Luận văn thạc sĩ " ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việt Nam, việc sử dụng các mô hình toán và các phương pháp số trong nghiên cứu đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả sinh thái trong hệ sinh thái biển ngày càng có nhiều triển vọng. Hướng nghiên cứu này được xây dựng trên cơ sở mô phỏng toán học chu trình chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển nhằm giải quyết, một mặt đánh giá khả năng sản xuất sơ cấp cũng như cường độ vận động và chuyển hoá năng lượng theo các kênh dinh dưỡng, hai là, tìm hiểu các quá trình sản xuất thứ cấp,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ "

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Ngọc Tiến ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Nguyễn Ngọc Tiến ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60 44 97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. ĐOÀN VĂN BỘ Hà Nội - 2012 2
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS. Đoàn Văn Bộ người đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tôi về nhiều mặt. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học, lãnh đạo và các đồng nghiệp Viện Địa chất và Địa vật lý Biển cùng các bạn cùng lớp, đã có những chỉ dẫn và giải đáp quý báu, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Quỹ học bổng Nagao tại Việt Nam - Trung tâm nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường - Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã cấp học bổng cho tôi trong suốt thời gian học Trong quá trình thực hiện, luận văn chắc chắn không tránh khỏi có nhiều thiếu sót, vì vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn có thể hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày tháng Năm 2012 Học Viên Nguyễn Ngọc Tiến 3
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÙNG BIỂN NGHIÊN CỨU VÀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ NĂNG SUẤT SINH HỌC SƠ CẤP TRONG BIỂN ........................................ 7 1.1. Một số điều kiện tự nhiên vùng biển nghiên cứu......................................... 7 1.1.1. Vị trí địa lý ................................................................................................................... 7 1.1.2. Điều kiện khí tượng, hải dương vùng nghiên cứu ............................................. 8 1.2. Các vấn đề về năng suất sinh học sơ cấp trong biển .................................. 11 1.2.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu năng suất sinh học trong biển ........................11 1.2.2. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu năng suất sinh học sơ cấp ở vùng biển nghiên cứu ....................................................................................................................12 1.2.3. Một số phương pháp đo và tính toán năng suất sinh học sơ cấp ................15 CHƯƠNG 2: ÁP DỤNG MÔ HÌNH CHU TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG HỆ SINH THÁI BIỂN ĐỂ TÍNH TOÁN NĂNG SUẤT SINH HỌC SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ ............... 17 2.1. Sơ đồ chu trình chuyển hóa Nitơ trong hệ sinh thái biển ........................... 17 2.2. Mô phỏng toán học chu trình chuyển hóa Nitơ ......................................... 18 2.2.1. Mô phỏng toán học các quá trình chuyển hóa ................................................. 18 2.2.2. Mô phỏng toán học quá trình sản xuất vật chất hữu cơ ................................24 2.2.3. Các thông số sử dụng trong mô hình ..................................................................26 2.3. Phương pháp giải mô hình ....................................................................... 27 2.4. Dữ liệu cho mô hình ............................................................................... 