Đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả sinh thái vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Dest DP P Z PN P PHY . . . + + += δ (3) Trong đó: L(i) là ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng, L*(ξ) - ảnh hưởng của nhiệt độ; PAδ , PNδ - Tốc độ riêng cực đại sử dụng Amoni, Nitrat trong quang hợp (tốc độ biến đổi riêng được hiểu là tốc độ biến đổi của 1 đơn vị sinh khối); CA , CN – 19 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; NPF - tốc độ tiêu hao Nitơ trong quá trình hô hấp của PHY; DPF - tốc độ chết tự nhiên của PHY; ZPδ - tốc độ riêng cực đại sử dụng 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 lệα N (%): N PF = 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 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. PMδ , Pmδ - tương ứng là tốc độ riêng chết cực đại và cực tiểu của quần thể ( ) ( )      −      −−−= m mP m P M P M D P NN N N F ϑδδδ 1 20 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: )().()(* ξϑξξ LL = Trong đó: 221 )1.(2)( ξξβ ξβξ ++ += T TL Ở đây ϑ(ξ) là hàm trọng số (heaviside) của ξ , LethOPT Leth TT TT − − =ξ là đại lượng phụ 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: 221 )1.(2)( II IiL I I ++ += ββ 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. 21 Trong trường hợp không có các số liệu ISURF, có thể sử dụng một chương trình riêng tính toán nó thông qua các tham số thiên văn và địa lý như hằng số mặt trời, bức xạ tầng trên của khí quyển, vĩ độ địa lý, số ngày kể từ đầu năm, số giờ sáng trong ngày, góc giờ, độ lệch của mặt trời... Ở đây C1, C2 là các hệ số thực nghiệm, Iatm - bức xạ tầng trên của khí quyển, LJ - độ dài của ngày. Các đại lượng này được tính như sau: pi ψ =JL , với ψ là góc giờ mặt trời: ψ = Arcos[-tg(Lat).tg(Dec)]; [ ])cos()cos()sin()sin()sin(2 1 DecLatDecLat R II oatm ψψpi += Trong đó Lat là vĩ độ địa lý, IO - hằng số mặt trời, Dec - góc nghiêng mặt trời và R1 - véctơ bán kính: 365 )284(2 sin 180 45,23 JtDec += pipi 365 2 cos033,01 1 1 Jt R pi + = Với tJ là số ngày kể từ ngày 1 Tháng Giêng đến ngày tính toán. Đối với Zooplankton (ZOO): ZOO PHYC PHYXod P Z P P ZOO + −= δ)1(Pr (4) ZOOFFDest AZ D Z ZOO )( += (5) Trong đó PX - là tỷ lệ của phần thức ăn không được đồng hoá; FZ D - là tốc độ riêng chết tự nhiên và FZA - là tốc độ riêng bài tiết ra Amoni. Các ký hiệu khác đã biết. Công thức (4) mô phỏng quá trình chuyển hoá 3a, là hiệu của quá trình 3 atm J SURF IL CCI       += 21 22 (100%) và quá trình 3b (XP%); công thức (5) mô phỏng quá trình chuyển hoá 4 (bài tiết) và 6 (chết tự nhiên). Tốc độ riêng bài tiết ra Amoni của Zooplankton phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường (T) và được tính theo công thức: T e A Z A Z bF )(δ= Trong đó AZδ là tốc độ riêng bài tiết Amoni tại 0oC, eb - hệ số biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ bài tiết. Tốc độ riêng chết tự nhiên của quần thể Zooplankton phụ thuộc chủ yếu vào lượng thức ăn (PHY) có trong môi trường và được tính theo công thức: Ở đây ZMδ , Zmδ tương ứng là tốc độ riêng chết cực đại và cực tiểu của quần thể ZOO; ϑ(PHY−PHYm) là hàm trọng số (heaviside) của hiệu giữa sinh khối Phytoplankton thực tế (PHY) và ngưỡng của lượng thức ăn (PHYm) tại đó tốc độ chết của Zooplankton đạt cực đại. Hàm trọng số ϑ(x) có giá trị bằng 1 nếu đại lượng x > 0 và bằng 0 nếu x ≤ 0. Đối với chất hữu cơ hoà tan (DOM): PHYFZOOF PHYC ZOOPHYX od DP D Z P Z PPDOM .. .Pr ++ + = δ (6) DOMFDest AD DOM .= (7) Trong đó: FDA là tốc độ riêng phân huỷ chất hữu cơ thành Amoni: )20( . − = T T A D A D KF δ Trong đó ADδ - là tốc độ riêng của quá trình này tại 20oC, KT - hệ số biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình này. ( ) ( )      −      −−−= m mZ m Z M Z M D Z PHYPHY PHY PHY F ϑδδδ 1 23 Công thức hàm nguồn (6) mô phỏng các quá trình chuyển hoá 3b (phần thức ăn không được đồng hoá), quá trình 5 (chết tự nhiên của PHY) và quá trình 6 (chết tự nhiên của ZOO); công thức 7 mô phỏng quá trình 7 khoáng hoá chất hữu cơ thành Amoni. Đối với Amoni (AMO): PHYFDOMFZOOFod NPAMO A D A Z AMO α++=Pr (8) AMOKPHY AMOC AMOLiLDest AMO A P AAMO + + = δξ )().( (9) Ở đây α AMO – là tỷ lệ của Amoni trong phần Nitơ vô cơ của sản phẩm hô hấp của Phytoplankton, AMOK - là tốc độ riêng đạm hóa chuyển Amoni thành Nitrat Công thức hàm nguồn (8) mô phỏng quá trình chuyển hoá 4,7 và 2a Công thức hàm phân huỷ 9 mô phỏng quá trình 1a và 8. Đối với Nitrat (NIT): PHYFAMOFod NPNIT N A NIT α+=Pr (10) NITKPHYAMOExp NITC NITLiLDest NIT N P NNIT +− + = )..(.)().( λδξ (11) Trong đó α NIT là tỷ lệ của Nitrat trong phần Nitơ vô cơ vủa sản phẩm hô hấp của Phytoplankton, NITK là tốc độ riêng phi đạm hoá chuyển Nitrat thành Nitơ tự do Công thức (10) mô phỏng quá trình 8 - đạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat và quá trình 2b – thải Nitrat trong hô hấp của Phtoplankton. Công thức (11) mô phỏng quá trình 1b – sử dụng Nitrat trong quang hợp của Phytoplankton và quá trình 9 – phi đạm hoá. 24 2.2.2. Mô phỏng toán học quá trình sản xuất vật chất hữu cơ Trên cơ sở sơ đồ dạng kênh của Odum về sự chuyển hoá năng lượng qua bậc dinh dưỡng bất kỳ hình 4 và nguyên lý bảo toàn năng lượng, năng suất của bậc dinh dưỡng i nào đó được biểu diễn như sau [18, 19]: Pi = Ai – Ri Trong đó P là năng suất, A - đồng hoá và R - hô hấp. Nếu i là bậc sơ cấp (thực vật) thì nguồn năng lượng nhập vào (Pi-1) chính là năng lượng bức xạ quang hợp, do vậy Ai được gọi là năng suất thô và Pi là năng suất tinh Quá trình sản xuất sơ cấp của quần thể Phytoplankton Khối lượng gia tăng của quần thể Phytoplankton trong một đơn vị thời gian thực hiện quang hợp (thường tính trong 1 ngày) chính là năng suất sinh học sơ cấp thô (Rough primary productivity). Theo mô hình chu trình Nitơ, năng suất sơ cấp thô (PTHÔ) của quần thể Phytoplankton chính là hàm ProdPHY: PHYAMOExp NITC NIT AMOC AMOLiLP N P N A P A THO .)