Mô hình chu trình chuyển hoá nitơ trong hệ sinh thái biển áp dụng cho vùng biển vịnh Bắc Bộ

75 Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển T11 (2011). Số 4. Tr 75 - 96 MÔ HÌNH CHU TRÌNH CHUYỂN HOÁ NITƠ TRONG HỆ SINH THÁI BIỂN ÁP DỤNG CHO VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ NGUYỄN NGỌC TIẾN Viện ðịa chất và ðịa vật lý biển NGUYỄN CHÍ CÔNG Viện Hải dương học DƯ VĂN TOÁN Tổng cục Biển và Hải ñảo Việt Nam Tóm tắt. Bài báo giới thiệu mô hình chu trình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển và một số kết quả áp dụng mô hình ñể tính toán năng suất sinh học sơ cấp tại vùng biển vịnh Bắc bộ. Bài giới thiệu chu trình, nguyên tố Nitơ ñược chuyển hoá qua 5 hợp phần: thực vật nổi, ñộng vật nổi, chất hữu cơ hoà tan, Amoni và Nitrat. Các quá trình chuyển hoá trong chu trình ñược mô phỏng toán học bằng hệ phương trình vi phân hữu tuyến. Kết quả tính toán cho thấy sức sản xuất sơ cấp thô của vùng biển vịnh Bắc bộ trong mùa ñông dao ñộng chủ yếu từ 30 - 63 mgC/m3/ngày, trung bình 57 mgC/m3/ngày, trong ñó lượng sản phẩm tinh dao ñộng từ 5 - 25 mgC/m3/ngày, trung bình 21 mgC/m3/ngày. Sản phẩm năng suất thứ cấp giá trị trung bình 5,6 mgC/m3/ngày và dao ñộng trong khoảng 2,8 - 6,0 mgC/m3/ngày. Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị trung bình 0,85, hiệu suất tự dưỡng 1,54 và hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên của vùng biển khoảng 0,03%. Trong mùa hè, sức sản xuất sơ cấp thô dao ñộng trong khoảng 67 - 77 mgC/m3/ngày, trung bình 72,43 mgC/m3/ngày, lượng sản phẩm tinh dao ñộng trong khoảnng 28 - 32 mgC/m3/ngày trung bình 30 mgC/m3/ngày, năng suất thứ cấp dao ñộng trong khoảng 6.0 - 6.6 mgC/m3/ngày, trung bình ñạt 6.36 mgC/m3/ngày. Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị trung bình 1.02, hiệu suất tự dưỡng 1,7 và hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên của vùng biển khoảng 0,02%. I. MỞ ðẦU Quan trắc, ño ñạc các yếu tố hóa sinh tại các vùng biển Việt Nam còn chưa ñược thực hiện thường xuyên và có hệ thống. Trong công trình này, các tác giả ñã sử dụng các mô hình toán và phương pháp số trong nghiên cứu hệ sinh thái biển ở Việt Nam. Hướng nghiên cứu này có nhiều triển vọng, ñược xây dựng trên cơ sở mô phỏng toán học chu 76 trình chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển nhằm xác ñịnh ñược những quy luật cơ bản, phổ biến và dự báo biến ñộng của các hợp phần vô sinh, hữu sinh, ñặc biệt trong việc kiểm soát môi trường và hệ sinh thái biển. Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu mô hình chu trình Nitơ cùng những mô phỏng toán học các quá trình chuyển hoá trong chu trình và một số kết quả áp dụng tại vùng biển vịnh Bắc bộ trong 12 tháng nhằm phân tích sự phân bố trong mùa ñông và mùa hè. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Sơ ñồ chu trình chuyển hóa Nitơ trong hệ sinh thái biển Mô hình chu trình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển ñược biểu diễn trên sơ ñồ hình 1. Trong chu trình, nguyên tố Nitơ ñược chuyển hoá qua 5 hợp phần: thực vật nổi (Phytoplankton- sinh khối ñược ký hiệu là PHY), ñộng vật nổi (Zooplankton - ZOO), chất hữu cơ hoà tan (Dissolved Organic Matter - DOM), Amoni (Amonium - AMO), Nitrat (Nitrate - NIT). Trong nghiên cứu này, sinh khối hoặc hàm lượng của các hợp phần ñược tính theo khối lượng Nitơ có trong hợp phần ñó và ñược biểu diễn bằng số micro-nguyên tử gam Nitơ có trong 1 lít nước biển (µAT-gN/l). Có thể quy ñổi ñơn vị ño này thành các ñơn vị ño thường hay sử dụng trong nghiên cứu sinh học biển theo tỷ lệ là 0,660 mg lượng chất tươi sinh vật phù du biển có chứa 1 µAT-gN [6]. Các quá trình chuyển hoá trong chu trình ñược diễn tả như sau: Quá trình chuyển hoá 1: Quang hợp của Phytoplankton. Trong quá trình này dưới tác ñộng của năng lượng ánh sáng mặt