30 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH................................... 37 3.1. Kết quả tính toán sản xuất sơ cấp ............................................................. 37 3.1.1. Phân bố thực vật phù du ........................................................................................37 3.1.2. Phân bố động vật phù du .......................................................................................46 3.1.3. Phân bố năng suất thô ............................................................................................55 3.1.4. Phân bố năng suất tinh ...........................................................................................64 3.1. 5. Phân bố năng suất thứ cấp ...................................................................................73 3.2. Kết quả tính toán hiệu quả sinh thái ......................................................... 81 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86 4
MỞ ĐẦU Ở Việt Nam, việc sử dụng các mô hình toán và các phương pháp số trong nghiên cứu đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả sinh thái trong hệ sinh thái biển ngày càng có nhiều triển vọng. Hướng nghiên cứu này được xây dựng trên cơ sở mô phỏng toán học chu trình chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển nhằm giải quyết, một mặt đánh giá khả năng sản xuất sơ cấp cũng như cường độ vận động và chuyển hoá năng lượng theo các kênh dinh dưỡng, hai là, tìm hiểu các quá trình sản xuất thứ cấp, đặc biệt là đối với các đối tượng hải sản có giá trị kinh tế. Đó là những thông số quan trọng phục vụ việc nghiên cứu đánh giá các nguồn lợi sinh vật, phục vụ việc định hướng quy hoạch khai thác và sử dụng các vực nước hợp lý và cuối cùng là phục vụ cho công tác đánh giá và quản lý chất lượng môi trường biển. Đề tài “Đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả sinh thái vùng biển vịnh Bắc Bộ” không chỉ nhằm mục đích có được chu trình chuyển hoá Nitơ để đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả sinh thái mà mục tiêu chủ yếu của đề tài là ứng dụng phương pháp mô hình hoá toán học trong nghiên cứu môi trường và hệ sinh thái biển. Đề tài đặt ra 5 nội dung sau đây: - Thu thập số liệu, tài liệu, phương pháp, mô hình phục vụ cho tính toán. - Nghiên cứu, ứng dụng mô hình chu trình chuyển hóa Nitơ cho vịnh Bắc Bộ. - Xác định quá trình sản xuất sơ cấp cho vùng biển vịnh Bắc Bộ trung bình tháng và các tầng sâu chuẩn. - Xác định hiệu quả sinh thái và diễn giải phân tích chi tiết. - Phân tích, đánh giá các kết quả thu được. Ở nội dung thứ hai, trên cơ sở một mô hình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển do các nhà khoa học của Phòng nghiên cứu Địa Thuỷ Động lực và Môi trường (GeoHydrodynamics and Environment Research Laboratory-GHER) thuộc Đại học Tổng hợp Liege (Vương quốc Bỉ) xây dựng, PGS.TS Đoàn Văn Bộ đã cải tiến và bổ sung thêm một số quá trình sinh hoá học trong chu trình. Mô hình chu trình Nitơ 5
đơn giản bao gồm bao gồm 5 hợp phần: thực vật phù du (Phytoplankton), động vật phù du (Zooplankton), chất hữu cơ hoà tan (Dissolved Organic Matter), Amoni (Amonium) và Nitrat (Nitrate). Mô hình toán mô phỏng chu trình chuyển hoá Nitơ là một hệ gồm 5 phương trình vi phân thường, được xây dựng trên cơ sở nguyên lý bảo toàn. Từng quá trình chuyển hoá trong chu trình được mô phỏng và tham số hoá trên cơ sở định luật tối thiểu Liebig và các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các tác giả trong và ngoài nước. Trong mô hình, 38 thông số sinh thái và môi trường (các hằng số) đã được sử dụng. Phương pháp Runge - Kuta giải hệ 5 phương trình vi phân thường của mô hình cũng đã được tìm hiểu và lập trình bằng ngôn ngữ Fortran. Các tính toán được thực hiện trên