Summary
Aquí, nuestro objetivo es visualizar la zonificación de la productividad biológica en la bahía de Narragansett, Rhode Island, con base en el modelo de balance de masa de nitrógeno. Los resultados servirán de base para la gestión de nutrientes en las regiones costeras para reducir la hipoxia y la eutrofización.
Abstract
La productividad primaria en las regiones costeras, vinculada a la eutrofización y la hipoxia, proporciona una comprensión crítica de la función de los ecosistemas. Aunque la productividad primaria depende en gran medida de los aportes de nutrientes fluviales, la estimación del alcance de las influencias de los nutrientes fluviales en las regiones costeras es difícil. Un modelo de balance de masa de nitrógeno es una herramienta práctica para evaluar la productividad de los océanos costeros con el fin de comprender los mecanismos biológicos más allá de las observaciones de datos. Este estudio visualiza las zonas de producción biológica en la bahía de Narragansett, Rhode Island, EE.UU., donde ocurre frecuentemente la hipoxia, mediante la aplicación de un modelo de balance de masa de nitrógeno. La bahía está dividida en tres zonas: marrón, verde y azul, en función de la productividad primaria, que se define por los resultados del modelo de balance de masas. Las zonas marrón, verde y azul representan un proceso físico alto, un proceso biológico alto y una zona de proceso biológico bajo, dependiendo del flujo del río, las concentraciones de nutrientes y las tasas de mezcla. Los resultados de este estudio pueden informar mejor sobre la gestión de nutrientes en el océano costero en respuesta a la hipoxia y la eutrofización.
Introduction
La productividad primaria, la producción de compuestos orgánicos por el fitoplancton, alimenta las redes tróficas de los ecosistemas y es importante para comprender la función del sistema en respuesta a los cambios ambientales 1,2. La productividad primaria de los estuarios también está estrechamente relacionada con la eutrofización, que se define como un exceso de nutrientes en el ecosistema1, lo que provoca varias consecuencias nocivas en las regiones costeras, como un crecimiento excesivo de fitoplancton que conduce a grandes floraciones de algas y la consiguiente hipoxia 3,4. Es importante destacar que la productividad primaria en los estuarios depende en gran medida de la carga de nutrientes fluviales, en particular de las concentraciones de nitrógeno, que son el nutriente limitante típico en la mayoría de los ecosistemas oceánicos templados 5,6. Sin embargo, sigue siendo difícil estimar la magnitud de los impactos del nitrógeno fluvial en las zonas costeras.
Para estimar la productividad primaria estuarina, un modelo de balance de masa de nitrógeno (N) es una herramienta útil para calcular los flujos de nitrógeno2. El modelo de balance de masa N también proporciona una comprensión de los mecanismos biológicos más allá de las observaciones de datos, revelando información en los bordes de diferentes zonas de productividad primaria7. Treszonas 8 diferentes, definidas como zonas marrón, verde y azul, son particularmente útiles para predecir el impacto de la carga de nutrientes en las regiones hipóxicas. La zona marrón, definida como la región más cercana de la desembocadura de un río, representa un proceso físico alto, la zona verde tiene una alta productividad biológica y la zona azul representa un proceso biológico bajo. El límite de cada zona depende del caudal del río, las concentraciones de nutrientes y las tasas de mezcla8.
La bahía de Narragansett (NB) es un estuario costero templado en Rhode Island, EE.UU., que soporta servicios y bienes económicos y ecológicos 9,10,11, en el que la hipoxia ha estado ocurriendo constantemente. Estos eventos hipóxicos, definidos como el período de bajo oxígeno disuelto (es decir, menos de 2-3 mg de oxígeno por litro), son particularmente prevalentes en julio y agosto y se ven fuertemente afectados por la carga de nitrógeno fluvial durante estos meses12. Con el aumento de la producción primaria y la hipoxia debido a las emisiones antropogénicas de nutrientes13, la comprensión de los aportes de nitrógeno en el NB es fundamental para gestionar y abordar problemas costeros como la eutrofización y la hipoxia. Por lo tanto, en este estudio, la tasa de producción primaria en NB se calcula a partir del modelo de balance de masa N utilizando datos de nutrientes observados históricamente, especialmente nitrógeno inorgánico disuelto (DIN). Con base en los resultados del modelo de balance de masa N mediante la conversión a unidades de carbono utilizando la relación Redfield, se identificaron tres zonas de productividad primaria diferentes para visualizar el alcance de la influencia del nitrógeno del río en NB. A continuación, el modelo se recreó en una representación 3D para visualizar mejor las diferentes zonas. Los productos producidos a partir de este estudio pueden informar mejor sobre el manejo de nutrientes en RN en respuesta a la hipoxia y la eutrofización. Además, los resultados de este estudio son aplicables a otras regiones costeras para visualizar los efectos del transporte fluvial sobre los nutrientes y la productividad primaria.
