Articolo metodologico

Visualizzazione delle zone di produttività in base al modello di bilancio di massa dell'azoto nella baia di Narragansett, Rhode Island

DOI:

10.3791/65728

⸱

14 luglio 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

In questo articolo

Sommario

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Qui, miriamo a visualizzare la zonazione della produttività biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, sulla base del modello di bilancio di massa dell'azoto. I risultati informeranno la gestione dei nutrienti nelle regioni costiere per ridurre l'ipossia e l'eutrofizzazione.

Abstract

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La produttività primaria nelle regioni costiere, legata all'eutrofizzazione e all'ipossia, fornisce una comprensione critica della funzione dell'ecosistema. Sebbene la produttività primaria dipenda in gran parte dagli apporti di nutrienti fluviali, la stima dell'entità delle influenze dei nutrienti fluviali nelle regioni costiere è difficile. Un modello di bilancio di massa dell'azoto è uno strumento pratico per valutare la produttività degli oceani costieri per comprendere i meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati. Questo studio visualizza le zone di produzione biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, USA, dove si verifica frequentemente l'ipossia, applicando un modello di bilancio di massa dell'azoto. La baia è divisa in tre zone - marrone, verde e blu - in base alla produttività primaria, che sono definite dai risultati del modello di bilancio di massa. Le zone marroni, verdi e blu rappresentano un processo fisico elevato, un processo biologico elevato e una zona di processo biologico basso, a seconda del flusso del fiume, delle concentrazioni di nutrienti e dei tassi di miscelazione. I risultati di questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti nell'oceano costiero in risposta all'ipossia e all'eutrofizzazione.

Introduzione

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La produttività primaria, la produzione di composti organici da parte del fitoplancton, alimenta le reti alimentari dell'ecosistema ed è importante per comprendere la funzione del sistema in risposta ai cambiamenti ambientali 1,2. La produttività primaria degli estuari è anche strettamente legata all'eutrofizzazione, definita come un eccesso di nutrienti nell'ecosistema1, che causa diverse conseguenze dannose nelle regioni costiere, come una crescita eccessiva di fitoplancton che porta a grandi fioriture algali e conseguente ipossia 3,4. È importante sottolineare che la produttività primaria negli estuari dipende fortemente dal carico di nutrienti fluviali, in particolare dalle concentrazioni di azoto, che sono il tipico nutriente limitante nella maggior parte degli ecosistemi oceanici temperati 5,6. Tuttavia, una stima dell'entità degli impatti dell'azoto fluviale nelle aree costiere rimane difficile.

Per stimare la produttività primaria dell'estuario, un modello di bilancio di massa dell'azoto (N) è uno strumento utile per calcolare i flussi di azoto2. Il modello di bilancio di massa N fornisce anche una comprensione dei meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati, rivelando informazioni ai margini di diverse zone di produttività primaria7. Tre diverse zone8, definite come zone marroni, verdi e blu, sono particolarmente utili per prevedere l'impatto del carico di nutrienti nelle regioni ipossiche. La zona marrone, definita come la regione più vicina alla foce di un fiume, rappresenta un processo fisico elevato, la zona verde ha un'elevata produttività biologica e la zona blu rappresenta un processo biologico basso. Il confine di ciascuna zona dipende dal flusso del fiume, dalle concentrazioni di nutrienti e dai tassi di miscelazione8.

