Визуализация зон продуктивности на основе модели баланса массы азота в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд

Резюме

В данной работе мы стремимся визуализировать зональность биологической продуктивности в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд, на основе модели баланса массы азота. Полученные результаты послужат основой для управления питательными веществами в прибрежных районах с целью снижения гипоксии и эвтрофикации.

Аннотация

Первичная продуктивность в прибрежных районах, связанная с эвтрофикацией и гипоксией, обеспечивает критическое понимание функционирования экосистем. Несмотря на то, что первичная продуктивность в значительной степени зависит от поступления питательных веществ в реки, оценка степени влияния речных питательных веществ в прибрежных районах является сложной задачей. Модель баланса массы азота является практическим инструментом для оценки продуктивности прибрежных районов океана для понимания биологических механизмов, выходящих за рамки наблюдений за данными. В этом исследовании визуализируются зоны биологического производства в заливе Наррагансетт, штат Род-Айленд, США, где часто возникает гипоксия, с помощью модели баланса массы азота. Залив разделен на три зоны - коричневую, зеленую и синюю - в зависимости от первичной продуктивности, которая определяется результатами модели баланса масс. Коричневая, зеленая и синяя зоны представляют собой зону высокого физического процесса, высокого биологического процесса и зоны низкого биологического процесса, в зависимости от стока реки, концентрации питательных веществ и скорости смешивания. Результаты этого исследования могут лучше информировать об управлении питательными веществами в прибрежных районах океана в ответ на гипоксию и эвтрофикацию.

Введение

Первичная продуктивность, т.е. производство органических соединений фитопланктоном, питает экосистемные пищевые цепи и важна для понимания функционирования системы в ответ на изменения окружающей среды ^1,2. Первичная продуктивность эстуариев также тесно связана с эвтрофикацией, которая определяется как избыток питательных веществ в экосистеме¹, вызывающий ряд вредных последствий в прибрежных районах, таких как чрезмерный рост фитопланктона, приводящий к большому цветению водорослей и последующей гипоксии ^3,4. Важно отметить, что первичная продуктивность в устьях рек в значительной степени зависит от речной нагрузки питательными веществами, особенно от концентрации азота, который является типичным лимитирующим питательным веществом в большинстве экосистем умеренного пояса океана ^5,6. Тем не менее, оценка масштабов воздействия речного азота на прибрежные районы остается сложной задачей.

Для оценки первичной продуктивности эстуария полезным инструментом для^{расчета потоков} азота 2 является модель баланса азота (N). Модель баланса N-массы также обеспечивает понимание биологических механизмов, выходящих за рамки наблюдений данных, выявляя информацию на границах различных зон первичной продуктивности⁷. Три различные зоны⁸, определяемые как коричневая, зеленая и синяя зоны, особенно полезны для прогнозирования влияния нагрузки питательными веществами в гипоксических областях. Коричневая зона, определяемая как ближайшая область устья реки, представляет собой высокий физический процесс, зеленая зона — высокую биологическую продуктивность, а синяя зона — низкий биологический процесс. Граница каждой зоны зависит от речного стока, концентрации биогенных элементов и скорости перемешивания⁸.

Залив Наррагансетт (NB) - прибрежный эстуарий умеренного пояса в штате Род-Айленд, США, поддерживающий экономические и экологические услуги и товары ^9,10,11, в котором постоянно происходит гипоксия. Эти гипоксические явления, определяемые как период низкого содержания растворенного кислорода (т.е. менее 2-3 мг кислорода на литр), особенно распространены в июле и августе и находятся под сильным влиянием речной азотной нагрузки в эти^{месяцы12}. В условиях увеличения первичной продукции и гипоксии из-за антропогенных выбросов биогенных^{веществ13} понимание поступления азота в НБ имеет решающее значение для управления и решения прибрежных проблем, таких как эвтрофикация и гипоксия. Таким образом, в данном исследовании скорость первичной продукции в NB рассчитывается на основе модели N-массового баланса с использованием исторически наблюдаемых данных о питательных веществах, особенно растворенного неорганического азота (DIN). На основе результатов модели N-массового баланса путем пересчета в углеродные единицы с использованием коэффициента Редфилда были выделены три различные зоны первичной продуктивности для визуализации степени влияния азота из реки в Нью-Йорке. Затем модель была воссоздана в 3D-представление, чтобы лучше визуализировать различные зоны. Продукты, полученные в результате этого исследования, могут лучше информировать о контроле питательных веществ при НБ в ответ на гипоксию и эвтрофикацию. Кроме того, результаты этого исследования применимы к другим прибрежным регионам для визуализации влияния речного транспорта на питательные вещества и первичную продуктивность.

