تصور البيانات الأوقيانوغرافية لتصوير التغيرات طويلة المدى في العوالق النباتية
Summary
هنا ، نقدم بروتوكولا لتحويل الصور المجهرية للعوالق النباتية إلى رسومات متجهة وأنماط متكررة لتمكين تصور التحولات في أصناف العوالق النباتية والكتلة الحيوية على مدار 60 عاما. يمثل هذا البروتوكول نهجا يمكن استخدامه لسلاسل زمنية ومجموعات بيانات أخرى للعوالق على مستوى العالم.
Abstract
وتوفر السلاسل الزمنية الأوقيانوغرافية منظورا هاما للعمليات البيئية في النظم الإيكولوجية. تمثل السلاسل الزمنية للعوالق طويلة الأجل في خليج ناراغانسيت (NBPTS) في خليج ناراغانسيت ، رود آيلاند ، الولايات المتحدة الأمريكية ، واحدة من أطول السلاسل الزمنية للعوالق (1959 إلى الوقت الحاضر) من نوعها في العالم وتقدم فرصة فريدة لتصور التغيير طويل الأجل داخل النظام البيئي المائي. تمثل العوالق النباتية قاعدة الشبكة الغذائية في معظم النظم البحرية ، بما في ذلك خليج ناراغانسيت . لذلك ، فإن توصيل أهميتها إلى 2.4 مليار شخص يعيشون داخل المحيط الساحلي أمر بالغ الأهمية. لقد طورنا بروتوكولا بهدف تصور تنوع وحجم العوالق النباتية من خلال استخدام Adobe Illustrator لتحويل الصور المجهرية للعوالق النباتية التي تم جمعها من NBPTS إلى رسومات متجهة يمكن مطابقتها في أنماط بصرية متكررة عبر الزمن. تم اختيار الأصناف الوفيرة عدديا أو تلك التي تشكل تهديدات اقتصادية وصحية ، مثل أصناف تكاثر الطحالب الضارة ، Pseudo-nitzschia spp. ، لتحويل الصور. ثم تم إنشاء أنماط من صور العوالق النباتية المختلفة بناء على وفرتها النسبية لعقود مختارة من البيانات التي تم جمعها (سبعينيات القرن العشرين ، تسعينيات القرن العشرين ، و 2010). أبلغت الأنماط العقدية للكتلة الحيوية للعوالق النباتية الخطوط العريضة لكل عقد بينما تم استخدام تدرج لون الخلفية من الأزرق إلى الأحمر للكشف عن زيادة طويلة الأجل في درجة الحرارة لوحظت في خليج ناراغانسيت. أخيرا ، تمت طباعة لوحات كبيرة مقاس 96 بوصة × 34 بوصة مع أنماط متكررة للعوالق النباتية لتوضيح التغيرات المحتملة في وفرة العوالق النباتية بمرور الوقت. يتيح هذا المشروع تصور التحولات الحرفية في الكتلة الحيوية للعوالق النباتية ، والتي عادة ما تكون غير مرئية للعين المجردة مع الاستفادة من بيانات السلسلة في الوقت الفعلي (على سبيل المثال ، الكتلة الحيوية للعوالق النباتية ووفرتها) داخل القطعة الفنية نفسها. وهو يمثل نهجا يمكن استخدامه للعديد من السلاسل الزمنية الأخرى للعوالق لتصور البيانات والتواصل والتعليم وجهود التوعية.
Introduction
العوالق النباتية هي منتجون أوليون يمثلون قاعدة الشبكة الغذائية عبر النظم الإيكولوجية المائية 1,2. في حين أن برامج مراقبة العوالق النباتية هي المفتاح لتحديد التغيرات الحالية والمستقبلية في النظم الإيكولوجية البحرية ، فإن دعمها يتناقص بمرور الوقت 3. نظرا لأوقات جيلها القصيرة نسبيا وحركتها المحدودة ، تستجيب العوالق النباتية بشكل خاص لتغير المناخ ، مما يجعلها أداة مهمة في مراقبة السلاسل الزمنية. كما أن السلاسل الزمنية للعوالق النباتية مهمة أيضا لإعلام الإدارة القائمة على النظم الإيكولوجية لتوافر الموارد وتوفير سياق للأحداث العرضية، مثل موجات الحر البحرية4. تعطي السلاسل الزمنية قصيرة الأجل ، على مدى سنوات ، نظرة ثاقبة لتعاقب مجتمعات العوالق النباتية والديناميات الموسمية (على سبيل المثال ، المرجع 5،6) ، في حين أن السلاسل الزمنية طويلة الأجل ، مثل برامج سلسلة برمودا الزمنية الأطلسية (BATS) وسلسلة أوقات المحيط في هاواي (HOTS) ، تمتد لأكثر من عقدين وتمكن من اكتشاف الاتجاهات طويلة الأجل 7,8. وتوضح هذه الدراسات فائدة وأهمية وجود سجل للعوالق النباتية بدرجة عالية من أجل فهم كامل لتغير النظام الإيكولوجي على المدى الطويل في البيئات البحرية الدينامية. علاوة على ذلك ، فإن تصور هذه التغييرات في العوالق النباتية والتواصل معها ، والتي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة ، يصعب فهمها أكثر من الكائنات الحية الكبيرة والمرئية بسهولة ، مثل الأسماك والحيتان. تقدم التصورات الحاسوبية تقنية لاستكشاف مجموعات البيانات المعقدة9 وأصبحت