تصور مناطق الإنتاجية على أساس نموذج توازن كتلة النيتروجين في خليج ناراغانسيت ، رود آيلاند
Summary
هنا ، نهدف إلى تصور تقسيم الإنتاجية البيولوجية في خليج ناراغانسيت ، رود آيلاند ، بناء على نموذج توازن كتلة النيتروجين. ستفيد النتائج إدارة المغذيات في المناطق الساحلية للحد من نقص الأكسجة والتخثث.
Abstract
وتوفر الإنتاجية الأولية في المناطق الساحلية، المرتبطة بالتخثث ونقص الأكسجة، فهما نقديا لوظيفة النظام الإيكولوجي. على الرغم من أن الإنتاجية الأولية تعتمد إلى حد كبير على مدخلات المغذيات النهرية ، إلا أن تقدير مدى تأثيرات المغذيات النهرية في المناطق الساحلية يمثل تحديا. نموذج توازن كتلة النيتروجين هو أداة عملية لتقييم إنتاجية المحيطات الساحلية لفهم الآليات البيولوجية بما يتجاوز ملاحظات البيانات. تصور هذه الدراسة مناطق الإنتاج البيولوجي في خليج ناراغانسيت ، رود آيلاند ، الولايات المتحدة الأمريكية ، حيث يحدث نقص الأكسجة بشكل متكرر ، من خلال تطبيق نموذج توازن كتلة النيتروجين. ينقسم الخليج إلى ثلاث مناطق – مناطق بنية وخضراء وزرقاء – بناء على الإنتاجية الأولية ، والتي يتم تحديدها من خلال نتائج نموذج توازن الكتلة. تمثل المناطق البنية والخضراء والزرقاء عملية فيزيائية عالية ، وعملية بيولوجية عالية ، ومنطقة عملية بيولوجية منخفضة ، اعتمادا على تدفق النهر وتركيزات المغذيات ومعدلات الخلط. يمكن لنتائج هذه الدراسة أن تفيد بشكل أفضل إدارة المغذيات في المحيط الساحلي استجابة لنقص الأكسجة والتخثث.
Introduction
الإنتاجية الأولية ، إنتاج المركبات العضوية بواسطة العوالق النباتية ، تغذي الشبكات الغذائية للنظام البيئي ، وهي مهمة لفهم وظيفة النظام استجابة للتغيرات البيئية 1,2. كما ترتبط الإنتاجية الأولية لمصبات الأنهار ارتباطا وثيقا بالتخثث الذي يعرف بأنه مغذيات مفرطة في النظام الإيكولوجي1 ، مما يتسبب في العديد من العواقب الضارة في المناطق الساحلية ، مثل فرط نمو العوالق النباتية مما يؤدي إلى تكاثر الطحالب الكبيرة ونقص الأكسجة اللاحق 3,4. والأهم من ذلك ، أن الإنتاجية الأولية في مصبات الأنهار تعتمد اعتمادا كبيرا على تحميل المغذيات النهرية ، وخاصة تركيزات النيتروجين ، والتي هي المغذيات المحددة النموذجية في معظم النظم الإيكولوجية للمحيطاتالمعتدلة 5,6. ومع ذلك ، لا يزال تقدير مدى تأثيرات النيتروجين النهري في المناطق الساحلية يمثل تحديا.
لتقدير الإنتاجية الأولية لمصبات الأنهار ، يعد نموذج توازن كتلة النيتروجين (N) أداة مفيدة لحساب تدفقات النيتروجين2. يوفر نموذج توازن الكتلة N أيضا فهما للآليات البيولوجية بما يتجاوز ملاحظات البيانات ، ويكشف عن المعلومات على حواف مناطق الإنتاجية الأولية المختلفة7. ثلاث مناطق مختلفة8 ، تعرف بأنها مناطق بنية وخضراء وزرقاء ، مفيدة بشكل خاص للتنبؤ بتأثير تحميل المغذيات في مناطق نقص الأكسجين. تمثل المنطقة البنية ، التي تعرف بأنها أقرب منطقة من مصب النهر ، عملية فيزيائية عالية ، والمنطقة الخضراء ذات إنتاجية بيولوجية عالية ، وتمثل المنطقة الزرقاء عملية بيولوجية منخفضة. تعتمد حدود كل منطقة على تدفق النهر وتركيزات المغذيات ومعدلات الخلط8.
