Article de méthode

Visualisation des zones de productivité basées sur un modèle de bilan massique d’azote dans la baie de Narragansett, Rhode Island

DOI :

10.3791/65728

⸱

14 juillet 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous visons à visualiser la zonation de la productivité biologique dans la baie de Narragansett, Rhode Island, sur la base du modèle de bilan massique d’azote. Les résultats éclaireront la gestion des éléments nutritifs dans les régions côtières afin de réduire l’hypoxie et l’eutrophisation.

Résumé

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

La productivité primaire dans les régions côtières, liée à l’eutrophisation et à l’hypoxie, permet de comprendre de manière critique le fonctionnement des écosystèmes. Bien que la productivité primaire dépende en grande partie des apports de nutriments fluviaux, il est difficile d’estimer l’ampleur de l’influence des nutriments fluviaux dans les régions côtières. Un modèle de bilan massique de l’azote est un outil pratique pour évaluer la productivité des océans côtiers afin de comprendre les mécanismes biologiques au-delà des observations de données. Cette étude visualise les zones de production biologique de la baie de Narragansett, Rhode Island, États-Unis, où l’hypoxie se produit fréquemment, en appliquant un modèle de bilan massique azoté. La baie est divisée en trois zones - zones brunes, vertes et bleues - en fonction de la productivité primaire, qui sont définies par les résultats du modèle de bilan massique. Les zones brunes, vertes et bleues représentent un processus physique élevé, un processus biologique élevé et une zone de processus biologique faible, en fonction du débit de la rivière, des concentrations de nutriments et des taux de mélange. Les résultats de cette étude peuvent mieux éclairer la gestion des nutriments dans l’océan côtier en réponse à l’hypoxie et à l’eutrophisation.

Introduction

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

La productivité primaire, la production de composés organiques par le phytoplancton, alimente les réseaux trophiques de l’écosystème et est importante pour comprendre la fonction du système en réponse aux changements environnementaux 1,2. La productivité primaire estuarienne est également étroitement liée à l’eutrophisation, définie comme un excès de nutriments dans l’écosystème1, entraînant plusieurs conséquences néfastes dans les régions côtières, telles qu’une prolifération de phytoplancton entraînant de grandes proliférations d’algues et une hypoxie ultérieure 3,4. Il est important de noter que la productivité primaire dans les estuaires dépend fortement de la charge en éléments nutritifs des cours d’eau, en particulier des concentrations d’azote, qui sont les éléments nutritifs limitatifs typiques dans la plupart des écosystèmes océaniques tempérés 5,6. Cependant, il reste difficile d’estimer l’ampleur des impacts de l’azote fluvial dans les zones côtières.

Pour estimer la productivité primaire estuarienne, un modèle de bilan massique azote (N) est un outil utile pour calculer les flux d’azote2. Le modèle de bilan massique N permet également de comprendre les mécanismes biologiques au-delà des observations de données, révélant des informations aux limites de différentes zones de productivité primaire7. Trois zones8 différentes, définies comme des zones brunes, vertes et bleues, sont particulièrement utiles pour prédire l’impact de la charge en nutriments dans les régions hypoxiques. La zone brune, définie comme la région la plus proche de l’embouchure d’une rivière, représente un processus physique élevé, la zone verte a une productivité biologique élevée et la zone bleue représente un processus biologique faible. La limite de chaque zone dépend du débit de la rivière, des concentrations de nutriments et des taux de mélange8.

La baie de Narragansett (NB) est un estuaire côtier tempéré du Rhode Island, aux États-Unis, qui soutient des services et des biens économiques et écologiques 9,10,11, dans lequel l’hypoxie se produit constamment. Ces événements hypoxiques, définis comme la période de faible teneur en oxygène dissous (c’est-à-dire moins de 2 à 3 mg d’oxygène par litre), sont particulièrement fréquents en juillet et août et sont fortement influencés par la charge d’azote fluviale au cours de ces mois12. Avec l’augmentation de la production primaire et de l’hypoxie due aux émissions anthropiques de nutriments13, il est essentiel de comprendre les apports d’azote au Nouveau-Brunswick pour gérer et résoudre les problèmes côtiers tels que l’eutrophisation et l’hypoxie. Ainsi, dans cette étude, le taux de production primaire au Nouveau-Brunswick est calculé à partir du modèle de bilan massique N à l’aide de données nutritionnelles historiquement observées, en particulier l’azote inorganique dissous (DIN). D’après les résultats du modèle de bilan massique d’azote en convertissant en unités de carbone à l’aide du rapport Redfield, trois zones de productivité primaire différentes ont été identifiées pour visualiser l’étendue de l’influence de l’azote de la rivière au Nouveau-Brunswick. Le modèle a ensuite été recréé en représentation 3D pour mieux visualiser les différentes zones. Les produits issus de cette étude peuvent mieux éclairer la gestion des nutriments au Nouveau-Brunswick en réponse à l’hypoxie et à l’eutrophisation. De plus, les résultats de cette étude sont applicables à d’autres régions côtières pour visualiser les effets du transport fluvial sur les nutriments et la productivité primaire.

