificadas como zonas verdes, com valores de PPP entre 0,1-2 gC·m-2·dia-1, onde ocorreu forte processo biológico, apresentando limitação de nutrientes e alta produção primária. Devido à alta turbidez na zona marrom, a penetração de luz foi limitada, o que foi uma diferença significativa da zona verde. Em contraste, as zonas azuis, com baixas taxas de PPP inferiores a 0,1 gC·m-2·dia-1, foram identificadas nas caixas 12, 13, 14 e 15 e foram as mais distantes do mar, representando baixa produtividade biológica.
Visualização de três zonas da Baía de Narragansett usando estruturas físicas
Para implementar visualmente os limites de três zonas teóricas em NB, foi criada uma representação 3D na qual painéis de acrílico em camadas foram usados e gravados, criando dois quadros físicos conforme descrito na seção 3. Como mostra a Figura 3, foram utilizados três painéis de acrílico com as luzes de LED na parte inferior do quadro, que podem ser alteradas para mostrar uma melhor representação das características de cada fronteira. Além disso, padrões matriciais foram gravados com um grau diferente para representar a quantidade de turbidez do sedimento em cada zona. A Figura 4 mostra o segundo quadro físico com quatro folhas de acrílico contendo três limites de cada zona, impressos em UV e uma camada gravada para mostrar todo o RN. As imagens do estágio de desenvolvimento do segundo quadro são mostradas na Figura 4A, com três folhas representando cada zona e uma folha adicional mostrando as três zonas inteiras. Na Figura 4B, o segundo quadro físico foi iluminado pelas luzes de LED e mostrou as sobreposições dos limites para cada zona.
Figura 1: Mapa da Baía de Narragansett. Os segmentos numerados mostram as 15 caixas ao longo do eixo, o que é modificado de um estudo anterior14. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Extensão das três zonas teóricas na Baía de Narragansett. As zonas foram definidas com base nos resultados do modelo de balanço de N-massa. Cada zona é dividida pelas taxas médias de produção primária potencial (PPC) de verão (junho a setembro), que são convertidas para os resultados do modelo de balanço de massa de N definidos no estudo anterior15. A taxa média de PPP de verão das zonas marrons é superior a 2 gC·m-2·dia-1, as zonas verdes situam-se entre 0,1-2 gC·m-2·dia-1 e as zonas azuis são inferiores a 0,1 gC·m-2·dia-1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: A primeira estrutura física das três zonas na Baía de Narragansett. A estrutura física utiliza três painéis de acrílico e padrões matriciais para representar a quantidade de turbidez de sedimentos em cada zona. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: O segundo quadro físico de três zonas teóricas na Baía de Narragansett. (A) As imagens esquemáticas de todas as três zonas da Baía para impressão UV e empilhamento do segundo quadro físico. (B) A estrutura criada usando quatro folhas de acrílico para mostrar sobreposições de limites de zonas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Unidade | Definições |
 |
Fluxo DIN de cada descarga do rio |
 |
Fluxo difusivo a partir da deposição atmosférica |
 |
Fluxo bentônico dos sedimentos de fundo |
 |
Desnitrificação na coluna de água |
 |
Um termo de advecção que calcula a partir da velocidade da corrente |
 |
Remoção por produção biológica |
Tabela 1: Definições de cada termo no modelo de balanço de massa N. Os valores detalhados utilizados no modelo foram derivados de estudos prévios 14,16,17.
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Discussion
Este estudo estimou a extensão dos impactos de nutrientes das entradas fluviais na Baía de Narraganset (NB) com base no modelo de balanço de N-massa, definindo as três zonas teóricas. Historicamente, zonas hipóxicas apareceram perto do rio Providence, do lado oeste da baía de Greenwich e da baía de Mount Hope durante o período de verão18, que foram definidas como zonas marrons neste estudo. Além disso, a zonação dos RN é comparável aos resultados de um estudo anterior19, que examinou a concentração de nutrientes e a produção primária em RN. Ambos destacam a importância dos esforços de redução de nutrientes. Além disso, os limites de cada zona neste estudo foram semelhantes aos resultados de um estudo anterior19, indicando que a hipóxia na baía superior do RN pode ser controlada pela advecção de matéria orgânica do rio Providence, produzindo respiração elevada com alta produtividade acima de 2,6 gC·m-2·dia-1. Esses resultados na baia superior do RN foram representados pela zona marrom neste estudo. Além disso, a produtividade continuou a diminuir em direção ao oceano, indicada pelas zonas verde e azul.
Em contraste, durante a temporada de verão, Mt. Hope Bay (caixa 10) foi definida como a zona marrom neste estudo, apresentando maior produtividade primária acima de 2 gC·m-2·dia-1 em comparação com o estudo anterior19. Esse aumento de produtividade indica que outras fontes de nutrientes apostos, além do aporte de nitrogênio fluvial, podem afetar essa região e devem ser consideradas como mais um termo de entrada de DIN em modelos de balanço de N-massa. Espera-se que a zonação neste estudo informe melhores esforços de manejo de nutrientes em RN visando reduzir a descarga de nitrogênio fluvial, bem como a deposição atmosférica de nitrogênio, o que tem sido destacado em outros sistemas estuarinos, incluindo a Baía de Chesapeake 2,20. (2002) verificaram que a taxa de mistura e a penetração de luz influenciaram a PPP21, mas trabalhos futuros são necessários para quantificar melhor esses fatores atribuídos à alta PPP nas zonas marrons.
Finalmente, ao representar as três zonas teóricas do RN como dois quadros físicos, obtém-se visualmente uma melhor compreensão da extensão dos aportes fluviais ou de outros nutrientes para a área costeira. Embora as estruturas possam ter limites fixos para cada zona, em nossa estrutura, a flexibilidade é adicionalmente mostrada para informar que as três zonas teóricas podem mudar de mês para mês de acordo com as concentrações de nutrientes de água doce, taxa de mistura e vazão do rio, como apontado a partir das aplicações anteriores do modelo de balanço de massa N 2,15. Por exemplo, várias caixas na Figura 3 e na Figura 4 foram representadas como zonas mistas porque foram categorizadas como zonas diferentes mensalmente durante os períodos de verão com base nos resultados do modelo de balanço de N-massa. Os frameworks mostram o efeito dos nutrientes ribeirinhos no RN, proporcionando uma visualização integrada de dados científicos biogeoquímicos por meio de uma forma de arte, que é útil para o manejo de nutrientes na área costeira e para a comunicação científica.
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Disclosures
Os autores declaram não haver conflitos de interesse.
Acknowledgments
Este estudo foi apoiado pela National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) e Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Também gostaríamos de agradecer à Rhode Island School of Design por desenvolver o projeto Vis-A-Thon e esta visualização.
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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