Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wizualizacja stref produktywności w oparciu o model bilansu masy azotu w zatoce Narragansett, Rhode Island

1.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65728

⸱

14 lipca 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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj staramy się zobrazować strefowanie produktywności biologicznej w Zatoce Narragansett, Rhode Island, w oparciu o model bilansu masy azotu. Wyniki zostaną wykorzystane w gospodarce składnikami odżywczymi w regionach przybrzeżnych w celu ograniczenia niedotlenienia i eutrofizacji.

Streszczenie

Pierwotna produktywność w regionach przybrzeżnych, związana z eutrofizacją i niedotlenieniem, dostarcza krytycznego zrozumienia funkcji ekosystemu. Chociaż produktywność pierwotna w dużej mierze zależy od dopływu składników odżywczych z rzek, oszacowanie zakresu wpływu składników odżywczych z rzek w regionach przybrzeżnych jest trudne. Model bilansu masy azotu jest praktycznym narzędziem do oceny produktywności oceanów przybrzeżnych w celu zrozumienia mechanizmów biologicznych wykraczających poza obserwacje danych. Niniejsze badanie wizualizuje strefy produkcji biologicznej w Narragansett Bay, Rhode Island, USA, gdzie często dochodzi do niedotlenienia, poprzez zastosowanie modelu bilansu masy azotu. Zatoka jest podzielona na trzy strefy - brązową, zieloną i niebieską - w oparciu o produktywność pierwotną, które są definiowane przez wyniki modelu bilansu masy. Strefy brązowa, zielona i niebieska reprezentują wysoki proces fizyczny, wysoki proces biologiczny i strefę niskiego procesu biologicznego, w zależności od przepływu rzeki, stężenia składników odżywczych i szybkości mieszania. Wyniki tego badania mogą lepiej informować o gospodarce składnikami odżywczymi w oceanie przybrzeżnym w odpowiedzi na niedotlenienie i eutrofizację.

Wprowadzenie

Produktywność pierwotna, produkcja związków organicznych przez fitoplankton, napędza sieci pokarmowe ekosystemu i jest ważna dla zrozumienia funkcji systemu w odpowiedzi na zmiany środowiskowe1,2. Pierwotna produktywność ujścia rzek jest również ściśle związana z eutrofizacją, która jest definiowana jako nadmiar składników odżywczych w ekosystemie1, powodując szereg szkodliwych konsekwencji w regionach przybrzeżnych, takich jak przerost fitoplanktonu prowadzący do dużych zakwitów glonów i późniejszego niedotlenienia3,4. Co ważne, pierwotna produktywność w ujściach rzek jest w dużym stopniu zależna od obciążenia rzekami składnikami odżywczymi, w szczególności od stężeń azotu, które są typowym ograniczającym składnikiem odżywczym w większości ekosystemów oceanicznych strefy umiarkowanej5,6. Oszacowanie zakresu wpływu azotu rzecznego na obszary przybrzeżne pozostaje jednak trudne.

Aby oszacować pierwotną produktywność ujścia rzeki, model bilansu masy azotu (N) jest użytecznym narzędziem do obliczania strumieni azotu2. Model N-bilansu masy zapewnia również zrozumienie mechanizmów biologicznych wykraczających poza obserwacje danych, ujawniając informacje na obrzeżach różnych stref produktywności pierwotnej7. Trzy różne strefy8, zdefiniowane jako strefy brązowa, zielona i niebieska, są szczególnie przydatne do przewidywania wpływu obciążenia składnikami odżywczymi w regionach niedotlenionych. Strefa brązowa, zdefiniowana jako najbliższy obszar ujścia rzeki, reprezentuje wysoki proces fizyczny, strefa zielona ma wysoką produktywność biologiczną, a strefa niebieska reprezentuje niski proces biologiczny. Granica każdej strefy zależy od przepływu rzeki, stężenia składników odżywczych i szybkości mieszania8.