cơ sở nguồn số liệu của ủy ban Đại dương và Khí quyển (NOAA) (website: http://www.nodc.noaa.gov). Từ các dữ liệu này đã trích ra và lưu ra nhiệt độ trung bình 12 tháng trên các tầng chuẩn ở vùng nghiên cứu (từ vĩ độ 160N đến 220N và từ kinh độ 1050E đến 1100E làm đầu vào cho mô hình. 6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VÙNG BIỂN NGHIÊN CỨU VÀ CÁC VẤN ĐỀ VỀ NĂNG SUẤT SINH HỌC SƠ CẤP TRONG BIỂN 1.1. Một số điều kiện tự nhiên vùng biển nghiên cứu 1.1.1. Vị trí địa lý Hình 1: Vùng biển nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ là một trong những vịnh lớn ở Đông Nam Á và Thế giới có diện tích khoảng 126.250 km2 (36.000 hải lý vuông), chiều ngang nơi rộng nhất khoảng 310 km (176 hải lý), nơi hẹp nhất ở cửa vịnh rộng khoảng 220 km (119 hải lý). Vịnh có hai cửa, eo biển Quỳnh Châu nằm giữa bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam với bề rộng khoảng 19 hải lý và cửa chính của vịnh từ đảo cồn cỏ (Việt Nam) tới mũi Oanh Ca (đảo Hải Nam, Trung Quốc) rộng khoảng 112 hải lý. Chiều dài bờ biển phía Việt Nam khoảng 763 km, phía Trung quốc khoảng 695 km. Phần vịnh phía Việt Nam có khoảng 2.300 hòn đảo, đá ven bờ, có đảo Bạch Long Vĩ nằm cách đất liền Việt Nam khoảng 110 km, cách đảo Hải Nam 130 km. Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lược quan trọng đối với Việt Nam và Trung Quốc cả về kinh tế lẫn quốc 7
phòng, an ninh. Vịnh là nơi chứa tài nguyên thiên nhiên biển, đặc biệt là hải sản và dầu khí. Về hải sản, đại bộ phận các ngư trường chính nằm gần bờ biển Việt Nam và Tây Nam đảo Bạch Long Vĩ. Vịnh Bắc Bộ là một trong những ngư trường và nguồn cung cấp hải sản quan trọng cho hai nước Việt Nam và Trung Quốc. Khu vực giữa vịnh và cửa vịnh có bồn trũng Sông Hồng có khả năng chứa dầu khí. Vịnh Bắc Bộ là cửa ngõ giao lưu lớn và lâu đời của Việt Nam ra thế giới, trong đó có Trung Quốc, có tầm quan trọng đặc biệt với sự phát triển kinh tế, thương mại quốc tế cũng như bảo vệ an ninh, quốc phòng của nước ta. [13, 14]. 1.1.2. Điều kiện khí tượng, hải dương vùng nghiên cứu Khí hậu Khí hậu vịnh Bắc Bộ được chia thành 2 mùa: mùa đông lạnh bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, nhiệt độ không khí trung bình 13,9-20,30C, gió hướng bắc và đông - bắc thống trị, mạnh nhất trong các tháng 12, 1, 2; Mùa hè nóng từ tháng 5 đến tháng 9 với nhiệt độ không khí trung bình năm dao động trong khoảng 260C-30, 40C gió hướng nam và đông - nam chiếm ưu thế. Mùa mưa ở vịnh Bắc Bộ thường trùng với mùa hè, tập trung chủ yếu ở tháng 7, 8, 9 chiếm trên 55% lượng mưa cả năm. Lượng mưa trung bình trên vịnh đạt 1500mm, phía bờ tây mưa nhiều hơn phía bờ đông, lớn nhất ở phía tây bắc vịnh, nhỏ nhất ở bờ tây đảo Hải Nam [14]. Biến động nhiệt độ không khí theo thời gian. Chênh lệch nhiệt độ không khí tại vịnh Bắc Bộ giữa các tháng trong năm vào khoảng 9 – 11oC. Nhiệt độ cao nhất thường xảy ra vào tháng 8, đạt khoảng 30 – 32oC và thấp nhất thường xảy ra vào tháng 2, đạt khoảng 20 – 21oC. Biến động của nhiệt độ không khí theo mùa được trình bày trong bảng 1. Bảng 1: Biến động nhiệt độ không khí theo mùa (oC) [14] Mùa Nhiệt độ không khí Xuân Hạ Thu Đông Cao nhất 26.3 30.4 27.6 20.3 Trung bình 22.6 28.8 25.6 18.7 Thấp nhất 18.4 26.0 21.7 13.9 8
