Visualization of Productivity Zones Based on Nitrogen Mass Balance Model in Narragansett Bay, Rhode Island

요약

여기서는 질소 질량 균형 모델을 기반으로 로드 아일랜드주 내러갠섯 베이(Narragansett Bay)의 생물학적 생산성 구역을 시각화하는 것을 목표로 합니다. 결과는 저산소증과 부영양화를 줄이기 위해 해안 지역의 영양소 관리에 정보를 제공할 것입니다.

초록

부영양화 및 저산소증과 관련된 해안 지역의 1차 생산성은 생태계 기능에 대한 중요한 이해를 제공합니다. 1차 생산성은 주로 강변의 영양염류 투입량에 의존하지만, 해안 지역의 강변 영양염류 영향 정도를 추정하는 것은 어려운 일이다. 질소 질량 균형 모델은 데이터 관찰을 넘어 생물학적 메커니즘을 이해하기 위해 연안 해양 생산성을 평가하는 실용적인 도구입니다. 본 연구는 저산소증이 빈번하게 발생하는 미국 로드아일랜드주 내러갠섯 베이(Narragansett Bay)의 생물학적 생산 구역을 질소 질량 균형 모델을 적용하여 시각화한 것이다. 베이는 질량 균형 모델 결과에 의해 정의되는 1차 생산성에 따라 갈색, 녹색 및 파란색 영역의 세 가지 영역으로 나뉩니다. 갈색, 녹색 및 파란색 구역은 강의 흐름, 영양염 농도 및 혼합 속도에 따라 높은 물리적 과정, 높은 생물학적 과정 및 낮은 생물학적 과정 영역을 나타냅니다. 이 연구의 결과는 저산소증 및 부영양화에 대한 연안 해양의 영양 관리에 더 나은 정보를 제공할 수 있습니다.

서문

식물성 플랑크톤에 의한 유기 화합물의 생산인 1차 생산성은 생태계 먹이 그물에 연료를 공급하며 환경 변화에 대응하여 시스템의 기능을 이해하는 데 중요합니다 ^1,2. 강어귀의 1차 생산성은 또한 생태계의 과도한 영양분으로 정의되는 부영양화(eutrophication)와 밀접한 관련이^있으며1, 식물성 플랑크톤의 과잉 증식과 같은 해안 지역에 여러 가지 해로운 결과를 초래하여 대규모 녹조 발생과 그에 따른 저산소증 ^3,4을 유발한다. 중요한 것은, 강어귀의 1차 생산성은 강변의 영양염 부하량, 특히 질소 농도에 크게 의존한다는 것인데, 질소 농도는 대부분의 온대 해양 생태계에서 전형적인 제한 영양염류이다 ^5,6. 그러나 해안 지역에서 강변 질소 영향의 정도를 추정하는 것은 여전히 어렵습니다.

강어귀의 1차 생산성을 추정하기 위해, 질소(N) 질량 균형 모델은 질소 플럭스를 계산하는 데 유용한 도구이다². N-질량 균형 모델은 또한 데이터 관찰을 넘어 생물학적 메커니즘에 대한 이해를 제공하여 서로 다른 1차 생산성 영역(⁷)의 가장자리에 있는 정보를 드러낸다. 갈색, 녹색 및 파란색 구역으로 정의되는 세 개의 서로 다른 구역⁽⁸)은 저산소 영역에서 영양염 부하의 영향을 예측하는데 특히 유용하다. 강 하구의 가장 가까운 지역으로 정의되는 갈색 지대는 높은 물리적 과정을 나타내고, 녹색 지대는 높은 생물학적 생산성을 나타내며, 청색 지대는 낮은 생물학적 과정을 나타냅니다. 각 구역의 경계는 하천의 흐름, 영양염류 농도, 혼합률⁸에 따라 달라진다.