Zatoka Narragansett (NB) to przybrzeżne, umiarkowane ujście rzeki w stanie Rhode Island, USA, wspierające ekonomiczne i ekologiczne usługi i towary9,10,11, w którym hipoksja występuje konsekwentnie. Te zdarzenia niedotlenienia, zdefiniowane jako okres niskiego poziomu rozpuszczonego tlenu (tj. mniej niż 2-3 mg tlenu na litr), są szczególnie powszechne w lipcu i sierpniu i są silnie uzależnione od obciążenia azotem rzecznym w tych miesiącach12. Wraz ze wzrostem produkcji pierwotnej i niedotlenieniem spowodowanym antropogenicznymi emisjami składników odżywczych13, zrozumienie dopływu azotu do NB ma kluczowe znaczenie dla zarządzania i rozwiązywania problemów przybrzeżnych, takich jak eutrofizacja i niedotlenienie. Tak więc w tym badaniu wskaźnik produkcji pierwotnej w NB jest obliczany na podstawie modelu bilansu masy N, przy użyciu historycznie obserwowanych danych dotyczących składników odżywczych, zwłaszcza rozpuszczonego azotu nieorganicznego (DIN). Opierając się na wynikach modelu bilansu masy N poprzez przeliczenie na jednostki węgla przy użyciu współczynnika Redfielda, zidentyfikowano trzy różne strefy produktywności pierwotnej, aby zobrazować zakres wpływu azotu z rzeki w NB. Model został następnie odtworzony w postaci reprezentacji 3D, aby lepiej zobrazować różne strefy. Produkty uzyskane w ramach tego badania mogą lepiej informować o gospodarce składnikami odżywczymi w NB w odpowiedzi na niedotlenienie i eutrofizację. Co więcej, wyniki tego badania można zastosować w innych regionach przybrzeżnych w celu wizualizacji wpływu transportu rzecznego na składniki odżywcze i produktywność pierwotną.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Zastosowanie modelu bilansu masy N

  1. Pobierz dane dotyczące rozpuszczonego azotu nieorganicznego (DIN) z Agencji Ochrony Środowiska USA (USEPA) dla 166 stacji w zatoce Narragansett Bay z lat 1990–2015.
    UWAGA: W niniejszym badaniu sumę stężeń amonu (NH4+), azotynów (NO2-) i azotanów (NO3-) przyjęto jako stężenie DIN.
  2. Podziel zatokę Narragansett Bay na piętnaście obszarów (boksów) wzdłuż jej osi, modyfikując układ z poprzedniego badania14, używając programu Adobe Illustrator do wyznaczenia podziału zatoki na mapie (Rysunek 1).
  3. Zastosuj model bilansu masy azotu w celu obliczenia średniego stężenia DIN w każdym obszarze.
    UWAGA: W niniejszym badaniu model bilansu masy N, składający się z członów dopływu i odpływu DIN, został zmodyfikowany na podstawie wcześniejszych badań2,15 i zastosowany do każdego obszaru (1–15) zatoki Narragansett Bay zgodnie z równaniem 1.
    Równanie stanu równowagi, ΣFDIN człony dopływu i usuwania, schemat procesów środowiskowych.  Równ. (1)
    Tabela 1 zawiera definicje każdego członu i jednostki użytej w tym modelu zatoki Narragansett Bay. Model oblicza średnie stężenie DIN poprzez wyznaczenie różnicy w każdym obszarze zatoki Narragansett Bay, co reprezentuje netto usuwanie DIN w wyniku produkcji biologicznej. Szczegółowe informacje na temat modelu bilansu masy N przedstawiono w poprzednich badaniach2,15. Szczegółowe wartości użyte w modelu w niniejszym badaniu zostały wywiedzione z wcześniejszych prac14.
  4. Oblicz tempo potencjalnej produkcji pierwotnej (PPP) na podstawie wyników modelu bilansu masy N, przeliczając netto usuwanie DIN na jednostki węgla z wykorzystaniem stosunku Redfielda (C: N = 106: 16, stosunek molowy) w arkuszu kalkulacyjnym.