..( .)().( *       − + + + = λδδξ (12) Tổng lượng hô hấp (RPHY) của quần thể Phytoplankton được tính là: RPHY = FPN.PHY (13) Năng suất sơ cấp tinh (PTINH) của quần thể Phytoplankton được biểu diễn bằng hiệu của lượng sản phẩm thô và sản phẩm hô hấp của quần thể. Đây là phần vật chất (năng lượng) còn lại được tích luỹ trong sản phẩm của Phytoplankton để các bậc Ai Ri Pi Hình 4: Sơ đồ kênh năng lượng qua bậc dinh dưỡng i bất kỳ Ghi chú: Bi: Sinh khối Ai: Đồng hoá Ri: Hô hấp Pi: Năng suất NUi: Không đồng hoá Pi-1: Năng suất của bậc trước (i-1) Ni-1: Thất thoát trước khi vào bậc i Ni-1 Pi-1 Bi NUi 25 dinh dưỡng kế tiếp, trước hết là Zooplankton sử dụng theo các kênh dinh dưỡng trong hệ sinh thái vùng biển. PTINH = PTHÔ - RPHY (14) Quá trình sản xuất thứ cấp của quần thể Zooplankton Khối lượng gia tăng của quần thể Zooplankton trong 1 đơn vị thời gian thực hiện quá trình dinh dưỡng - đồng hoá thức ăn chính là lượng sản phẩm đồng hoá (AZOO) của quần thể. Đại lượng này cũng chính bằng giá trị của hàm ProdZOO: ZOO PHYC PHYXA P Z P PZOO + δ −= )1( (15) Tổng lượng hô hấp (RZOO) của quần thể Zooplankton được tính là: RZOO = FZN.ZOO (16) Năng suất thứ cấp (PZOO) của quần thể Zooplankton được biểu diễn bằng tổng đại số của sản phẩm đồng hoá và sản phẩm hô hấp của quần thể. Đây là phần vật chất (năng lượng) còn lại được tích luỹ trong sản phẩm của Zooplankton để các bậc dinh dưỡng kế tiếp sử dụng theo các kênh dinh dưỡng trong hệ sinh thái vùng biển. PZOO = AZOO - RZOO (17) Một số hiệu suất sinh thái cơ bản Đối với bậc tự dưỡng: - Hệ số P/B của quần thể Phytoplankton: PTINH/PHY (18) - Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên: PTINH/PAR (19) - Hiệu suất tự dưỡng: PTHÔ/RPHY (20) Đối với bậc dị dưỡng thứ nhất (Zooplankton): - Hệ số P/B của quần thể Zooplankton: PZOO/ZOO (21) - Tỷ lệ chuyển hoá năng lượng qua hai bậc: PZOO/PTINH (22) - Hiệu suất tăng trưởng: AZOO/RZOO (23) Trong các công thức từ 12 đến 17, các đại lượng thuộc năng suất (như năng suất thô, tinh, hô hấp, đồng hoá, năng suất thứ cấp) được quy chuyển về lượng Cacbon hữu cơ (hoặc số năng lượng) tích luỹ trong sản phẩm. Trong các công thức từ 18 đến 23, các đại lượng tham gia tính tỷ lệ được quy chuyển cùng thứ nguyên. 26 2.2.3. Các thông số sử dụng trong mô hình Các thông số của mô hình là các giá trị hằng số áp dụng cho vùng biển nghiên cứu, được xác định trước bằng các phương pháp khác nhau, chủ yếu từ các nghiên cứu thực nghiệm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã công bố của PGS.TS Đoàn Văn Bộ, tác giả đã đưa vào mô hình các thông số (trừ các hằng số thiên văn) áp dụng tại vùng biển vịnh Bắc Bộ (bảng 4) [8]. Bảng 4: Các thông số (hằng số) sử dụng trong mô hìnhvà giá trị lựa chọn cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ [8] TT Ký hiệu Thông số Thứ nguyên Giá trị 1 P Nδ Tốc độ riêng cực đại sử dụng Nitrat trong quang hợp (Ngày)-1 2.2 2 P Aδ Tốc độ riêng cực đại sử dụng Amoni trong quang hợp (Ngày)-1 1.8 3 CN Hệ số bán bảo hoà muối Nitrat µ AT-gN/l 0.15 4 CA Hệ số bán bảo hoà muối Amoni µ AT-gN/l 0.3 5 PAROPT Cường độ sáng thích hợp cho quang hợp W/m2 120 6 β T Hệ số biểu thị ức chế quang hợp do nhiệt độ - -0.5 7 β I Hệ số biểu thị ức chế quang hợp do ánh sáng - -0.5 8 TLeth Cận dưới nhiệt độ quang hợp oC 15 9 TOPT Nhiệt độ 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 P Mδ Tốc độ riêng chết cực đại của PHY (Ngày) -1 0.9 12 P mδ Tốc độ riêng chết cực tiểu của PHY (Ngày) -1 0.3 13 P0 Hệ số thực nghiệm (xác định cường độ hô hấp của PHY) - 0.05 14 Q0 Hệ số thực nghiệm (xác định cường độ hô hấp của PHY) - 0.01 15 U0 Hệ số thực nghiệm (xác định cường độ hô hấp của PHY) - 0.187 16 MP Kích thước trung bình tế bào tảo µ m 3.10-6 17 THH Nhiệt độ thuận cho quá trình hô hấp của PHY oC 20 18 Nm Giá trị nghưởng Nitơ tổng (AMO+NIT) tại đó cường độ chết của PHY đạt cực đại 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 - 0.4 27 phẩm hô hấp của Phytoplankton 22 Z Pδ Tốc độ riêng cực đại sử dụng PHY (bắt mồi) của ZOO (Ngày)-1 1.5 23 Z Mδ Tốc độ riêng chết cực đại của ZOO (Ngày) -1 0.8 24 Z mδ Tốc độ riêng chết cực tiểu của ZOO (Ngày) -1 0.05 25 CP Hệ số bán bảo hoà hàm lượng thức ăn µ AT-gN/l 0.5 26 XP Tỷ lệ của phần thức ăn không đồng hoá - 0.4 27 PHYm Giá trị nghưỡng của lượng thức ăn PHY tại đó cường độ chết của ZOO cực đại µ AT-gN/l 1.0 28 A Zδ Tốc độ riêng bài tiết Amoni tại 0 oC (Ngày)-1 0.1 29 be Hệ số biểu thị ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ bài tiết - 1.03 30 A Dδ Tốc độ riêng phân huỷ thành Amoni tại 20 oC (Ngày)-1 0.7 31 KT Hệ số biểu thị ảnh hưỡng của nhiệt độ đến A Dδ - 1.05 32 KAMO Tốc độ riêng đạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat - 0.087 33 KNIT Tốc độ riêng phi đạm 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 điều khiển chế độ dừng - 10-6 2.3. Phương pháp giải mô hình Mô hình toán chu trình chuyển hoá Nitơ được viết lại ở dạng tổng quát sau: ii i Destod dt dC −= Pr (24) Với i=1…5 tương ứng là 5 hợp phần của chu trình Nitơ. Đây là hệ phương trình vi phân thường gồm 5 phương trình, có thể giải bằng nhiều phương pháp, ở đây chọn phương pháp Runge Kuta với điều kiện ban đầu: Ci (t=t0) = Ci* (biết trước) (25) Kết quả của mô hình (24) với điều kiện (25) cho ta biến động theo thời gian của sinh khối, hàm lượng các hợp phần, từ đó tính được năng suất sinh học sơ cấp, thứ cấp và các hiệu quả sinh thái của vùng biển. Với mục đích nghiên cứu hiện trạng