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摘要

在这里，我们的目标是基于氮质量平衡模型可视化罗德岛州纳拉甘西特湾的生物生产力分区。研究结果将为沿海地区的营养管理提供信息，以减少缺氧和富营养化。

摘要

沿海地区的初级生产力与富营养化和缺氧有关，为生态系统功能提供了重要的理解。虽然初级生产力很大程度上取决于河流养分的投入，但估计沿海地区河流养分影响的程度是具有挑战性的。氮质量平衡模型是评估沿海海洋生产力的实用工具，可以了解数据观测之外的生物机制。本研究通过应用氮质量平衡模型，可视化了美国罗德岛州纳拉甘西特湾经常发生缺氧的生物生产区。海湾根据初级生产力分为三个区域 - 棕色、绿色和蓝色区域，这些区域由质量平衡模型结果定义。 棕色、绿色和蓝色区域代表高物理过程、高生物过程和低生物过程区域，具体取决于河流流量、营养浓度和混合速率。 这项研究的结果可以更好地为沿海海洋的营养管理提供信息，以应对缺氧和富营养化。

引言

初级生产力，即浮游植物产生的有机化合物，为生态系统食物网提供燃料，对于理解系统响应环境变化的功能非常重要1,2。河口初级生产力也与富营养化密切相关，富营养化被定义为生态系统中营养物质过多1，在沿海地区造成一些有害后果，例如浮游植物过度生长导致大量藻类大量繁殖和随后的缺氧 3,4。重要的是，河口的初级生产力高度依赖于河流养分负荷，特别是氮浓度，这是大多数温带海洋生态系统中典型的限制性养分5,6。然而，估计沿海地区河流氮的影响程度仍然具有挑战性。

为了估计河口初级生产力，氮（N）质量平衡模型是计算氮通量的有用工具2。氮质量平衡模型还提供了对数据观测之外的生物机制的理解，揭示了不同初级生产力区边缘的信息7。三个不同的区域 8，定义为棕色、绿色和蓝色区域，对于预测缺氧区域营养负荷的影响特别有用。棕色区域定义为河口最近的区域，代表高物理过程，绿色区域具有高生物生产力，蓝色区域代表低生物过程。每个区域的边界取决于河流流量、营养物浓度和混合速率8.

纳拉甘西特湾（NB）是美国罗德岛州的一个沿海温带河口，支持经济和生态服务和商品9,10,11，其中缺氧一直发生。这些缺氧事件定义为低溶解氧期（即每升氧气少于 2-3 毫克），在 7 月和 8 月尤为普遍，并且在这几个月中受到河流氮负荷的严重影响12.由于营养物质的人为排放，初级生产和缺氧增加13，了解氮输入NB对于管理和解决富营养化和缺氧等沿海问题至关重要。因此，在这项研究中，NB的初级生产率是使用历史观测到的营养数据，特别是溶解无机氮（DIN）从N质量平衡模型计算得出的。基于使用Redfield比率转换为碳单位的N-质量平衡模型的结果，确定了3个不同的初级生产力区，以可视化NB中河流对氮的影响程度。然后将模型重新创建为 3D 表示，以更好地可视化不同的区域。本研究产生的产品可以更好地为NB中的营养管理提供信息，以应对缺氧和富营养化。此外，这项研究的结果适用于其他沿海地区，以可视化河流运输对养分和初级生产力的影响。

研究方案

1. 应用N质量平衡模型

  1. 下载 1990 年至 2015 年美国环境保护署 （USEPA） 纳拉甘西特湾 166 个站点的溶解无机氮 （DIN） 数据。
    注:在这项研究中，铵 （NH4+）、亚硝酸盐 （NO2-） 和硝酸盐 （NO3-） 浓度的总和被认为是 DIN 浓度。
  2. 使用 Adobe Illustrator 将纳拉甘西特湾沿其轴线分成 15 个框，该框是从之前的研究14 修改而来的，以划分地图中的海湾（图 1）。
  3. 应用 N 质量平衡模型来计算每个盒子处 DIN 的平均浓度。
    注:在这项研究中，由DIN输入和输出项组成的N质量平衡模型从以前的研究2,15进行了修改，并作为公式1应用于纳拉甘西特湾的每个盒子（1-15）。
    figure-protocol-576式 （1）
    表 1 显示了纳拉甘西特湾模型中使用的每个术语和单位的定义。该模型通过确定纳拉甘西特湾每个盒子的差异来计算平均DIN浓度，代表生物生产的净DIN去除量。关于N质量平衡模型的详细信息显示在以前的研究中2,15。本研究模型中使用的详细值来自以前的研究14。
  4. 通过在电子表格文件中使用 Redfield 比（C:N = 106:16，摩尔比）将净 DIN 去除量转换为碳单位，根据 N 质量平衡模型结果计算潜在的初级生产 （PPP） 率。