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Protocole

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

1. Application du modèle du bilan massique N

  1. Téléchargez les données sur l’azote inorganique dissous (DIN) de l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) pour 166 stations dans la baie de Narragansett de 1990 à 2015.
    REMARQUE : Dans cette étude, la somme des concentrations d’ammonium (NH4+), de nitrite (NO2-) et de nitrate (NO3-) a été considérée comme la concentration de DIN.
  2. Divisez la baie de Narragansett en quinze cases le long de son axe modifié par rapport à l’étude précédente14 à l’aide d’Adobe Illustrator pour diviser la baie sur la carte (Figure 1).
  3. Appliquer le modèle de bilan massique N pour calculer la concentration moyenne de DIN à chaque boîte.
    NOTE : Dans cette étude, le modèle de bilan massique N, composé de termes d’entrée et de sortie DIN, a été modifié par rapport aux études précédentes 2,15 et appliqué à chaque case (1-15) de la baie de Narragansett en tant qu’équation 1.
    figure-protocol-1Équation (1)
    Le tableau 1 présente les définitions de chaque terme et unité utilisés dans ce modèle de la baie de Narragansett. Le modèle calcule la concentration moyenne de DIN en déterminant la différence dans chaque boîte de la baie de Narragansett, représentant l’élimination nette de DIN par la production biologique. Des informations détaillées sur le modèle du bilan massique N sont présentées dans les études précédentes 2,15. Les valeurs détaillées utilisées dans le modèle de cette étude ont été dérivées des études précédentes14.
  4. Calculer le taux de production primaire potentielle (PPA) en fonction des résultats du modèle de bilan massique N en convertissant l’élimination nette de DIN en unités de carbone à l’aide du rapport Redfield (C : N = 106 : 16, rapport molaire) dans un fichier de feuille de calcul.

2. Visualisation de trois zones sur la carte de la baie de Narragansett

  1. Tracez les trois zones identifiées sur la carte de la baie de Narragansett sous forme de courbe de niveau à l’aide du logiciel Ocean Data View.
    1. Enregistrez les données de taux PPA de chaque zone sous forme de fichier texte (.txt) à partir du fichier de feuille de calcul.
      REMARQUE : Le fichier .txt comprend également l’emplacement de chaque numéro de boîte comme latitude et longitude. Mettez la longitude comme valeur négative. Les données sur le taux de PPA sont étiquetées comme PPA [gC·m-2·jour-1].
    2. Chargez les données de taux PPP dans le logiciel Ocean Data View.
      1. Allez ouvrir dans le menu Fichier .
      2. Cliquez sur Zone Associer des variables, Latitude, Longitude avec la station, latitude [degrees_north] et Longitude [degrees_east], dans la fenêtre Association de variables de métadonnées , puis cliquez sur le bouton OK .
      3. Cliquez sur le bouton OK dans la fenêtre Importer .
    3. Dessinez le tracé des courbes de niveau pour montrer les plages de PPP sur la carte de la baie de Narragansett.
      1. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la carte, cliquez sur Zoom, faites glisser la zone rouge pour zoomer sur la zone de données de la carte, puis cliquez sur Entrée.
      2. Cliquez sur la fenêtre 1 SCATTER des modèles de mise en page dans le menu Affichage .
      3. Cliquez avec le bouton droit de la souris dans le panneau Exemple et sélectionnez Variables dérivées.
      4. Cliquez sur le bouton Ajouter après avoir sélectionné Latitude sous Métadonnées dans la liste des choix . Faites la même chose pour Longitude , puis cliquez sur le bouton OK .
      5. Sélectionnez drvd : Longitude [degrees_East] comme X-Variable en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion.
      6. Sélectionnez drvd : Latitude [degrees_North] comme variable Y en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion.
      7. Sélectionnez PPP [gC·m-2·day -1] comme variable Z en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de diffusion.
      8. Sélectionnez Propriétés en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la fenêtre de dispersion et accédez à l’option Style d’affichage .
        1. Sélectionnez le champ Grille .
        2. Accédez à l’option Contours et cliquez sur le bouton << pour que les valeurs 0, 0,1 et 2 ne restent que dans les volets déjà définis de gauche.
        3. Cliquez sur le bouton OK .
  2. Sur la base du tracé des contours du logiciel Ocean Data View, définissez le bord des zones brunes, vertes et bleues de la baie de Narraganset et visualisez les zones à l’aide d’Adobe Illustrator pour tracer trois zones sur la carte.
    NOTE : D’après l’étude précédente15, le taux de PPA de la zone brune était supérieur à 2 gC·m-2·jour-1, la zone verte était comprise entre 0,1-2 gC·m-2·jour-1 et la zone bleue était inférieure à 0,1 gC·m-2·jour-1, respectivement.