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Protocol
1. Aplicación del modelo de balance de masa N
- Descargue los datos de nitrógeno inorgánico disuelto (DIN) de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (USEPA) para 166 estaciones en la bahía de Narragansett desde 1990 hasta 2015.
NOTA: En este estudio, la suma de las concentraciones de amonio (NH4+), nitrito (NO2-) y nitrato (NO3-) se consideró como la concentración DIN. - Dividir la bahía de Narragansett en quince cuadros a lo largo de su eje, modificados del estudio anterior14 , utilizando Adobe Illustrator para dividir la bahía en el mapa (Figura 1).
- Aplique el modelo de balance de masa N para calcular la concentración media de DIN en cada caja.
NOTA: En este estudio, el modelo de balance de N-masa, que consiste en términos DIN de entrada y salida, se modificó a partir de estudios previos 2,15 y se aplicó a cada caja (1-15) de la bahía de Narragansett como Ecuación 1.
Ec. (1)
En la Tabla 1 se muestran las definiciones de cada término y unidad utilizados en este modelo de la bahía de Narragansett. El modelo calcula la concentración media de DIN determinando la diferencia en cada caja de la bahía de Narragansett, que representa la eliminación neta de DIN por producción biológica. En los estudios previos se muestra información detallada sobre el modelo de balance de masa N 2,15. Los valores detallados utilizados en el modelo de este estudio se derivaron de los estudios previos14. - Calcule la tasa de producción primaria potencial (PPA) en función de los resultados del modelo de balance de masa N convirtiendo la eliminación neta de DIN en unidades de carbono utilizando la relación Redfield (C: N = 106: 16, relación molar) en un archivo de hoja de cálculo.
Ec. (1)2. Visualización de tres zonas en el mapa de la bahía de Narragansett
- Trazar las tres zonas identificadas en el mapa de la bahía de Narragansett como una curva de nivel utilizando el software Ocean Data View.
- Guarde los datos de la tasa PPA de cada cuadro como un archivo de texto (.txt) del archivo de hoja de cálculo.
NOTA: El archivo .txt también incluye la ubicación de cada número de caja como latitud y longitud. Ponga la longitud como un valor negativo. Los datos de la tasa de PPA se etiquetan como PPA [gC·m-2·día-1]. - Cargue los datos de la tasa de PPP en el software Ocean Data View.
- Vaya a abrir en el menú Archivo .
- Haga clic en el cuadro Asociar variables, Latitud, Longitud con P.K., latitud [degrees_north] y Longitud [degrees_east] en la ventana Asociación de variables de metadatos y, a continuación, haga clic en el botón Aceptar .
- Haga clic en el botón Aceptar en la ventana Importar .
- Dibuje la gráfica de contorno para mostrar los rangos de PPP en el mapa de la bahía de Narragansett.
- Haga clic con el botón derecho en el mapa, haga clic en Zoom, arrastre el cuadro rojo para hacer zoom en el área de datos del mapa y, a continuación, haga clic en Entrar.
- Haga clic en la ventana 1 SCATTER de las Plantillas de diseño en el menú Ver .
- Haga clic con el botón derecho en el panel Ejemplo y seleccione Variables derivadas.
- Haga clic en el botón Agregar después de seleccionar Latitud en Metadatos en la lista de opciones del panel. Haga lo mismo para Longitud y luego haga clic en el botón Aceptar .
- Seleccione drvd: Longitud [degrees_East] como X-Variable haciendo clic con el botón derecho en la ventana de dispersión.
- Seleccione drvd: Latitud [degrees_North] como Variable Y haciendo clic con el botón derecho en la ventana de dispersión.
- Seleccione PPP [gC·m-2·day -1] como Variable Z haciendo clic con el botón derecho en la ventana de dispersión.
- Seleccione Propiedades haciendo clic con el botón derecho en la ventana de dispersión y vaya a la opción Estilo de visualización .
- Seleccione el campo Cuadrícula.
- Vaya a la opción Contornos y haga clic en el botón << para que los valores 0, 0.1 y 2 solo permanezcan en los paneles ya definidos de la izquierda.
- Haga clic en el botón Aceptar .
- Guarde los datos de la tasa PPA de cada cuadro como un archivo de texto (.txt) del archivo de hoja de cálculo.
