Summary
Här strävar vi efter att visualisera zonindelningen av biologisk produktivitet i Narragansett Bay, Rhode Island, baserat på kvävemassbalansmodellen. Resultaten kommer att ligga till grund för näringshanteringen i kustregionerna för att minska syrebrist och övergödning.
Abstract
Primärproduktivitet i kustregionerna, kopplat till övergödning och syrebrist, ger en kritisk förståelse av ekosystemens funktion. Även om primärproduktiviteten till stor del beror på tillförseln av näringsämnen från floderna, är det svårt att uppskatta omfattningen av näringsämnespåverkan från floderna i kustregionerna. En kvävemassbalansmodell är ett praktiskt verktyg för att utvärdera kustnära havsproduktivitet för att förstå biologiska mekanismer bortom dataobservationer. Denna studie visualiserar de biologiska produktionszonerna i Narragansett Bay, Rhode Island, USA, där syrebrist ofta förekommer, genom att tillämpa en kvävemassbalansmodell. Bukten är indelad i tre zoner - bruna, gröna och blå zoner - baserat på primär produktivitet, som definieras av massbalansmodellens resultat. Bruna, gröna och blå zoner representerar en hög fysisk process, en hög biologisk process och en låg biologisk processzon, beroende på flodflöde, näringskoncentrationer och blandningshastigheter. Resultaten av denna studie kan bättre informera om näringshantering i kusthavet som svar på hypoxi och övergödning.
Introduction
Primärproduktivitet, växtplanktonens produktion av organiska föreningar, ger bränsle åt ekosystemens näringsvävar och är viktig för att förstå systemets funktion som svar på miljöförändringar 1,2. Flodmynningarnas primära produktivitet är också nära kopplad till eutrofiering, som definieras som övergödning i ekosystemet1, vilket orsakar flera skadliga konsekvenser i kustregionerna, såsom en överväxt av växtplankton som leder till stora algblomningar och efterföljande syrebrist 3,4. Det är viktigt att notera att primärproduktiviteten i flodmynningar i hög grad är beroende av näringsbelastningen i floderna, särskilt kvävekoncentrationerna, som är det typiska begränsande näringsämnet i de flesta tempererade havsekosystem 5,6. Det är dock fortfarande svårt att uppskatta omfattningen av kvävepåverkan i kustområden.
För att uppskatta flodmynningens primära produktivitet är en massbalansmodell för kväve (N) ett användbart verktyg för att beräkna kväveflöden2. N-massbalansmodellen ger också en förståelse för biologiska mekanismer bortom dataobservationer, vilket avslöjar information i utkanterna av olika primära produktivitetszoner7. Tre olika zoner8, definierade som bruna, gröna och blå zoner, är särskilt användbara för att förutsäga effekterna av näringsbelastning i hypoxiska regioner. Den bruna zonen, definierad som den närmaste regionen av en flodmynning, representerar en hög fysisk process, den gröna zonen har hög biologisk produktivitet och den blå zonen representerar låg biologisk process. Gränsen för varje zon beror på flodens flöde, näringskoncentrationer och blandningshastigheter8.
Narragansett Bay (NB) är en kustnära, tempererad flodmynning i Rhode Island, USA, som stöder ekonomiska och ekologiska tjänster och varor 9,10,11, där syrebrist har förekommit konsekvent. Dessa hypoxiska händelser, definierade som perioden med låg syrehalt (dvs. mindre än 2-3 mg syre per liter), är särskilt vanliga i juli och augusti och påverkas kraftigt av kvävebelastningen i floderna underdessa månader. Med en ökning av primärproduktion och syrebrist på grund av antropogena utsläpp av näringsämnen13 är det viktigt att förstå kvävetillförseln till NB för att hantera och ta itu med kustproblem som eutrofiering och hypoxi. I denna studie beräknas primärproduktionshastigheten i NB från N-massbalansmodellen med hjälp av historiskt observerade näringsdata, särskilt löst oorganiskt kväve (DIN). Baserat på resultaten från N-massbalansmodellen genom omvandling till kolenheter med hjälp av Redfield-kvoten, identifierades tre olika primära produktivitetszoner för att visualisera omfattningen av kvävepåverkan från floden i NB. Modellen återskapades sedan till en 3D-representation för att bättre visualisera de olika zonerna. Produkterna som produceras från denna studie kan bättre informera näringshantering i NB som svar på hypoxi och övergödning. Vidare är resultaten från denna studie tillämpliga på andra kustregioner för att visualisera effekterna av flodtransporter på näringsämnen och primär produktivitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillämpning av N-massbalansmodellen
- Ladda ner data om löst oorganiskt kväve (DIN) från US Environmental Protection Agency (USEPA) för 166 stationer i Narragansett Bay från 1990 till 2015.