trời, Phytoplankton ñã sử dụng khí CO2, nước và các muối dinh dưỡng trong ñó có Amoni (ñường dẫn 1a), Nitrit (1b) và Nitrat (1c) của môi trường ñể tổng hợp chất hữu cơ. Quá trình này ñã chuyển hoá Nitơ vô cơ từ môi trường thành Nitơ liên kết trong tế bào tảo (làm giảm AMO, NRIT và NRAT và làm tăng PHY). Khối lượng gia tăng của quần thể Phytoplankton trong một ñơn vị thời gian thực hiện quang hợp (thường tính trong 1 ngày) chính là năng suất sinh học sơ cấp thô (Rough primary productivity), một tham số quan trọng ñể ñánh giá tiềm năng sinh học của vùng biển. Cường ñộ quá trình này phụ thuộc vào sinh khối quần thể Phytoplankton, nồng ñộ các muối dinh dưỡng Amoni, Nitrit, Nitrat, nhiệt ñộ môi trường và năng lượng bức xạ quang hợp (Photosynthetically Active Radiation - PAR) [4, 5, 6, 7]. Quá trình chuyển hoá 2: Hô hấp của Phytoplankton Trong quá trình này, một phần lượng chất hữu cơ ñược thành tạo trong quang hợp bị ôxy hoá làm giảm sinh khối PHY, kèm theo ñó là sự giải phóng một số hợp phần vô cơ 77 trong ñó có các hợp chất Nitơ vô cơ, làm tăng nồng ñộ AMO (ñường dẫn 2a) và NIT (2b). Hiệu số giữa lượng chất hữu cơ ñược thành tạo trong quang hợp và lượng chất hữu cơ bị mất ñi trong quá trình hô hấp của Phytoplankton trong 1 ñơn vị thời gian (thường tính trong 1 ngày) chính là năng suất sơ cấp tinh (Pure primary productivity). ðó cũng chính là phần vật chất (năng lượng) còn lại ñược tích luỹ trong sản phẩm của Phytoplankton ñể các bậc dinh dưỡng kế tiếp, trước hết là Zooplankton sử dụng theo các kênh dinh dưỡng trong hệ sinh thái vùng biển. Quá trình chuyển hoá 3: Dinh dưỡng của Zooplankton Trong quá trình này Zooplankton sử dụng Phytoplankton làm thức ăn ñể tồn tại và phát triển. Cường ñộ sử dụng thức ăn của Zooplankton phụ thuộc vào hàm lượng thức ăn (PHY), sinh khối và bản chất quần thể Zooplankton. Quá trình chuyển hoá này làm giảm sinh khối quần thể Phytoplankton, trong ñó phần thức ăn thực sự ñược sử dụng vào ñồng hoá (ñường dẫn 3a) sẽ làm tăng sinh khối quần thể Zooplankton, phần không sử dụng (3b) sẽ trở lại môi trường và làm tăng sinh khối chất hữu cơ (DOM). Quá trình chuyển hoá 4: Hô hấp của Zooplankton Hô hấp của Zooplankton là quá trình ngược lại với ñồng hoá của nó. Trong quá trình này phần vật chất (năng lượng) ñã lấy ñược do ñồng hoá thức ăn lại bị ôxy hoá ñể giải phóng năng lượng và Zooplankton sử dụng năng lượng này ñể tồn tại và phát triển. Cơ chế hô hấp của Zooplankton ñược thể hiện ñơn giản qua phản ứng sau: CnH2nOn + nO2 = nCO2 + nH2O + Q Kèm theo năng lượng ñược giải phóng là các sản phẩm vật chất ñược thải ra môi trường dưới dạng các sản phẩm bài tiết, trong ñó có Amoni. Như vậy, hô hấp của Zooplankton ñã làm giảm sinh khối ZOO và tăng nồng ñộ AMO. Cường ñộ quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt ñộ môi trường. Hiệu số giữa lượng sản phẩm ñồng hoá và lượng sản phẩm tiêu huỷ do hô hấp của Zooplankton trong một ñơn vị thời gian (thường tính trong 1 ngày) chính là năng suất thứ cấp của bậc dị dưỡng thứ nhất. ðây là phần vật chất (năng lượng) còn lại ñược tích luỹ trong sản phẩm của Zooplankton ñể các bậc dinh dưỡng kế tiếp (các ñộng vật bậc cao) sử dụng theo các kênh dinh dưỡng trong hệ sinh thái vùng biển. Quá trình chuyển hoá 5 và 6: Chết tự nhiên của quần thể Phytoplankton và Zooplankton Quá trình này làm giảm sinh khối các quần thể và làm tăng sinh khối chất hữu cơ (DOM). ðối với PHY, cường ñộ quá trình chết tự nhiên bị giới hạn bởi nồng ñộ các muối dinh dưỡng (AMO và NIT), ñối với ZOO - bị giới hạn bởi hàm lượng thức ăn (PHY). 78 Quá trình chuyển hoá 7: Khoáng hoá chất hữu cơ Phân huỷ và khoáng hoá chất hữu cơ trong biển (các xác chết, các sản phẩm dư thừa trong các hoạt ñộng sống) là một tập hợp các quá trình lý-hoá-sinh học rất phức tạp, có sự tham gia của các sinh vật (chủ yếu là vi sinh vật phân giải) và các chất như Ôxy, nước,...Trong quá trình phân huỷ, năng lượng còn lại trong chất hữu cơ ñược giải phóng và các sinh vật phân giải sử dụng năng lượng này ñể tồn tại và phát triển. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ và khoáng hoá chất hữu cơ là các chất vô cơ ñược hoàn lại cho môi trường. Cường ñộ quá trình này phụ thuộc bản chất chất hữu cơ, lượng các sinh vật phân giải và nhiều ñiều kiện phân giải, trong ñó quan trọng hơn hết là nhiệt ñộ môi trường. ðối với chu trình Nitơ, các sản phẩm vô cơ ñược giải phóng trong quá trình phân huỷ và khoáng hoà là Amoniac, Amoni, Nitrit, Nitrat. Tuy nhiên, do sự phức tạp của khâu phân huỷ các hợp chất Nitơ hữu cơ trong chu trình mà người ta thường coi sản phẩm vô cơ ñầu tiên ở khâu này chỉ là Amôni như ñã thấy trên hình 1. Như vậy, theo sơ ñồ này thì quá trình phân huỷ chất hữu cơ làm giảm sinh khối DOM và trực tiếp làm tăng nồng ñộ của chỉ riêng AMO. Hình 1: Sơ ñồ chu trình chuyến hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển. Chú giải: PHY: Phytoplankton; ZOO: Zooplankton; DOM: Chất hữu cơ hoà tan; AMO: Amoni; NIT: Nitrat; 1... 9: Các quá trình chuyển hoá; → : Hướng chuyển hoá ZOO 4 PHY DOM AMO NIT 3 3b 3a 5 6 7 1 1b 1a 8 9 2 2a 2b 79 Quá trình chuyển hoá 8 - ðạm hoá (Nitrification) và quá trình chuyển hoá 9 - Phi ñạm hoá (Denitrification) Trong nghiên cứu này, chúng tôi ñã bổ sung cho sơ ñồ chu trình Nitơ 2 quá trình nêu trên. ðạm hoá là quá trình ôxy hoá chuyển Amoni thành Nitrat, phi ñạm hoá là quá trình khử Nitrat thành Nitơ tự do. Cơ chế quá trình ñạm hoá: NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ NH3 + 2O2 → NO3- + H2O + H+ Cơ chế quá trình phi ñạm hoá: 5CH2O + 5H2O + 4NO3- + 4H+ → 5CO2 + 2N2 + 12H2O 2. Mô hình toán chu trình chuyển hóa Nitơ Theo nguyên lý bảo toàn, tốc ñộ toàn phần biến ñổi sinh khối hoặc nồng ñộ của một hợp phần sinh, hoá học nào ñó chính là tổng ñại số tốc ñộ các quá trình sản sinh làm tăng (nguồn-Production) và phân huỷ làm suy giảm (phân huỷ-Destruction) nồng ñộ hoặc sinh khối của hợp phần ñó. Gọi Ci là nồng ñộ (hoặc sinh khối) của hợp phần i, Prodi, Desti tương ứng là tốc ñộ các quá trình làm tăng và làm giảm nồng ñộ (hoặc sinh khối) của hợp phần, ta có: ii Destod −= Pr dt dCi (1) Ở ñây i = 1...5 tương ứng là PHY, ZOO, DOM, AMO, NIT. Từng hợp phần của chu trình Nitơ, các biểu thức mô phỏng Prodi, Desti như sau [6, 7]: PHYAMOExp NITC NIT AMOC AMOLiLod N P N A P APHY .)..(.)().(Pr *       − + + + = λδδξ (2) PHYFZOO PHYC PHYPHYFDest DP P Z PN P PHY . . . + + += δ (3) ZOO PHYC PHYXod P Z P P ZOO + −= δ)1(Pr (4) ZOOFFDest DZ A Z ZOO )( += (5) 80 ZOOFPHYF PHYC ZOOPHYX od DZ D P P Z PPDOM .. .Pr ++ + = δ (6) DOMFDest AD DOM .= (7) PHYFDOMFZOOFod NPAMO A D A Z AMO α++=Pr (8) AMOFPHY AMOC AMO LiLDest NA A P AAMO + + = δξ )().( (9) PHYFAMOFod NPNITNANIT α+=Pr (10) NITFPHYAMOExp NITC NIT LiLDest ON N P NNIT +− + = )..(.)().( λδξ (11) Trong các mô phỏng toán học kể trên, L(i), L*(ξ) là ảnh hưởng của nhiệt ñộ và cường ñộ chiếu sáng, ON N A A Z A D D Z A Z D P N P FFFFFFFF ,,,,,,, là tốc ñộ riêng của các quá trình chuyển hoá (các ñại lượng này ñược tính toán theo các công thức thực nghiệm [6, 7]. Các ký hiệu còn lại là các thông số (hằng số) của mô hình, ý nghĩa và giá trị của chúng ñối với vùng biển vịnh Bắc bộ ñược cho ở bảng 1. 