Hoàn lưu Hệ thống hoàn lưu và các khối nước vịnh Bắc Bộ cũng có những đặc trưng riêng liên quan đến các điều kiện tự nhiên đặc thù của vịnh. Khối nước lạnh ven bờ tây được hình thành ở vùng tây bắc vịnh từ đầu mùa đông và tồn tại trong thời gian 3 -4 tháng. Do dòng chảy mùa đông chi phối nên khối nước này xâm nhập xuống phía nam. Trong quá trình dịch chuyển, nhiệt độ có thể tăng lên, độ muối có thể giảm đi do ảnh hưởng của nước các cửa sông. Khối nước mặt ngoài khơi nam Biển Đông chiếm hầu hết nửa phía đông vịnh trong mùa đông và phần lớn vịnh trong mùa hè.Trong mùa đông, khối nước này bị biến tính dưới tác động của gió mùa đông bắc. Khối nước nhạt - lợ ven bờ trong mùa hè được hình thành từ các khu vực cửa sông (đáng kể nhất là sông Hồng và sông Lam), lan rộng ra đến độ sâu 20 - 30m. Đây là khối nước có độ muối thấp, nhiệt độ cao, giầu dinh dưỡng và có khả năng bị ô nhiễm bởi các yếu tố từ lục địa tải ra. Những điều kiện tự nhiên của vịnh Bắc Bộ kể trên đã chi phối trực tiếp hoặc gián tiếp với các mức độ và quy mô khác nhau đến sự phân bố và biến động của các yếu tố hoá học và môi trường biển vịnh Bắc Bộ. Trị số pH Nước biển ngoài khơi vịnh Bắc Bộ mang đặc trưng kiềm yếu, có trị số pH khá ổn định trong khoảng 8,00 đến 8,40. Đây là kết luận của chương trình khảo sát hợp tác Việt - Trung, Việt - Xô. Trong các đợt khảo sát sau này, tính chất môi trường kiềm yếu của nước biển vịnh Bắc Bộ không thay đổi. Tuy nhiên, tại nửa phía tây vịnh, nhất là các khu vực cửa sông và lân cận, mặc dù tính chất kiềm yếu vẫn được bảo toàn song trị số pH nước biển có sự dao động lớn hơn, với giá trị thường biến đổi trong khoảng 7,2 đến 8,3. Đặc điểm này có liên quan chặt chẽ với quy mô và cường độ quá trình tương tác biển – lục địa, theo đó khối nước ngọt lợ có pH thấp từ các cửa sông đổ ra lan tràn hầu khắp vùng biển ven bờ. Cũng với nguyên nhân này đã làm pH nước biển ven bờ phía bắc vịnh thường nhỏ hơn khu vực phía nam. Theo độ sâu, xu thế pH giảm thể hiện ở hầu hết các khu vực khác nhau trên vịnh. Tuy nhiên do đặc trưng xáo trộn thẳng đứng theo mùa ở 9
vùng biển nông mà trong mùa đông sự phân tầng pH thể hiện không rõ. Biến đổi mùa của pH nước biển khơi vịnh Bắc Bộ thể hiện quy luật mùa hè cao, mùa đông thấp tùy thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ nước trong các mùa. Tuy nhiên, do nhiều quá trình chi phối nên có nhiều nơi, nhất là khu vực biển ven bờ đặc điểm này thể hiện không rõ dẫn đến trong năm pH có thể có nhiều cực trị. Ôxy hoà tan Theo kết quả phân tích từ Cơ sở dữ liệu Hải dương học 1960 - 1994 (Trung tâm Động lực và Môi trường Biển) và át lát đại dương thế giới (WOA - Database), nồng độ Oxy hòa tan (DO) nước tầng mặt vịnh Bắc Bộ thường dao động trong khoảng 4 - 6mg/l và biến đổi với xu thế giảm dần từ mùa đông sang mùa hè, thấp nhất vào các tháng 6 - 8 . Kết quả khảo sát hợp tác Việt - Xô trong năm 1961 - 1962 đã cho thấy điều đó. Biển động DO như vậy chủ yếu phụ thuộc vào nền nhiệt, muối khác nhau trong các mùa, theo đó sự hòa tan khí Oxy từ khí quyển vào nước biển cũng khác nhau. Theo độ sâu, DO thể hiện rõ quy luật giảm từ mặt đến đáy. Nét đặc trưng trong biến đổi này ở vùng biển khơi là xuất hiện cực đại DO trong lớp nước 20 - 30m, rõ nhất trong mùa hè. Đặc điểm trên có liên quan đến hoạt động quang hợp của thực vật nổi thường xảy ra mạnh hơn trong lớp nước dưới mặt. Ở các khu vực biển có độ sâu
Về giá trị, các muối dinh dưỡng ở vịnh Bắc Bộ có khoảng biến đổi khá rộng và chưa thấy có chuyến khảo sát nào trước đây phát hiện nồng độ các muối dinh dưỡng bằng 0, trừ Nitrit Bảng 2: Biển đổi nồng độ muối dinh dưỡng trong nước biển vịnh Bắc Bộ [14] Yếu tố Gần bờ, cửa sông Ngoài khơi và cửa vịnh Amoni (mgN/m3) 1 - 20 - Nitrit (mgN/m3) 0 - 20 0 – 15 Nitrat (mgN/m3) 10 - 60 5 – 20 Phốtphat (mgP/m3) 5 - 150 2 – 50 Silicat (mgSi/m3) 1000 - 16000 200 – 6000 1.2. Các vấn đề về năng suất sinh học sơ cấp trong biển 1.2.1. Ý nghĩa của việc nghiên cứu năng suất sinh học trong biển Tương tự như ở các hệ sinh thái khác, thế giới sinh vật biển được chia làm 3 nhóm: sinh vật sản xuất (tự dưỡng), sinh vật tiêu thụ và sinh vật hoại sinh (dị dưỡng) [3]. Sinh vật sản xuất là các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ trong môi trường nhờ hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời. Đó