phân bố các hợp phần trong chu trình Nitơ và các đặc trưng của các quá trình sản xuất vật chất hữu cơ bậc thấp ở vùng 28 biển tại một thời điểm nào đấy, bài toán (24) được giải trong điều kiện dừng (dCi/dt = 0, i = 1…5): Prodi - Desti =0, i = 1…5 (26) Phương pháp lặp Runge - Kuta vẫn được áp dụng cho bài toán dừng, song cần phải kiểm tra tính hội tụ. Cụ thể, với các điều kiện môi trường không đổi trong suốt quá trình lặp, nếu tại bước tính thứ n đủ lớn mà nghiệm tính được chỉ sai khác với nghiệm ở bước thứ n-1 một giá trị ε nhỏ bé cho trước thì xem như quá trình đã đạt đến tựa dừng. Với cách xử lý này, nghiệm ban đầu (25) có thể cho trước tuỳ ý ≠ 0. Ngoài ra khi xem xét toàn bộ các điều kiện của mô hình thấy rằng: để giải được bài toán này cần phải có các số liệu đo về nhiệt độ, tại thời điểm nào đó (khảo sát) tại vùng biển. Toàn bộ giá trị các tham số và điều kiện môi trường là không đổi trong suốt quá trình lặp đến nghiệm tựa dừng. Luận văn này thực hiện giải bài toán dừng (24) trong điều kiện trung bình tháng và trung bình trên từng ô lưới ¼ độ kinh vĩ ở vùng biển vịnh Bắc Bộ. Tác giả đã sử dụng và khai thác chương trình NITCYCLE tại bộ môn Hải dương học. Đây là một phần mềm mở viết bằng ngôn ngữ Pascal để giải bài toán dừng (24) bằng phương pháp Runge - Kuta áp dụng tại một trạm khảo sát có nhiều tầng khác nhau và đã viết lại chương trình bằng ngôn ngữ Fortran áp dụng cho toàn vùng nghiên cứu. Chương trình Nitcycle được thể hiện trên sơ đồ khối hình 5. 29 Giải bài toán dừng (24) bằng phương pháp Runge-Kuta cho một tầng nước (nghiệm đầu tiên cho tuỳ ý ≠ 0 Xử lý tiếp: Tính toán năng suất sinh học, hiệu quả sinh thái cho các tầng, tính các giá trị trung bình, giá trị tích phân Kiểm tra tính hết số tầng nước Tính bức xạ quang hợp trên mặt biển và ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt độ tới quang hợp Gán các thông số sinh thái, thông số điều khiển, đọc số liệu nhiệt độ trung bình 12 tháng trên điểm lưới tính toán Kiểm tra hội tụ Xuất kết quả Kết thúc Sử dụng nghiệm vừa tính được làm đầu vào Thay đổi tầng nước tính toán Hình 5: Sơ đồ khối của chương trình NITCYCLE 30 2.4. Dữ liệu cho mô hình Các dữ liệu trong mô hình Dữ liệu cho mô hình được thu thập trên cơ sở sử dụng nguồn số liệu của ủy ban Đại dương và Khí quyển (NOAA) trên website: [20]. Từ đó trích ra nhiệt độ trung bình từng tháng (12 tháng) trên vùng nghiên cứu (từ vĩ độ 160B đến 220B và từ kinh độ 1050Đ đến 1100Đ). Các điểm lưới tính cách nhau 1/4 độ bao gồm 257 điểm tính. Cường độ bức xạ được tính toán theo các điều kiện thiên văn trung bình trên các vĩ độ địa lý trong vùng nghiên cứu và trung bình cho từng tháng. Các tham số sinh thái trong mô hình được chọn phù hợp điều kiện biển nhiệt đới Việt Nam và vùng nghiên cứu do PGS. TS. Đoàn Văn Bộ cung cấp (bảng 4) Dưới đây là phân bố theo mặt rộng nhiệt độ trung bình tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m. Hình 6: Vị trí các điểm tính của mô hình 31 Hình 7: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 8: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng 4 Hình 9: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 10: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng 10 32 Hình 11: Phân bố nhiệt độ tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 13: Phân bố nhiệt độ tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 12: Phân bố nhiệt độ tầng 20m trung bình tháng 4 Hình 14: Phân bố nhiệt độ tầng 20m trung bình tháng 10 33 Hình 15: Phân bố nhiệt độ tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 17: Phân bố nhiệt độ tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 16: Phân bố nhiệt độ tầng 50m trung bình tháng 4 Hình 18: Phân bố nhiệt độ tầng 50m trung bình tháng 10 34 Các hình vẽ từ 7 đến 18 thể hiện chi tiết sự phân bố nhiệt độ tầng mặt, tầng 20 mét và tầng 50 mét tháng 1 đại diện cho mùa đông, tháng 4 đại diện cho mùa chuyển tiếp đông sang hè, tháng 7 thể hiện cho mùa hè, tháng 10 thể hiện cho mùa chuyển tiếp hè sang đông. Tính chất mùa thể hiện rõ nét ở nền nhiệt mùa đông thấp hơn mùa hè. Mùa đông với ảnh hưởng của hệ thống gió mùa đông bắc lạnh khô thường xuất hiện vào tháng 10, 11, đến tháng 3 năm sau Mùa hè với hệ thống gió mùa tây nam thống trị, vào vịnh Bắc Bộ chuyển dần sang hướng nam và đông nam, với tính chất nóng, ẩm xuất hiện từ tháng 4, 5 cho đến tháng 9, 10 đã làm thay đổi toàn bộ hệ thống khí hậu tại vùng biển nghiên cứu so với trong mùa đông. Sự hoạt động của hai loại gió này không chỉ ảnh hưởng trực tiếp tới nhiệt độ nước mặt biển thông qua nhiệt độ không khí đặc trưng cho từng mùa gió mà còn tạo ra các hoàn lưu di chuyển các khối nước có những tính chất nhiệt muối đặc trưng. Điều đó cũng thể hiện rõ trong các hình từ hình 19 đến 25 của biến trình theo thời gian và Profile thẳng đứng của nhiệt độ tại một số điểm trên vịnh Bắc Bộ. Theo đó từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau, do sự hoạt động mạnh mẽ của hệ thống gió mùa đông bắc đã đẩy khối nước lạnh ép sát bờ từ phía bắc xuống đã làm xuất hiện khu vực nước lạnh trong vịnh và xu hướng của nhiệt độ tăng từ Bắc xuống Nam. Mùa gió Tây Nam, nhiệt độ trung bình của các tầng mặt thường ít thay đổi theo không gian và dao động trong khoảng 29,0-30,6oC, tầng 20 mét giảm xuống và dao động trong khoảng 25,0-28,0oC đến tầng 50 mét nhiệt độ giảm mạnh và dao động trong khoảng 20,0-25,0oC. Xu thế chung của nhiệt độ nước biển tầng mặt trong thời gian này ở một số vùng gần bờ lại mang tính địa phương điển hình. Hình 19: Biến trình năm nhiệt độ nước biển các tầng tại điểm 109.3750E và16.3750N 35 Hình 20: Profile nhiệt độ trung bình 12 tháng tại điểm 109.3750E