La baia di Narragansett (NB) è un estuario costiero e temperato nel Rhode Island, negli Stati Uniti, che supporta servizi e beni economici ed ecologici 9,10,11, in cui l'ipossia si è verificata costantemente. Questi eventi ipossici, definiti come il periodo di basso livello di ossigeno disciolto (cioè meno di 2-3 mg di ossigeno per litro), sono particolarmente diffusi nei mesi di luglio e agosto e sono fortemente influenzati dal carico di azoto fluviale durante questi mesi12. Con l'aumento della produzione primaria e dell'ipossia dovuta alle emissioni antropogeniche di nutrienti13, la comprensione degli apporti di azoto nel NB è fondamentale per gestire e affrontare problemi costieri come l'eutrofizzazione e l'ipossia. Pertanto, in questo studio, il tasso di produzione primaria in NB è calcolato dal modello di bilancio di massa N utilizzando i dati nutrizionali storicamente osservati, in particolare l'azoto inorganico disciolto (DIN). Sulla base dei risultati del modello di bilancio di massa N convertendo in unità di carbonio utilizzando il rapporto Redfield, sono state identificate tre diverse zone di produttività primaria per visualizzare l'entità dell'influenza dell'azoto dal fiume in NB. Il modello è stato poi ricreato in una rappresentazione 3D per visualizzare meglio le diverse zone. I prodotti ottenuti da questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti in NB in risposta all'ipossia e all'eutrofizzazione. Inoltre, i risultati di questo studio sono applicabili ad altre regioni costiere per visualizzare gli effetti del trasporto fluviale sui nutrienti e sulla produttività primaria.

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Protocollo

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1. Applicazione del modello di bilancio di massa N

  1. Scarica i dati sull'azoto inorganico disciolto (DIN) dell'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti (USEPA) per 166 stazioni nella baia di Narragansett dal 1990 al 2015.
    NOTA: In questo studio, la somma delle concentrazioni di ammonio (NH4+), nitrito (NO2-) e nitrato (NO3-) è stata considerata come concentrazione DIN.
  2. Dividi la baia di Narragansett in quindici caselle lungo il suo asse, modificate dallo studio precedente14 utilizzando Adobe Illustrator per dividere la baia nella mappa (Figura 1).
  3. Applicare il modello di bilancio di massa N per calcolare la concentrazione media di DIN in ciascuna scatola.
    NOTA: In questo studio, il modello di bilancio di massa N, costituito da termini di ingresso e uscita DIN, è stato modificato rispetto ai precedenti studi 2,15 e applicato a ciascuna scatola (1-15) della baia di Narragansett come equazione 1.
    figure-protocol-1Eq. (1)
    La Tabella 1 mostra le definizioni di ciascun termine e unità di misura utilizzati in questo modello di Narragansett Bay. Il modello calcola la concentrazione media di DIN determinando la differenza in ciascuna scatola di Narragansett Bay, che rappresenta la rimozione netta di DIN per produzione biologica. Informazioni dettagliate sul modello di bilancio di massa N sono riportate negli studi precedenti 2,15. I valori dettagliati utilizzati nel modello di questo studio sono stati ricavati dagli studi precedenti14.
  4. Calcola il tasso di produzione primaria potenziale (PPP) in base ai risultati del modello di bilancio di massa N convertendo la rimozione netta DIN in unità di carbonio utilizzando il rapporto Redfield (C: N = 106: 16, rapporto molare) in un foglio di calcolo.