2. 在纳拉甘西特湾地图中可视化三个区域

  1. 使用海洋数据视图软件将纳拉甘西特湾地图中已识别的三个区域绘制为等高线图。
    1. 将每个框的购买力平价数据保存为电子表格文件中的文本文件 （.txt）。
      注意:.txt文件还包括每个箱号的位置，如纬度和经度。将经度设置为负值。购买力平价数据标记为购买力平价[gC·m-2·day-1]。
    2. 将购买力平价数据加载到海洋数据视图软件中。
      1. 转到" 文件 "菜单中打开。
      2. 在元数据变量关联窗口中单击"关联变量框"、"纬度"、"经度与台站"、"纬度 [degrees_north]"和"经度 [degrees_east]"，然后单击"确定"按钮。
      3. 单击"导入"窗口中的"确定"按钮。
    3. 绘制等值线图以显示纳拉甘西特湾地图中的 PPP 范围。
      1. 右键单击地图，单击 缩放，拖动红色框以放大地图的数据区域，然后单击 Enter。
      2. 单击"视图"（View） 菜单中"布局模板"（Layout Templates） 的 1 个散射窗口。
      3. 在 "示例 "面板中单击鼠标右键，然后选择 "派生变量"。
      4. 从"选项"面板列表中选择"元数据"下的"纬度"后，单击"添加"按钮。对 Longitude 执行相同的操作，然后单击"确定"按钮。
      5. 右键单击散点窗口，选择 drvd: Longitude [degrees_East] 作为 X-Variable。
      6. 通过右键单击散点窗口，选择 drvd: Latitude [degrees_North] 作为 Y 变量。
      7. 右键单击散点窗口，选择 PPP [gC·m-2·day -1] 作为 Z 变量。
      8. 通过右键单击散点窗口来选择 "属性 "，然后转到 "显示样式 "选项。
        1. 选择 "网格" 字段。
        2. 转到 等值线 选项并单击 << 按钮使 0、0.1 和 2 值仅保留在左侧 的"已定义窗格 "中。
        3. 单击 "确定 "按钮。
  2. 根据 Ocean Data View Software 的等值线图，定义纳拉甘塞特湾棕色、绿色和蓝色区域的边缘，并使用 Adobe Illustrator 在地图中绘制三个区域，从而可视化这些区域。
    注:根据前的研究15，棕色区域的PPP率分别超过2 gC·m-2·day-1，绿色区域在0.1-2 gC·m-2·day-1之间，蓝色区域小于0.1 gC·m-2·day-1。

3. 用LED灯将三个区域的等值线图转换为三维（3D）框架

  1. 用激光切割机将三块亚克力板蚀刻成 5.5 英寸 x 8 英寸，以显示每个区域的边界。
  2. 将三块亚克力面板堆叠在一个发光的框架中。重叠每个显示蓝色、绿色和棕色区域的亚克力面板。在蓝色区域面板的顶部放置一个显示绿色区域的面板，在其顶部放置一个棕色区域面板。
  3. 对于第二个物理模型，用激光切割机将四张亚克力板蚀刻为 5.5 英寸 x 8 英寸，UV 打印三个区域边界和一个面板以代表整个纳拉甘西特湾（根据步骤 3.1-3.2）。
  4. 使用放置在框架底部的 LED 将每个区域的颜色更改为棕色、绿色和蓝色。

结果

基于N质量平衡模型的纳拉甘西特湾3个理论区
基于N质量平衡模型结果，将DIN数据应用于15箱NB，然后将每个箱中的平均DIN转换为夏季的PPP速率，定义了纳拉甘西特湾（NB）的3个理论区。如 图 2 所示，根据每个盒子的平均夏季（6 月至 9 月）购买力平价率，NB 中的三个（棕色、绿色和蓝色）区域被确定为遵循先前研究中每个区域的购买力平价标准15<...

讨论

本研究基于N-质量平衡模型，通过定义三个理论区域，估计了纳拉甘塞特湾（NB）河流输入对营养物质的影响程度。从历史上看，夏季期间，普罗维登斯河附近、格林威治湾西侧和霍普山湾附近出现了缺氧区18，在本研究中被定义为棕色区。此外，NB的分区与先前研究的结果相当19，该研究检查了NB的养分浓度和初级生产。两者都强调了减少营养努力的重要性。此?...

披露声明

作者没有利益冲突需要声明。

致谢

这项研究得到了美国国家科学基金会（OIA-1655221，OCE-1655686）和罗德岛海洋基金（NA22-OAR4170123，RISG22-R/2223-95-5-U）的支持。我们还要感谢罗德岛设计学院开发 Vis-A-Thon 项目和这个可视化。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Adobe Illustrator Adobeversion 27.6.1https://www.adobe.com/products/illustrator.html
Ampersand Gessobord Uncradled 1/8" Profile 8" x 8"Risdstore70731053088https://www.risdstore.com/ampersand-gessobord-8x8-flat-1-8-profile.html
Ocean Data View softwarehttps://odv.awi.de/en/software/download/
W-Series (Wide) Flexible LED Strip Light - Ultra Bright (18 LEDs/foot)aspectLEDSKU AL-SL-W-Uhttps://www.aspectled.com/products/w-wide-5050-ultra-bright?gclid=CjwKCAjwm4ukBhAuEiwA0z
QxkyqisRPqBcHvXEW8KcJE-bK0d2cvGtqlOxXWJI_
E2rd6DzttPR0FLRoCgfkQAvD_BwE

参考文献

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  3. Kemp, W. M., et al. Eutrophication of Chesapeake Bay: historical trends and ecological interactions. Marine Ecology Progress Series. 303, 1-29 (2005).
  4. 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).
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  6. 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).
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  20. Boesch, D. F. Barriers and bridges in abating coastal eutrophication. Frontiers in Marine Science. 6, 123 (2019).
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