OBS: I denna studie betraktades summan av koncentrationerna av ammonium (NH4+), nitrit (NO2-) och nitrat (NO3-) som DIN-koncentrationen. - Dela upp Narragansett Bay i femton rutor längs dess axel modifierad från föregående studie14 med hjälp av Adobe Illustrator för att dela upp Bay på kartan (Figur 1).
- Tillämpa N-massbalansmodellen för att beräkna medelkoncentrationen av DIN vid varje låda.
OBS: I denna studie modifierades N-massbalansmodellen, som består av DIN-ingångs- och utgångstermer, från tidigare studier 2,15 och tillämpades på varje låda (1-15) i Narragansett Bay som ekvation 1.
Ekv. (1)
Tabell 1 visar definitionerna av varje term och enhet som används i denna modell av Narragansett Bay. Modellen beräknar den genomsnittliga DIN-koncentrationen genom att bestämma skillnaden i varje låda i Narragansett Bay, vilket representerar nettoavskiljandet av DIN genom biologisk produktion. Detaljerad information om N-massbalansmodellen visas i de tidigare studierna 2,15. De detaljerade värdena som användes i modellen för denna studie härleddes från de tidigare studierna14. - Beräkna den potentiella primärproduktionshastigheten (PPP) baserat på N-massbalansmodellens resultat genom att konvertera netto-DIN-avskiljningen till kolenheter med hjälp av Redfield-förhållandet (C: N = 106: 16, molförhållande) i en kalkylbladsfil.
Ekv. (1)2. Visualisering av tre zoner på kartan över Narragansett Bay
- Rita in de identifierade tre zonerna på kartan över Narragansett Bay som ett konturdiagram med hjälp av programvaran Ocean Data View.
- Spara PPP-hastighetsdata för varje ruta som en textfil (.txt) från kalkylarksfilen.
OBS: Den .txt filen innehåller även platsen för varje boxnummer som latitud och longitud. Ange longituden som ett negativt värde. Uppgifterna om köpkraftsparitetshastigheten är märkta som köpkraftspariteter [gC·m-2·dag-1]. - Ladda PPP-hastighetsdata i Ocean Data View-programvaran.
- Gå till öppna i Arkiv-menyn .
- Klicka på rutan Associera variabler, Latitud, Longitud med station, latitud [degrees_north] och Longitud [degrees_east] i fönstret Associationskoppling för metadatavariabel och klicka sedan på OK .
- Klicka på OK-knappen i fönstret Importera .
- Rita konturdiagrammet för att visa PPP-intervallen på kartan över Narragansett Bay.
- Högerklicka på kartan, klicka på Zooma, dra den röda rutan för att zooma in i kartans dataområde och klicka sedan på Enter.
- Klicka på fönstret 1 PUNKT-punkt i layoutmallarna på Visa-menyn .
- Högerklicka på exempelpanelen och välj Härledda variabler.
- Klicka på knappen Lägg till när du har valt Latitud under Metadata i listan med alternativpaneler . Gör samma sak för Longitud och klicka sedan på OK-knappen .
- Välj drvd: Longitud [degrees_East] som X-variabel genom att högerklicka på spridningsfönstret.
- Välj drvd: Latitud [degrees_North] som Y-variabel genom att högerklicka på spridningsfönstret.
- Välj PPP [gC·m-2·day -1] som Z-variabel genom att högerklicka på spridningsfönstret.
- Välj Egenskaper genom att högerklicka på spridningsfönstret och gå till alternativet Visningsstil .
- Välj fältet Galler.
- Gå till alternativet Konturer och klicka på knappen << för att göra så att 0, 0,1 och 2 värden bara finns kvar i de redan definierade rutorna till vänster.
- Klicka på OK-knappen .
- Spara PPP-hastighetsdata för varje ruta som en textfil (.txt) från kalkylarksfilen.
- Baserat på konturdiagrammet från Ocean Data View Software, definiera gränsen för de bruna, gröna och blå zonerna i Narraganset Bay och visualisera zonerna med Adobe Illustrator för att rita tre zoner på kartan.