- Basándose en el gráfico de contorno del software Ocean Data View, defina el borde de las zonas marrón, verde y azul de la bahía de Narraganset y visualice las zonas con Adobe Illustrator para trazar tres zonas en el mapa.
NOTA: Siguiendo el estudio previo15, la tasa de PPA de la zona marrón fue superior a 2 gC·m-2·día-1, la zona verde estuvo entre 0,1-2 gC·m-2·día-1 y la zona azul fue inferior a 0,1 gC·m-2·día-1, respectivamente.
3. Convertir el gráfico de contorno de tres zonas en el marco tridimensional (3D) con luz LED
- Grabe tres paneles acrílicos de 5,5 '' x 8 '' con una cortadora láser para mostrar el límite de cada zona.
- Apila tres paneles acrílicos en un marco iluminado. Superponga cada panel acrílico mostrando las zonas azul, verde y marrón. Coloque un panel que muestre las zonas verdes encima del panel de zonas azules y un panel de zonas marrones encima.
- Para el segundo modelo físico, grabe cuatro láminas acrílicas de 5,5'' x 8'' con una cortadora láser, con los tres límites de zonas impresos por UV y un panel para representar toda la bahía de Narragansett (según los pasos 3.1-3.2).
- Cambia el color de cada zona a marrón, verde y azul usando los LED colocados en la parte inferior del marco.
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Representative Results
Tres zonas teóricas de la bahía de Narragansett basadas en el modelo de balance de masa N
Las tres zonas teóricas de la bahía de Narragansett (NB) se definieron con base en los resultados del modelo de balance de masa N, en el que los datos DIN se aplicaron a quince cajas de NB, y luego el DIN medio en cada caja se convirtió a las tasas de PPA para el período estival. Como se muestra en la Figura 2, con base en las tasas medias de PPA de verano (junio a septiembre) de cada caja, se identificaron tres zonas (marrón, verde y azul) en NB que seguían los criterios de las tasas de PPA de cada zona del estudio anterior15. Durante el período estival, las cajas 1, 2, 5, 6, 7 y 10, ubicadas en su mayoría cerca de la desembocadura del río, se definieron como zonas marrones con altas tasas de PPA mayores a 2 gC·m-2·día-1, lo que indica que hubo un fuerte proceso físico y biológico con alta turbidez y limitación lumínica. Las cajas 3, 4, 8, 9 y 11 fueron clasificadas como zonas verdes, con rangos de PPA de 0.1-2 gC·m-2·día-1, donde ocurrió un fuerte proceso biológico, mostrando limitación de nutrientes y alta producción primaria. Debido a la alta turbidez en la zona marrón, la penetración de la luz fue limitada, lo que supuso una diferencia significativa con respecto a la zona verde. En contraste, las zonas azules, con bajas tasas de PPA de menos de 0.1 gC·m-2·día-1, se identificaron en las casillas 12, 13, 14 y 15 y fueron las más alejadas de la costa, lo que representa una baja productividad biológica.
Visualización de tres zonas de la bahía de Narragansett utilizando marcos físicos
Para implementar visualmente los límites de tres zonas teóricas en NB, se creó una representación 3D en la que se utilizaron y grabaron paneles acrílicos en capas, creando dos marcos físicos como se describe en la sección 3. Como se muestra en la Figura 3, se utilizaron tres paneles acrílicos con las luces LED en la parte inferior del marco, que se pueden cambiar para mostrar una mejor representación de las características de cada límite. Además, los patrones de matriz de puntos se grabaron con un grado diferente para representar la cantidad de turbidez de los sedimentos en cada zona. La Figura 4 muestra el segundo marco físico con cuatro láminas acrílicas que contienen tres límites de cada zona, impresas con UV y una capa grabada para mostrar todo el NB. Las imágenes de la etapa de desarrollo del segundo marco se muestran en la Figura 4A, con tres hojas que representan cada zona y una hoja adicional que muestra las tres zonas completas. En la Figura 4B, el segundo marco físico fue iluminado por las luces LED y mostró las superposiciones de los límites para cada zona.
