Summary
在这里，我们的目标是基于氮质量平衡模型可视化罗德岛州纳拉甘西特湾的生物生产力分区。研究结果将为沿海地区的营养管理提供信息，以减少缺氧和富营养化。
Abstract
沿海地区的初级生产力与富营养化和缺氧有关，为生态系统功能提供了重要的理解。虽然初级生产力很大程度上取决于河流养分的投入，但估计沿海地区河流养分影响的程度是具有挑战性的。氮质量平衡模型是评估沿海海洋生产力的实用工具，可以了解数据观测之外的生物机制。本研究通过应用氮质量平衡模型，可视化了美国罗德岛州纳拉甘西特湾经常发生缺氧的生物生产区。海湾根据初级生产力分为三个区域 - 棕色、绿色和蓝色区域，这些区域由质量平衡模型结果定义。 棕色、绿色和蓝色区域代表高物理过程、高生物过程和低生物过程区域，具体取决于河流流量、营养浓度和混合速率。 这项研究的结果可以更好地为沿海海洋的营养管理提供信息，以应对缺氧和富营养化。
Introduction
初级生产力，即浮游植物产生的有机化合物，为生态系统食物网提供燃料，对于理解系统响应环境变化的功能非常重要1,2。河口初级生产力也与富营养化密切相关，富营养化被定义为生态系统中营养物质过多1，在沿海地区造成一些有害后果，例如浮游植物过度生长导致大量藻类大量繁殖和随后的缺氧 3,4。重要的是，河口的初级生产力高度依赖于河流养分负荷，特别是氮浓度，这是大多数温带海洋生态系统中典型的限制性养分5,6。然而，估计沿海地区河流氮的影响程度仍然具有挑战性。
为了估计河口初级生产力，氮（N）质量平衡模型是计算氮通量的有用工具2。氮质量平衡模型还提供了对数据观测之外的生物机制的理解，揭示了不同初级生产力区边缘的信息7。三个不同的区域 8，定义为棕色、绿色和蓝色区域，对于预测缺氧区域营养负荷的影响特别有用。棕色区域定义为河口最近的区域，代表高物理过程，绿色区域具有高生物生产力，蓝色区域代表低生物过程。每个区域的边界取决于河流流量、营养物浓度和混合速率8.
纳拉甘西特湾（NB）是美国罗德岛州的一个沿海温带河口，支持经济和生态服务和商品9,10,11，其中缺氧一直发生。这些缺氧事件定义为低溶解氧期（即每升氧气少于 2-3 毫克），在 7 月和 8 月尤为普遍，并且在这几个月中受到河流氮负荷的严重影响12.由于营养物质的人为排放，初级生产和缺氧增加13，了解氮输入NB对于管理和解决富营养化和缺氧等沿海问题至关重要。因此，在这项研究中，NB的初级生产率是使用历史观测到的营养数据，特别是溶解无机氮（DIN）从N质量平衡模型计算得出的。基于使用Redfield比率转换为碳单位的N-质量平衡模型的结果，确定了3个不同的初级生产力区，以可视化NB中河流对氮的影响程度。然后将模型重新创建为 3D 表示，以更好地可视化不同的区域。本研究产生的产品可以更好地为NB中的营养管理提供信息，以应对缺氧和富营养化。此外，这项研究的结果适用于其他沿海地区，以可视化河流运输对养分和初级生产力的影响。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 应用N质量平衡模型
- 下载 1990 年至 2015 年美国环境保护署 （USEPA） 纳拉甘西特湾 166 个站点的溶解无机氮 （DIN） 数据。
注：在这项研究中，铵 （NH4+）、亚硝酸盐 （NO2-） 和硝酸盐 （NO3-） 浓度的总和被认为是 DIN 浓度。 - 使用 Adobe Illustrator 将纳拉甘西特湾沿其轴线分成 15 个框，该框是从之前的研究14 修改而来的，以划分地图中的海湾（图 1）。
- 应用 N 质量平衡模型来计算每个盒子处 DIN 的平均浓度。
注：在这项研究中，由DIN输入和输出项组成的N质量平衡模型从以前的研究2,15进行了修改，并作为公式1应用于纳拉甘西特湾的每个盒子（1-15）。
式 （1）
表 1 显示了纳拉甘西特湾模型中使用的每个术语和单位的定义。该模型通过确定纳拉甘西特湾每个盒子的差异来计算平均DIN浓度，代表生物生产的净DIN去除量。关于N质量平衡模型的详细信息显示在以前的研究中2,15。本研究模型中使用的详细值来自以前的研究14。 - 通过在电子表格文件中使用 Redfield 比（C：N = 106：16，摩尔比）将净 DIN 去除量转换为碳单位，根据 N 质量平衡模型结果计算潜在的初级生产 （PPP） 率。
式 （1）2. 在纳拉甘西特湾地图中可视化三个区域
- 使用海洋数据视图软件将纳拉甘西特湾地图中已识别的三个区域绘制为等高线图。
- 将每个框的购买力平价数据保存为电子表格文件中的文本文件 （.txt）。
注意：.txt文件还包括每个箱号的位置，如纬度和经度。将经度设置为负值。购买力平价数据标记为购买力平价[gC·m-2·day-1]。 - 将购买力平价数据加载到海洋数据视图软件中。
