תצוגה חזותית של אזורי פרודוקטיביות בהתבסס על מודל איזון מסת חנקן במפרץ נרגנסט, רוד איילנד
Summary
כאן, אנו שואפים לדמיין את הייעוד של פרודוקטיביות ביולוגית במפרץ נרגנסט, רוד איילנד, בהתבסס על מודל איזון מסת החנקן. התוצאות יסייעו לניהול חומרים מזינים באזורי החוף כדי להפחית היפוקסיה ואטרופיקציה.
Abstract
פרודוקטיביות ראשונית באזורי החוף, הקשורה לאטרופיקציה והיפוקסיה, מספקת הבנה קריטית של תפקוד המערכת האקולוגית. אף על פי שהתפוקה הראשונית תלויה במידה רבה בתשומות התזונתיות של הנהר, הערכת היקף ההשפעות התזונתיות של הנהרות באזורי החוף היא מאתגרת. מודל איזון מסת חנקן הוא כלי מעשי להערכת הפרודוקטיביות של האוקיינוס החופי כדי להבין מנגנונים ביולוגיים מעבר לתצפיות נתונים. מחקר זה מדמיין את אזורי הייצור הביולוגיים במפרץ נרגנסט, רוד איילנד, ארה”ב, שם מתרחשת היפוקסיה לעתים קרובות, על ידי יישום מודל איזון מסת חנקן. המפרץ מחולק לשלושה אזורים – חומים, ירוקים וכחולים – בהתבסס על פרודוקטיביות ראשונית, המוגדרת על ידי תוצאות מודל מאזן המסה. אזורים חומים, ירוקים וכחולים מייצגים תהליך פיזיקלי גבוה, תהליך ביולוגי גבוה ואזור תהליך ביולוגי נמוך, בהתאם לזרימת הנהר, ריכוזי החומרים המזינים וקצב הערבוב. תוצאות מחקר זה יכולות ליידע טוב יותר את ניהול החומרים המזינים באוקיינוס החופי בתגובה להיפוקסיה ואטרופיקציה.
Introduction
פרודוקטיביות ראשונית, ייצור תרכובות אורגניות על ידי פיטופלנקטון, מזינה את מארג המזון של המערכת האקולוגית, והיא חשובה להבנת תפקוד המערכת בתגובה לשינויים סביבתיים 1,2. התפוקה הראשונית של אסטוארין קשורה קשר הדוק גם לאטרופיקציה המוגדרת כעודף חומרים מזינים במערכת האקולוגית1, מה שגורם למספר השלכות מזיקות באזורי החוף, כגון צמיחת יתר של פיטופלנקטון המובילה לפריחת אצות גדולות והיפוקסיה 3,4 לאחר מכן. חשוב לציין, התפוקה הראשונית בשפכי נהרות תלויה מאוד בהעמסת חומרי המזון בנהר, במיוחד בריכוזי החנקן, שהם החומרים המזינים המגבילים האופייניים ברוב המערכות האקולוגיות הממוזגותבאוקיינוס 5,6. עם זאת, אומדן היקף השפעות החנקן בנהרות באזורי החוף נותר מאתגר.
כדי להעריך את התפוקה הראשונית של האסטוארין, מודל איזון מסת חנקן (N) הוא כלי שימושי לחישוב שטפי חנקן2. מודל איזון המסה N מספק גם הבנה של מנגנונים ביולוגיים מעבר לתצפיות נתונים, וחושף מידע בקצוות של אזורי פריון ראשוניים שונים7. שלושה אזורים שונים8, המוגדרים כאזורים חומים, ירוקים וכחולים, שימושיים במיוחד לחיזוי ההשפעה של העמסת חומרי מזון באזורים היפוקסיים. האזור החום, המוגדר כאזור הקרוב ביותר לשפך נהר, מייצג תהליך פיזיקלי גבוה, האזור הירוק הוא בעל תפוקה ביולוגית גבוהה, והאזור הכחול מייצג תהליך ביולוגי נמוך. הגבול של כל אזור תלוי בזרימת הנהר, ריכוזי החומרים המזינים וקצב הערבוב8.
מפרץ נרגנסט (באנגלית: Narragansett Bay) הוא שפך חוף ממוזג ברוד איילנד, ארצות הברית, התומך בשירותים וסחורות כלכליות ואקולוגיות 9,10,11, שבו היפוקסיה מתרחשת באופן עקבי. אירועים היפוקסיים אלה, המוגדרים כתקופה של חמצן מומס נמוך (כלומר, פחות מ 2-3 מ”ג חמצן לליטר), שכיחים במיוחד בחודשים יולי ואוגוסט ומושפעים מאוד מעומס חנקן נהרות בחודשים אלה12. עם עלייה בייצור הראשוני והיפוקסיה עקב פליטות אנתרופוגניות של חומרים מזינים13, הבנת תשומות החנקן לתוך NB היא קריטית לניהול וטיפול בבעיות חוף כגון אטרופיקציה והיפוקסיה. לפיכך, במחקר זה, קצב הייצור הראשוני ב- NB מחושב ממודל איזון המסה N באמצעות נתוני מזון שנצפו בעבר, במיוחד חנקן אנאורגני מומס (DIN). בהתבסס על תוצאות מודל איזון המסה N על ידי המרה ליחידות פחמן באמצעות יחס רדפילד, זוהו שלושה אזורי פריון ראשוניים שונים כדי להמחיש את מידת השפעת החנקן מהנהר ב- NB. לאחר מכן המודל נוצר מחדש לייצוג תלת-ממדי כדי להמחיש טוב יותר את האזורים השונים. המוצרים המיוצרים ממחקר זה יכולים ליידע טוב יותר את ניהול החומרים המזינים ב- NB בתגובה להיפוקסיה ואטרופיקציה. יתר על כן, תוצאות מחקר זה ישימות לאזורי חוף אחרים כדי לדמיין את ההשפעות של הובלת נהרות על חומרים מזינים ופרודוקטיביות ראשונית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה העריך את מידת ההשפעות התזונתיות מתשומות נהרות במפרץ נרגנסט (NB) בהתבסס על מודל איזון המסה N על ידי הגדרת שלושת האזורים התיאורטיים. מבחינה היסטורית, אזורים היפוקסיים הופיעו ליד נהר פרובידנס, הצד המערבי של מפרץ גריניץ’, ומפרץ מאונט הופ בתקופת הקיץ18, שהוגדרו כאזורים חומים ב…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (OIA-1655221, OCE-1655686) ומענק הים של רוד איילנד (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). ברצוננו גם להודות לבית הספר לעיצוב של רוד איילנד על פיתוח פרויקט Vis-A-Thon והדמיה זו.
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 |
Referências
- 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).