протокол

1. Применение модели баланса N-масс

1. Загрузите данные по растворенному неорганическому азоту (DIN) от Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) для 166 станций в заливе Наррагансетт с 1990 по 2015 год.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании сумма концентраций аммония (NH₄⁺), нитритов (NO₂^-) и нитратов (NO₃^-) рассматривалась как концентрация DIN.
2. Разделите залив Наррагансетт на пятнадцать прямоугольников вдоль его оси, измененной по сравнению с предыдущим^{исследованием 14} , используя Adobe Illustrator, чтобы разделить залив на карте (рис. 1).
3. Примените модель N-массового баланса, чтобы рассчитать среднюю концентрацию DIN в каждой коробке.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании модель баланса N-массы, состоящая из входных и выходных членов DIN, была изменена по сравнению с предыдущими исследованиями ^2,15 и применена к каждому ящику (1-15) залива Наррагансетт в качестве уравнения 1.
   Уравнение (1)
   В таблице 1 приведены определения каждого термина и единицы, используемых в данной модели залива Наррагансетт. Модель рассчитывает среднюю концентрацию DIN, определяя разницу в каждом боксе залива Наррагансетт, представляющую чистое удаление DIN путем биологического производства. Подробная информация о модели N-массового баланса приведена в предыдущих исследованиях ^2,15. Подробные значения, использованные в модели данного исследования, были получены из предыдущих исследований¹⁴.
4. Рассчитайте потенциальную норму первичного производства (PPP) на основе результатов модели N-массового баланса, преобразовав чистое удаление DIN в углеродные единицы с помощью коэффициента Редфилда (C: N = 106: 16, молярное отношение) в файле электронной таблицы.

2. Визуализация трех зон на карте залива Наррагансетт

1. Постройте на карте залива Наррагансетт три зоны в виде контурного графика с помощью программного обеспечения Ocean Data View.
   1. Сохраните данные о ставке PPP для каждого бокса в виде текстового файла (.txt) из файла электронной таблицы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Файл .txt также включает в себя местоположение каждого номера коробки, а также широту и долготу. Поставьте долготу в отрицательное значение. Данные по ставке ППС обозначаются как ППС [гКл·^м-2·^сут-1].
   2. Загрузите данные по ставке ППС в программное обеспечение Ocean Data View.
      1. Перейдите в раздел «Открыть» в меню «Файл ».
      2. Щелкните Связать переменные, Широта, Долгота с Станцией, широтой [degrees_north] и Долготой [degrees_east] в окне Связь переменных метаданных, затем нажмите кнопку ОК.
      3. Нажмите кнопку OK в окне Импорт .
   3. Нарисуйте контурный график, чтобы показать диапазоны PPP на карте залива Наррагансетт.
      1. Щелкните правой кнопкой мыши на карте, выберите Масштаб, перетащите красное поле, чтобы увеличить область данных карты, а затем нажмите Enter.
      2. Щёлкните по окну 1 SCATTER диалога Шаблоны компоновки в меню Вид .
      3. Щелкните правой кнопкой мыши на панели «Образец » и выберите «Производные переменные».
      4. Нажмите кнопку « Добавить » после выбора «Широта» в разделе «Метаданные » в списке панели «Варианты ». Проделайте то же самое для Долготы , а затем нажмите кнопку ОК .
      5. Выберите drvd: Longitude [degrees_East] в качестве X-Variable, щелкнув правой кнопкой мыши по окну разброса.
      6. Выберите drvd: Latitude [degrees_North] в качестве Y-Variable, щелкнув правой кнопкой мыши по окну разброса.
      7. Выберите PPP [gC·^m-2·day ^-1] в качестве Z-переменной, щелкнув правой кнопкой мыши по окну разброса.
      8. Выберите «Свойства», щелкнув правой кнопкой мыши по окну разброса, и перейдите к опции «Стиль отображения».
         1. Выберите поле Grided.
         2. Перейдите к опции Контуры (Contours) и нажмите кнопку <<, чтобы значения 0, 0.1 и 2 оставались только в Уже Определенных Панелях слева.
         3. Нажмите кнопку ОК .
2. На основе изолинии, полученной в программном обеспечении Ocean Data View Software, определите границу коричневой, зеленой и синей зон в заливе Наррагансет и визуализируйте эти зоны с помощью Adobe Illustrator, чтобы нанести на карту три зоны.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно предыдущему исследованию¹⁵, уровень ППС в коричневой зоне составлял более 2 гС·^м-2·^сут-1, в зеленой зоне - 0,1-2 гС·^м-2·^сут-1, а в синей зоне - менее 0,1 гКл·^м-2·^сут-1, соответственно.

3. Преобразование контурного графика трех зон в трехмерный (3D) кадр со светодиодной подсветкой

1. Вытравите три акриловые панели размером 5,5 x 8 дюймов с помощью лазерного резака, чтобы показать границу каждой зоны.
2. Сложите три акриловые панели в раму с подсветкой. Наложите друг на друга каждую акриловую панель, показав синюю, зеленую и коричневую зоны. Поместите панель с зелеными зонами поверх панели синих зон и панель коричневых зон поверх нее.
3. Для второй физической модели вытравите четыре акриловых листа размером 5,5 x 8 дюймов с помощью лазерного резака, напечатав на УФ-принтере три границы зон и одну панель, чтобы представить весь залив Наррагансетт (в соответствии с шагами 3.1-3.2).
4. Измените цвет каждой зоны на коричневый, зеленый и синий с помощью светодиодов, расположенных в нижней части рамки.

Результаты

Три теоретические зоны залива Наррагансетт на основе модели баланса N-масс
Три теоретические зоны в заливе Наррагансетт (NB) были определены на основе результатов модели N-массового баланса, в которой данные DIN были применены к пятнадцати коробкам NB, а затем среднее значение DIN ...

Обсуждение

В этом исследовании оценивалась степень воздействия питательных веществ от речных поступлений в залив Наррагансет (NB) на основе модели баланса N-массы путем определения трех теоретических зон. Исторически сложилось так, что в^{летний период в} районе реки Провиденс, западной...

Материалы

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