Methodenartikel

Visualisatie van productiviteitszones op basis van het stikstofmassabalansmodel in Narragansett Bay, Rhode Island

DOI:

10.3791/65728

⸱

14 juli 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 dit artikel

Samenvatting

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

Hier willen we de zonering van biologische productiviteit in Narragansett Bay, Rhode Island, visualiseren op basis van het stikstofmassabalansmodel. De resultaten zullen worden gebruikt voor het nutriëntenbeheer in de kustregio's om hypoxie en eutrofiëring te verminderen.

Samenvatting

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

Primaire productiviteit in de kustgebieden, gekoppeld aan eutrofiëring en hypoxie, biedt een kritisch inzicht in het functioneren van ecosystemen. Hoewel de primaire productiviteit grotendeels afhankelijk is van de toevoer van nutriënten in de rivieren, is het een uitdaging om de omvang van de nutriënteninvloeden van rivieren in de kustgebieden in te schatten. Een stikstofmassabalansmodel is een praktisch hulpmiddel om de productiviteit van de kustoceaan te evalueren om biologische mechanismen te begrijpen die verder gaan dan gegevenswaarnemingen. Deze studie visualiseert de biologische productiezones in Narragansett Bay, Rhode Island, VS, waar hypoxie vaak voorkomt, door een stikstofmassabalansmodel toe te passen. De baai is verdeeld in drie zones - bruine, groene en blauwe zones - op basis van primaire productiviteit, die worden gedefinieerd door de resultaten van het massabalansmodel. Bruine, groene en blauwe zones vertegenwoordigen een hoog fysisch proces, een hoog biologisch proces en een lage biologische proceszone, afhankelijk van de rivierstroom, de nutriëntenconcentraties en de mengsnelheden. De resultaten van deze studie kunnen het nutriëntenbeheer in de kustoceaan beter informeren als reactie op hypoxie en eutrofiëring.

Inleiding

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

Primaire productiviteit, de productie van organische verbindingen door fytoplankton, voedt voedselwebben van ecosystemen en is belangrijk voor het begrijpen van de functie van het systeem als reactie op veranderingen in het milieu 1,2. De primaire productiviteit van estuaria hangt ook nauw samen met eutrofiëring, die wordt gedefinieerd als een overmaat aan nutriënten in het ecosysteem1, die verschillende schadelijke gevolgen heeft in de kustgebieden, zoals een overgroei van fytoplankton die leidt tot grote algenbloei en daaropvolgende hypoxie 3,4. Belangrijk is dat de primaire productiviteit in estuaria sterk afhankelijk is van de nutriëntenbelasting in de rivier, met name stikstofconcentraties, die de typische beperkende voedingsstof zijn in de meeste gematigde oceaanecosystemen 5,6. Een schatting van de omvang van de stikstofeffecten van rivieren in kustgebieden blijft echter een uitdaging.

Om de primaire productiviteit van het estuarium te schatten, is een stikstof (N) massabalansmodel een nuttig hulpmiddel om stikstoffluxen te berekenen2. Het N-massabalansmodel biedt ook inzicht in biologische mechanismen die verder gaan dan gegevenswaarnemingen, en onthult informatie aan de randen van verschillende primaire productiviteitszones7. Drie verschillende zones8, gedefinieerd als bruine, groene en blauwe zones, zijn bijzonder nuttig voor het voorspellen van de impact van nutriëntenbelasting in hypoxische regio's. De bruine zone, gedefinieerd als het dichtstbijzijnde gebied van een riviermonding, vertegenwoordigt een hoog fysisch proces, de groene zone heeft een hoge biologische productiviteit en de blauwe zone vertegenwoordigt een laag biologisch proces. De grens van elke zone hangt af van het debiet van de rivier, de nutriëntenconcentraties en de mengsnelheden8.

