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基于氮质量平衡模型的罗德岛纳拉甘西特湾生产力区可视化

DOI：

10.3791/65728

⸱

2023年7月14日

 ,  ,  ,  ,  , 
1School of Earth, Environmental and Marine Sciences, University of Texas - Rio Grande Valley, 2Graduate School of Oceanography, University of Rhode Island, 3Rhode Island School of Design, 4Department of Art, University of New Mexico

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究旨在基于氮质量平衡模型，可视化美国罗得岛州纳拉甘西特湾生物生产力的分区特征。研究结果将为沿海区域的营养盐管理提供依据，以减少缺氧和富营养化现象。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

沿海地区的初级生产力与富营养化和缺氧现象密切相关，对于理解生态系统功能具有重要意义。尽管初级生产力主要依赖于河流输入的营养物质，但要准确评估河流营养物质对沿海区域影响的范围仍具有挑战性。氮质量平衡模型是一种实用工具，可用于评估近海海洋生产力，从而在观测数据之外深入理解其生物学机制。本研究通过应用氮质量平衡模型，对美国罗德岛州纳拉甘西特湾（Narragansett Bay）内频繁发生缺氧的区域进行生物产力分区的可视化分析。根据初级生产力水平，并结合质量平衡模型的结果，将该海湾划分为三个区域——棕色区、绿色区和蓝色区。这些区域分别代表物理过程主导区、生物过程主导区以及生物过程较弱区，其划分依据为河流流量、营养盐浓度和水体混合速率。本研究结果可为应对近海缺氧和富营养化问题的营养盐管理提供更科学的决策依据。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

初级生产力，即浮游植物合成有机物的过程，是生态系统食物网的能量基础，对于理解生态系统在环境变化下的功能具有重要意义1,2。河口区的初级生产力还与富营养化密切相关，富营养化是指生态系统中营养物质过量，1 在沿海区域引发多种有害后果，例如浮游植物过度增殖导致大规模藻华，继而引发缺氧3,4。尤为重要的是，河口区的初级生产力高度依赖河流输入的营养负荷，尤其是氮浓度，而氮通常是大多数温带海洋生态系统中的限制性营养元素5,6。然而，准确评估河流氮输入对沿海区域影响的程度仍然具有挑战性。

为了估算河口初级生产力，氮（N）质量平衡模型是计算氮通量的有用工具2。氮质量平衡模型还能在观测数据之外揭示生物学机制，提供不同初级生产力区域边缘的信息7。三种不同的区域8——即褐色区、绿色区和蓝色区——对于预测缺氧区域中营养盐输入的影响尤为有用。褐色区定义为河流入海口最近的区域，代表强烈的物理过程；绿色区具有较高的生物生产力；蓝色区则代表较低的生物过程。各区域的边界取决于河流流量、营养盐浓度和混合速率8。

纳拉甘西特湾（NB）是位于美国罗德岛州的一个沿海温带河口，为当地提供重要的经济与生态服务和资源9,10,11，但近年来持续出现缺氧现象。这些缺氧事件被定义为溶解氧浓度低于每升2–3毫克的时期，在7月和8月尤为普遍，并受到这两个月河流输入氮负荷的显著影响12。由于人类活动导致营养物质排放增加，进而引发初级生产力上升和缺氧加剧13，因此了解进入NB的氮输入量对于管理诸如富营养化和缺氧等沿海环境问题至关重要。在本研究中，基于历史观测的营养盐数据，特别是溶解无机氮（DIN）数据，利用氮质量平衡模型计算了NB的初级生产速率。通过将氮质量平衡模型的结果依据Redfield比值转换为碳单位，识别出三个不同的初级生产力区域，以直观展示河流氮输入对NB的影响范围。随后，该模型被重构为三维表现形式，以更清晰地呈现各区域的空间分布。本研究产生的成果可为应对NB缺氧和富营养化问题的营养盐管理提供更科学的依据。此外，本研究的结果也可推广应用于其他沿海地区，用于可视化河流输送对营养盐分布和初级生产力的影响。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 应用氮质量平衡模型