và 16.3750N Hình 21: Profile nhiệt độ trung bình 12 tháng tại điểm 107.375 0E và 18.6250N Hình 22: Profile nhiệt độ trung bình 12 tháng tại điểm 107.3750E và 18.6250N 36 Hình 23: Biến trình năm nhiệt độ nước biển các tầng tại điểm 108.6250E và 20.3750N Hình 24: Profile nhiệt độ trung bình 12 tháng tại điểm 108.6250E và 20.3750N Hình 25: Profile nhiệt độ trung bình 12 tháng tại điểm 109.3750E và 17.3750N 37 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH 3.1. Kết quả tính toán sản xuất sơ cấp 3.1.1. Phân bố thực vật phù du Mùa gió đông bắc Trong mùa gió đông bắc, xu hướng phát triển của thực vật nổi tại vịnh Bắc Bộ tăng dần từ bờ ra khơi, sinh khối của thực vật nổi ở khu vực này đạt khoảng 1055 - 1125 mg- tươi/m3 trung bình 1090 mg-tươi/m3 (hình 26) đối với lớp nước mặt, 1075 - 1120 mg- tươi/m3 (hình 30) đối với lớp nước tầng 20m và 1085 - 1115 mg-tươi/m3 (hình 34) đối với lớp nước tầng 50m. Vùng nước lạnh ven bờ phía bắc và tây bắc vịnh có nhiệt độ trong khoảng 18 - 24oC các tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m (hình 7, 11, 15) không thuận lợi cho quang hợp, tại đây sinh khối chỉ đạt cỡ 1055 - 1090 mg tươi/m3. So với các thời kỳ khác trong năm thì mùa đông không phải là thời kỳ phát triển của thực vật nổi do nhiệt độ nước giảm thấp, cường độ bức xạ không lớn, lượng dinh dưỡng do các sông tải ra vịnh cũng không nhiều. Đặc biệt, sự giảm thấp của nhiệt độ nước, với dải nhiệt tương đối rộng 18-24oC (hình 7, 11, 15), là một nhân tố bất lợi cho sự phát triển của thực vật nổi. Đây là thời kỳ có sinh khối thực vật nổi thấp nhất trong năm. Mùa gió tây nam Trong mùa gió tây nam, được xem là mùa phát triển của thực vật nổi với sinh khối đạt khoảng 1184 - 1210 mg-tươi/m3 (hình 28), trung bình 1197 mg-tươi/m3 đối với lớp nước mặt, 1115 - 1165 mg-tươi/m3 (hình 32) đối với lớp nước tầng 20m và 1110 - 1145 mg-tươi/m3 (hình 36) đối với lớp nước tầng 50m. Xu hướng phát triển của của thực vật nổi ngược lại so với tháng mùa đông và tháng chuyển tiếp, sinh khối tăng dần từ khơi vào bờ và từ nam lên bắc. Nguyên nhân là nhiệt độ nước tầng mặt tương đối cao dao động từ 29 - 30,6oC tăng dần từ ngoài khơi vào bờ (hình 8), đối với tầng 20m nhiệt độ dao động trong khoảng 24 - 29oC (hình 12) và 21 - 26oC đối với tầng 50m (hình 16). Ngoài ra lượng dinh dưỡng bổ sung từ lục địa rất dồi dào được cung cấp bởi các con sông do mưa lũ đặc biệt vùng ven bờ và cửa sông có sinh khối đạt 1210 mg-tươi/m3. Đây là những điều kiện sinh thái thuận lợi cho quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi trong vùng biển nghiên cứu nhất là khu vực ven bờ tây vịnh Bắc Bộ. 38 Hình 26: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 27: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 4 39 Hình 28: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 29: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 10 40 Hình 30: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 31: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 4 41 Hình 32: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 33: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 10 42 Hình 34: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 35: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 4 43 Hình 36: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 37: Phân bố sinh khối thực vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 10 44 Biến trình năm sinh khối thực vật nổi tại các điểm khu vực phía Nam vịnh 109.3750E và 16.3750N (hình 38), 109.3750E và 17.3750N (hình 39), cho thấy tại tầng mặt của tháng 5, 6 ,7, 8, 9 Sinh khối thực vật phù du đặt cực đại và dao động trong khoảng 1180 đến 1190 mg-tươi/m3 và giảm dần trong các tháng mùa đông. Tại tầng 20m xu hướng tương tự nhưng giá trị thấp hơn so với tầng mặt và đạt khoảng 1120 đến 1165 mg-tươi/m3, tại tầng 50m xu hướng không theo quy luật tăng vào mùa hè giảm vào mùa đông và giá trị đạt khoảng 1100 đến 1140 mg-tươi/m3. Hình 38: Biến trình năm sinh khối thực vật nổi tại điểm 109.3750E và 16.3750N Hình 39: Biến trình năm sinh khối thực vật nổi tại điểm 109.3750E và 17.3750N 45 Biến trình năm sinh khối thực vật phù dù tại các điểm thuộc khu vực giữa phía bắc 106.8750E và 18.3750N (hình 40), 108.6250E và 20.3750N (hình 41) có xu hướng cực đại vào mùa hè và cực tiểu trong mùa đông tại cả ba tầng, tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m, giá trị cực tiểu đạt 1060 mg-tươi/m3 và giá trị cực đại tại tầng mặt đạt trong khoảng 1180 đến 1200 mg-tươi/m3. Có thể thấy phân bố thực vật phù du theo mặt rộng và theo thời gian có xu hướng tăng từ Bắc xuống Nam trong mùa đông và tăng từ phía Nam lên phía Bắc trong mùa hè. Hình 41: Biến trình năm sinh khối thực vật nổi tại điểm 108.6250E và 20.3750N Hình 40: Biến trình năm sinh khối thực vật nổi tại điểm 106.8750E và 18.3750N 46 3.1.2. Phân bố động vật phù du Trong mùa gió đông bắc, nét tương đồng giữa bức tranh phân bố sinh khối và năng suất của động vật nổi thể hiện khá rõ tại các tầng (hình 42, 46, 50) và rất phù hợp với phân bố của sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi, nhất là đối với sản phẩm tinh. Đây là sự biểu hiện rõ nhất và đúng quy luật về quan hệ dinh dưỡng bậc thấp ở vùng biển nghiên cứu. Xu hướng phát triển là tăng dần từ bờ ra ra khơi, từ bắc vào nam và đạt giá trị cực đại tại cửa vịnh. Sinh khối động vật nổi tầng mặt và tầng 20m (hình 42, 46) đạt giá trị trong khoảng 130 - 320 mg-tươi/m3, trung bình 230 mg-tươi/m3, tại tầng 50m sinh khối đạt khoảng 170 - 330 mg-tươi/m3. Trong mùa gió tây nam sinh khối động vật nổi (hình 44, 48, 52) dao động trong khoảng 427 - 454 mg-tươi/m3 đối với tầng mặt (hình 