Visualisierung von Produktivitätszonen basierend auf einem Stickstoffmassenbilanzmodell in Narragansett Bay, Rhode Island

Zusammenfassung

Hier wollen wir die Zonierung der biologischen Produktivität in Narragansett Bay, Rhode Island, basierend auf dem Stickstoffmassenbilanzmodell visualisieren. Die Ergebnisse werden das Nährstoffmanagement in den Küstenregionen beeinflussen, um Hypoxie und Eutrophierung zu reduzieren.

Zusammenfassung

Die Primärproduktivität in den Küstenregionen, die mit Eutrophierung und Hypoxie verbunden ist, liefert ein kritisches Verständnis der Ökosystemfunktion. Obwohl die Primärproduktivität weitgehend von den Nährstoffeinträgen in den Flüssen abhängt, ist die Abschätzung des Ausmaßes der Nährstoffeinflüsse in den Küstenregionen eine Herausforderung. Ein Stickstoffmassenbilanzmodell ist ein praktisches Werkzeug zur Bewertung der Produktivität der Küstenozeane, um biologische Mechanismen über Datenbeobachtungen hinaus zu verstehen. Diese Studie visualisiert die biologischen Produktionszonen in Narragansett Bay, Rhode Island, USA, in denen Hypoxie häufig auftritt, indem sie ein Stickstoffmassenbilanzmodell anwendet. Die Bucht ist in drei Zonen unterteilt - braune, grüne und blaue Zonen - basierend auf der Primärproduktivität, die durch die Ergebnisse des Massenbilanzmodells definiert werden. Braune, grüne und blaue Zonen repräsentieren einen hohen physikalischen Prozess, einen hohen biologischen Prozess und eine niedrige biologische Prozesszone, abhängig von Flussströmung, Nährstoffkonzentrationen und Mischungsraten. Die Ergebnisse dieser Studie können das Nährstoffmanagement im Küstenozean als Reaktion auf Hypoxie und Eutrophierung besser informieren.

Einleitung

Die Primärproduktivität, die Produktion organischer Verbindungen durch Phytoplankton, treibt die Nahrungsnetze des Ökosystems an und ist wichtig für das Verständnis der Funktion des Systems als Reaktion auf Umweltveränderungen ^1,2. Die Primärproduktivität von Ästuaren ist auch eng mit der Eutrophierung verbunden, die als übermäßige Nährstoffe im Ökosystem^{definiert ist 1}, die in den Küstenregionen mehrere schädliche Folgen haben, wie z. B. ein übermäßiges Wachstum von Phytoplankton, das zu großen Algenblüten und anschließender Hypoxie führt ^3,4. Wichtig ist, dass die Primärproduktivität in Ästuaren stark von der Nährstoffbelastung der Flüsse abhängt, insbesondere von den Stickstoffkonzentrationen, die in den meisten gemäßigten Meeresökosystemen der typische limitierende Nährstoff sind ^5,6. Eine Abschätzung des Ausmaßes der Stickstoffbelastungen in Küstengebieten in Flüssen bleibt jedoch eine Herausforderung.

Um die Primärproduktivität des Ästuars abzuschätzen, ist ein Stickstoff (N)-Massenbilanzmodell ein nützliches Werkzeug zur Berechnung von Stickstoffflüssen². Das N-Massenbilanzmodell bietet auch ein Verständnis biologischer Mechanismen über Datenbeobachtungen hinaus und enthüllt Informationen an den Rändern verschiedener primärer Produktivitätszonen⁷. Drei verschiedene Zonen⁸, definiert als braune, grüne und blaue Zonen, sind besonders nützlich, um die Auswirkungen der Nährstoffbelastung in hypoxischen Regionen vorherzusagen. Die braune Zone, definiert als die nächstgelegene Region einer Flussmündung, steht für einen hohen physikalischen Prozess, die grüne Zone für eine hohe biologische Produktivität und die blaue Zone für einen niedrigen biologischen Prozess. Die Grenze jeder Zone hängt von der Flussströmung, den Nährstoffkonzentrationen und den Mischungsraten^{ab 8}.

