Визуализация зон продуктивности на основе модели баланса массы азота в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд
Summary
В данной работе мы стремимся визуализировать зональность биологической продуктивности в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд, на основе модели баланса массы азота. Полученные результаты послужат основой для управления питательными веществами в прибрежных районах с целью снижения гипоксии и эвтрофикации.
Abstract
Первичная продуктивность в прибрежных районах, связанная с эвтрофикацией и гипоксией, обеспечивает критическое понимание функционирования экосистем. Несмотря на то, что первичная продуктивность в значительной степени зависит от поступления питательных веществ в реки, оценка степени влияния речных питательных веществ в прибрежных районах является сложной задачей. Модель баланса массы азота является практическим инструментом для оценки продуктивности прибрежных районов океана для понимания биологических механизмов, выходящих за рамки наблюдений за данными. В этом исследовании визуализируются зоны биологического производства в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд, США, где часто возникает гипоксия, с помощью модели баланса массы азота. Залив разделен на три зоны – коричневую, зеленую и синюю – в зависимости от первичной продуктивности, которая определяется результатами модели баланса масс. Коричневая, зеленая и синяя зоны представляют собой зону высокого физического процесса, высокого биологического процесса и зоны низкого биологического процесса, в зависимости от стока реки, концентрации питательных веществ и скорости смешивания. Результаты этого исследования могут лучше информировать об управлении питательными веществами в прибрежных районах океана в ответ на гипоксию и эвтрофикацию.
Introduction
Первичная продуктивность, т.е. производство органических соединений фитопланктоном, питает экосистемные пищевые цепи и важна для понимания функционирования системы в ответ на изменения окружающей среды 1,2. Первичная продуктивность эстуариев также тесно связана с эвтрофикацией, которая определяется как избыток питательных веществ в экосистеме1, вызывающий ряд вредных последствий в прибрежных районах, таких как чрезмерный рост фитопланктона, приводящий к большому цветению водорослей и последующей гипоксии 3,4. Важно отметить, что первичная продуктивность в устьях рек в значительной степени зависит от речной нагрузки питательными веществами, особенно от концентрации азота, который является типичным лимитирующим питательным веществом в большинстве экосистем умеренного пояса океана 5,6. Тем не менее, оценка масштабов воздействия речного азота на прибрежные районы остается сложной задачей.
Для оценки первичной продуктивности эстуария полезным инструментом длярасчета потоков азота 2 является модель баланса азота (N). Модель баланса N-массы также обеспечивает понимание биологических механизмов, выходящих за рамки наблюдений данных, выявляя информацию на границах различных зон первичной продуктивности7. Три различные зоны8, определяемые как коричневая, зеленая и синяя зоны, особенно полезны для прогнозирования влияния нагрузки питательными веществами в гипоксических областях. Коричневая зона, определяемая как ближайшая область устья реки, представляет собой высокий физический процесс, зеленая зона — высокую биологическую продуктивность, а синяя зона — низкий биологический процесс. Граница каждой зоны зависит от речного стока, концентрации биогенных элементов и скорости перемешивания8.
Залив Наррагансетт (NB) – прибрежный эстуарий умеренного пояса в штате Род-Айленд, США, поддерживающий экономические и экологические услуги и товары 9,10,11, в котором постоянно происходит гипоксия. Эти гипоксические явления, определяемые как период низкого содержания растворенного кислорода (т.е. менее 2-3 мг кислорода на литр), особенно распространены в июле и августе и находятся под сильным влиянием речной азотной нагрузки в этимесяцы12. В условиях увеличения первичной продукции и гипоксии из-за антропогенных выбросов биогенныхвеществ13 понимание поступления азота в НБ имеет решающее значение для управления и решения прибрежных проблем, таких как эвтрофикация и гипоксия. Таким образом, в данном исследовании скорость первичной продукции в NB рассчитывается на основе модели N-массового баланса с использованием исторически наблюдаемых данных о питательных веществах, особенно растворенного неорганического азота (DIN). На основе результатов модели N-массового баланса путем пересчета в углеродные единицы с использованием коэффициента Редфилда были выделены три различные зоны первичной продуктивности для визуализации степени влияния азота из реки в Нью-Йорке. Затем модель была воссоздана в 3D-представление, чтобы лучше визуализировать различные зоны. Продукты, полученные в результате этого исследования, могут лучше информировать о контроле питательных веществ при НБ в ответ на гипоксию и эвтрофикацию. Кроме того, результаты этого исследования применимы к другим прибрежным регионам для визуализации влияния речного транспорта на питательные вещества и первичную продуктивность.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании оценивалась степень воздействия питательных веществ от речных поступлений в залив Наррагансет (NB) на основе модели баланса N-массы путем определения трех теоретических зон. Исторически сложилось так, что влетний период в районе реки Провиденс, западной…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (OIA-1655221, OCE-1655686) и Морским грантом Род-Айленда (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Мы также хотели бы поблагодарить Школу дизайна Род-Айленда за разработку проекта Vis-A-Thon и этой визуализации.
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).