Figura 1: Mapa de la bahía de Narragansett. Los segmentos numerados muestran las 15 casillas a lo largo del eje, que se modifica a partir de un estudio anterior14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Extensión de las tres zonas teóricas en la bahía de Narragansett. Las zonas se definieron con base en los resultados del modelo de balance de masa N. Cada zona se divide por las tasas medias de producción primaria potencial (PPA) de verano (junio a septiembre), que se convierten a los resultados del modelo de balance de masa N definidos a partir del estudio anterior15. La tasa media de PPA en verano de las zonas marrones es superior a 2 gC·m-2·día-1, la de las zonas verdes está entre 0,1-2 gC·m-2·día-1 y la de las zonas azules es inferior a 0,1 gC·m-2·día-1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: El primer armazón físico de las tres zonas de la bahía de Narragansett. El marco físico utiliza tres paneles acrílicos y patrones de matriz de puntos para representar la cantidad de turbidez de sedimentos en cada zona. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: El segundo marco físico de tres zonas teóricas en la bahía de Narragansett. (A) Las imágenes esquemáticas de las tres zonas de la bahía para la impresión UV y el apilamiento del segundo marco físico. (B) El marco creado utilizando cuatro láminas acrílicas para mostrar las superposiciones de los límites de las zonas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Unidad | Definiciones |
 |
Flujo DIN de cada descarga de río |
 |
Flujo difusivo de la deposición atmosférica |
 |
Flujo bentónico de los sedimentos del fondo |
 |
Desnitrificación en la columna de agua |
 |
Un término de advección que se calcula a partir de la velocidad de la corriente |
 |
Eliminación por producción biológica |
Tabla 1: Definiciones de cada término en el modelo de balance de masa N. Los valores detallados utilizados en el modelo se derivaron de estudios previos 14,16,17.
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Discussion
Este estudio estimó el alcance de los impactos de nutrientes de los insumos fluviales en la bahía de Narraganset (NB) con base en el modelo de balance de masa N mediante la definición de las tres zonas teóricas. Históricamente, las zonas hipóxicas aparecieron cerca del río Providence, el lado occidental de la bahía de Greenwich y la bahía de Mount Hope durante el período de verano18, que se definieron como zonas marrones en este estudio. Además, la zonificación de la RN es comparable a los resultados de un estudio previo19, que examinó la concentración de nutrientes y la producción primaria en la RN. Ambos destacan la importancia de los esfuerzos de reducción de nutrientes. Además, los límites de cada zona en este estudio fueron similares a los resultados de un estudio previo19, lo que indica que la hipoxia en la bahía superior de NB puede ser controlada por la advección de materia orgánica del río Providence, produciendo una respiración elevada con alta productividad por encima de 2,6 gC·m-2·día-1. Estos resultados en la bahía superior de NB fueron representados por la zona marrón en este estudio. Además, la productividad continuó disminuyendo hacia el océano, lo que se indica en las zonas verde y azul.
En contraste, durante la temporada de verano, Mt. Hope Bay (cuadro 10) se definió como la zona marrón en este estudio, mostrando una mayor productividad primaria durante 2 gC·m-2·día-1 en comparación con el estudio previo19. Este aumento de la productividad indica que otras fuentes de entrada de nutrientes, además de la entrada de nitrógeno fluvial, podrían afectar a esta región y deben considerarse como otro término de entrada DIN en los modelos de balance de masa N. Se espera que la zonificación en este estudio sirva de base para mejorar los esfuerzos de manejo de nutrientes en NB con el objetivo de reducir la descarga de nitrógeno fluvial, así como la deposición de nitrógeno atmosférico, que se ha destacado en otros sistemas estuarinos, incluida la bahía de Chesapeake 2,20. Oviatt et al. (2002) encontraron que la tasa de mezcla y la penetración de la luz influyeron en la PPA21, pero se necesita trabajo futuro para cuantificar mejor estos factores atribuidos a la alta PPA en las zonas marrones.
Finalmente, al representar las tres zonas teóricas de NB como dos marcos físicos, se logra visualmente una mejor comprensión de la extensión de los aportes fluviales u otros nutrientes a la zona costera. Si bien los marcos pueden tener límites fijos para cada zona, en nuestro marco se muestra flexibilidad adicionalmente para informar que las tres zonas teóricas pueden cambiar de un mes a otro de acuerdo con las concentraciones de nutrientes de agua dulce, la tasa de mezcla y el flujo del río, como se señaló en las aplicaciones anteriores del modelo de balance de masa N 2,15. Por ejemplo, varios recuadros de la Figura 3 y la Figura 4 se representaron como zonas mixtas porque se categorizaron como zonas diferentes mensualmente durante los períodos de verano en función de los resultados del modelo de balance de masa N. Los marcos muestran el efecto de los nutrientes fluviales en el NB al proporcionar una visualización integrada de datos biogeoquímicos científicos a través de una forma de arte, que es útil para el manejo de nutrientes en el área costera y para la comunicación científica.
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Disclosures
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
Acknowledgments
Este estudio contó con el apoyo de la National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) y Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). También nos gustaría agradecer a la Escuela de Diseño de Rhode Island por desarrollar el proyecto Vis-A-Thon y esta visualización.
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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