Narragansett Bay (NB) is een gematigd estuarium aan de kust in Rhode Island, VS, dat economische en ecologische diensten en goederen 9,10,11 ondersteunt, waarin hypoxie consequent is voorgekomen. Deze hypoxische gebeurtenissen, gedefinieerd als de periode van weinig opgeloste zuurstof (d.w.z. minder dan 2-3 mg zuurstof per liter), komen vooral voor in juli en augustus en worden sterk beïnvloed door de stikstofbelasting in de rivieren gedurende deze maanden12. Met een toename van de primaire productie en hypoxie als gevolg van antropogene emissies van nutriënten13, is inzicht in de stikstofinput in NB van cruciaal belang voor het beheersen en aanpakken van kustproblemen zoals eutrofiëring en hypoxie. In deze studie wordt dus de snelheid van de primaire productie in NB berekend op basis van het N-massabalansmodel met behulp van historisch waargenomen nutriëntengegevens, met name opgeloste anorganische stikstof (DIN). Op basis van de resultaten van het N-massabalansmodel door conversie naar koolstofeenheden met behulp van de Redfield-ratio, werden drie verschillende primaire productiviteitszones geïdentificeerd om de mate van stikstofinvloed van de rivier in NB te visualiseren. Het model werd vervolgens nagemaakt tot een 3D-weergave om de verschillende zones beter te visualiseren. De producten die uit deze studie zijn voortgekomen, kunnen het nutriëntenbeheer in NB beter informeren als reactie op hypoxie en eutrofiëring. Verder zijn de resultaten van deze studie toepasbaar op andere kustregio's om de effecten van riviertransport op nutriënten en primaire productiviteit in beeld te brengen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Toepassing van het N-massabalansmodel

  1. Download de gegevens over opgeloste anorganische stikstof (DIN) van het Amerikaanse Environmental Protection Agency (USEPA) voor 166 stations in Narragansett Bay van 1990 tot 2015.
    OPMERKING: In deze studie werd de som van de ammoniumconcentraties (NH4+), nitriet (NO2-) en nitraat (NO3-) beschouwd als de DIN-concentratie.
  2. Splits de Narragansett-baai in vijftien vakken langs de as, aangepast aan de vorige studie14 met behulp van Adobe Illustrator om de baai op de kaart te verdelen (Figuur 1).
  3. Pas het N-massabalansmodel toe om de gemiddelde DIN-concentratie in elke doos te berekenen.
    OPMERKING: In deze studie werd het N-massabalansmodel, bestaande uit DIN-invoer- en uitvoertermen, gewijzigd ten opzichte van eerdere studies 2,15 en toegepast op elke doos (1-15) van de Narragansett-baai als vergelijking 1.
    figure-protocol-1Eq. (1)
    Tabel 1 toont de definities van elke term en eenheid die in dit model van Narragansett Bay wordt gebruikt. Het model berekent de gemiddelde DIN-concentratie door het verschil in elke doos Narragansett Bay te bepalen, wat de netto DIN-verwijdering door biologische productie vertegenwoordigt. Gedetailleerde informatie over het N-massabalansmodel is te vinden in de vorige studies 2,15. De gedetailleerde waarden die in het model van deze studie zijn gebruikt, zijn afgeleid van de eerdere studies14.
  4. Bereken de potentiële primaire productie (PPP) op basis van de resultaten van het N-massabalansmodel door de netto DIN-verwijdering om te rekenen naar koolstofeenheden met behulp van de Redfield-verhouding (C: N = 106: 16, molaire verhouding) in een spreadsheetbestand.