44) và 333 - 423 mg-tươi/m3 đối với tầng 20 mét nước (hình 48) và 269 – 379 mg-tươi/m3 đối với tầng 50m. Xu thế chung phân bố theo mặt rộng của động vật nổi mùa gió tây nam tại vịnh Bắc Bộ là tăng từ bờ ra khơi tại Cửa Tùng, từ nam ra bắc trong toàn vịnh. Tháng 4 là tháng chuyển tiếp giữa mùa đông sang mùa hè, xu thế phát triển của động vật nổi tăng từ bờ ra khơi, về định lượng đã tăng lên đáng kể, giá trị đạt từ 269 đến 378 mg-tươi/m3 tại tầng mặt (hình 43), 199 đến 349 mg-tươi/m3 tại tầng 20m (hình 47) và 142 đến 322 mg-tươi/m3 tại tầng 50m (hình 51). Ngược lại trong tháng 10 là tháng chuyển tiếp từ mùa hè sang mùa đông, giá trị đạt trong khoảng 400mg-tươi/m3 ở giữa vịnh và tăng dần về phía bờ và ngoài cửa vịnh, giá trị đạt khoảng 415mg-tươi/m3 tại tầng mặt (hình 45), tại tầng 20m (hình 49) ở vùng Ngệ An và Thừa Thiên Huế giá trị đạt 407 mg-tươi/m3 và giảm dần khi ra xa bờ. Tầng 50m (hình 53) xu hướng ngược lại giá trị đạt 359 mg-tươi/m3 và tăng dần phía xa bờ và ngoài khơi, giá trị cao nhất khoảng 377 mg-tươi/m3. 47 Hình 42: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 43: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 4 48 Hình 44: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 45: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 10 49 Hình 46: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 47: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 4 50 Hình 48: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 49: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 20m trung bình tháng 10 51 Hình 50: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 51: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 4 52 Hình 52: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 53: Phân bố sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) tầng 50m trung bình tháng 10 53 Biến trình năm sinh khối động vật phù dù tại các điểm khu vực phía Nam 109.3750E và 16.3750N (hình 54), 109.3750E và 17.3750N (hình 55) có xu hướng tương tự biến trình năm thực vật phù du, giá trị đạt cực đại vào các tháng mùa hè và cực tiểu trong các tháng mùa đông. Trong tháng 4 là tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè động vật phù du bắt đầu phát triển mạnh và đạt cực đại trong ba tháng tháng 6, tháng 7, tháng 8 và đến tháng 10 sản phẩm thứ cấp bắt đầu giảm dần và cực tiểu trong tháng 1. Tầng mặt Động vật phù du phát triển mạnh ở tầng mặt và tầng 20m, tại tầng 50m có xu hướng không theo quy luật như tầng mặt. Hình 54: Biến trình năm sinh khối động vật nổi tại điểm 109.3750E và 16.3750N Hình 55: Biến trình năm sinh khối động vật nổi tại điểm 109.3750E và 17.3750N 54 Biến trình năm sinh khối động vật phù dù tại các điểm khu vực phía Bắc 106.8750E và 18.3750N (hình 56), 108.6250E và 20.3750N (hình 57) cho thấy tại tầng mặt từ tháng 5 đến tháng 10 sinh khối động vật phù du đạt cực đại và dao động trong khoảng 400 đến 440 mg-tươi/m3 (hình 56), đạt 450 mg-tươi/m3 (hình 57) và giảm dần trong các tháng mùa đông. Tại tầng 20m sinh khối đạt cực đại tại tháng 9 và tháng 10 giá trị đạt 400 mg- tươi/m3 . Tại tầng 50m sinh khối động vật phù du giao động trong khoảng 150-380 mg- tươi/m3. Hình 57: Biến trình năm sinh khối động vật nổi tại điểm 108.6250E và 20.3750N Hình 56: Biến trình năm sinh khối động vật nổi tại điểm 106.8750E và 18.3750N 55 3.1.3. Phân bố năng suất thô Mùa gió đông bắc Năng suất sơ cấp thô tại tầng mặt có giá trị từ 24 đến 69 mgC/m3/ngày (hình 62), tại tầng 20m có giá trị từ 36 đến 66 mgC/m3/ngày (hình 66), tại tầng 50m có giá trị từ 40-56 mgC/m3/ngày (hình 70). Trong mùa gió đông bắc, phân bố năng suất thô có xu thế tăng dần từ bắc vào nam đạt trung bình 50 mgC/m3/ngày, riêng khu vực biển ngoài khơi vịnh có năng suất sơ cấp thô cao, đạt khoảng 65 mgC/m3/ngày. Mặc dù thực vật nổi có thể tập trung với mật độ cao ở khu vực ngoài khơi và cửa vịnh như đã thấy trên (hình 26, 30, 34), song do nền nhiệt trong mùa đông tương đối thấp 18-24oC (hình 7, 11, 15) nên tốc độ tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi thời kỳ này không cao. Mùa gió tây nam Hầu hết các khu vực của vùng biển nghiên cứu tại tầng mặt có năng suất sơ cấp thô trong khoảng 75 mgC/m3/ngày (hình 64), và đồng đều trong toàn vịnh, cao hơn hẳn so với các tháng mùa đông, dao động trong khoảng nhỏ. Điều này liên quan chặt chẽ tới các điều kiện sinh thái thuận, trong đó có nền nhiệt. Tại tầng 20m (hình 68) năng suất thô nhỏ nhất tại Cửa Tùng và cao dần lên phía Bắc và cửa vịnh, giá trị đạt từ 69-77 mgC/m3/ngày. Tại tầng 50m (hình 72) suất thô đạt giá trị từ 64-66 mgC/m3/ngày. Sức sản xuất sơ cấp thô của vùng biển dao động chủ yếu trong khoảng 24 đến 69 mgC/m3/ngày trong mùa đông và 75 mgC/m3/ngày trong mùa hè, trong đó lượng sản phẩm tinh chiếm khoảng 40-45%. Khu vực phía nam có sản phẩm thô 69 mgC/m3/ngày, sản phẩm tinh hình 74 đến 85 tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m chiếm khoảng 35 mgC/m3/ngày cao hơn hẳn khu vực phía bắc. Điều này liên quan chặt chẽ tới các điều kiện sinh thái thuận, trong đó lượng dinh dưỡng ở khu vực phía nam thường cao hơn. 56 Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại các điểm khu vực phía Nam 109.3750E và 16.3750N (hình 58), 109.3750E và 17.3750N (hình 59): Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại tầng mặt, tầng 20m trong vịnh Bắc Bộ là cực đại tại các tháng 5 đến 11 và giảm dần các tháng mùa đông. Theo độ sâu cũng trong các tháng này năng suất sơ cấp thô đạt cực đại tại tầng 20m, giá trị và dao động trong khoảng từ 66-77 mgC/m3/ngày, trong khi đó tại tầng mặt giá trị chỉ đạt 66-75 mgC/m3/ngày. Tại tầng 50m năng suất sơ cấp thô chỉ đạt 55-65 