3. Conversion du tracé de contour de trois zones en un cadre tridimensionnel (3D) avec lumière LED

  1. Graver trois panneaux acryliques de 5,5'' x 8'' avec une découpeuse laser pour montrer la limite de chaque zone.
  2. Empilez trois panneaux acryliques dans un cadre éclairé. Superposez chaque panneau acrylique montrant les zones bleues, vertes et brunes. Placez un panneau affichant des zones vertes au-dessus du panneau des zones bleues et un panneau de zones marron au-dessus.
  3. Pour le deuxième modèle physique, gravez quatre feuilles acryliques de 5,5 '' x 8 '' avec une découpeuse laser, avec l’impression UV de trois limites de zones et un panneau pour représenter l’ensemble de la baie de Narragansett (selon les étapes 3.1-3.2).
  4. Changez la couleur de chaque zone en marron, vert et bleu à l’aide des LED placées au bas du cadre.

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Résultats

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Trois zones théoriques de la baie de Narragansett basées sur le modèle de bilan de masse N
Les trois zones théoriques de la baie de Narragansett (N.-B.) ont été définies sur la base des résultats du modèle de bilan massique N, dans lequel les données DIN ont été appliquées à quinze boîtes de N.-B., puis le DIN moyen de chaque boîte a été converti en taux PPA pour la période estivale. Comme le montre la figure 2, d’après les taux moyens de PPA en été (juin à septembre) de ...

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Discussion

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Cette étude a estimé l’ampleur des impacts sur les nutriments des apports fluviaux dans la baie de Narraganset (NB) en se basant sur le modèle de bilan massique N en définissant les trois zones théoriques. Historiquement, des zones hypoxiques sont apparues près de la rivière Providence, du côté ouest de la baie de Greenwich et de la baie Mount Hope pendant la période estivale18, qui ont été définies comme des zones brunes dans cette étude. De plus, la zonation du Nouveau-Brunswick est comparable a...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Remerciements

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Cette étude a été soutenue par la National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) et le Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Nous tenons également à remercier la Rhode Island School of Design pour le développement du projet Vis-A-Thon et de cette visualisation.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Adobe Illustrator  ;Adobeversion 27.6.1https://www.adobe.com/products/illustrator.html
Ampersand Gessobord Uncradled 1/8 » Profile 8 » x 8"Risdstore70731053088https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8x8-flat-1-8-profile.html
Ocean Data View softwarehttps://odv.awi.de/en/software/download/
W-Series (Wide) Bande lumineuse LED flexible - Ultra Lumineux (18 LEDs/pied)aspectLEDSKU AL-SL-W-Ubr/> QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE
https://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z<

Références

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  1. Nixon, S. W. Coastal marine eutrophication: A definition, social causes, and future concerns. Ophelia. 41, 199-219 (1995).
  2. 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).
  3. Kemp, W. M., et al. Eutrophication of Chesapeake Bay: historical trends and ecological interactions. Marine Ecology Progress Series. 303, 1-29 (2005).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Rowe, G. T., Chapman, P. Continental shelf hypoxia: Some nagging questions. Gulf of Mexico Science. 20 (2), 153-160 (2002).
  9. Nixon, S. W. Eutrophication and the macroscope. Hydrobiologia. 629, 5-19 (2009).
  10. Barbier, E. B., et al. The value of estuarine and coastal ecosystem services. Ecological Monographs. 81 (2), 169-193 (2011).
  11. Cloern, J. E., Foster, S. Q., Kleckner, A. E. Phytoplankton primary production in the world's estuarinecoastal ecosystem. Biogeosciences. 11 (9), 2477-2501 (2014).
  12. 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).
  13. Sigman, D. M., Hain, M. P. The biological productivity of the ocean. Nature Education Knowledge. 3 (10), 21(2012).
  14. Kremer, J. N., et al. Simulating property exchange in estuarine ecosystem models at ecologically appropriate scales. Ecological Modelling. 221 (7), 1080-1088 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Boesch, D. F. Barriers and bridges in abating coastal eutrophication. Frontiers in Marine Science. 6, 123(2019).
  21. 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).

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Mots-clés

Productivit primairegestion des nutrimentseutrophisationhypoxieapports nutritifs fluviauxconcentration en DINcosyst me c tierproduction biologique

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