OBS: Enligt den tidigare studien15 var PPP-hastigheten för den bruna zonen över 2 gC·m-2·dag-1, den gröna zonen var mellan 0,1-2 gC·m-2·dag-1 och den blå zonen var mindre än 0,1 gC·m-2·dag-1.
3. Konvertering av konturdiagrammet med tre zoner till den tredimensionella (3D) ramen med LED-ljus
- Etsa tre akrylpaneler som 5,5 '' x 8 '' med en laserskärare för att visa gränsen för varje zon.
- Stapla tre akrylpaneler i en belyst ram. Överlappa varje akrylpanel som visar de blå, gröna och bruna zonerna. Placera en panel som visar gröna zoner ovanpå den blå zonpanelen och en brun zonpanel ovanpå den.
- För den andra fysiska modellen, etsa fyra akrylskivor som 5,5 '' x 8 '' med en laserskärare, med UV-utskriften tre zongränser och en panel för att representera hela Narragansett Bay (enligt steg 3.1-3.2).
- Ändra färgen på varje zon till brunt, grönt och blått med hjälp av lysdioderna placerade längst ner på ramen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tre teoretiska zoner i Narragansett Bay baserade på N-massbalansmodellen
De tre teoretiska zonerna i Narragansett Bay (NB) definierades baserat på N-massbalansmodellens resultat, där DIN-data applicerades på femton lådor med NB, och sedan omvandlades medelvärdet för DIN i varje låda till PPP-hastigheterna för sommarperioden. Som framgår av figur 2 identifierades tre (bruna, gröna och blå) zoner i NB som följer kriterierna för köpkraftspariteterna i varje zon från den föregående studien15, baserat på den genomsnittliga köpkraftspariteten (juni–september) för varje låda. Under sommarperioden definierades rutorna 1, 2, 5, 6, 7 och 10, som oftast ligger nära flodmynningen, som bruna zoner med höga halter av växtskyddsmedel på mer än 2 gC·m-2·dag-1, vilket tyder på att det fanns en stark fysisk process och biologisk process med hög grumlighet och ljusbegränsning. Rutorna 3, 4, 8, 9 och 11 klassificerades som gröna zoner, med växtskyddsmedel på mellan 0,1 och 2 °C·m-2·dag-1, där en stark biologisk process ägde rum som visade på näringsbegränsning och hög primärproduktion. På grund av hög grumlighet i den bruna zonen var ljusgenomträngningen begränsad, vilket var en signifikant skillnad från den gröna zonen. Blå zoner, med låga halter av växtskyddsmedel på mindre än 0,1 gC·m-2·dag-1, identifierades däremot i rutorna 12, 13, 14 och 15 och var de som låg längst ut till havs, vilket representerar låg biologisk produktivitet.
Visualisering av tre zoner i Narragansett Bay med hjälp av fysiska ramverk
För att visuellt implementera gränserna för tre teoretiska zoner i NB skapades en 3D-representation där skiktade akrylpaneler användes och etsades, vilket skapade två fysiska ramar som beskrivs i avsnitt 3. Som visas i figur 3 användes tre akrylpaneler med LED-lamporna på undersidan av ramen, som kan ändras för att visa en bättre representation av egenskaperna hos varje gräns. Dessutom etsades punktmatrismönster med olika grad för att representera mängden sedimentgrumlighet i varje zon. Figur 4 visar den andra fysiska ramen med fyra akrylskivor som innehåller tre gränser för varje zon, UV-tryckta och ett lager etsat för att visa hela NB. Bilderna av utvecklingsstadiet för det andra ramverket visas i figur 4A, med tre blad som representerar varje zon och ytterligare ett blad som visar hela tre zonerna. I figur 4B belystes det andra fysiska ramverket av LED-lamporna och visade överlappningarna av gränserna för varje zon.