الرسومات التوضيحية المحسنة متاحة بسهولة (على سبيل المثال ، شبكة التكامل والتطبيق ، مركز جامعة ميريلاند للعلوم البيئية). ومع ذلك ، فإن معظم الدراسات في بيئة العوالق النباتية ، بما في ذلك العديد من الإشارات إليها هنا ، لا تزال تقدم النتائج فقط كرسوم بيانية للبيانات تقلل من إمكانية الوصول إليها للجمهور العام. بالنظر إلى أن العوالق النباتية تمثل قاعدة الشبكة الغذائية في معظم النظم البحرية ، فإن توصيل أهميتها إلى ما يقرب من 2.4 مليار شخص يعيشون داخل المحيط الساحلي أمر بالغ الأهمية10. هنا ، قمنا بتطوير بروتوكول بهدف تصور تنوع وحجم العوالق النباتية ، كما تم جمعها بواسطة برنامج مراقبة العوالق النباتية.
توفر السلسلة الزمنية لعوالق خليج ناراغانسيت (NBPTS) منظورا طويل الأجل لمدة 60+ عاما (1959 إلى الوقت الحاضر) حول آثار التغير العالمي في سياق مناخي على وفرة العوالق النباتية والموسمية والفينولوجيا (تاريخ الحياة). خليج ناراغانسيت (NBay) هو مصب ساحلي متصل بالأنظمة الأوسع للجرف الشمالي الشرقي للولايات المتحدة وشمال غرب المحيط الأطلسي الذي يكون لإنتاجه آثار مهمة على مصايد الأسماك والاستخدام البشري على طول ساحل الولايات المتحدة الأمريكية 11. يعتبر NBay نظاما موسميا للغاية يعاني من ارتفاع درجة حرارة المياه على المدى الطويل (1950-2015) في المنطقة بالإضافة إلى تحولات في العناصر الغذائية وزيادة في وضوح المياه12,13. بالإضافة إلى ذلك ، حدث انخفاض في الكتلة الحيوية للعوالق النباتية في NBay العليا المتعلقة بالانخفاضات البشرية المنشأ في النيتروجين غير العضوي المذاب ، والذي يعزى جزئيا إلى ترقيات في محطات معالجة مياه الصرفالصحي 12. كما تحدث تحولات في أصناف العوالق النباتية ، وخاصة تكاثر الطحالب الضارة (HABs) ، في NBay. أدت Pseudo-nitzschia spp. ، التي تنتج أزهارا سامة منتشرة في مناطق ارتفاع مياه القاع على طول الساحل الغربي للولايات المتحدة ، إلى إغلاق ملحوظ للمحار لأول مرة في تاريخ NBay في عامي 2016 و 201714،15،16. يعد توصيل هذه التغييرات إلى جماهير متنوعة أمرا مهما لزيادة محو الأمية العلمية ولتعزيز الدعم المستمر لدراسات مراقبة العوالق النباتية.
كان الهدف من هذا المشروع هو استخدام الصور المجهرية للعوالق النباتية من NBay ، بالإضافة إلى البيانات المركبة من NBPTS ، لتصور التحولات الحرفية في أصناف العوالق النباتية والكتلة الحيوية التي تحدث في NBay للتواصل وتعزيز أهمية العوالق النباتية للجمهور العام. يوفر NBPTS 60+ سنوات من تعداد العوالق النباتية الأسبوعية المتاحة للجمهور والكتلة الحيوية للاستفادة من البيانات من (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). كان المنتج النهائي عبارة عن لوحة جدارية كبيرة لأنماط العوالق تمثل بيانات السلاسل الزمنية (على سبيل المثال ، الكتلة الحيوية للعوالق النباتية والأصناف ودرجة الحرارة) داخل القطعة الفنية نفسها. يمثل هذا النهج طريقة تصور يمكن استخدامها للعديد من السلاسل الزمنية للعوالق الأخرى في جميع أنحاء العالم ويمكن تكييفها لمراقبة البرامج ذات البيانات الموسمية قصيرة الأجل أيضا. تشمل فوائد تنفيذ هذا البروتوكول زيادة الجهود في تصور البيانات ، والتواصل العلمي ، والتعليم ، والمشاركة مع المجتمعات المحلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشمل الخطوات الحاسمة للبروتوكول الحصول على صور مجهرية للعوالق النباتية وتحويلها إلى رسومات متجهة. إن جعل صور العوالق النباتية ، التي لا يمكن ملاحظتها بالعين المجردة ، كبيرة بما يكفي لرؤيتها بدون عدسة مكبرة على اللوحة الجدارية ، يساعد على جعلها تنبض بالحياة للمشاهد. لإنجاز هذه اللوحة الج?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (OIA-1655221 ، OCE-1655686) ومنحة بحر رود آيلاند (NA22-OAR4170123 ، RISG22-R / 2223-95-5-U). نشكر العديد من القباطنة على تقديم المساعدة الميدانية والعديد من الطلاب والباحثين الذين جمعوا البيانات منذ عام 1970. نشكر ستيوارت كوبلاند وجورجيا رودس على تطوير مشروع Vis-A-Thon الذي أنتج جدارية العوالق وكذلك رافائيل أتياس من مدرسة رود آيلاند للتصميم لتوجيهه الفني أثناء تطوير المشروع.