خليج ناراغانسيت (NB) هو مصب ساحلي معتدل في رود آيلاند ، الولايات المتحدة الأمريكية ، يدعم الخدمات والسلع الاقتصادية والبيئية9،10،11 ، حيث يحدث نقص الأكسجة باستمرار. هذه الأحداث نقص الأكسجين ، التي تعرف بأنها فترة انخفاض الأكسجين المذاب (أي أقل من 2-3 ملغ من الأكسجين لكل لتر) ، منتشرة بشكل خاص في شهري يوليو وأغسطس وتتأثر بشدة بتحميل النيتروجين النهري خلال هذه الأشهر12. مع زيادة الإنتاج الأولي ونقص الأكسجة بسبب الانبعاثات البشرية المنشأ للمغذيات13 ، فإن فهم مدخلات النيتروجين في NB أمر بالغ الأهمية لإدارة ومعالجة القضايا الساحلية مثل التخثث ونقص الأكسجة. وهكذا ، في هذه الدراسة ، يتم حساب معدل الإنتاج الأولي في NB من نموذج توازن الكتلة N باستخدام بيانات المغذيات المرصودة تاريخيا ، وخاصة النيتروجين غير العضوي المذاب (DIN). استنادا إلى نتائج نموذج توازن الكتلة N عن طريق التحويل إلى وحدات الكربون باستخدام نسبة Redfield ، تم تحديد ثلاث مناطق إنتاجية أولية مختلفة لتصور مدى تأثير النيتروجين من النهر في NB. ثم تم إعادة إنشاء النموذج في تمثيل 3D لتصور المناطق المختلفة بشكل أفضل. يمكن للمنتجات المنتجة من هذه الدراسة أن تعلم بشكل أفضل إدارة المغذيات في NB استجابة لنقص الأكسجة والتخثث. علاوة على ذلك ، تنطبق نتائج هذه الدراسة على المناطق الساحلية الأخرى لتصور آثار النقل النهري على المغذيات والإنتاجية الأولية.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدرت هذه الدراسة مدى تأثيرات المغذيات من المدخلات النهرية في خليج ناراغانسيت (NB) بناء على نموذج توازن الكتلة N من خلال تحديد المناطق النظرية الثلاث. تاريخيا ، ظهرت مناطق نقص الأكسجين بالقرب من نهر بروفيدنس ، والجانب الغربي من خليج غرينتش ، وخليج ماونت هوب خلال فترة الصيف18 ، وا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (OIA-1655221 ، OCE-1655686) ومنحة بحر رود آيلاند (NA22-OAR4170123 ، RISG22-R / 2223-95-5-U). نود أيضا أن نشكر مدرسة رود آيلاند للتصميم على تطوير مشروع Vis-A-Thon وهذا التصور.
Materials
| Adobe Illustrator | Adobe | version 27.6.1 | https://www.adobe.com/products/illustrator.html |
| Ampersand Gessobord Uncradled 1/8" Profile 8" x 8" | Risdstore | 70731053088 | https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8×8-flat-1-8-profile.html |
| Ocean Data View software | https://odv.awi.de/en/software/download/ | ||
| W-Series (Wide) Flexible LED Strip Light – Ultra Bright (18 LEDs/foot) | aspectLED | SKU AL-SL-W-U | https://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_ E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE |
References
- Nixon, S. W. Coastal marine eutrophication: A definition, social causes, and future concerns. Ophelia. 41, 199-219 (1995).
- 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).
- Kemp, W. M., et al. Eutrophication of Chesapeake Bay: historical trends and ecological interactions. Marine Ecology Progress Series. 303, 1-29 (2005).
- Brush, M. J., Malone, T. C., Malej, A., Faganeli, F., et al. . Coastal Ecosystems in Transition: A Comparative Analysis of the Northern Adriatic and Chesapeake Bay. Chapter 5, (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rowe, G. T., Chapman, P. Continental shelf hypoxia: Some nagging questions. Gulf of Mexico Science. 20 (2), 153-160 (2002).
- Nixon, S. W. Eutrophication and the macroscope. Hydrobiologia. 629, 5-19 (2009).
- Barbier, E. B., et al. The value of estuarine and coastal ecosystem services. Ecological Monographs. 81 (2), 169-193 (2011).
- Cloern, J. E., Foster, S. Q., Kleckner, A. E. Phytoplankton primary production in the world’s estuarinecoastal ecosystem. Biogeosciences. 11 (9), 2477-2501 (2014).
- 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).
- Sigman, D. M., Hain, M. P. The biological productivity of the ocean. Nature Education Knowledge. 3 (10), 21 (2012).
- Kremer, J. N., et al. Simulating property exchange in estuarine ecosystem models at ecologically appropriate scales. Ecological Modelling. 221 (7), 1080-1088 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boesch, D. F. Barriers and bridges in abating coastal eutrophication. Frontiers in Marine Science. 6, 123 (2019).
- 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).