Die Narragansett Bay (NB) ist ein küstennahes, gemäßigtes Ästuar in Rhode Island, USA, das wirtschaftliche und ökologische Dienstleistungen und Güter unterstützt ^9,10,11, in dem Hypoxie immer wieder auftritt. Diese hypoxischen Ereignisse, definiert als die Periode mit niedrigem gelösten Sauerstoff (d. h. weniger als 2-3 mg Sauerstoff pro Liter), sind besonders im Juli und August weit verbreitet und werden in diesen Monaten stark von der Stickstoffbelastung in Flüssen beeinflusst¹². Angesichts eines Anstiegs der Primärproduktion und Hypoxie aufgrund anthropogener Emissionen von Nährstoffen¹³ ist das Verständnis der Stickstoffeinträge in NB entscheidend für die Bewältigung und Bewältigung von Küstenproblemen wie Eutrophierung und Hypoxie. Daher wird in dieser Studie die Rate der Primärproduktion in NB aus dem N-Massenbilanzmodell unter Verwendung historisch beobachteter Nährstoffdaten, insbesondere gelöster anorganischer Stickstoff (DIN), berechnet. Basierend auf den Ergebnissen des N-Massenbilanzmodells durch Umrechnung in Kohlenstoffeinheiten unter Verwendung des Redfield-Verhältnisses wurden drei verschiedene primäre Produktivitätszonen identifiziert, um das Ausmaß des Stickstoffeinflusses aus dem Fluss in NB zu visualisieren. Das Modell wurde dann in eine 3D-Darstellung umgewandelt, um die verschiedenen Zonen besser zu visualisieren. Die aus dieser Studie hergestellten Produkte können das Nährstoffmanagement bei NB als Reaktion auf Hypoxie und Eutrophierung besser informieren. Darüber hinaus sind die Ergebnisse dieser Studie auf andere Küstenregionen anwendbar, um die Auswirkungen des Flusstransports auf Nährstoffe und Primärproduktivität zu visualisieren.

Protokoll

1. Anwendung des N-Massenbilanzmodells

1. Laden Sie die Daten zu gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) der US-Umweltschutzbehörde (USEPA) für 166 Stationen in der Narragansett Bay von 1990 bis 2015 herunter.
   HINWEIS: In dieser Studie wurde die Summe der Ammoniumkonzentrationen (NH₄⁺), Nitrit (NO₂^-) und Nitrat (NO₃-) als ^{DIN-Konzentration} betrachtet.
2. Teilen Sie die Narragansett Bay in fünfzehn Kästchen entlang ihrer Achse, die gegenüber der vorherigen Studie¹⁴ modifiziert wurden, indem Sie Adobe Illustrator verwendeten, um die Bucht in der Karte zu unterteilen (Abbildung 1).
3. Wenden Sie das N-Massenbilanzmodell an, um die mittlere DIN-Konzentration an jedem Kasten zu berechnen.
   HINWEIS: In dieser Studie wurde das N-Massenbilanzmodell, bestehend aus DIN-Eingangs- und Ausgangstermen, gegenüber früheren Studien ^2,15 modifiziert und als Gleichung 1 auf jede Box (1-15) der Narragansett Bay angewendet.
   Gl. (1)
   Tabelle 1 zeigt die Definitionen der einzelnen Begriffe und Einheiten, die in diesem Modell der Narragansett Bay verwendet werden. Das Modell berechnet die mittlere DIN-Konzentration, indem es die Differenz in jeder Box von Narragansett Bay bestimmt, die die Netto-DIN-Entfernung durch biologische Produktion darstellt. Detaillierte Informationen zum N-Massenbilanzmodell finden Sie in den vorangegangenen Studien ^2,15. Die detaillierten Werte, die im Modell dieser Studie verwendet wurden, wurden aus den vorherigen Studien^{abgeleitet 14}.
4. Berechnen Sie die potenzielle Primärproduktionsrate (PPP) basierend auf den Ergebnissen des N-Massenbilanzmodells, indem Sie den Netto-DIN-Abtrag in Kohlenstoffeinheiten unter Verwendung des Redfield-Verhältnisses (C: N = 106: 16, molares Verhältnis) in einer Tabellenkalkulationsdatei umrechnen.