3. Phương trình cơ bản của mô hình Mô hình toán chu trình chuyển hoá Nitơ ñược viết lại ở dạng tổng quát sau: ii i Destod dt dC −= Pr (12) Với i=15 tương ứng là 5 hợp phần của chu trình Nitơ. ðây là hệ phương trình vi phân thường gồm 5 phương trình, có thể giải bằng nhiều phương pháp, ở ñây chọn phương pháp Runger Kuta với ñiều kiện ban ñầu: Ci (t=t0) = Ci* (biết trước) (13) Kết quả của mô hình (12) với ñiều kiện (13) cho ta biến ñộng theo thời gian của sinh khối, hàm lượng các hợp phần, cùng năng suất sinh học sơ cấp, thứ cấp và các hiệu quả sinh thái của vùng biển. Với mục ñích nghiên cứu hiện trạng phân bố các hợp phần trong chu trình Nitơ và các ñặc trưng của các quá trình sản xuất vật chất hữu cơ bậc thấp ở vùng biển tại một thời ñiểm nào ñấy, bài toán (12) ñược giải trong ñiều kiện dừng (dCi/dt = 0, i = 15) nghĩa là: 81 Prodi - Desti =0, i = 15 (14) Phương pháp lặp Runge - Kuta vẫn ñược áp dụng cho bài toán dừng, song cần phải kiểm tra tính hội tụ. Cụ thể, với các ñiều kiện môi trường không ñổi trong suốt quá trình lặp, nếu tại bước tính thứ n ñủ lớn mà nghiệm tính ñược chỉ sai khác với nghiệm ở bước thứ n-1 một giá trị ε nhỏ bé cho trước thì xem như quá trình ñã ñạt ñến tựa dừng. Với cách xử lý này, nghiệm ban ñầu (13) có thể cho trước tuỳ ý ≠ 0. Ngoài ra khi xem xét toàn bộ các thông số của mô hình thấy rằng: ðể giải ñược bài toán này còn cần phải có các thông số sinh thái và các số liệu ño về nhiệt ñộ, cường ñộ chiếu sáng tại thời ñiểm nào ñó (khảo sát) tại vùng biển. Toàn bộ giá trị các tham số trên là không ñổi trong suốt quá trình lặp ñến nghiệm tựa dừng. Bảng 1: Các thông số (hằng số) sử dụng trong mô hình và giá trị lựa chọn cho vùng biển vịnh Bắc bộ TT Ký hiệu Thông số Thứ nguyên Giá trị 1 PNδ Tốc ñộ riêng cực ñại sử dụng Nitrat trong quang hợp (Ngày)-1 2.2 2 PAδ Tốc ñộ riêng cực ñại sử dụng Amoni trong quang hợp (Ngày)-1 1.8 3 CN Hệ số bán bão hoà muối Nitrat µ AT-gN/l 0.15 4 CA Hệ số bán bão hoà muối Amoni µ AT-gN/l 0.3 5 PAROPT Cường ñộ sáng thích hợp cho quang hợp W/m2 120 6 β T Hệ số biểu thị ức chế quang hợp do nhiệt ñộ - -0.5 7 β I Hệ số biểu thị ức chế quang hợp do ánh sáng - -0.5 8 TLeth Cận dưới nhiệt ñộ quang hợp oC 15 9 TOPT Nhiệt ñộ tối thuận cho quang hợp oC 27 10 λ Hệ số biểu thị sự ức chế tác dụng của NIT trong quang hợp khi có AMO ( µ AT- gN/l)-1 1.5 11 PMδ Tốc ñộ riêng chết cực ñại của PHY (Ngày)-1 0.9 12 Pmδ Tốc ñộ riêng chết cực tiểu của PHY (Ngày)-1 0.3 13 P0 Hệ số thực nghiệm (xác ñịnh cường ñộ hô hấp của PHY) - 0.05 14 Q0 Hệ số thực nghiệm (xác ñịnh cường ñộ hô hấp của PHY) - 0.01 82 15 U0 Hệ số thực nghiệm (xác ñịnh cường ñộ hô hấp của PHY) - 0.187 16 MP Kích thước trung bình tế bào tảo µ m 3.10-6 17 THH Nhiệt ñộ thuận cho quá trình hô hấp của PHY oC 20 18 Nm Giá trị ngưỡng Nitơ tổng (AMO+NIT) tại ñó cường ñộ chết của PHY ñạt cực ñại µ AT-gN/l 0.3 19 α N Tỷ lệ Nitơ vô cơ trong sản phẩm hô hấp của PHY - 0.16 20 α AMO Tỷ lệ của Amoni trong phần Nitơ vô cơ của sản phẩm hô hấp của Phytoplankton - 0.4 21 α NIT Tỷ lệ Nitrat trong phần Nitơ vô cơ của sản phẩm hô hấp của Phytoplankton - 0.4 22 ZPδ Tốc ñộ riêng cực ñại sử dụng PHY (bắt mồi) của ZOO (Ngày)-1 1.5 23 ZMδ Tốc ñộ riêng chết cực ñại của ZOO (Ngày)-1 0.8 24 Zmδ Tốc ñộ riêng chết cực tiểu của ZOO (Ngày)-1 0.05 25 CP Hệ số bán bão hoà hàm lượng thức ăn µ AT-gN/l 0.5 26 XP Tỷ lệ của phần thức ăn không ñồng hoá - 0.4 27 PHYm Giá trị ngưỡng của lượng thức ăn PHY tại ñó cường ñộ chết của ZOO cực ñại µ AT-gN/l 1.0 28 AZδ Tốc ñộ riêng bài tiết Amoni tại 0oC (Ngày)-1 0.1 29 be Hệ số biểu thị ảnh hưởng nhiệt ñộ ñến tốc ñộ bài tiết - 1.03 30 ADδ Tốc ñộ riêng phân huỷ thành Amoni tại 20oC (Ngày)-1 0.7 31 KT Hệ số biểu thị ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến ADδ - 1.05 32 KAMO Tốc ñộ riêng ñạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat - 0.087 33 KNIT Tốc ñộ riêng phi ñạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat - 0.00001 34 I0 Hằng số mặt trời W/m2 1353 35 C1 Hệ số thực nghiệm - 0.56 36 C2 Hệ số thực nghiệm - 0.16 37 ∆ T Bước tính Ngày 0.01 38 ε Tham số ñiều khiển chế ñộ dừng - 10-6 83 Trong bài viết này, chúng tôi ñã sử dụng và khai thác chương trình NITCYCLE. ðây là một phần mềm mở viết bằng ngôn ngữ Pascal ñể giải bài toán dừng (12) bằng phương pháp Runge - Kuta áp dụng tại một ñiểm