- 转到“ 文件 ”菜单中打开。
- 在元数据变量关联窗口中单击“关联变量框”、“纬度”、“经度与台站”、“纬度 [degrees_north]”和“经度 [degrees_east]”，然后单击“确定”按钮。
- 单击“导入”窗口中的“确定”按钮。
- 绘制等值线图以显示纳拉甘西特湾地图中的 PPP 范围。
- 右键单击地图，单击 缩放，拖动红色框以放大地图的数据区域，然后单击 Enter。
- 单击“视图”（View） 菜单中“布局模板”（Layout Templates） 的 1 个散射窗口。
- 在 “示例 ”面板中单击鼠标右键，然后选择 “派生变量”。
- 从“选项”面板列表中选择“元数据”下的“纬度”后，单击“添加”按钮。对 Longitude 执行相同的操作，然后单击“确定”按钮。
- 右键单击散点窗口，选择 drvd： Longitude [degrees_East] 作为 X-Variable。
- 通过右键单击散点窗口，选择 drvd： Latitude [degrees_North] 作为 Y 变量。
- 右键单击散点窗口，选择 PPP [gC·m-2·day -1] 作为 Z 变量。
- 通过右键单击散点窗口来选择 “属性 ”，然后转到 “显示样式 ”选项。
- 选择 “网格” 字段。
- 转到 等值线 选项并单击 << 按钮使 0、0.1 和 2 值仅保留在左侧 的“已定义窗格 ”中。
- 单击 “确定 ”按钮。
- 将每个框的购买力平价数据保存为电子表格文件中的文本文件 （.txt）。
- 根据 Ocean Data View Software 的等值线图，定义纳拉甘塞特湾棕色、绿色和蓝色区域的边缘，并使用 Adobe Illustrator 在地图中绘制三个区域，从而可视化这些区域。
注：根据前的研究15，棕色区域的PPP率分别超过2 gC·m-2·day-1，绿色区域在0.1-2 gC·m-2·day-1之间，蓝色区域小于0.1 gC·m-2·day-1。
3. 用LED灯将三个区域的等值线图转换为三维（3D）框架
- 用激光切割机将三块亚克力板蚀刻成 5.5 英寸 x 8 英寸，以显示每个区域的边界。
- 将三块亚克力面板堆叠在一个发光的框架中。重叠每个显示蓝色、绿色和棕色区域的亚克力面板。在蓝色区域面板的顶部放置一个显示绿色区域的面板，在其顶部放置一个棕色区域面板。
- 对于第二个物理模型，用激光切割机将四张亚克力板蚀刻为 5.5 英寸 x 8 英寸，UV 打印三个区域边界和一个面板以代表整个纳拉甘西特湾（根据步骤 3.1-3.2）。
- 使用放置在框架底部的 LED 将每个区域的颜色更改为棕色、绿色和蓝色。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
基于N质量平衡模型的纳拉甘西特湾3个理论区
基于N质量平衡模型结果，将DIN数据应用于15箱NB，然后将每个箱中的平均DIN转换为夏季的PPP速率，定义了纳拉甘西特湾（NB）的3个理论区。如 图 2 所示，根据每个盒子的平均夏季（6 月至 9 月）购买力平价率，NB 中的三个（棕色、绿色和蓝色）区域被确定为遵循先前研究中每个区域的购买力平价标准15。夏季，1号、2号、5号、6号、7号和10号箱主要位于河口附近，被定义为PPP率大于2 gC·m-2·day-1的褐色地带，表明存在较强的物理过程和生物过程，浊度高，光照受限。3、4、8、9、11为绿色区域，PPP范围为0.1-2 gC·m-2·day-1，发生较强的生物过程，营养限制，初级生产率高。由于棕色区域的浊度高，光的穿透力有限，这与绿色区域有显着差异。相比之下，在方框12、13、14和15中发现了PPP率低的蓝色区域，即小于0.1 gC·m-2·day-1，并且是离岸最远的区域，代表生物生产力低。
使用物理框架可视化纳拉甘西特湾的三个区域
为了直观地实现NB中三个理论区域的边界，创建了一个3D表示，其中使用和蚀刻了分层的亚克力板，创建了两个物理框架，如第3节所述。如 图 3 所示，三块亚克力面板与框架底部的 LED 灯一起使用，可以对其进行更改以更好地表示每个边界的特征。此外，点阵图案以不同的程度蚀刻，以表示每个区域的沉积物浊度量。 图 4 显示了第二个物理框架，其中包含四张亚克力板，其中包含每个区域的三个边界，UV 打印，一层蚀刻以显示整个 NB。第二个框架的开发阶段的图像如 图4A所示，其中三张图代表每个区域，一张图纸显示整个三个区域。在 图4B中，第二个物理框架由LED灯照亮，并显示了每个区域边界的重叠。
图1：纳拉甘西特湾地图。 编号段显示了沿轴的 15 个框，该框是从以前的研究14 修改而来的。 请点击这里查看此图的较大版本.
