Visualisering av oceanografiska data för att skildra långsiktiga förändringar i växtplankton
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att omvandla växtplanktonmikroskopiska bilder till vektorgrafik och repetitiva mönster för att möjliggöra visualisering av förändringar i växtplanktontaxa och biomassa under 60 år. Detta protokoll representerar ett tillvägagångssätt som kan användas för andra planktontidsserier och datauppsättningar globalt.
Abstract
Oceanografiska tidsserier ger ett viktigt perspektiv på miljöprocesser i ekosystem. Narragansett Bay Long-Term Plankton Time Series (NBPTS) i Narragansett Bay, Rhode Island, USA, representerar en av de längsta planktontidsserierna (1959-nutid) i sitt slag i världen och ger en unik möjlighet att visualisera långsiktiga förändringar inom ett akvatisk ekosystem. Växtplankton utgör basen i näringsväven i de flesta marina system, inklusive Narragansett Bay. Därför är det viktigt att kommunicera deras betydelse till de 2,4 miljarder människor som bor i kusthavet. Vi utvecklade ett protokoll med målet att visualisera mångfalden och storleken av växtplankton genom att använda Adobe Illustrator för att konvertera mikroskopiska bilder av växtplankton som samlats in från NBPTS till vektorgrafik som kan anpassas till repetitiva visuella mönster över tid. Numerärt rikligt förekommande taxa eller de som utgjorde ekonomiska och hälsomässiga hot, såsom den skadliga algblomningstaxan, Pseudo-nitzschia spp., valdes ut för bildkonvertering. Mönster av olika växtplanktonbilder skapades sedan baserat på deras relativa förekomst för utvalda decennier av insamlade data (1970-, 1990- och 2010-talen). Decadala mönster av växtplanktonbiomassa informerade konturerna av varje decennium medan en bakgrundsfärggradient från blått till rött användes för att avslöja en långsiktig temperaturökning som observerats i Narragansett Bay. Slutligen trycktes stora paneler på 96 tum gånger 34 tum med upprepade växtplanktonmönster för att illustrera potentiella förändringar i växtplanktonförekomsten över tid. Detta projekt möjliggör visualisering av bokstavliga förändringar i växtplanktonbiomassa, som vanligtvis är osynliga för blotta ögat, samtidigt som man utnyttjar realtidsseriedata (t.ex. växtplanktonbiomassa och överflöd) i själva konstverket. Det representerar ett tillvägagångssätt som kan användas för många andra planktontidsserier för datavisualisering, kommunikation, utbildning och uppsökande insatser.
Introduction
Växtplankton är primärproducenter och utgör basen i näringsväven i akvatiska ekosystem 1,2. Övervakningsprogram för växtplankton är viktiga för att identifiera nuvarande och framtida förändringar i marina ekosystem, men stödet för dem minskar med tiden. På grund av sina relativt korta generationstider och begränsade rörlighet är växtplankton särskilt känsliga för klimatförändringar, vilket gör dem till ett viktigt verktyg i tidsserieövervakningen. Tidsserier för växtplankton är också viktiga för att informera ekosystembaserad förvaltning av resurstillgänglighet och ge sammanhang för episodiska händelser, såsom marina värmeböljor4. Kortsiktiga tidsserier, när det gäller år, ger insikter i växtplanktonsamhällenas succession och säsongsdynamik (t.ex. ref.5,6), medan långsiktiga tidsserier, såsom Bermuda Atlantic Time Series (BATS) och Hawaii Ocean Times Series (HOTS) Programs, spänner över mer än två decennier och gör det möjligt att upptäcka långsiktiga trender 7,8. Sådana studier illustrerar nyttan och betydelsen av ett högupplöst växtplanktonregister för en fullständig förståelse av långsiktiga ekosystemförändringar i dynamiska marina miljöer. Vidare är det svårare att visualisera och kommunicera dessa förändringar i växtplankton, som inte kan ses med blotta ögat, än för organismer som är stora och lätt synliga, som fiskar och valar. Datorvisualiseringar erbjuder en teknik för att utforska komplexa datamängder9 och förbättrad illustrativ grafik blir allt mer lättillgänglig (t.ex. Integration and Application Network, University of Maryland Center for Environmental Science). De flesta studier inom växtplanktonekologi, inklusive många som refereras här, presenterar dock fortfarande bara resultat i form av datagrafer som minskar deras tillgänglighet för allmänheten. Med tanke på att växtplankton utgör basen i näringsväven i de flesta marina system ärdet viktigt att kommunicera deras betydelse till de nästan 2,4 miljarder människor som lever i kusthavet. Här utvecklade vi ett protokoll med målet att visualisera mångfalden och omfattningen av växtplankton, som samlats in genom ett växtplanktonövervakningsprogram.