khảo sát có các tầng khác nhau. Chúng tôi ñã viết lại chương trình bằng ngôn ngữ Fortran cho 257 ñiểm trên toàn vùng nghiên cứu. III. KẾT QUẢ ÁP DỤNG MÔ HÌNH TẠI VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ Trong bảng 2 và các hình 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ñưa ra một số kết quả cơ bản áp dụng mô hình tại vùng biển vịnh Bắc bộ trong 12 tháng, trong bài viết này chỉ ñưa vào tháng 1 ñại diện cho mùa ñông và tháng 7 ñại diện cho mùa hè. Mùa ñông Trong tháng 1, khu vực phát triển của thực vật nổi vịnh Bắc bộ chủ yếu là ở vùng nước ấm trung tâm và cửa vịnh, nơi có nhiệt ñộ trên 24oC. Sinh khối của thực vật nổi ở khu vực này ñạt khoảng 1110 - 1120 mg-tươi/m3 trung bình 1103 mg-tươi/m3 (hình 2). Vùng nước lạnh ven bờ phía Bắc và Tây Bắc vịnh có nhiệt ñộ trong khoảng 15,5 - 21oC không thuận lợi cho quang hợp, tại ñây sinh khối chỉ ñạt cỡ 1065 - 1090 mg tươi/m3. So với các thời kỳ khác trong năm thì mùa ñông không phải là thời kỳ phát triển của thực vật nổi do nhiệt ñộ nước giảm thấp, cường ñộ bức xạ không lớn, lượng dinh dưỡng do các sông tải ra vịnh cũng không nhiều. ðặc biệt, sự giảm thấp của nhiệt ñộ nước với dải nhiệt tương ñối rộng (19 - 23oC) là một nhân tố bất lợi cho sự phát triển của thực vật nổi. ðây là thời kỳ có sinh khối thực vật nổi thấp nhất trong năm. Sức sản xuất sơ cấp thô của vùng biển dao ñộng chủ yếu trong khoảng 30 ñến 63 mgC/m3/ngày, trung bình 57 mgC/m3/ngày trong ñó lượng sản phẩm tinh dao ñộng trong khoãng 5 ñến 25 mgC/m3/ngày trung bình 21 mgC/m3/ngày. Phân bố sức sản xuất sơ cấp ở vùng biển có ñặc ñiểm là khu vực phía Nam (sản phẩm thô) cao hơn hẳn khu vực phía Bắc (hình 4), trong ñó khu vực ngoài cửa vịnh ñạt giá trị cao nhất trên 63 mgC/m3/ngày ñối với sản phẩm thô và trên 25 mgC/m3/ngày ñối với sản phẩm tinh. ðối với sản phẩm thứ cấp (ñộng vật nổi), nét tương ñồng giữa bức tranh phân bố sinh khối và năng suất của chúng thể hiện khá rõ (hình 6) và rất phù hợp với phân bố của sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi, nhất là ñối với sản phẩm tinh. ðây là sự biểu hiện rõ nhất và ñúng quy luật về quan hệ dinh dưỡng bậc thấp ở vùng biển nghiên cứu. Trong ñó sinh khối ðộng vật nổi (hình 10) ñạt giá trị trong khoảng 134 - 329 mg-tươi/m3, giá trị trung bình 288 mg-tươi/m3, sản phẩm năng suất thứ cấp (hình 8) giá trị trung bình 5.6 mgC/m3/ngày và biến ñổi trong khoảng 2,8 - 6,0 mgC/m3/ngày. 84 Về các hiệu suất sinh thái trong các tháng mùa ñông ñược thể hiện trong bảng 1 và 2: Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị trung bình 0,85, chứng tỏ tốc ñộ tổng hợp chất hữu cơ của một ñơn vị sinh khối thực vật nổi không lớn. Hệ số P/B ngày của ñộng vật nổi có giá trị trung bình 0.33. ðiều này cũng cho thấy các yếu tố sinh thái của vùng biển trong các tháng mùa ñông không ở pha thuận, trong ñó vai trò của nhiệt ñộ nước thể hiện rõ nhất. Tuy nhiên, hiệu suất tự dưỡng vẫn luôn luôn lớn hơn 1 (giá trị trung bình ñạt 1,54) cho thấy vùng biển vẫn tích luỹ vật chất hữu cơ sơ khởi. ðiều này một lần nữa thể hiện sự hạn chế quá trình hô hấp tiêu hao vật chất do nền nhiệt giảm thấp, hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên không cao, một phần do cường ñộ bức xạ tự nhiên trong các tháng mùa ñông giảm, song phần chủ yếu do quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi nhỏ. Mùa hè Trong tháng 7, ñược xem là mùa phát triển của thực vật nổi với sinh khối hầu khắp vịnh ñạt trong khoảng 1132 - 1197 mg-tươi/m3 (hình 3), giá trị trung bình lớn nhất ñặt 1159,77 mg-tươi/m3 trong tháng 9, ñặc biệt vùng ven bờ và cửa sông có sinh khối ñạt 1198 mg-tươi/m3. Thời kỳ này nhiệt ñộ nước tầng mặt tăng cao trên 29oC và tương ñối ñồng nhất, lượng dinh dưỡng bổ sung từ lục ñịa dồi dào. ðây là một trong những ñiều kiện sinh thái thuận cho quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi khu vực ven bờ Tây vịnh Bắc bộ. Phân bố sức sản xuất sơ cấp, tổng lượng sản phẩm thô (hình 5) do thực vật nổi tổng hợp ñược trong 1 ngày (lấy trung bình ngày 15 hàng tháng) ñạt trung bình 72,34 mgC/m3/ngày, dao ñộng trong khoảng 67 - 77 mgC/m3/ngày. Sinh khối ñộng vật nổi (hình 7) trung bình 388mg-tươi/m3 dao ñộng trong khoảng 345 - 445 mgC/m3/ngày, năng suất thứ cấp (hình 9) trung bình ñạt 6.36 mgC/m3/ngày dao ñộng trong khoảng 6.0 - 6.6 mgC/m3/ngày. ðây là những giá trị ñặc trưng cho vùng biển nhiệt ñới ven bờ giầu dinh dưỡng và có sức sản xuất sơ cấp cao. Về các hiệu suất sinh thái trong mùa hè: Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị trung bình 1.02 cho thấy tốc ñộ tổng hợp chất hữu cơ của một ñơn vị sinh khối thực vật nổi khá cao; Hệ số P/B ngày của ñộng vật nổi có giá trị trung bình 0.22; hiệu suất tự dưỡng luôn luôn lớn hơn 1 trung bình 1,7 chứng tỏ vật chất tổng hợp ñược không những ñủ chi dùng cho chính thực vật nổi mà còn ñược tích luỹ khá nhiều trong sản phẩm tinh ñể các bậc dinh dưỡng tiếp theo sử dụng. Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên trung bình 0,02% là ở mức cao so với một số vùng biển ven bờ Việt Nam. 85 Bảng 2: Giá trị trung bình các ñặc trưng của quá trình sản xuất vật chất hữu cơ trong vùng biển vịnh Bắc bộ Yếu tố Tháng 1 Tháng 2 Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6 Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12 Thực vật nổi Sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/ m3) 1103.4 1095.9 1094.6 1107.1 1131.5 1149.5 1156.5 1159.5 1159.7 1155.4 1145.0 1125.2 Năng suất thô (mgC/m3/ngày) 57.62 54.72 55.07 62.23 69.5 72.1 72.34 72.41 73.39 73.82 71.83 66.43 Hô hấp thực vật nổi (mgC/m3/ngày) 36.52 36.02 35.96 36.87 38.53 39.72 40.17 40.34 40.38 40.1 39.33 37.98 Năng suất tinh (mgC/m3/ngày) 21.1 18.7 19.11 25.36 30.96 32.38 32.17 32.07 33.01 33.73 32.49 28.45 ðộng vật nổi Sinh khối ñộng vật nổi (mg- tươi/ m3) 287.98 267.75 267.47 311.2 354.46 381.3 388.76 389.87 394.92 390.77 366.39 333.67 ðồng hoá của ñộng vật nổi (mgC/m3/ngày) 11.98 11.12 11.11 12.95 14.82 16.01 16.35 16.4 16.61 16.42 15.36 13.93 Hô hấp của ñộng vật nổi (mgC/m3/ngày) 6.38 5.83 5.83 7.02 8.54 9.61 9.99 10.08 10.18 9.92 9.01 7.79 Năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) 5.59 5.29 5.28 5.93 6.28 6.4 6.36 6.32 6.44 6.5 6.35 6.14 Hiệu quả sinh thái Hệ số P/B ngày của PHY 0.85 0.81 0.82 0.92 1 1.03 1.02 1.01 1.03 1.05 1.03 0.97 Hệ số P/B ngày của ZOO 0.33 0.33 0.33 0.32 0.3 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.29 0.31 Hiệu suất tự dưỡng 1.54 1.48 1.49 1.65 1.77 1.79 1.77 1.76 1.79 1.82 1.8 1.72 Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên (%) 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 Chuyển hoá năng lượng qua TVN-ðVN 0.39 0.39 0.4 0.25 0.21 0.21 0.21 0.21 0.2 0.2 0.2 0.22 86 18 19o 20 o 21o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18 o o 22 N o 108 110 Eo 21 19o 20 o o16 N §¶o Cån Cá Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn Mª §¶o C¸t Bµ Q.§ C«T« Q.§ Long Ch©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 10 70 1100 108 0 1085 1090 1075 111 5 1105 1,1 10 11 20 1,0 65 Hình 2: Giá trị trung bình sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tháng 1 87 18 19o 20o 21o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18 o o 22 N o 108 110 Eo 21 19o 20 o o16 N §¶o Cån C á Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn Mª §¶o C ¸t Bµ Q.§ C «T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m1152 1132 1137 1147 1197 1182 1187 1192 1162 1172 1177 11 47 1142 1147 Hình 3: Giá trị trung bình sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tháng 7 88 18 19 o 20o 21 o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106 o 107 o17 18o o 22 N o 108 110 Eo 21 19o 20 o o16 N §¶o C ån C á Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M ¾t Hßn M ª §¶o C¸t Bµ Q.