2. Visualizzazione di tre zone nella mappa della baia di Narragansett

  1. Tracciare le tre zone identificate nella mappa della baia di Narragansett come grafico di contorno utilizzando il software Ocean Data View.
    1. Salvare i dati della tariffa PPP di ciascuna casella come file di testo (.txt) dal file del foglio di calcolo.
      NOTA: il file .txt include anche la posizione di ciascun numero di casella come latitudine e longitudine. Metti la longitudine come valore negativo. I dati sul tasso PPP sono etichettati come PPP [gC·m-2·day-1].
    2. Caricare i dati della tariffa PPP nel software Ocean Data View.
      1. Vai ad aprire nel menu File .
      2. Fare clic su Associa casella variabili, Latitudine, Longitudine con stazione, latitudine [degrees_north] e Longitudine [degrees_east], nella finestra Associazione variabili metadati , quindi fare clic sul pulsante OK .
      3. Fare clic sul pulsante OK nella finestra Importa .
    3. Disegna il grafico di contorno per mostrare gli intervalli PPP nella mappa di Narragansett Bay.
      1. Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla mappa, scegliere Zoom, trascinare la casella rossa per ingrandire l'area dati della mappa, quindi fare clic su Invio.
      2. Fare clic sulla finestra 1 SCATTER dei Modelli di layout nel menu Visualizza .
      3. Fate clic con il pulsante destro del mouse nel pannello Esempio e selezionate Variabili derivate (Derived Variables).
      4. Fare clic sul pulsante Aggiungi dopo aver selezionato Latitudine in Metadati dall'elenco del pannello Scelte . Eseguire la stessa operazione per Longitudine e quindi fare clic sul pulsante OK .
      5. Selezionare drvd: Longitude [degrees_East] come X-Variable facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
      6. Selezionare drvd: Latitudine [degrees_North] come variabile Y facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
      7. Selezionare PPP [gC·m-2·day -1] come variabile Z facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra di dispersione.
      8. Selezionare Proprietà facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla finestra a dispersione e passare all'opzione Stile di visualizzazione .
        1. Selezionare il campo Griglia .
        2. Vai all'opzione Contorni e fai clic sul pulsante << per fare in modo che i valori 0, 0.1 e 2 rimangano solo nei riquadri già definiti a sinistra.
        3. Fare clic sul pulsante OK .
  2. In base al grafico di contorno del software Ocean Data View, definisci il bordo delle zone marroni, verdi e blu nella baia di Narraganset e visualizza le zone utilizzando Adobe Illustrator per tracciare tre zone nella mappa.
    NOTA: A seguito del precedente studio15, il tasso di PPP della zona marrone era superiore a 2 gC·m-2·giorno-1, la zona verde era compresa tra 0,1-2 gC·m-2·giorno-1 e la zona blu era inferiore a 0,1 gC·m-2·giorno-1, rispettivamente.

3. Conversione del grafico di contorno di tre zone nel telaio tridimensionale (3D) con luce LED

  1. Incidi tre pannelli acrilici da 5,5'' x 8'' con una taglierina laser per mostrare il confine di ciascuna zona.
  2. Impila tre pannelli acrilici in una cornice illuminata. Sovrapponi ogni pannello acrilico che mostra le zone blu, verde e marrone. Posiziona un pannello che mostra le zone verdi sopra il pannello delle zone blu e un pannello delle zone marroni sopra di esso.
  3. Per il secondo modello fisico, incidere quattro fogli acrilici da 5,5'' x 8'' con una taglierina laser, con i tre confini delle zone stampati UV e un pannello per rappresentare l'intera baia di Narragansett (come da passaggi 3.1-3.2).
  4. Cambia il colore di ciascuna zona in marrone, verde e blu utilizzando i LED posizionati nella parte inferiore della cornice.

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Risultati

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Tre zone teoriche della baia di Narragansett basate sul modello di bilancio di massa N
Le tre zone teoriche nella baia di Narragansett (NB) sono state definite sulla base dei risultati del modello di bilancio di massa N, in cui i dati DIN sono stati applicati a quindici scatole di NB, e quindi il DIN medio in ciascuna scatola è stato convertito nei tassi PPP per il periodo estivo. Come mostrato nella Figura 2, sulla base dei tassi PPP medi estivi (da giugno a settembre) d...

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Discussione

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Questo studio ha stimato l'entità degli impatti nutrizionali degli apporti fluviali nella baia di Narraganset (NB) sulla base del modello di bilancio di massa N, definendo le tre zone teoriche. Storicamente, le zone ipossiche sono apparse vicino al fiume Providence, il lato occidentale della baia di Greenwich e la baia di Mount Hope durante il periodo estivo18, che sono state definite come zone marroni in questo studio. Inoltre, la zonazione di NB è paragonabile ai risultati di un precedente studi...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Ringraziamenti

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Questo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) e dal Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vorremmo anche ringraziare la Rhode Island School of Design per aver sviluppato il progetto Vis-A-Thon e questa visualizzazione.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Adobe Illustrator Adobeversione 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) Striscia LED flessibile - Ultra Luminoso (18 LED/piede)aspectLEDSKU AL-SL-W-Ubr/> QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE
https://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z<

Riferimenti

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