  1. 从美国环境保护署（USEPA）下载1990年至2015年期间罗德岛湾166个站点的溶解性无机氮（DIN）数据。
    注：本研究中，溶解性无机氮（DIN）浓度定义为铵（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-）浓度之和。
  2. 沿罗德岛湾轴线将其划分为十五个区域，分区方法基于先前研究14进行修改，并使用Adobe Illustrator在地图上划分海湾区域（图1）。
  3. 应用氮质量平衡模型计算每个区域中DIN的平均浓度。
    注：本研究中所用的氮质量平衡模型由先前研究2,15修改而来，包含DIN的输入和输出项，并应用于罗德岛湾的每个区域（1-15），如公式1所示。
    氮流动方程，FN平衡；用于生态系统养分循环分析的示意图  公式 (1)
    表1列出了本研究中罗德岛湾模型所用各项参数及其单位的定义。该模型通过计算罗德岛湾各区域中DIN的净去除量，估算其平均DIN浓度，该净去除量代表由生物生产所引起的DIN去除。有关氮质量平衡模型的详细信息见先前研究2,15。本研究模型中所用的具体数值来源于先前研究14。
  4. 基于氮质量平衡模型的结果，利用Redfield比值（C:N = 106:16，摩尔比），在电子表格文件中将净DIN去除量转换为碳单位，从而计算潜在初级生产力（PPP）速率。

2. 可视化纳拉甘西特湾地图中的三个区域

  1. 使用 Ocean Data View 软件将识别出的三个区域以等值线图形式绘制在纳拉甘西特湾的地图上。
    1. 将每个箱体的PPP速率数据从电子表格文件另存为文本文件（.txt）。
      注意：.txt 文件还包含每个方框编号的位置信息（纬度和经度）。经度应设为负值。PPP 速率数据标记为 PPP [gC·m-2·天-1].
    2. 将PPP速率数据载入Ocean Data View软件中。
      1. 前往打开 文件 菜单
      2. 点击 关联变量框，纬度，经度与站点，纬度 [degrees_north]，以及 经度 [度_东]，在 元数据变量关联 窗口，然后单击 好的 按钮
      3. 点击 好的 按钮在 导入 窗口。
    3. 绘制等值线图以显示纳拉甘西特湾地图中的PPP范围。
      1. 右键单击地图，然后单击 缩放，将红色方框拖动至地图的数据区域以放大，然后单击 输入.
      2. 点击 1 散点图 窗口的 布局模板 在 查看 菜单
      3. 右键单击 样本 面板并选择 衍生变量.
      4. 点击 添加 选择后点击按钮 纬度 在……下方 元数据 从列表中 选择 面板。对另一侧也进行相同操作 经度 然后点击 好的 按钮。
      5. 选择 drvd：经度 [度_东] 通过右键单击散点图窗口，将变量设为X变量。
      6. 选择 drvd：纬度 [度_北] 通过右键单击散点图窗口，将变量设为Y轴变量。
      7. 选择 PPP [gC·m-2·天 -1] 通过右键单击散点图窗口，将变量设为Z轴。
      8. 选择 性质 通过右键单击散点图窗口并前往 显示样式 选项
        1. 选择 网格化 领域
        2. 前往 轮廓 选项并单击 << 按钮，使仅保留 0、0.1 和 2 的值 已定义的窗格 左侧
        3. 点击 好的 按钮
  2. 根据 Ocean Data View 软件生成的等值线图，界定纳拉甘西特湾中褐色、绿色和蓝色区域的边界，并使用 Adobe Illustrator 绘制地图上的三个区域以实现可视化。
    注意：根据之前的研究15，棕色区域的PPP速率超过2 gC·m-2·天-1，绿色区域介于0.1-2 gC·m-2·天-1，且蓝色区域小于0.1 gC·m-2·天-1分别。