mgC/m3/ngày và không thể hiện rõ quy luật như các tầng mặt và tầng 20m. Hình 58: Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại điểm 109.3750E và 16.3750N Hình 59: Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại điểm 109.3750E và 17.3750N 57 Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại các điểm khu vực phía Bắc 106.8750E và 18.3750N (hình 60), 108.6250E và 20.3750N (hình 61): Xu thế chung phân bố theo thời gian năng suất sơ cấp thô tại hai điểm phía Bắc vịnh Bắc Bộ ở tầng mặt, tầng 20m tương tự hai điểm tại khu vực phía Nam các giá trị cực đại tại các tháng mùa hè, giảm dần các tháng mùa đông, giá trị dao động trong khoảng từ 55- 77 mgC/m3/ngày, theo độ sâu năng suất sơ cấp thô đạt cực đại trong lớp nước mặt đến 20m nước. Tại tầng 20m giá trị đạt cao nhất đạt 77 mgC/m3/ngày, trong khi đó tại tầng mặt giá trị đạt dưới 75 mgC/m3/ngày. Tại tầng 50m xu thế phát triển không đồng đều theo thời gian và giá trị chỉ đạt từ 45-65 mgC/m3/ngày. Hình 60: Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại điểm 106.8750E và 18.3750N Hình 61: Biến trình năm năng suất sơ cấp thô tại điểm 108.6250E và 20.3750N 58 Hình 62: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 63: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 4 59 Hình 64: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 65: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 10 60 Hình 66: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 67: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 4 61 Hình 68: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 69: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 10 62 Hình 70: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 71: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 4 63 Hình 72: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 73: Phân bố năng suất sơ cấp thô (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 10 64 3.1.4. Phân bố năng suất tinh Mùa gió đông bắc Năng suất sơ cấp tinh tại tầng mặt có giá trị từ 5 đến 30 mgC/m3/ngày (hình 74), tại tầng 20m có giá trị từ 3 đến 30 mgC/m3/ngày (hình 78), tại tầng 50m có giá trị từ 4-18 mgC/m3/ngày (hình 82), phân bố với xu thế tăng dần từ bắc vào nam. Toàn vùng biển có năng suất sơ cấp tinh đạt trung bình 17 mgC/m3/ngày, riêng khu vực biển cửa vịnh có năng suất sơ cấp tinh cao, đạt khoảng 30 mgC/m3/ngày. Do nền nhiệt khu vực này trong mùa đông tương đối thấp 18-24oC (hình 7, 11, 15) nên tốc độ tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi khu vực này không cao chỉ có thể tập trung với mật độ cao ở khu vực ngoài khơi vịnh như đã thấy trên (hình 26, 30, 34). Tuy nhiên, sự khác biệt như nêu trên là không nhiều và có thể coi trường năng suất sơ cấp tinh ở vùng biển nghiên cứu trong mùa này là tương đối đồng nhất. Phân bố sức sản xuất sơ cấp tinh ở vùng biển có đặc điểm là khu vực phía nam cao hơn hẳn khu vực phía bắc trong cả ba lớp nước (hình 74, 78, 82, theo độ sâu, năng suất sơ cấp tinh thường đạt cực đại ở tầng mặt đến tầng 20m. Mùa gió tây nam Trong mùa gió tây nam, hầu hết các khu vực của vùng biển nghiên cứu tại các tầng mặt có năng suất sơ cấp tinh trong khoảng 32,32 - 33.60 mgC/m3/ngày (hình 76), tương đối đồng đều và cao hơn hẳn so với các tháng mùa đông. Điều này liên quan chặt chẽ tới các điều kiện sinh thái thuận, trong đó có nền nhiệt. Trong tháng 4 (hình 75, 79, 83) là tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè, tại tầng mặt giá trị dao động trong khoảng 17-33 mgC/m3/ngày có xu hướng tăng từ Bắc xuống Nam. Tại tầng 20m có xu hướng tăng từ Bắc xuống Nam, giá trị dao động trong khoảng 8-34 mgC/m3/ngày. Tại tầng 50m giá trị dao động trong khoảng 3-24 mgC/m3/ngày xu hướng tương tự tầng mặt. Trong tháng 10 (hình 77, 81, 85) là tháng chuyển tiếp từ mùa hè sang mùa đông, tại các tầng các giá trị tương đối đồng đều và chỉ trong khoảng 26,3-36,2 mgC/m3/ngày xu hướng phân bố đồng đều trên toàn vịnh. 65 Hình 74: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 75: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 4 66 Hình 76: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 77: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 10 67 Hình 78: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 79: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 4 68 Hình 80: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 81: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 10 69 Hình 82: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 83: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 4 70 Hình 84: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 85: Phân bố năng suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 10 71 Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại các điểm khu vực phía Nam 109.3750E và 16.3750N (hình 88), 109.3750E và 17.3750N (hình 89): Xu thế chung phân bố theo thời gian năng suất sơ cấp tinh tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m trong vịnh Bắc Bộ là cực đại từ tháng 5 đến tháng 10 và giảm dần vào các tháng mùa đông, Tại tầng 20m, năng suất sơ cấp tinh đạt cực đại và dao động trong khoảng từ 35-36 mgC/m3/ngày, trong khi đó tại tầng mặt giá trị chỉ đạt 30-34 mgC/m3/ngày. Tại tầng 50m xu thế biến động không như tầng mặt và giá trị dao động trong khoảng 10-25 mgC/m3/ngày. Hình 86: Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại điểm 109.3750E và 16.3750N Hình 87: Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại điểm 109.3750E và 17.3750N 72 Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại các điểm khu vực phía Bắc 106.8750E và 18.3750N (hình 88), 108.6250E và 20.3750N (hình 89): Xu thế chung phân bố theo thời gian năng suất sơ cấp tinh tại hai điểm phía Bắc vịnh Bắc Bộ thấp hơn hai điểm tại khu vực phía Nam các giá trị cực đại tại các tháng mùa hè và giảm dần các tháng mùa đông, giá trị dao động trong khoảng từ 5-35 mgC/m3/ngày. Tại tầng 20m, năng suất sơ cấp tinh đạt cực đại từ tháng 8 đến tháng 11, giá trị dao động trong khoảng 35-36 mgC/m3/ngày, trong khi đó tại tầng mặt giá trị đạt dưới 35 mgC/m3/ngày . Tại tầng 50m xu thế phát triển không đồng đều theo thời gian và giá trị chỉ đạt từ 5-25 mgC/m3/ngày. Hình 88: Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại điểm 106.8750E và 18.3750N Hình 89: Biến trình năm năng suất sơ cấp tinh tại điểm 108.6250E và 20.3750N 73 3.1. 