2. Wizualizacja trzech stref na mapie zatoki Narragansett

  1. Przedstaw zidentyfikowane trzy strefy na mapie zatoki Narragansett w formie wykresu konturowego przy użyciu oprogramowania Ocean Data View.
    1. Zapisz dane dotyczące szybkości PPP dla każdego kwadratu jako plik tekstowy (.txt) z pliku arkusza kalkulacyjnego.
      UWAGA: Plik .txt zawiera również lokalizację każdego numeru kwadratu w postaci szerokości i długości geograficznej. Długość geograficzną wprowadź jako wartość ujemną. Dane szybkości PPP są oznaczone jako PPP [gC·m-2·day-1].
    2. Wczytaj dane szybkości PPP do oprogramowania Ocean Data View.
      1. W menu File wybierz opcję otwarcia.
      2. W oknie Metadata Variable Association kliknij Associate Variables Box, Latitude, Longitude with Station, latitude [degrees_north] oraz Longitude [degrees_east], a następnie kliknij przycisk OK.
      3. W oknie Import kliknij przycisk OK.
    3. Narysuj wykres konturowy, aby przedstawić zakresy PPP na mapie zatoki Narragansett.
      1. Kliknij prawym przyciskiem myszy na mapie, wybierz Zoom, przeciągnij czerwone pole, aby przybliżyć obszar danych na mapie, a następnie kliknij Enter.
      2. W menu View, w sekcji Layout Templates, kliknij okno 1 SCATTER.
      3. Kliknij prawym przyciskiem myszy w panelu Sample i wybierz Derived Variables.
      4. W panelu Choices, w sekcji Metadata, wybierz Latitude i kliknij przycisk Add. Powtórz tę czynność dla Longitude, a następnie kliknij przycisk OK.
      5. Klikając prawym przyciskiem myszy w oknie rozproszonym, wybierz drvd: Longitude [degrees_East] jako zmienną X.
      6. Klikając prawym przyciskiem myszy w oknie rozproszonym, wybierz drvd: Latitude [degrees_North] jako zmienną Y.
      7. Klikając prawym przyciskiem myszy w oknie rozproszonym, wybierz PPP [gC·m-2·day -1] jako zmienną Z.
      8. Klikając prawym przyciskiem myszy w oknie rozproszonym, wybierz Properties, a następnie przejdź do opcji Display Style.
        1. Wybierz pole Gridded.
        2. Przejdź do opcji Contours i klikaj przycisk <<, aż w sekcji Already Defined Panes po lewej stronie pozostaną tylko wartości 0, 0,1 i 2.
        3. Kliknij przycisk OK.
  2. Na podstawie wykresu konturowego z oprogramowania Ocean Data View wyznacz granice brązowej, zielonej i niebieskiej strefy w zatoce Narragansett, a następnie zwizualizuj te strefy za pomocą programu Adobe Illustrator, aby nanieść trzy strefy na mapę.
    UWAGA: Zgodnie z poprzednim badaniem15, szybkość PPP dla strefy brązowej wynosiła powyżej 2 gC·m-2·day-1, dla strefy zielonej od 0,1 do 2 gC·m-2·day-1, a dla strefy niebieskiej poniżej 0,1 gC·m-2·day-1 odpowiednio.

3. Konwersja wykresu konturowego trzech stref na ramę trójwymiarową (3D) z oświetleniem LED

  1. Wytraw trzy panele akrylowe o wymiarach 5,5'' x 8'' za pomocą wycinarki laserowej, aby wyznaczyć granice każdej strefy.
  2. Ustaw trzy panele akrylowe w podświetlanej ramie. Nałóż na siebie panele akrylowe przedstawiające strefy niebieską, zieloną i brązową. Umieść panel ze strefami zielonymi nad panelem ze strefami niebieskimi, a następnie panel ze strefami brązowymi na samym wierzchu.
  3. W przypadku drugiego modelu fizycznego, wytraw cztery arkusze akrylowe o wymiarach 5,5'' x 8'' za pomocą wycinarki laserowej, z nadrukiem UV trzech granic stref oraz jeden panel reprezentujący całą zatokę Narragansett Bay (zgodnie z krokami 3.1-3.2).
  4. Zmień kolor każdej strefy na brązowy, zielony i niebieski, korzystając z diod LED umieszczonych na dole ramy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Trzy teoretyczne strefy zatoki Narragansett na podstawie modelu bilansu masy N
Trzy teoretyczne strefy w zatoce Narragansett (NB) zdefiniowano na podstawie wyników modelu bilansu masy N, w którym dane DIN zastosowano do piętnastu pól (boxów) NB, a następnie średnie DIN w każdym polu przeliczono na wskaźniki PPP dla okresu letniego. Jak pokazano na Rysunku 2, na podstawie średnich letnich (od czerwca do września) wskaźników PPP dla każdego pola, zidentyfikowano trzy stref...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W ramach tego badania oszacowano zakres wpływu składników odżywczych z dopływów rzecznych w zatoce Narraganset (NB) w oparciu o model bilansu masy N, definiując trzy teoretyczne strefy. Historycznie rzecz biorąc, strefy niedotlenienia pojawiły się w pobliżu rzeki Providence, zachodniej strony Zatoki Greenwich i Zatoki Mount Hope w okresie letnim18, które w tym badaniu zostały zdefiniowane jako strefy brązowe. Co więcej, podział NB na strefy jest porównywalny z wynikami poprzedniego badania

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) i Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Chcielibyśmy również podziękować Rhode Island School of Design za opracowanie projektu Vis-A-Thon i tej wizualizacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Adobe Illustrator Adobewersja 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 Viewview oprogramowaniehttps://odv.awi.de/en/software/download/
W-Series (Wide) Elastyczna taśma LED - Ultra Jasna (18 diod LED/stopę)aspectLEDSKU AL-SL-W-Ubr/> QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE
https://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z<

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

produktywność pierwotnagospodarka składnikami odżywczymieutrofizacjahipoksjarzeczne dopływy składników odżywczychstężenie DINekosystem przybrzeżnyprodukcja biologiczna
Wizualizacja stref produktywności w oparciu o model bilansu masy azotu w zatoce Narragansett, Rhode Island
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.