là các loài thực vật khác nhau sống trong các tầng nước, sống bám hoặc sống trong các lớp bùn cát mỏng ở đáy và một số loài vi khuẩn tự dưỡng như vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn hoá tổng hợp. Trong số sinh vật kể trên, thực vật nổi (Phytoplankton) là bộ phận sản xuất chủ yếu bởi chúng luôn chiếm ưu thế về khối lượng và tốc độ tổng hợp chất hữu cơ trong biển [3]. Sinh vật tiêu thụ là các sinh vật dị dưỡng có đặc tính chung là sử dụng các chất hữu cơ có sẳn như thực vật, các động vật khác, vi khuẩn hoặc các phần tử hữu cơ làm thức ăn. Chúng gồm các loài động vật khác nhau sống trong nước và trong nền đáy. Tuỳ theo các kiểu quan hệ dinh dưỡng giữa các nhóm động vật mà chúng được xếp vào các bậc dinh dưỡng khác nhau [3]. Động vật bậc một (chủ yếu là động vật nổi), là nhóm chọn đối tượng thức ăn là thực vật, tiếp đến là động vật bậc hai sử dụng động vật bậc 1 làm thức ăn… cho đến các lài động vật 11
bậc cao (cá, thú biển). Trong sinh học, khái niệm năng suất sinh học được hiểu là lượng vật chất hữu cơ được tạo ra trong một đơn vị thể tích (diện tích) và trong một đơn vị thời gian do các hoạt động sinh học của sinh vật. Lượng vật chất hữu cơ được tạo ra do quang hợp của thực vật được gọi là sản phẩm sơ cấp, tạo ra do các hoạt động dinh dưỡng của động vật gọi là sản phẩm thứ cấp. Rõ ràng sản phẩm sơ cấp trong biển là những chất hữu cơ đầu tiên được thành tạo từ các chất vô cơ nhờ quang hợp, có ý nghĩa đặc biệt quan trong trong chuỗi thức ăn và xích dinh dưỡng của hệ sinh thái biển. Hiểu biết và kiểm soát được năng suất sinh học sơ cấp trong biển đồng nghĩa với việc đánh giá được sản lượng và trữ lượng các loài sinh vật bậc cao. 1.2.2. Tổng quan một số kết quả nghiên cứu năng suất sinh học sơ cấp ở vùng biển nghiên cứu Phân bố và biến động năng suất sinh học sơ cấp Về giá trị và sự biến động sức sản xuất sơ cấp qua các năm từ 1959 đến nay So với các khu vực khác trong Biển Đông, vịnh Bắc Bộ là khu vực có sức sản xuất sơ cấp khá cao. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu hiện có cho thấy, năng suất sinh học sơ cấp thô ở vịnh Bắc Bộ có giá trị trung bình vào cỡ 100 mgC/m3/ngày, cá biệt có nơi có lúc đạt trên 300 mgC/m3/ngày và cao hơn [1, 2, 4, 6, 7, 8, 9]. Sức sản xuất sơ cấp ở vịnh Bắc Bộ có sự biến động không nhiều qua các năm từ 1959 đến nay. Theo giá trị trung bình, năng suất sinh học sơ cấp lớn nhất và nhỏ nhất ở các khu vực khác nhau chỉ hơn kém nhau độ 2 - 3 lần,các cực trị đã gặp cũng chỉ hơn kém nhau khoảng 10 lần. Cụ thể :cực trị nhỏ nhất của năng suất sinh học sơ cấp thô là 40 mgC/m3/ngày tại cửa vịnh tháng 10 - 1959 (tính toán của Nguyên Tác An qua độ lệch biến trình ngày Oxy hòa tan trong đợt khảo sát hợp tác việt - Trung) nhỏ hơn khoảng 10 lần so với cực trị lớn nhất 412 mgC/m3/ngày tại tây nam đảo Cô Tô tháng 8 - 2000 (tính toán của đề tài KĐL - CLS-01 từ kết quả đo hiệu ứng Oxy trong cặp bình đen trắng ). Tuy nhiên sự biến động như trên còn quá nhỏ so với các vùng biển ôn đới (có thể trên 50 lần) [1, 6]. 12
Về phân bố của năng suất sơ cấp trong vịnh Bắc Bộ Xu thế chung phân bố theo mặt rộng của năng suất sơ cấp (NSSC) trong vịnh Bắc Bộ là giảm từ bờ ra khơi, từ bắc vào nam. Khu vực tây bắc vịnh (Hải phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thái Bình) có NSSC cao nhất, khu vực giữa và cửa vịnh có NSSC nhỏ hơn. Theo độ sâu, NSSC thường đạt cực đại trong lớp nước 10 - 20m. Trên cơ sở tập hợp kết quả từ các nghiên cứu hiện có, có thể thấy và so sánh NSSC ở các khu vực khác nhau trong vịnh Bắc Bộ như bảng 3, hình 2 [1, 2, 4, 6, 7, 8, 9]. Bảng 3: Giá trị trung bình năng suất sinh học sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tại các khu vực trong vịnh Bắc Bộ (tổng hợp các kết quả