5. Phân bố năng suất thứ cấp Năng suất thứ cấp trong mùa gió đông bắc thấp hơn trong mùa gió tây nam và phân bố theo xu hướng tăng dần từ bờ ra khơi tại các tầng trên vùng biển nghiên cứu (hình 94, 98, 102). Trong mùa này hầu hết toàn vùng biển tại các tầng có năng suất thứ cấp trong khoảng 2,5 đến trên 6,0 mgC/m3/ngày, tại tầng 50m đạt 3,6-5,7 mgC/m3/ngày. Vị trí các khu vực có năng suất thứ cấp cao trùng hợp tương đối với các khu vực có sinh khối cao. Trong mùa gió tây nam (hình 96, 100, 104), năng suất thứ cấp phân bố tương đối đồng đều và có giá trị trong khoảng 6,46 đến 6,58 mgC/m3/ngày, tại tầng 50 có giá trị trong khoảng 5,4-6,6 mgC/m3/ngày. Đây là sự khác biệt về giá trị năng suất thứ cấp giữa 2 mùa, song sự khác biệt này không nhiều. Điều này phù hợp với đặc trưng của hệ sinh thái biển nhiệt đới Việt Nam, nơi có các yếu tố sinh thái môi trường biến đổi không nhiều trong năm. Hình 90: Biến trình năm năng suất thứ cấp tại điểm 109.375E và 16.375N Hình 91: Biến trình năm năng suất thứ cấp tại điểm 109.375E và 17.375N 74 Biến trình năm năng suất thứ cấp tại các điểm khu vực phía Nam 109.3750E và 16.3750N (hình 90), 109.3750E và 17.3750N (hình 91) có xu thế tăng vào mùa hè và giảm dần vào mùa đông. Tại tầng mặt và tầng 20m giá trị năng suất thứ cấp phân bố tương đối đồng đều, giá trị đạt trong khoảng 6,0-6,6 mgC/m3/ngày, tầng 50m có giá trị thấp hơn và dao động trong khoảng 5,4-6,5 mgC/m3/ngày. Biến trình năm năng suất thứ cấp tại các điểm khu vực phía Bắc 106.875E và 18.375N (hình 92), 108.625E và 20.375N (hình 93) có xu hướng tương tự nhau ở các tầng cả về định lượng và cả về xu thế. Hình 92: Biến trình năm năng suất thứ cấp tại điểm 106.8750E và 18.3750N Hình 93: Biến trình năm năng suất thứ cấp tại điểm 108.6250E và 20.3750N 75 Hình 94: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 1 Hình 95: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 4 76 Hình 96: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 7 Hình 97: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 10 77 Hình 98: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 1 Hình 99: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 4 78 Hình 100: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 7 Hình 101: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 20m trung bình tháng 10 79 Hình 102: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 1 Hình 103: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 4 80 Hình 104: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 7 Hình 105: Phân bố năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng 50m trung bình tháng 10 81 3.2. Kết quả tính toán hiệu quả sinh thái Trong bảng 5 thể hiện các kết quả tính toán giá trị của hiệu quả sinh thái trung bình toàn vịnh 12 tháng, được thể hiện trên hình 106 đến 110. Giá trị năng suất thứ cấp của động vật phù du biến đổi trong khoảng 2,5 đến 6,6 mgC/m3/ngày, nhỏ hơn năng suất sơ thô cấp gần 10 lần. Như vậy có thể thấy tỷ lệ chuyến hoá năng lượng giữa 2 bậc dinh dưỡng đầu tiên ở vùng biển nghiên cứu vào khoảng 0,1. Vùng này đặc trưng cho vùng biển nhiệt đới ven bờ giàu dinh dưỡng. Khả năng tự dưỡng của vùng biển luôn lớn hơn 1 như vậy vật chất hữu cơ (năng lượng) ban đầu được tạo ra được tích lũy để các sinh vật bậc cao sử dụng theo các kênh dinh dưỡng của hệ sinh thái vùng biển. Hệ số P/B ngày của thực vật nổi có giá trị chủ yếu trong khoảng 0,8 - 1,1 trung bình 0,95 cho thấy tốc độ tổng hợp chất hữu cơ của một đơn vị sinh khối thực vật nổi tương đối cao; hiệu suất tự dưỡng luôn luôn lớn hơn 1 (trung bình 1,6) chứng tỏ vật chất tổng hợp được không những đủ chi dùng cho chính thực vật nổi mà còn được tích luỹ khá nhiều trong sản phẩm tinh để các bậc dinh dưỡng tiếp theo sử dụng. Hiệu suất chuyển hoá năng lượng tự nhiên của vùng biển khoảng 0,02% đến trên 0,03%, trung bình 0,025% là ở mức cao so với một số vùng biển ven bờ Việt Nam (như đầm phá Tam Giang-Cầu Hai 0,04%, vùng biển nước trồi Nam Trung Bộ 0,02%.) [10]. Hình 106: Hệ số P/B ngày của quần thể Phytoplankton theo tháng 82 Bảng 5: Giá trị trung bình các đặc 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) 1085 1074 1073 1085 1108 1123 1119 1119 1125 1134 1125 1106 Năng suất thô (mgC/m3/ngày) 55.6 52.8 52.7 60 67.4 69.6 69.5 69.5 70.6 71.5 69.7 64.4 Hô hấp của thực vật nổi (mgC/m3/ngày) 35.9 35.2 35.2 36.0 37.6 38.7 38.8 38.9 39.1 39.3 38.6 37.3 Năng suất tinh (mgC/m3/ngày) 19.7 17.1 17.5 23.9 29.4 30.8 30.7 30.6 31.5 32.2 31.0 27.0 Động vật nổi Sinh khối động vật nổi (mg-tươi/m3) 275.4 252.9 253.2 297.8 339.8 365.9 372.9 373.5 379.0 376.7 353.9 321.5 Hô hấp của động vật nổi (mgC/m3/ngày) 6.09 5.49 5.5 6.7 8.17 9.21 9.58 9.67 9.77 9.55 8.7 7.5 Năng suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) 5.36 5.01 5.01 5.69 6.04 6.15 6.1 6.05 6.18 6.27 6.14 5.92 Hiệu quả sinh thái Hệ số P/B ngày của thực vật nổi 0.85 0.93 1.00 1.12 1.13 1.17 1.20 1.13 1.03 1.05 