Narragansett Bay Plankton Time Series (NBPTS) ger ett långsiktigt 60+ års (1959-nutid) perspektiv på effekterna av globala förändringar inom ett klimatsammanhang på växtplanktonförekomst, säsongsvariationer och fenologi (livshistoria). Narragansett Bay (NBay) är en kustnära flodmynning som är ansluten till de bredare systemen i USA:s nordöstra sockel och nordvästra Atlanten, vars produktion har viktiga konsekvenser för fisket och människans användning längs USA:s kust. NBay anses vara ett mycket säsongsbetonat system som upplever långvariga (1950-2015) varmare vatten i regionen samt förändringar i näringsämnen och en ökning av vattnets klarhet12,13. Dessutom har en minskning av växtplanktonbiomassan inträffat i övre NBay relaterad till antropogena minskningar av löst oorganiskt kväve, vilket delvis kan tillskrivas uppgraderingar i avloppsreningsverk12. Förändringar i växtplanktontaxa, särskilt skadliga algblomningar (HAB), förekommer också i NBay. Pseudo-nitzschia spp., som producerar genomgripande giftiga blomningar i uppvällningsregioner längs USA:s västkust, ledde till anmärkningsvärda skaldjursstängningar för första gången i NBays historia 2016 och 2017 14,15,16. Att kommunicera dessa förändringar till olika målgrupper är viktigt för att öka den vetenskapliga läskunnigheten och för att främja fortsatt stöd till studier av övervakning av växtplankton.
Målet med detta projekt var att använda mikroskopiska bilder av växtplankton från NBay, samt data som syntetiserats från NBPTS, för att visualisera de bokstavliga förändringarna i växtplanktontaxa och biomassa som sker i NBay för att kommunicera och öka betydelsen av växtplankton för en allmän publik. NBPTS tillhandahåller 60+ år av offentligt tillgängliga veckovisa fytoplanktonräkningar och biomassa för att utnyttja data från (https://web.uri.edu/gso/research/plankton/). Slutprodukten var en stor väggmålning av planktonmönster som är representativa för tidsseriedata (t.ex. växtplanktonbiomassa och taxa, temperatur) i själva konstverket. Detta tillvägagångssätt representerar en visualiseringsmetod som kan användas för många andra planktontidsserier över hela världen och kan anpassas för övervakningsprogram med kortsiktiga, säsongsdata också. Fördelarna med att implementera detta protokoll inkluderar ökade insatser inom datavisualisering, vetenskapskommunikation, utbildning och engagemang i lokala samhällen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg i protokollet är bland annat att ta mikroskopiska bilder av växtplankton och omvandla dem till vektorgrafik. Att göra bilderna av fytoplankton, som inte är märkbara för blotta ögat, tillräckligt stora för att kunna ses utan förstoringsglas på väggmålningen, hjälper till att väcka dem till liv för betraktaren. För att denna väggmålning inte bara ska bli ett konstverk utan också en datavisualiseringsmetod är det viktigt att införliva observerade data i projektet. När det gäller växtpl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) och Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vi tackar de många kaptenerna för att de har hjälpt till på fältet och de många studenter och forskare som samlat in data sedan 1970. Vi tackar Stewart Copeland och Georgia Rhodes för att ha utvecklat Vis-A-Thon-projektet som producerade planktonväggmålningen samt Rafael Attias från Rhode Island School of Design för hans konstnärliga vägledning under projektutvecklingen.
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).