2. Visualisierung von drei Zonen auf der Karte der Narragansett Bay

1. Zeichnen Sie die identifizierten drei Zonen in der Karte der Narragansett Bay als Konturdiagramm mit der Ocean Data View-Software.
   1. Speichern Sie die KKP-Ratendaten jeder Box als Textdatei (.txt) aus der Tabellenkalkulationsdatei.
      HINWEIS: Die .txt Datei enthält auch die Position der einzelnen Feldnummern als Breiten- und Längengrad. Setzen Sie den Längengrad als negativen Wert. Die KKP-Ratendaten sind als KKP [gC·^m-2·^day-1] gekennzeichnet.
   2. Laden Sie die PPP-Ratendaten in die Ocean Data View-Software.
      1. Gehen Sie zum Öffnen im Menü Datei .
      2. Klicken Sie im Fenster Metadatenvariablenzuordnung auf Variablenfeld verknüpfen, Breitengrad, Längengrad mit Station, Breitengrad [degrees_north] und Längengrad [degrees_east] und klicken Sie dann auf die Schaltfläche OK.
      3. Klicken Sie im Fenster Importieren auf die Schaltfläche OK.
   3. Zeichnen Sie das Konturdiagramm, um die KKP-Bereiche in der Karte von Narragansett Bay anzuzeigen.
      1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Karte, klicken Sie auf Zoom, ziehen Sie das rote Feld, um in den Datenbereich der Karte zu zoomen, und klicken Sie dann auf Enter.
      2. Klicken Sie auf das Fenster 1 SCATTER der Layoutvorlagen im Menü Ansicht .
      3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste in das Bedienfeld "Beispiel " und wählen Sie "Abgeleitete Variablen".
      4. Klicken Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen , nachdem Sie Latitude unter Metadaten aus der Liste des Auswahlbereichs ausgewählt haben. Machen Sie dasselbe für Longitude und klicken Sie dann auf die Schaltfläche OK .
      5. Wählen Sie drvd: Längengrad [degrees_East] als X-Variable, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Streufenster klicken.
      6. Wählen Sie drvd: Breitengrad [degrees_North] als Y-Variable aus, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Streufenster klicken.
      7. Wählen Sie PPP [gC·^m-2·day ^-1] als Z-Variable aus, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Streufenster klicken.
      8. Wählen Sie Eigenschaften , indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Streufenster klicken, und gehen Sie zur Option Anzeigestil .
         1. Wählen Sie das Feld Raster aus .
         2. Gehen Sie zur Option Konturen und klicken Sie auf die Schaltfläche <<, damit die Werte 0, 0,1 und 2 nur in den bereits definierten Bereichen auf der linken Seite verbleiben.
         3. Klicken Sie auf die Schaltfläche OK .
2. Definieren Sie basierend auf dem Konturdiagramm der Ocean Data View Software den Rand der braunen, grünen und blauen Zonen in der Narraganset Bay und visualisieren Sie die Zonen mit Adobe Illustrator, um drei Zonen in der Karte darzustellen.
   HINWEIS: Nach der vorherigen Studie¹⁵ lag die KKP-Rate der braunen Zone über 2 gC·^m-2·^Tag-1, die grüne Zone zwischen 0,1-2 gC·^m-2·^Tag-1 und die blaue Zone unter 0,1 gC·^m-2·^Tag-1.

3. Umwandlung des Konturdiagramms von drei Zonen in den dreidimensionalen (3D) Rahmen mit LED-Licht

1. Ätzen Sie drei Acrylplatten als 5,5 '' x 8 '' mit einem Laserschneider, um die Grenze jeder Zone zu zeigen.
2. Stapeln Sie drei Acrylplatten in einem beleuchteten Rahmen. Überlappen Sie jede Acrylplatte, die die blauen, grünen und braunen Zonen zeigt. Platzieren Sie ein Feld mit grünen Zonen über dem blauen Zonenfeld und ein braunes Zonenfeld darüber.
3. Ätzen Sie für das zweite physische Modell vier Acrylplatten als 5,5 '' x 8 Zoll mit einem Laserschneider, wobei die UV-gedruckten drei Zonengrenzen und eine Platte die gesamte Narragansett Bay darstellen (gemäß den Schritten 3.1-3.2).
4. Ändern Sie die Farbe jeder Zone in Braun, Grün und Blau, indem Sie die LEDs am unteren Rand des Rahmens verwenden.

Ergebnisse

Drei theoretische Zonen der Narragansett Bay basierend auf dem N-Massenbilanzmodell
Die drei theoretischen Zonen in der Narragansett Bay (NB) wurden auf der Grundlage der Ergebnisse des N-Massenbilanzmodells definiert, in dem die DIN-Daten auf fünfzehn Schachteln NB angewendet wurden und dann die mittlere DIN in jeder Schachtel in die KKP-Raten für die Sommerperiode umgerechnet wurde. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurden auf der Grundlage der mittleren KKP-Raten im So...

Diskussion

Diese Studie schätzte das Ausmaß der Nährstoffeinflüsse von Flusseinträgen in der Narraganset Bay (NB) auf der Grundlage des N-Massenbilanzmodells ab, indem die drei theoretischen Zonen definiert wurden. Historisch gesehen traten in der Nähe des Providence River, der Westseite der Greenwich Bay und der Mount Hope Bay während der Sommerperiode hypoxische Zonen auf¹⁸, die in dieser Studie als braune Zonen definiert wurden. Darüber hinaus ist die Zonierung von NB vergleichbar mit den Ergebnis...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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-8x8-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