3. 将三个区域的等高线图转换为带LED光源的三维（3D）框架

  1. 使用激光切割机将三块亚克力板切割成 5.5'' × 8''，以显示每个区域的边界。
  2. 将三块亚克力板叠加放入一个带照明的框架中。依次叠加显示蓝色、绿色和棕色区域的亚克力板：将显示绿色区域的板置于显示蓝色区域的板之上，再将显示棕色区域的板置于最上方。
  3. 对于第二个物理模型，使用激光切割机将四块亚克力板切割成 5.5'' × 8''，其中三块通过 UV 打印显示区域边界，另一块用于表示整个纳拉甘西特湾（步骤同 3.1–3.2）。
  4. 通过放置在框架底部的 LED 灯，将每个区域的颜色分别更改为棕色、绿色和蓝色。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

基于氮质量平衡模型的纳拉甘西特湾三个理论区域
纳拉甘西特湾（NB）的三个理论区域是根据氮质量平衡模型的结果定义的，该模型将溶解无机氮（DIN）数据应用于NB的15个分区，然后将每个分区的平均DIN转换为夏季期间的潜在初级生产力（PPP）速率。如图2所示，根据各分区夏季（6月至9月）平均PPP速率，并依据先前研究中各区域PPP速率的标准15，将NB划分为三个区域（棕色、绿色和蓝色）。在夏季期间，位于河流入海口附近的1、2、5、6、7和10号分区被定义为棕色区域，其PPP速率较高，大于2 gC·m-2·day-1，表明该区域存在强烈的物理过程和生物过程，且具有高浊度和光照受限的特点。3、4、8、9和11号分区被归类为绿色区域，PPP范围为0.1–2 gC·m-2·day-1，此处发生强烈的生物过程，表现为营养盐限制和高初级生产力。由于棕色区域浊度较高，光穿透能力受限，这是与绿色区域的显著区别。相比之下，PP...

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讨论

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本研究基于氮质量平衡模型，通过定义三个理论区域，估算了河流输入对纳拉甘西特湾（NB）营养物质影响的程度。历史上，缺氧区域在夏季常出现在普罗维登斯河、格林威治湾西侧以及芒特霍普湾附近。18，本研究中将其定义为棕色区域。此外，NB的分区结果与先前一项研究的结果相似。19，该研究考察了新不伦瑞克省的营养物浓度与初级生产力，两者均强调了减缓营养物输入的重要性。此外，本研究中各区域的边界与先前一项研究的结果相似19，表明上湾区域的缺氧状况 NB 可能受普罗维登斯河有机质平流输送的控制，导致高生产力条件下的呼吸作用增强，超过 2.6 gC·m-2·天-1这些结果在NB上部海湾表现为本研究中的棕色区域。此外，生产力向海洋方向持续降低，由绿色和蓝色区域表示。

相比之下，在夏季，霍普山湾（方框10）在本研究中被划分为褐色区域，其初级生产力超过2 gC·m-2·day-1

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披露

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作者声明无利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究由美国国家科学基金会（OIA-1655221，OCE-1655686）和罗德岛海洋资助计划（NA22-OAR4170123，RISG22-R/2223-95-5-U）提供资助。我们还要感谢罗德岛设计学院开发了 Vis-A-Thon 项目及本项可视化成果。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Adobe Illustrator Adobe版本 27.6.1https://www.adobe.com/products/illustrator.html
Ampersand Gessobord 无框 1/8" 厚度 8" x 8"Risdstore70731053088https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8x8-flat-1-8-profile.html
Ocean Data View 软件https://odv.awi.de/en/software/download/
W系列（宽型）柔性LED灯带 - 超亮（每英尺18个LED）aspectLED货号 AL-SL-W-Uhttps://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z
QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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