내러갠섯 베이(NB)는 미국 로드아일랜드의 해안 온대 강어귀로, 저산소증이 지속적으로 발생하고 있는 경제 및 생태 서비스^및 상품 ^9,10,11을 지원합니다. 용존 산소가 낮은 기간(즉, 리터당 산소 2-3mg 미만)으로 정의되는 이러한 저산소 현상은 특히 7월과 8월에 발생하며 이 기간 동안 강변 질소 부하에 의해 크게 영향을 받는다¹². 영양소의 인위적 배출로 인한 1차 생산과 저산소증의 증가¹³로 인해 NB로의 질소 투입을 이해하는 것은 부영양화 및 저산소증과 같은 해안 문제를 관리하고 해결하는 데 매우 중요합니다. 따라서 이 연구에서 NB의 1차 생산 속도는 역사적으로 관찰된 영양소 데이터, 특히 용존 무기 질소(DIN)를 사용하여 N-질량 균형 모델에서 계산됩니다. Redfield 비율을 사용하여 탄소 단위로 변환한 N-질량 균형 모델의 결과를 기반으로 NB의 강에서 질소 영향의 정도를 시각화하기 위해 3개의 서로 다른 1차 생산성 영역을 식별했습니다. 그런 다음 모델을 3D 표현으로 다시 만들어 다양한 영역을 더 잘 시각화했습니다. 이 연구에서 생산된 제품은 저산소증 및 부영양화에 대한 반응으로 NB의 영양소 관리에 더 나은 정보를 제공할 수 있습니다. 또한, 본 연구의 결과는 다른 해안 지역에도 적용되어 하천 수송이 영양염류와 1차 생산성에 미치는 영향을 시각화할 수 있다.

프로토콜

1. N-질량 균형 모델 적용

1. 1990년부터 2015년까지 내러갠섯 베이(Narragansett Bay)의 166개 관측소에 대한 미국 환경보호국(USEPA)의 용존 무기 질소(DIN) 데이터를 다운로드하십시오.
   참고: 이 연구에서는 암모늄(NH₄⁺), 아질산염(NO₂^-) 및 질산염(NO₃^-) 농도의 합을 DIN 농도로 간주했습니다.
2. Narragansett Bay를 축을 따라 15개의 상자로 분할하고, 이전 연구에서 수정한¹⁴ Adobe Illustrator를 사용하여 지도에서 Bay를 나눕니다(그림 1).
3. N-질량 균형 모형을 적용하여 각 상자에서의 평균 DIN 농도를 계산합니다.
   참고: 이 연구에서는 DIN 입력 및 출력 항으로 구성된 N-질량 균형 모델을 이전 연구 ^2,15에서 수정하여 방정식 1과 같이 Narragansett Bay의 각 상자(1-15)에 적용했습니다.
   식 (1)
   표 1은 이 Narragansett Bay 모형에 사용된 각 용어 및 단위의 정의를 보여줍니다. 이 모델은 생물학적 생산에 의한 순 DIN 제거를 나타내는 Narragansett Bay의 각 상자의 차이를 결정하여 평균 DIN 농도를 계산합니다. N-질량 균형 모델에 대한 자세한 정보는 선행 연구 ^2,15에 나와 있습니다. 본 연구의 모형에 사용된 세부 값은 선행 연구¹⁴에서 도출되었다.
4. 스프레드시트 파일에서 Redfield 비율(C: N = 106:16, 몰비)을 사용하여 순 DIN 제거를 탄소 단위로 변환하여 N-질량 균형 모델 결과를 기반으로 잠재적 1차 생산(PPP) 속도를 계산합니다.

