Visualizzazione delle zone di produttività in base al modello di bilancio di massa dell'azoto nella baia di Narragansett, Rhode Island
Özet
Qui, miriamo a visualizzare la zonazione della produttività biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, sulla base del modello di bilancio di massa dell’azoto. I risultati informeranno la gestione dei nutrienti nelle regioni costiere per ridurre l’ipossia e l’eutrofizzazione.
Abstract
La produttività primaria nelle regioni costiere, legata all’eutrofizzazione e all’ipossia, fornisce una comprensione critica della funzione dell’ecosistema. Sebbene la produttività primaria dipenda in gran parte dagli apporti di nutrienti fluviali, la stima dell’entità delle influenze dei nutrienti fluviali nelle regioni costiere è difficile. Un modello di bilancio di massa dell’azoto è uno strumento pratico per valutare la produttività degli oceani costieri per comprendere i meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati. Questo studio visualizza le zone di produzione biologica nella baia di Narragansett, Rhode Island, USA, dove si verifica frequentemente l’ipossia, applicando un modello di bilancio di massa dell’azoto. La baia è divisa in tre zone – marrone, verde e blu – in base alla produttività primaria, che sono definite dai risultati del modello di bilancio di massa. Le zone marroni, verdi e blu rappresentano un processo fisico elevato, un processo biologico elevato e una zona di processo biologico basso, a seconda del flusso del fiume, delle concentrazioni di nutrienti e dei tassi di miscelazione. I risultati di questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti nell’oceano costiero in risposta all’ipossia e all’eutrofizzazione.
Introduction
La produttività primaria, la produzione di composti organici da parte del fitoplancton, alimenta le reti alimentari dell’ecosistema ed è importante per comprendere la funzione del sistema in risposta ai cambiamenti ambientali 1,2. La produttività primaria degli estuari è anche strettamente legata all’eutrofizzazione, definita come un eccesso di nutrienti nell’ecosistema1, che causa diverse conseguenze dannose nelle regioni costiere, come una crescita eccessiva di fitoplancton che porta a grandi fioriture algali e conseguente ipossia 3,4. È importante sottolineare che la produttività primaria negli estuari dipende fortemente dal carico di nutrienti fluviali, in particolare dalle concentrazioni di azoto, che sono il tipico nutriente limitante nella maggior parte degli ecosistemi oceanici temperati 5,6. Tuttavia, una stima dell’entità degli impatti dell’azoto fluviale nelle aree costiere rimane difficile.
Per stimare la produttività primaria dell’estuario, un modello di bilancio di massa dell’azoto (N) è uno strumento utile per calcolare i flussi di azoto2. Il modello di bilancio di massa N fornisce anche una comprensione dei meccanismi biologici al di là delle osservazioni dei dati, rivelando informazioni ai margini di diverse zone di produttività primaria7. Tre diverse zone8, definite come zone marroni, verdi e blu, sono particolarmente utili per prevedere l’impatto del carico di nutrienti nelle regioni ipossiche. La zona marrone, definita come la regione più vicina alla foce di un fiume, rappresenta un processo fisico elevato, la zona verde ha un’elevata produttività biologica e la zona blu rappresenta un processo biologico basso. Il confine di ciascuna zona dipende dal flusso del fiume, dalle concentrazioni di nutrienti e dai tassi di miscelazione8.
La baia di Narragansett (NB) è un estuario costiero e temperato nel Rhode Island, negli Stati Uniti, che supporta servizi e beni economici ed ecologici 9,10,11, in cui l’ipossia si è verificata costantemente. Questi eventi ipossici, definiti come il periodo di basso livello di ossigeno disciolto (cioè meno di 2-3 mg di ossigeno per litro), sono particolarmente diffusi nei mesi di luglio e agosto e sono fortemente influenzati dal carico di azoto fluviale durante questi mesi12. Con l’aumento della produzione primaria e dell’ipossia dovuta alle emissioni antropogeniche di nutrienti13, la comprensione degli apporti di azoto nel NB è fondamentale per gestire e affrontare problemi costieri come l’eutrofizzazione e l’ipossia. Pertanto, in questo studio, il tasso di produzione primaria in NB è calcolato dal modello di bilancio di massa N utilizzando i dati nutrizionali storicamente osservati, in particolare l’azoto inorganico disciolto (DIN). Sulla base dei risultati del modello di bilancio di massa N convertendo in unità di carbonio utilizzando il rapporto Redfield, sono state identificate tre diverse zone di produttività primaria per visualizzare l’entità dell’influenza dell’azoto dal fiume in NB. Il modello è stato poi ricreato in una rappresentazione 3D per visualizzare meglio le diverse zone. I prodotti ottenuti da questo studio possono informare meglio la gestione dei nutrienti in NB in risposta all’ipossia e all’eutrofizzazione. Inoltre, i risultati di questo studio sono applicabili ad altre regioni costiere per visualizzare gli effetti del trasporto fluviale sui nutrienti e sulla produttività primaria.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo studio ha stimato l’entità degli impatti nutrizionali degli apporti fluviali nella baia di Narraganset (NB) sulla base del modello di bilancio di massa N, definendo le tre zone teoriche. Storicamente, le zone ipossiche sono apparse vicino al fiume Providence, il lato occidentale della baia di Greenwich e la baia di Mount Hope durante il periodo estivo18, che sono state definite come zone marroni in questo studio. Inoltre, la zonazione di NB è paragonabile ai risultati di un precedente stu…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation (OIA-1655221, OCE-1655686) e dal Rhode Island Sea Grant (NA22-OAR4170123, RISG22-R/2223-95-5-U). Vorremmo anche ringraziare la Rhode Island School of Design per aver sviluppato il progetto Vis-A-Thon e questa visualizzazione.
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 |
Referanslar
- 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).