2. Visualisatie van drie zones op de kaart van Narragansett Bay

  1. Plot de geïdentificeerde drie zones op de kaart van Narragansett Bay als een contourplot met behulp van de Ocean Data View-software.
    1. Sla de PPP-tariefgegevens van elk vak op als een tekstbestand (.txt) uit het spreadsheetbestand.
      OPMERKING: Het .txt-bestand bevat ook de locatie van elk doosnummer als lengte- en breedtegraad. Zet de lengtegraad als een negatieve waarde. De gegevens over het KKP-percentage worden aangeduid als PPP [gC·m-2·day-1].
    2. Laad de PPP-tariefgegevens in de Ocean Data View-software.
      1. Ga naar openen in het menu Bestand .
      2. Klik in het venster Koppeling van metagegevensvariabele op Vak Variabelen, Breedtegraad, Lengtegraad aan Station, Breedtegraad [degrees_north] en Lengtegraad [degrees_east], en klik vervolgens op de knop OK.
      3. Klik op de knop OK in het venster Importeren .
    3. Teken de contourgrafiek om de PPP-bereiken op de kaart van Narragansett Bay weer te geven.
      1. Klik met de rechtermuisknop op de kaart, klik op Zoomen, sleep het rode vak om in te zoomen op het gegevensgebied van de kaart en klik vervolgens op Enter.
      2. Klik op het venster 1 SCATTER van de lay-outsjablonen in het menu Beeld .
      3. Klik met de rechtermuisknop in het deelvenster Voorbeeld en selecteer Afgeleide variabelen.
      4. Klik op de knop Toevoegen nadat u Latitude hebt geselecteerd onder Metagegevens in het deelvenster Keuzelijst . Doe hetzelfde voor Longitude en klik vervolgens op de OK knop.
      5. Selecteer drvd: Longitude [degrees_East] als X-Variable door met de rechtermuisknop op het spreidingsvenster te klikken.
      6. Selecteer drvd: Latitude [degrees_North] als Y-variabele door met de rechtermuisknop op het spreidingsvenster te klikken.
      7. Selecteer PPP [gC·m-2·day -1] als Z-variabele door met de rechtermuisknop op het spreidingsvenster te klikken.
      8. Selecteer Eigenschappen door met de rechtermuisknop op het spreidingsvenster te klikken en ga naar de optie Weergavestijl .
        1. Selecteer het veld Gerasterd .
        2. Ga naar de optie Contouren en klik op de knop << om 0, 0,1 en 2 waarden alleen in de reeds gedefinieerde deelvensters aan de linkerkant te laten staan.
        3. Klik op de knop OK .
  2. Definieer op basis van de contourplot van de Ocean Data View Software de rand van de bruine, groene en blauwe zones in Narraganset Bay en visualiseer de zones met Adobe Illustrator om drie zones op de kaart te plotten.
    OPMERKING: Na de vorige studie15 bedroeg de PPP-snelheid van de bruine zone respectievelijk meer dan 2 gC·m-2·day-1, de groene zone tussen 0,1-2 gC·m-2·day-1 en de blauwe zone minder dan 0,1 gC·m-2·day-1.

3. Het omzetten van de contourplot van drie zones in het driedimensionale (3D) frame met LED-licht

  1. Ets drie acrylpanelen als 5,5'' x 8'' met een lasersnijder om de grens van elke zone aan te geven.
  2. Stapel drie acrylpanelen in een verlicht kader. Overlap elk acrylpaneel met de blauwe, groene en bruine zones. Plaats een paneel met groene zones bovenop het paneel met blauwe zones en daarbovenop een paneel met bruine zones.
  3. Voor het tweede fysieke model etst u vier acrylplaten als 5,5'' x 8'' met een lasersnijder, waarbij de UV-geprinte drie grenzen van zones en één paneel om de hele Narragansett-baai weer te geven (volgens stappen 3.1-3.2).
  4. Verander de kleur van elke zone in bruin, groen en blauw met behulp van de LED's aan de onderkant van het frame.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Drie theoretische zones van Narragansett Bay op basis van het N-massabalansmodel
De drie theoretische zones in Narragansett Bay (NB) werden gedefinieerd op basis van de resultaten van het N-massabalansmodel, waarbij de DIN-gegevens werden toegepast op vijftien dozen NB, en vervolgens de gemiddelde DIN in elke doos werd omgerekend naar de PPP-percentages voor de zomerperiode. Zoals te zien is in figuur 2, werden op basis van de gemiddelde KKP-percentages in de zomer (juni ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Deze studie schatte de omvang van de nutriënteneffecten van rivierinputs in Narraganset Bay (NB) op basis van het N-massabalansmodel door de drie theoretische zones te definiëren. Historisch gezien verschenen hypoxische zones in de buurt van de Providence River, de westkant van Greenwich Bay en Mount Hope Bay tijdens de zomerperiode18, die in deze studie werden gedefinieerd als bruine zones. Bovendien is de zonering van NB vergelijkbaar met de resultaten van een eerdere studie19<...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

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

Deze studie werd ondersteund door de National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) en Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). We willen ook de Rhode Island School of Design bedanken voor het ontwikkelen van het Vis-A-Thon-project en deze visualisatie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Adobe Illustrator Adobeversie 27.6.1https://www.adobe.com/products/illustrator.html
Ampersand Gessobord Uncradled 1/8" Profiel 8" x 8"Risdstore70731053088https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8x8-flat-1-8-profiel.html
Ocean Data View softwarehttps://odv.awi.de/nl/software/download/
W-Serie (Wide) Flexibel LED Strip Licht - Ultra Helder (18 LEDs/meter)aspectLEDSKU AL-SL-W-Uhttps://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z
QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Primaire productiviteitnutri ntenbeheereutrofi ringhypoxieriveriene nutri nteninputDIN concentratiekustecosysteembiologische productie

Gerelateerde artikelen