nghiên cứu hiện có) NSSC thô (mgC/m3/ngày) Các khu vực Phương pháp Nguồn, thời Mùa Mùa nghiên cứu gian nghiên cứu hè đông Ven bờ tây bắc vịnh 121 Hợp tác Việt- Ven bờ tây nam vịnh 105 Độ lệch biến Trung, Việt-Xô trình ngày Ôxy Ven bờ đông vịnh 108 điều tra VBB hoà tan 1959-1962 Cửa vịnh 81 Lân cận cửa sông Hồng, mùa hè 120 Đề tài KT-03-10 Khu vực Bạch Long Vĩ (giữa Mô hình toán (8/1994) 80 vịnh), mùa hè Vùng triều cửa sông Hồng, cuối Đề tài KT-03-11 150 mùa Hè (10/1994) Hiệu ứng dinh Dự án Vịnh Hạ Long, mùa đông 66 dưỡng PO4 SIDA/SAREC (1/1997) Xung quanh đảo Cô Tô Quảng Đề tài KĐL-CIS- 175 Ninh, mùa hè 01 (8/2000) Bình đen trắng Đề tài KĐL- Đông nam đảo Cát Bà, mùa đông 146 CIS-01 (12/2001) Vùng biển ven bờ Quảng Ninh (độ Đề tài KĐL-CIS- 228 sâu
Đề tài KĐL- Vùng biển thoáng Quảng Ninh mùa 82 CIS-01 đông (độ sâu 10-35m) (12/2001) Vịnh Bắc Bộ (Khu vực Hải Phòng) 147 157 Vịnh Bắc Bộ (Khu vực Thanh Hoá) 97 195 Đề tài KC-09- Bình đen trắng 17 (2003-2004) Vịnh Bắc Bộ (Khu vực Quảng 232 337 Bình) 105 106 107 108 109 110 Trung Quèc 22 22 Qu¶ng Ninh Hµ Néi 21 228 21 19 194 Tp.H¶i Phßng 145 4 150 Th¸i B×nh 121 150 Nam §Þnh 80 §.B¹ch Long VÜ 20 120 20 Thanh Hãa 108 140 NghÖ An 19 §¶o H¶i Nam 19 80 105 Hµ TÜnh 18 18 80 Qu¶ng Binh 17 Lµo 17 Qu¶ng TrÞ Thõa Thiªn HuÕ 105 106 107 108 109 110 Hình 2: Sức sản xuất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tại vịnh Bắc Bộ [6 ] 14
1.2.3. Một số phương pháp đo và tính toán năng suất sinh học sơ cấp Nguyên tắc chung Sản lượng sinh vật là lượng chất hữu cơ được hình thành bởi quần thể sinh vật trong một khoảng thời gian nào đó. Một phần của sản lượng được gọi là sinh khối, tức là lượng chất hữu cơ của các cá thể tại thời điểm nghiên cứu, không phụ thuộc vào khoảng thời gian mà các cá thể tồn tại. Sinh khối (sinh vật lượng) chỉ phản ánh khối lượng tức thời khi lấy mẫu. Giữa sinh khối và sản lượng sinh vật có mối quan hệ với nhau [11, 12]: P(t1-t2) = B (t2) - B(t1) + R Ở đây: P(t1-t2) – sản lượng sinh vật trong khoảng thời gian t1-t2 ; B (t2) và B(t1) - khối lượng sinh vật tại thời điểm t2 và t1 ; R – khối lượng (sản lượng) sinh vật đã bị hao hụt trong khoảng thời gian t1-t2 : Như vậy sinh vật lượng sinh vật của thuỷ vực ở một thời điểm nào đó (t2) chỉ được coi là tổng của sinh vật lượng sinh vật có ở thời điểm trước đó (t1) cộng với khối lượng sinh vật mới được sản sinh ra trong khoảng thời gian t1 đến t2, trừ đi khối lượng sinh vật đã bị hao hụt trong khoảng thời gian đó (do chết, khai thác…). B(t2) = B (t1) + P(t1-t2) - R Sản lượng sinh vật trên đơn vị thời gian phản ánh cường độ sản xuất chất hữu cơ và được gọi là năng suất sinh học. Chỉ số cường độ sản xuất chất hữu cơ là hệ số P/B, hay sản lượng riêng, là tỷ số của sự gia tăng sinh khối trong thời gian nghiên cứu so với khối lượng trung bình cũng trong thời gian đó. Đây là một hiệu quả sinh thái quan trong đánh giá tiềm năng sinh học của thủy vực. NSSC là kết quả của quá trình sinh tổng hợp bậc nhất trong vực nước, gồm quang hợp và dinh dưỡng khoáng. Để tính năng suất sơ cấp, người ta phải tính đến cường độ quang hợp của thực vật trong các lớp nước khác nhau của vực nước và khi tổng lại ta có tổng năng suất tính trên đơn vị 1 m2 (cột nước từ mặt đến độ sâu tính toán, thiết diện 1m2). Đại lượng này gọi là giá trị tích phân của NSSC. NSSC được chia thành NSSC thô và NSSC tinh. NSSC tinh chính là sản phẩm sơ cấp còn lại mà các sinh vật tiêu thụ có thể sử dụng tiếp lên trong chuổi thức ăn ở 15