1.03 0.97 Hệ số P/B ngày của động vật nổi 0.33 0.33 0.33 0.32 0.3 0.29 0.28 0.28 0.28 0.28 0.29 0.31 Hiệu suất tự dưỡng 1.5 1.43 1.45 1.62 1.74 1.75 1.75 1.74 1.76 1.78 1.77 1.68 Hiệu quả chuyển hóa năng lượng tự nhiên (%) 0.03 0.03 0.03 0.02 0.03 0.03 0.03 0.02 0.03 0.03 0.03 0.03 Chuyển hóa năng lượng qua thực vật nổi và động vật nổi 0.4 0.4 0.41 0.26 0.22 0.21 0.21 0.21 0.21 0.2 0.21 0.23 83 Hình 107: Hệ số P/B ngày của quần thể Zooplankton theo tháng Hình 108: Hiệu suất tự dưỡng 84 Hình 109: Hiệu suất chuyển hóa năng lượng giữa hai bậc (PHY-ZOO) Hình 110: Hiệu suất chuyển hóa năng lượng tự nhiên 85 KẾT LUẬN Mô hình chu trình Nitơ dù còn chưa đầy đủ song đã phản ánh được hầu hết các quá trình cơ bản, phổ biển diễn ra trong quần thể sinh vật bậc thấp ở biển. Đây là thành công cơ bản của đề tài, từ đó có thể tiếp tục phát triển mô hình và ứng dụng tại các vùng biển khác của Việt Nam cũng như ứng dụng trong nghiên cứu sinh thái - môi trường biển ở quy mô lớn hơn: Mô hình Sinh thái - Thuỷ nhiệt động lực biển Kết quả từ mô hình chu trình Nitơ tại vùng biển nghiên cứu cho thấy đây là vùng nước nhiệt đới ven bờ có tốc độ tổng hợp vật chất hữu cơ cao, thể hiện một vùng nước giầu dinh dưỡng. Trong mùa hè, năng suất sơ cấp thô có giá trị cỡ 76 mgC/m3/ngày, trong đó sản phẩm tinh chiếm khoảng 40 - 50%, sức sản xuất thứ cấp của động vật nổi có giá trị cỡ 6.5 mgC/m3/ngày. Khả năng tổng hợp vật chất hữu cơ ở khu vực biển phía nam vùng nghiên cứu cao hơn khu vực biển phía bắc, cho thấy đây là những khu vực có nhiều điều kiện sinh thái thuận. Vịnh Bắc Bộ đặc trưng cho vùng biển nhiệt đới ven bờ giàu dinh dưỡng. Khả năng tự dưỡng của vùng biển luôn lớn hơn 1 chứng tỏ vật chất hữu cơ (năng lượng) ban đầu được tạo ra không những đủ chi dùng cho chính sinh vật sản xuất mà cũng được tích lũy để các sinh vật bậc cao sử dụng theo các kênh dinh dưỡng của hệ sinh thái vùng biển. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Tác An, 1980. Sơ bộ nhận xét về năng suất sinh học bậc 1 ở vịnh Bắc Bộ. Tuyển tập Nghiên cứu biển, tập II, phần 1, Nha Trang, tr. 43-49. 2. Đỗ 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, tập IV, NXB KH & KT Hà Nội, Tr.206-213. 3. Đoàn Văn Bộ, 1996. Giáo trình mô hình toán Hệ sinh thái biển. ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội, lưu hành nội bộ. 4. Đoàn Bộ, Nguyễn Đức 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, T.3, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, tr.169-176. 5. Đoàn Bộ, 1999. Mô hình sinh thái thuỷ động lực và một số kết quả áp dụng tại biển Việt Nam. Tuyển tập Hội nghị khoa học công nghệ biển toàn quốc lần thứ 4, Tập 1: Khí tượng-Thuỷ văn, Động lực biển... TT KHTN & CNQG, tr .185-191. 6. Đặc điểm phân bố và biến động năng suất sinh học sơ cấp ở vùng biển phía Tây vịnh Bắc Bộ. Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ T25, Số 1S (2009) 21-27 7. Đoàn Bộ, Phùng Đăng Hiếu, 2001. Nghiên cứu năng suất sinh học sơ cấp của thực vật nổi vùng biển ven bờ tây vịnh Bắc Bộ. Tuyển tập Hội nghị khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG HN lần thứ hai, Hà Nội 23-25 tháng 11 năm 2000, Chuyên ngành Khí tượng-Thuỷ văn-Hải dương học, Sở Văn hoá-Thông tin Hà Nội, tr. 3-6. 8. Đoàn Văn Bộ, 2002. Nghiên cứu và thử nghiệm mô hình chu trình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển. Báo cáo đề tài cấp cơ sở TN 01-25, ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội. 9. Đoàn Bộ – Trịnh Lê Hà. Mô hình chu trình Ni tơ trong hệ sinh thái biển. Tuyển tập các công trình khoa học Hội nghị Khoa học ĐHKHTN: Ngành Khí tượng - Thuỷ văn - Hải dương. 10. Đoàn Bộ. Năng suất sinh học của quần xã Plankton vùng biển khơi nam Việt Nam. Hội nghị khoa học Tài nguyên và môi trường biển năm 2004 87 11. Vũ Trung Tạng, 2000. Cơ sở sinh thái học. Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội. 12. Vũ Trung Tạng, 2004. Sinh học và sinh thái biển. Nhà xuất bản ĐHQG HN 13. Lê Đức Tố và ctv, 2001. Báo cáo tổng kết đề tài KĐL-CIS-01 “Điều tra nghiên cứu hệ thống đảo ven bờ vịnh Bắc Bộ phục vụ cho việc qui hoạch phát triển kinh tế - xã hội bảo vệ chủ quyền và lợi ích quốc gia trên biển” (1999-2000). Tài liệu lưu trữ tại Trung tâm Thông tin-Tư liệu Quốc gia. 14. Nguyễn Thế Tưởng và ctv, 2005. Báo cáo tổng kết đề tài KC-09-17 “Điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường vịnh Bắc Bộ” (2003- 2005). Tài liệu lưu trữ tại Trung tâm Thông tin-Tư liệu Quốc gia. 15. Đề tài-KHCN-06-02, 2002. Mô hình 3D sinh thái thủy động lực và môi trường biển Đông và những kết quả triển khai tại vịnh Bắc bộ. Báo cáo chuyên đề 3, tài liệu lưu trữ tại Bộ môn Hải dương học. 16. Đề tài – KHCN – 06 – 02: Các kết quả triển khai mô hình 3D kết hợp Thủy nhiệt động lực và Sinh thái vịnh Bắc Bộ. Báo cáo chuyên đề 4, tài liệu lưu trữ tại bộ môn Hải dương học. 17. Doan Bo, Liana McManus and others, 1997: Primary productivity of phytoplankton in study area of RP-VN JOMSRE-SCS 1996. Proceedings: Conference on the Philippines-Vietnam Joint Oceanographic and Marine Scientific Research Expedition in the South China Sea 1996, Hanoi, 22-23 April 1997, pp 72-86. 18. Gregoire M.,J-M. Beckers, J.C.J. Nihoul, E. Stanev, Coupled hydrodynamic ecosystem model of the Black Sea at the basin scale, Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea and North Sea, Ed. by Ozsoy E. and A. Mikaelyan, 1997, pp. 487-499. 19. Walsh J.J. Mc Roy C.P., et al, Carbon and nitrogen cycling within the Bering/Chukchi Sea: source regions for organic matter affecting AOU demands of the Arctic Ocean, Progress Oceanography, 1989, pp. 277-359. 20. World Ocean Atlas (WOA- Database). CD-Rom, NOAA, 2009.