Figur 1: Karta över Narragansett Bay. De numrerade segmenten visar de 15 rutorna längs axeln, vilket är modifierat från en tidigare studie14. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Utbredningen av de tre teoretiska zonerna i Narragansett Bay. Zonerna definierades baserat på resultaten från N-massbalansmodellen. Varje zon divideras med den genomsnittliga potentiella primärproduktionen under sommaren (juni–september), som omvandlas till resultaten från N-massbalansmodellen som definierades i den tidigare studien15. Den genomsnittliga köpkraftspariteten under sommaren i bruna zoner är över 2 ·m-2·dag-1, de gröna zonerna ligger mellan 0,1-2·m-2·dag-1 och de blå zonerna är mindre än 0,1 gC·m-2·dag-1. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Den första fysiska ramen för de tre zonerna i Narragansett Bay. Det fysiska ramverket använder tre akrylpaneler och punktmatrismönster för att representera mängden sedimentgrumlighet i varje zon. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Den andra fysiska ramen för tre teoretiska zoner i Narragansett Bay. (A) De schematiska bilderna av hela de tre zonerna i bukten för UV-utskrift och stapling av den andra fysiska ramen. (B) Ramverket som skapats med hjälp av fyra akrylskivor för att visa överlappningar av zonernas gränser. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Enhet | Definitioner |
 |
DIN-flöde från varje flodutlopp |
 |
Diffusivt flöde från atmosfäriskt nedfall |
 |
Bentiska flöden från bottensedimenten |
 |
Denitrifikation i vattenpelaren |
 |
En advektionsterm som beräknas utifrån den aktuella hastigheten |
 |
Upptag genom biologisk produktion |
Tabell 1: Definitioner av varje term i N-massbalansmodellen. De detaljerade värdena som används i modellen har hämtats från tidigare studier 14,16,17.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna studie uppskattade omfattningen av näringspåverkan från flodtillförsel i Narraganset Bay (NB) baserat på N-massbalansmodellen genom att definiera de tre teoretiska zonerna. Historiskt sett har hypoxiska zoner dykt upp nära Providence River, den västra sidan av Greenwich Bay och Mount Hope Bay under sommarperioden18, vilka definierades som bruna zoner i denna studie. Zonindelningen av NB är dessutom jämförbar med resultaten från en tidigare studie19, som undersökte näringskoncentration och primärproduktion i NB. Båda lyfter fram vikten av insatser för att minska näringsämnena. Dessutom liknade gränserna för varje zon i denna studie resultaten från en tidigare studie19, vilket indikerar att hypoxi i den övre bukten av NB kan kontrolleras genom advektion av organiskt material från Providence River, vilket ger förhöjd respiration med hög produktivitet över 2,6 gC·m-2·dag-1. Dessa resultat i den övre delen av NB representerades av den bruna zonen i denna studie. Dessutom fortsatte produktiviteten att minska mot havet, vilket framgår av de gröna och blå zonerna.
Däremot definierades Mt. Hope Bay (ruta 10) under sommarsäsongen som den bruna zonen i denna studie, med högre primärproduktivitet över 2 gC·m-2·dag-1 jämfört med den tidigare studien19. Denna ökade produktivitet indikerar att andra tillförselkällor av näringsämnen, utöver tillförseln av kväve från floden, kan påverka denna region och bör betraktas som en annan DIN-ingångsterm i N-massbalansmodeller. Zonindelningen i denna studie förväntas ligga till grund för bättre förvaltningsinsatser för näringsämnen i NB som syftar till att minska kväveutsläppen i floder samt atmosfäriskt kvävenedfall, vilket har belysts i andra flodmynningssystem, inklusive Chesapeake Bay 2,20. Oviatt et al. (2002) fann att blandningshastighet och ljusgenomsläpplighet påverkade PPP21, men framtida arbete behövs för att bättre kvantifiera dessa faktorer som tillskrivs hög PPP i de bruna zonerna.
Slutligen, genom att representera de tre teoretiska zonerna i NB som två fysiska ramar, uppnås en förbättrad förståelse av omfattningen av tillförseln av näringsämnen till kustområdet visuellt. Även om ramverk kan ha fasta gränser för varje zon, visas i vårt ramverk dessutom flexibilitet för att informera om att de tre teoretiska zonerna kan ändras från månad till månad beroende på näringskoncentrationerna i sötvatten, blandningshastighet och flodflöde, vilket påpekats från de tidigare tillämpningarna av N-massbalansmodellen 2,15. Till exempel representerades flera rutor i figur 3 och figur 4 som blandade zoner eftersom de kategoriserades som olika zoner varje månad under sommarperioderna baserat på N-massbalansmodellens resultat. Ramverken visar effekten av näringsämnen i vattendrag i NB genom att tillhandahålla en integrerad visualisering av vetenskapliga biogeokemiska data genom en konstform, vilket är användbart för näringshantering i kustområdet och för vetenskaplig kommunikation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att redovisa.
Acknowledgments
Denna studie stöddes av National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) och Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vi vill också tacka Rhode Island School of Design för att ha utvecklat Vis-A-Thon-projektet och denna 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).