vùng biển. Theo nguyên lý bảo toàn ta có [3]: PN = PG - PR Trong đó: PN - là NSSC tinh, PG - là NSSC thô, PR - là phần chất hữu cơ được thực vật quang hợp sử dụng trong hô hấp. Một số phương pháp đo và tính năng suất sinh học sơ cấp thường gặp - Phương pháp đồng vị phóng xạ - Phương pháp xác định hàm lượng sắc tố quang hợp - Phương pháp bình sáng - tối - Phương pháp mô hình hóa Phương pháp mô hình hóa dựa trên cơ sở mô phỏng các quá trinh sinh, lý, hoá học diễn ra phức tạp trong hệ sinh thái biển bằng các phương trình toán học. Các quá trình thường được quan tâm mô phỏng là quang hợp, hô hấp, dinh dưỡng, phân giải và khoáng hoá chất hữu cơ. Mục đích cuối cùng của mô hình là có được những dự đoán về trạng thái của hệ sinh thái biển trong một giai đoạn nào đó hoặc tại một thời điểm nào đó. Nhờ đưa vào mô hình những thông số môi trường gần với điều kiện thực, cho phép mô phỏng toán học các quá trình tự nhiên một cách chi tiết, kết hợp với việc xử lý thông tin nhanh bằng các phương tiện tính toán hiện đại, các mô hình có thể cho ra những kết quả hiện thực và tổng quát. Hiện nay đang có hai hướng phát triển phương pháp này, đó là: Mô hình chu trình chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển (gọi là mô hình sinh thái biển), hai là: kết hợp mô hình sinh thái biển với mô hình thuỷ động lực (gọi là mô hình sinh thái – thuỷ động lực) [5, 18]. Luận văn này sử dụng mô hình sinh thái biển. 16
CHƯƠNG 2: ÁP DỤNG MÔ HÌNH CHU TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG HỆ SINH THÁI BIỂN ĐỂ TÍNH TOÁN NĂNG SUẤT SINH HỌC SƠ CẤP VÀ HIỆU QUẢ SINH THÁI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ 2.1. Sơ đồ chu trình chuyển hóa Nitơ trong hệ sinh thái biển Mô hình chu trình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển được biểu diễn trên sơ đồ hình 3 [9, 15, 16] PHY 3 3a ZOO Trong đó: 3b - Thực vật phù du (Phytoplankton- DOM sinh khối được ký hiệu là PHY) 5 6 - Động vật phù du (Zooplankton - 1 4 7 ZOO) 2 1a AMO - Chất hữu cơ hoà tan (Dissolved 2a Organic Matter - nồng độ được ký 8 hiệu là DOM) 1b - Amoni (Amonium - AMO) NIT 9 2b - Nitrat (Nitrate – NIT) - → : Hướng chuyển hoá Hình 3: Sơ đồ chu trình chuyển hoá Nitơ Trong mô hình chu trình Nitơ sinh khối hoặc hàm lượng các hợp phần được tính bằng số micro nguyên tử gam Nitơ có trong 1 lít nước biển có thể quy đổi đơn vị này thành các đơn vị thường sử dụng trong nghiên cứu biển ở Việt Nam, như sau: 1 µAT-gN tương đương 0,014 mg-N 1 µAT-gN/l trong chất hữu cơ tương đương 660 mg/m3 lượng chất tươi, hoặc 99 mg/m3 lượng chất khô, hoặc 39,6 mg-C/m3 tính theo lượng Cacbon hữu cơ. 1 mg lượng sản phẩm khô có thế năng dinh dưỡng 9,379 cal. C¸c qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ vËt chÊt trong chu tr×nh Nit¬ (ký hiÖu tõ sè 1 ®Õn 9 trªn s¬ ®å) ®−îc diÔn t¶ nh− sau [15, 16, 18]: Quá trình chuyển hoá 1: Quang hợp của Phytoplankton, trong đó 1a sử dụng Amoni, 1b sử dụng Nitrat. Quá trình chuyển hoá 2: Hô hấp của Phytoplankton, trong đó 2a giải phóng Amoni, 2b giải phóng Nitrat. Qúa trình chuyển hoá 3: Dinh dưỡng của Zooplankton, trong đó 3a đồng 17
hóa, 3b không đồng hóa. Quá trình chuyển hoá 4: Hô hấp của Zooplankton, giải phóng Amoni Quá trình chuyển hoá 5 và 6: Chết tự nhiên của quần thể Phytoplankton và Zooplankton. Quá trình chuyển hoá 7: Khoáng hoá chất hữu cơ. Quá trình chuyển hoá 8 - Đạm hoá (Nitrification) chuyển Amoni thành Nitrat và quá trình chuyển hoá 9 - Phi đạm hoá (Denitrification) giải phóng khí Nitơ 2.2. Mô phỏng toán học chu trình chuyển hóa Nitơ 2.2.1. Mô phỏng toán học các quá trình chuyển hóa Theo nguyên lý bảo toàn, tốc độ toàn phần biến đổi nồng độ hoặc sinh khối của một hợp phần nào đó chính là tổng đại số tốc độ các quá trình sản sinh làm tăng (nguồn-Production) và phân huỷ làm suy giảm (phân huỷ-Destruction) nồng độ hoặc sinh khối của hợp phần [17, 18, 19]. dCi/dt = (Prodi - Desti) (1) Trong đó: Ci là nồng độ hoặc sinh khối của hợp phần i, Prodi, Desti tương ứng là tổng tốc độ các quá trình làm tăng và làm giảm nồng độ hoặc sinh khối của hợp phần – cho