图2：纳拉甘西特湾三个理论带的范围。 根据 N 质量平衡模型结果定义区域。每个区域除以平均夏季（6 月至 9 月）潜在初级生产 （PPP） 率，该比率转换为从先前研究15 中定义的 N 质量平衡模型结果。棕色区域夏季平均购买力平价大于2 gC·m-2·day-1，绿色区域在0.1-2 gC·m-2·day-1之间，蓝色区域小于0.1 gC·m-2·day-1。 请点击这里查看此图的较大版本.
图3：纳拉甘西特湾三个区域的第一个物理框架。 物理框架使用三块亚克力面板和点阵图案来表示每个区域的沉积物浊度量。 请点击这里查看此图的较大版本.
图4：纳拉甘西特湾三个理论区的第二个物理框架。 （A）海湾中整个三个区域的示意图，用于UV打印和第二个物理框架的堆叠。（B） 使用四张亚克力板创建的框架，以显示区域边界的重叠。 请点击这里查看此图的较大版本.
| 单位 | 定义 |
 |
每条河流排放的DIN通量 |
 |
大气沉降的扩散通量 |
 |
来自底部沉积物的底栖通量 |
 |
水柱中的反硝化作用 |
 |
根据当前速度计算的平流项 |
 |
通过生物生产去除 |
表 1：N 质量平衡模型中每个项的定义。模型中使用的详细值来自以前的研究14,16,17。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本研究基于N-质量平衡模型，通过定义三个理论区域，估计了纳拉甘塞特湾（NB）河流输入对营养物质的影响程度。从历史上看，夏季期间，普罗维登斯河附近、格林威治湾西侧和霍普山湾附近出现了缺氧区18，在本研究中被定义为棕色区。此外，NB的分区与先前研究的结果相当19，该研究检查了NB的养分浓度和初级生产。两者都强调了减少营养努力的重要性。此外，本研究各区边界与前一研究结果相似19，表明NB上海湾的缺氧可能受到普罗维登斯河有机物平流的控制，在2.6 gC·m-2·day-1以上产生高产的呼吸。在本研究中，NB上海湾的这些结果由棕色区域表示。此外，绿色和蓝色区域表示的海洋生产力继续下降。
相比之下，在夏季，希望湾山（框10）被定义为本研究中的棕色区域，与之前的研究相比，在2 gC·m-2·day-1中显示出更高的初级生产力19。这种生产力的提高表明，除了河流氮输入之外，其他营养物质输入源可能会影响该区域，应被视为氮质量平衡模型中的另一个DIN输入项。本研究中的分区有望为NB中营养物质的更好管理工作提供信息，旨在减少河流氮排放和大气氮沉降，这在其他河口系统（包括切萨皮克湾2,20）中得到了强调。Oviatt等人（2002）发现混合速率和光穿透率影响了PPP21，但未来的工作需要更好地量化这些因素归因于棕色区域的高PPP。
最后，通过将NB的三个理论区域表示为两个物理框架，在视觉上提高了对沿海地区河流或其他营养物质输入范围的理解。虽然框架可以为每个区域设置固定的边界，但在我们的框架中，还显示了灵活性，以告知三个理论区域可以根据淡水的营养浓度、混合速率和河流流量逐月变化，正如之前应用的 N 质量平衡模型 2,15 所指出的那样。例如，图 3 和图 4 中的几个盒子被表示为混合区域，因为它们在夏季期间根据 N 质量平衡模型结果每月被归类为不同的区域。该框架通过艺术形式提供科学生物地球化学数据的综合可视化，展示了河流养分对NB的影响，这对于沿海地区的养分管理和科学交流很有用。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有利益冲突需要声明。
Acknowledgments
这项研究得到了美国国家科学基金会（OIA-1655221，OCE-1655686）和罗德岛海洋基金（NA22-OAR4170123，RISG22-R/2223-95-5-U）的支持。我们还要感谢罗德岛设计学院开发 Vis-A-Thon 项目和这个可视化。
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).