§ C «T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 42 60 45 48 51 54 57 63 63 3936 Hình 4: Giá trị trung bình năng suất thô (mgC/m3/ngày) tháng 1 89 Hình 5: Giá trị trung bình năng suất thô (mgC/m3/ngày) tháng 7 18 19o 20 o 21o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17 o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18 o o 22 N o 108 110 Eo 21 19o 20o o16 N §¶o C ån C á Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M ¾t Hßn Mª §¶o C¸t Bµ Q.§ C«T« Q.§ Long Ch©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 76 77 74 75 67 707 2 73 90 Hình 6: Giá trị trung bình sinh khối ñộng vật nổi (mg-tươi/m3) tháng 1 18 19 o 20o 21 o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18o o 22 N o 108 110 Eo 21 19 o 20o o16 N §¶o C ån Cá Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn M ª §¶o C¸t Bµ Q.§ C «T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 134 164 239254 329 299 314 269 284 194 91 Hình 7: Giá trị trung bình sinh khối ñộng vật nổi (mg-tươi/m3) tháng 1 18 19o 20 o 21o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18o o 22 N o 108 110 Eo 21 19 o 20o o16 N §¶o C ån Cá Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn Mª §¶o C ¸t Bµ Q.§ C «T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 435 445 425 405 415 395 345 355 365 375 385 375 92 Hình 8: Giá trị trung bình năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tháng 1 18 19 o 20 o 21 o 22 N o 109 108 105 Eo 106 o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17 o o109 o105 Eo 106 o 107 o17 18 o o 22 N o 108 110 Eo 21 19 o 20 o o16 N §¶o C ån C á Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn Mª §¶o C ¸t Bµ Q.§ C«T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 2.8 6.0 6 .0 4.0 5.2 5.6 3.2 4.8 6 93 Hình 9: Giá trị trung bình năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tháng 7 18 19 o 20o 21 o 22 N o 109 108 105 Eo 106o 107 o o o o o 110 Eo 16 N o 17o o109 o105 Eo 106o 107 o17 18 o o 22 N o 108 110 Eo 21 19o 20o o16 N §¶o C ån Cá Hßn S¬n D−¬ng Hßn Giã Hßn M¾t Hßn Mª §¶o C ¸t Bµ Q.§ C«T« Q.§ Long C h©u §.B¹ch Long VÜ §¶o Nghi S¬n v Þ n h b ¾ c b é Hµ T©y H−ng YªnHoµ B×nh Ninh B×nh Nam §Þnh Hµ Nam Thanh Ho¸ Th¸i Nguyªn Hµ Néi Tuyªn Quang ViÖt Tr× VÜnh Phóc B¾c Ninh L¹ng S¬n B¾c Giang l µ o Qu¶ng B×nh Hµ TÜnh NghÖ An HuÕ Qu¶ng TrÞ H¶i D−¬ng Th¸i B×nh H¶i Phßng Qu¶ng Ninh §µ N½ng § ¶ o H ¶ i N a m 6.0 6.2 6. 05 6.4 6 .55 6 .6 6.5 6.55 6.6 6.45 6. 2 6. 156. 1 94 IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Mùa ñông do nhiệt ñộ nước giảm thấp với dải nhiệt tương ñối rộng (19-23oC), cường ñộ bức xạ không lớn, lượng dinh dưỡng từ sông tải ra vịnh cũng không nhiều tạo ra bất lợi cho sự phát triển của thực vật nổi. Sinh khối của thực vật nổi ở khu vực này ñạt khoảng 1110 - 1120 mg-tươi/m3 trung bình 1103 mg-tươi/m3. ðây là thời kỳ có sinh khối thực vật nổi thấp nhất trong năm. ðiều này một lần nữa thể hiện sự hạn chế quá trình hô hấp tiêu hao vật chất do nền nhiệt giảm thấp, hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên không cao, một phần do cường ñộ bức xạ tự nhiên trong các tháng mùa ñông giảm, song phần chủ yếu do quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi nhỏ. Mùa hè là mùa phát triển của thực vật nổi với sinh khối hầu khắp vịnh ñạt trong khoảng 1132 - 1197 mg-tươi/m3, giá trị trung bình lớn nhất ñặt 1159,77 mg-tươi/m3. Thời kỳ này nhiệt ñộ nước tầng mặt tăng cao trên 29oC và tương ñối ñồng nhất, lượng dinh dưỡng bổ sung từ lục ñịa dồi dào. ðây là một trong những ñiều kiện sinh thái thuận cho quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi khu vực ven bờ Tây vịnh Bắc bộ. Về các hiệu suất sinh thái trong mùa hè: Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị trung bình 1.02 cho thấy tốc ñộ tổng hợp chất hữu cơ của một ñơn vị sinh khối thực vật nổi khá cao; Hệ số P/B ngày của ñộng vật nổi có giá trị trung bình 0.22; hiệu suất tự dưỡng luôn luôn lớn hơn 1 trung bình 1,7 chứng tỏ vật chất tổng hợp ñược không những ñủ chi dùng cho chính thực vật nổi mà còn ñược tích luỹ khá nhiều trong sản phẩm tinh ñể các bậc dinh dưỡng tiếp theo sử dụng. Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên trung bình 0,02% là ở mức cao so với một số vùng biển ven bờ Việt Nam. Do số liệu quan trắc các yếu tố dinh dưỡng chưa ñược thực hiện ñầy ñủ và chi tiết, nên phương pháp mô hình mô phỏng chu trình nitơ là rất có giá trị, cung cấp về chuỗi quá trình nitơ chuyển hóa trong hệ sinh thái biển. Có thể ứng dụng mô hình nghiên cứu này cho các vùng biển khác tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Tác An, 1977. Năng suất sinh học sơ cấp và hiệu ứng sinh thái của dòng nước trồi ở vùng biển Nam Trung bộ, Các công trình nghiên cứu vùng nước trồi mạnh Nam Trung bộ, NXB. KH & KT Hà Nội, tr. 114-130. 95 2. ðỗ Trọng Bình, 1997. Kết quả tính toán năng suất sinh học sơ cấp và hiệu quả sinh thái của thực vật nổi vào mùa khô (tháng 1-1997) tại vịnh Hạ Long, Tài nguyên và Môi trường Biển, NXB. KH & KT Hà Nội, T.4, tr. 206-213. 3. ðoàn Bộ, Nguyễn ðức Cự, 1996. Nghiên cứu năng suất sinh học sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vùng triều cửa sông Hồng, Tài nguyên và Môi trường biển, NXB. KH & KT Hà Nội, T.3, 1996, tr.169-176. 4. ðoàn Bộ, 1997. Mô hình toán học phân bố sinh vật nổi và năng suất sinh học sơ cấp ở vùng nước trồi thềm lục ñịa Nam Trung bộ, Tạp chí Sinh học, T.19, No 4, tr. 35-42. 5. ðoàn Bộ, 1998. Nghiên cứu năng suất sinh học quần xã Plankton vùng ñầm phá Tam Giang-Cầu Hai bằng phương pháp mô hình toán, Tạp chí khoa học ðHQGHN: Tuyển tập các công trình khoa học Hội nghị Khoa học ðHKHTN: Ngành Khí tượng - Thuỷ văn - Hải dương, tr. 1-7. 6. ðinh Văn Ưu, ðoàn Văn Bộ và nnk, 2000. Nghiên cứu cấu trúc 3 chiều (3D) thuỷ nhiệt ñộng lực học biển ðông và ứng dụng của chúng, Báo cáo tổng kết ñề tài NCKH cấp nhà nước KHCN-06-02, tài liệu lưu trữ tại Chương trình Biển KHCN- 06, Hà Nội 2000. 7. Doan Bo. Using the mathematical models to study the marine ecosystem of Binh Thuan-Ninh Thuan sea Area and Tam Giang-Cau Hai lagoon. A MODEL ON NITROGEN TRANSFORMATION CYCLE IN MARINE ECOSYSTEM APPLIED IN GULF OF TONKIN NGUYEN NGOC TIEN, NGUYEN CHI CONG, DU VAN TOAN Summary: This paper presents the model on Nitrogen transformation cycle in the marine ecosystem has been established and used to study on primary productivity in Gulf of Tonkin. In the cycle, the Nitrogen element is transformated through 5 compounds: Phytoplankton, Zooplankton, Dissolved Organic Matter, Amonium and Nitrate. The transformation processes in the cycle ware simulated by system of 5 differential equations. Some results from application of the model to Gulf of TonKin shows that: The rough primary productivity in the gulf in winter is about 30 to 63 mgC/m3/day, average 57 mgC/m3/day and pure primary productivity is about 5 to 25 mgC/m3/day, average 21 mgC/m3/day. Average of P/B day coefficient of phytoplankton is 0.85, the autotroph productivity is 1.54, of natural energy transformation coefficient is 0.03%. In summer, the rough primary productivity is about 67 to 77 mgC/m3/day, average 72,43 mgC/m3/day, pure 96 primary productivity is about 28 to 32 mgC/m3/day, average 30 mgC/m3/day, the secondary productivity is about 6.0 to 6.6 mgC/m3/day, average 6.36 mgC/m3/day. Average of P/B day coefficient of phytoplankton is 1.02, the autotroph productivity is 1.7, natural energy transformation coefficient is 0.02%. Ngày nhận bài: 25 - 01 - 2011 Người nhận xét: PGS. TS. Nguyễn Chu Hồi