2. Narragansett Bay 지도에서 3개 구역 시각화

1. Ocean Data View 소프트웨어를 사용하여 Narragansett Bay의 지도에서 식별된 3개 구역을 등고선도로 플로팅합니다.
   1. 각 상자의 PPP 속도 데이터를 스프레드시트 파일의 텍스트 파일(.txt)로 저장합니다.
      참고: .txt 파일에는 각 상자 번호의 위치도 위도 및 경도로 포함되어 있습니다. 경도를 음수 값으로 입력합니다. PPP 속도 데이터는 PPP [gC·^m-2·^day-1]로 레이블이 지정됩니다.
   2. PPP 속도 데이터를 Ocean Data View 소프트웨어에 로드합니다.
      1. 파일 메뉴에서 열기로 이동합니다.
      2. 메타데이터 변수 연결 창에서 변수 연결 상자, 위도, 경도와 스테이션, 위도 [degrees_north] 및 경도 [degrees_east]를 클릭한 다음 확인 버튼을 클릭합니다.
      3. 가져오기 창에서 확인 버튼을 클릭합니다.
   3. 등고선도를 그려 Narragansett Bay의 지도에 PPP 범위를 표시합니다.
      1. 맵을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고, 확대/축소를 클릭하고, 빨간색 상자를 끌어 맵의 데이터 영역을 확대한 다음, Enter 키를 클릭합니다.
      2. 보기(View) 메뉴에서 레이아웃 템플릿(Layout Templates)의 1 SCATTER 창을 클릭합니다.
      3. 샘플(Sample) 패널에서 우클릭하고 파생 변수(Derived Variables) 를 선택합니다.
      4. 선택 항목 패널의 메타데이터 아래에서 위도를 선택한 후 추가 버튼을 클릭합니다. 경도에 대해서도 동일한 작업을 수행 한 다음 확인 버튼을 클릭합니다.
      5. 분산형 창에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 drvd: 경도 [degrees_East] 를 X-변수로 선택합니다.
      6. 분산형 창을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 drvd: Latitude [degrees_North] 를 Y-변수로 선택합니다.
      7. 산점창 우클릭 후 PPP [gC·^m-2·day ^-1] 을 Z-Variable로 선택합니다.
      8. 분산형 창을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여 속성(Properties )을 선택하고 디스플레이 스타일(Display Style ) 옵션으로 이동합니다.
         1. 그리드 필드를 선택합니다.
         2. 등고선 옵션으로 이동하고 << 버튼을 클릭하여 0, 0.1 및 2 값만 왼쪽의 이미 정의된 창에만 남도록 합니다.
         3. 확인 버튼을 클릭합니다.
2. Ocean Data View Software의 등고선도를 기반으로 Narraganset Bay의 갈색, 녹색 및 파란색 구역의 가장자리를 정의하고 Adobe Illustrator를 사용하여 구역을 시각화하여 맵에 세 개의 구역을 그립니다.
   참고: 이전 연구¹⁵에 따르면, 갈색 존의 PPP 비율은 각각 2 gC·^m-2·^day-1 이상, 녹색 존은 0.1-2 gC·^m-2·^day-1 사이, 청색 존은 0.1 gC·^m-2·^day-1 미만이었다.

3. LED 조명으로 3 차원 (3D) 프레임으로 3 개의 구역의 등고선 플롯을 변환합니다.

1. 레이저 커터로 3개의 아크릴 패널을 5.5'' x 8''로 에칭하여 각 영역의 경계를 표시합니다.
2. 조명 프레임에 세 개의 아크릴 패널을 쌓습니다. 파란색, 녹색 및 갈색 영역을 표시하는 각 아크릴 패널을 겹칩니다. 파란색 영역 패널 위에 녹색 영역을 표시하는 패널을 배치하고 그 위에 갈색 영역 패널을 배치합니다.
3. 두 번째 물리적 모델의 경우 레이저 커터로 4개의 아크릴 시트를 5.5'' x 8''로 에칭하고 UV로 인쇄된 3개의 영역 경계와 전체 Narragansett Bay를 나타내는 1개의 패널을 사용합니다(3.1-3.2단계 참조).
4. 프레임 하단에 있는 LED를 사용하여 각 영역의 색상을 갈색, 녹색 및 파란색으로 변경합니다.

결과

N-질량 균형 모델을 기반으로 한 Narragansett Bay의 3개 이론적 구역
Narragansett Bay(NB)의 3개 이론적 구역은 N-질량 균형 모델 결과를 기반으로 정의되었으며, 여기서 DIN 데이터는 NB 상자 15개에 적용한 다음 각 상자의 평균 DIN을 여름 기간의 PPP 비율로 변환했습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 각 박스의 평균 여름(6월-9월) PPP 비율을 기반으로 NB의 3개 영역(갈색, 녹색 ?...

토론

이 연구는 세 가지 이론적 구역을 정의하여 N-질량 균형 모델을 기반으로 Narraganset Bay(NB)의 강변 유입으로 인한 영양염류 영향의 정도를 추정했습니다. 역사적으로 저산소 구역은 여름 기간 동안 프로비던스 강, 그리니치 만의 서쪽 및 마운트 호프 베이 근처에서 나타났으며,¹⁸ 이 연구에서는 갈색 구역으로 정의되었습니다. 더욱이, NB의 구역화는 NB의 영양소 농도 및 1차 생산을 ?...

자료

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