Materials
| Adobe Illustrator | Adobe | version 23.0.6 | Free alternatives include: Inkscape, GIMP, Vectr, Vectornator |
| Eclipse E800 | Nikon | ECLIPSE Ni/Ci Upright Microscope | Now succeeded by Eclipse Ni-U |
| Epson Large Format Printer | Epson | SCT5475SR | |
| Heavy Matte Paper | Epson | S041596 | |
| RStudio | Rstudio, PBC | version 2022.07.1 | Any statistical software tool will suffice |
References
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Complex seasonal patterns of primary producers at the land-sea interface. Ecology Letters. 11 (12), 1294-1303 (2008).
- Cloern, J. E., Jassby, A. D. Patterns and Scales of Phytoplankton Variability in Estuarine-Coastal Ecosystems. Estuaries and Coasts. 33 (2), 230-241 (2010).
- Hays, G. C., Richardson, A. J., Robinson, C. Climate change and marine plankton. Trends in Ecology & Evolution. 20 (6), 337-344 (2005).
- Harvey, C. J., et al. The importance of long-term ecological time series for integrated ecosystem assessment and ecosystem-based management. Progress in Oceanography. 188, 102418 (2020).
- Leeuwe, M. A., et al. Annual patterns in phytoplankton phenology in Antarctic coastal waters explained by environmental drivers. Limnology and Oceanography. 65 (7), 1651-1668 (2020).
- Hunter-Cevera, K. R., et al. Physiological and ecological drivers of early spring blooms of a coastal phytoplankter. Science. 354 (6310), 326-329 (2016).
- Church, M. J., Lomas, M. W., Muller-Karger, F. Sea change: Charting the course for biogeochemical ocean time-series research in a new millennium. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 93, 2-15 (2013).
- Bates, N. R., Johnson, R. J. Acceleration of ocean warming, salinification, deoxygenation and acidification in the surface subtropical North Atlantic Ocean. Communications Earth & Environment. 1 (1), 33 (2020).
- Wolanski, E., Spagnol, S., Gentien, P., Spaulding, M., Prandle, D. Visualization in Marine Science. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 50 (1), 7-9 (2000).
- United Nations. Factsheet: People and Oceans (2017). , (2017).
- Oviatt, C. A. The changing ecology of temperate coastal waters during a warming trend. Estuaries. 27 (6), 895-904 (2004).
- 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).
- Fulweiler, R. W., Oczkowski, A. J., Miller, K. M., Oviatt, C. A., Pilson, M. E. Q. Whole truths vs. half truths – And a search for clarity in long-term water temperature records. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 157, A1-A6 (2015).
- Trainer, V. L., et al. Pseudo-nitzschia physiological ecology, phylogeny, toxicity, monitoring and impacts on ecosystem health. Harmful Algae. 14, 271-300 (2012).
- Sterling, A. R., et al. Emerging harmful algal blooms caused by distinct seasonal assemblages of a toxic diatom. Limnology and Oceanography. 67 (11), 2341-2359 (2022).
- Roche, K. M., Sterling, A. R., Rynearson, T. A., Bertin, M. J., Jenkins, B. D. A Decade of Time Series Sampling Reveals Thermal Variation and Shifts in Pseudo-nitzschia Species Composition That Contribute to Harmful Algal Blooms in an Eastern US Estuary. Frontiers in Marine Science. 9, 889840 (2022).
- Li, . Qi Data visualization as creative art practice. Visual Communication. 17 (3), 299-2222312 (2018).
- Cloern, J. E., et al. Projected Evolution of California’s San Francisco Bay-Delta-River System in a Century of Climate Change. PLoS ONE. 6 (9), e24465 (2011).
- Bashevkin, S. M., et al. Five decades (1972-2020) of zooplankton monitoring in the upper San Francisco Estuary. PLOS ONE. 17 (3), e0265402 (2022).