từng hợp phần của chu trình Nitơ nêu trên các biểu thức mô phỏng Prodi, Desti được diễn tả như sau: Đối với Phytoplankton (PHY):  δ A .AMO P δ N NIT P  Pr od PHY = L(i).L (ξ ) * + Exp(−λ..AMO .PHY ) CA + AMO CN + NIT  (2) δ P . PHY Z Dest PHY = F . PHY + N ZOO + FPD . PHY C P + PHY P (3) Trong đó: L(i) là ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng, L*(ξ) - ảnh hưởng của nhiệt độ; δ A , δ N - Tốc độ riêng cực đại sử dụng Amoni, Nitrat trong quang hợp P P (tốc độ biến đổi riêng được hiểu là tốc độ biến đổi của 1 đơn vị sinh khối); CA , CN – 18
hệ số bán bão hoà các muối Amoni, Nitrat; λ - hệ số biểu thị sự ức chế tác dụng của Nitrat trong quang hợp khi có Amoni; FPN - tốc độ tiêu hao Nitơ trong quá trình hô hấp của PHY; FPD - tốc độ chết tự nhiên của PHY; δ P - tốc độ riêng cực đại sử dụng Z PHY (bắt mồi) của ZOO; Cp – hệ số bán bảo hoà hàm lượng thức ăn. Công thức hàm nguồn (2) mô phỏng quá trình chuyển hoá 1, bao gồm 1a liên quan tới sử dụng Amoni, 1b – sử dụng Nitrat trong quang hợp; công thức hàm phân huỷ (3) mô phỏng quá trình chuyển hoá 2 – hô hấp của PHY, quá trình chuyển hoá 3 – dinh dưỡng của ZOO và quá trình chuyển hoá 5 – chết tự nhiên của PHY. Tốc độ riêng tiêu hao Nitơ trong quá trình hô hấp của PHY được tính thông qua tốc độ riêng tiêu hao vật chất nói chung trong chính quá trình này, trong đó Nitơ chiếm một tỷ lệ α N (%): FPN = α N.KPHY Ở đây KPHY là tốc độ riêng tiêu hao vật chất nói chung trong quá trình hô hấp của PHY, phụ thuộc nhiệt độ môi trường và kích thước tế bào tảo, được xác định theo công thức thực nghiệm của Đoàn Bộ (1994) cho vùng biển nhiệt đới như sau: [3, 5, 10] KPHY = P0 . expQ0[(T-THH)] - U0Ln(MP) Trong công thức này, T – nhiệt độ môi trường; THH - nhiệt độ tối ưu cho hô hấp của PHY; MP - kích thước tế bào tảo, P0, Q0, U0 - các hệ số thực nghiệm phụ thuộc đặc trưng thành phần loài của quần thể, vị trí địa lý vùng nghiên cứu. Tốc độ riêng chết tự nhiên của quần thể Phytoplankton phụ thuộc vào tổng hàm lượng các muối dinh dưỡng Nitơ (N = AMO + NIT) và được xác định theo  P ( P  ) N   FPD = δ M − δ M − δ m 1 − m ϑ(N − Nm ) P   N  công thức: Ở đây ϑ(N−Nm) là hàm trọng số (heaviside) của hiệu giữa tổng nồng độ Nitơ thực tế (N) và ngưỡng nồng độ Nitơ (Nm), tại đó tốc độ chết của Phytoplankton đạt cực đại. δ M , δ m - tương ứng là tốc độ riêng chết cực đại và cực tiểu của quần thể P P 19
PHY; Hàm trọng số ϑ(N−Nm) có giá trị bằng 1 khi (N-Nm)> 0 và bằng 0 khi (N- Nm)≤ 0 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước (T) tới quá trình quang hợp được xác định như sau: L* (ξ ) = L(ξ ).ϑ (ξ ) Trong đó: ξ L (ξ ) = 2 .(1 + β T ) 1 + 2βTξ + ξ 2 T − TLeth Ở đây ϑ(ξ) là hàm trọng số (heaviside) của ξ , ξ = là đại lượng phụ TOPT − TLeth thuộc vào tương quan giữa nhiệt độ cận dưới quá trình quang hợp (TLeth) với nhiệt độ thực tế (T) và nhiệt độ tối ưu cho quang hợp (TOPT). Hàm trọng số ϑ(ξ) có giá trị bằng 1 nếu ξ >0 và bằng 0 nếu ξ≤0. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng tới quá trình quang hợp được xác định như sau: I L ( i ) = 2 .(1 + β I ) 1 + 2β I I + I 2 β 1 là hệ số biểu thị sự ức chế quang hợp do ánh sáng. Ở đây I=PARZ/PAROPT , với PARZ là cường độ bức xạ quang hợp thực tế tại độ sâu Z và PAROPT là cường độ bức xạ quang hợp tối ưu. Giá trị PARZ biến đổi theo độ sâu và được xác định theo công thức: PARZ = PARSURF.Exp(-KA.Z) Trong đó PARSURF là cường độ bức xạ quang hợp trên bề mặt, KA - hệ số suy giảm bức xạ trong nước biển phụ thuộc chủ yếu vào lượng Phytoplankton. Các đại lượng này được tính toán như sau: PARSURF = 0,41.ISURF KA = 0.16 + 0.0053.PHY + 0.039.(PHY)2/3 với ISURF là cường độ bức xạ tự nhiên trên mặt biển. Hệ số 0,41 mang ý nghĩa bức xạ có hiệu ứng quang hợp chiếm khoảng 41% bức xạ tự nhiên. 20