Năng suất sinh học của quần xã plankton ở vùng biển quần đảo trường sa

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 14, Số 1; 2014: 40-51 ISSN: 1859-3097 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst NĂNG SUẤT SINH HỌC CỦA QUẦN Xà PLANKTON Ở VÙNG BIỂN QUẦN ĐẢO TRƯỜNG SA Nguyễn Ngọc Tiến1*, Dƣ Văn Toán2 Viện Địa chất Địa vật lý Biển-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tổng cục Biển Hải đảo Việt Nam, Việt Nam * E-mail: nntien@imgg.vast.vn Ngày nhận bài: 7-8-2013 TÓM TẮT: Năng suất sinh học quần xã Plankton vùng biển Trường Sa Việt Nam (6-12ON, 109-118OE) tính tốn sở hệ số chuyển hoá lượng bậc dinh dưỡng Các hệ số tìm từ việc giải tốn mơ hình chu trình chuyển hố Nitơ hệ sinh thái vùng biển nghiên cứu Kết cho thấy: Trong mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam, suất sơ cấp thơ có giá trị cỡ 69 mgC/m3/ngày, sản phẩm tinh chiếm khoảng 40% Khả tổng hợp vật chất hữu khu vực biển phía Nam vùng nghiên cứu cao khu vực biển phía Bắc Năng suất sơ cấp tinh vùng biển đạt cỡ 24 đến 28 mgC/m3/ngày mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam Phân bố suất sơ cấp có liên quan mật thiết với trường nhiệt vùng biển mùa Hệ số chuyển hố lượng tự nhiên vùng biển có giá trị 2,5% Năng suất thứ cấp vùng biển biến đổi khoảng 3,6 đến 4,0 mgC/m3/ngày, nhỏ suất sơ cấp khoảng 100 lần Năng suất thứ cấp mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam phân bố tương đối đồng đều, xu hướng tăng dần từ bờ khơi vùng biển Từ khóa: Quần xã, sinh học, plankton MỞ ĐẦU Vùng biển quần đảo Trường Sa đóng vai trị quan trọng chiến lược phát triển kinh tế an ninh quốc phòng nước ta, cần bảo vệ củng cố Thông tin chi tiết yếu tố hệ sinh thái thực vật nổi, động vật nổi, suất sinh học, trữ lượng tiềm khả khai thác nguồn lợi cá nhỏ đặc biệt cần thiết việc quản lý bảo vệ biển đảo, tiếp cận đảo Khi khơng có số liệu quan trắc có ít, mơ hình tốn học giải pháp hữu ích trường hợp Với nỗ lực chi tiết hóa khu vực, áp dụng kỹ thuật giải lập trình, tranh hệ sinh thái vùng biển quần đảo Trường Sa phần sáng tỏ Kết tính tốn cung cấp 40 thơng tin tham khảo cho mục đích khác Bài báo giới thiệu kết tính tốn nhận định chủ yếu phân bố, biến đổi mùa sinh khối thực vật nổi, động vật nổi, suất sinh học sơ cấp thứ cấp nói chung cịn trữ lượng tiềm Đây nghiên cứu hoàn thành với hỗ trợ kinh phí Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam năm 2013 TÀI LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP Đã tiến hành tính tốn suất sinh học sơ cấp thực vật suất sinh học thứ cấp động vật dựa vào mơ hình chu trình chuyển hóa Nitơ hệ sinh thái Năng suất sinh học quần xã plankton … biển Cơ sở phương pháp luận q trình chuyển hố chu trình diễn tả sau (hình 1): Quá trình chuyển hố 4: Hơ hấp Zooplankton Q trình chuyển hố 1: Quang hợp Phytoplankton Q trình chuyển hoá 6: Chết tự nhiên quần thể Phytoplankton Zooplankton Q trình chuyển hố 2: Hơ hấp Phytoplankton Q trình chuyển hố 7: Khống hố chất hữu Q trình chuyển hố 3: Dinh dưỡng Zooplankton Q trình chuyển hố 8: Đạm hố (Nitrification) q trình chuyển hố 9: Phi đạm hố (Denitrification) 3a PHY ZOO 3b PHY: Phytoplankton DOM ZOO: Zooplankton DOM: Chất hữu hoà tan AMO: Amoni NIT: Nitrat 1a Trong ®ã: AMO 9: Các trình chuyển hoá 2a : H-íng chun ho¸ 1b NIT 2b Hình Sơ đồ chu trình chuyển hóa Nitơ hệ sinh thái biển Theo nguyên lý bảo toàn, tốc độ toàn phần biến đổi sinh khối nồng độ hợp phần sinh, hố học tổng đại số tốc độ trình sản sinh làm tăng (nguồnProduction) phân huỷ làm suy giảm (phân huỷ-Destruction) nồng độ sinh khối hợp phần Gọi Ci nồng độ (hoặc sinh khối) hợp phần i, Prodi, Desti tương ứng tốc độ trình làm tăng làm giảm nồng độ hợp phần, ta có: dC i  Pr od i  Dest i dt Ở i=1, …, tương ứng PHY, ZOO, DOM, AMO, NIT Từng hợp phần chu trình Nitơ, biểu thức mơ Prodi, Desti sau [2]:   P.AMO   P NIT  N Exp( AMO)  PHY Pr od PHY  L(i).L*( )  A  C A  AMO C N  NIT   Z.PHY Dest PHY  FPN.PHY  P ZOO  FPD.PHY CP  PHY Pr od ZOO  (1  X P) (1)  PZ PHY ZOO CP  PHY (2) (3) (4) 41 Nguyễn Ngọc Tiến, Dư Văn Toán Dest ZOO  (FZA  FZD)ZOO Z PHY.ZOO X P P DOM   FPD.PHY  FZD.ZOO Pr od CP  PHY A.DOM Dest DOM  FD P AMO A C A  AMO PHY  FAN AMO Pr od NIT  FAN AMO   NIT FPN PHY Dest NIT  L(i).L( ) P.NIT N ONIT Exp(.AMO).PHY  FN CN  NIT Mơ hình tốn chu trình chuyển hố Nitơ viết lại dạng tổng quát sau: dC i  Pr od i  Dest i dt (12) Đây hệ phương trình vi phân thường gồm phương trình, giải nhiều phương pháp, chọn phương pháp Runger Kuta với điều kiện ban đầu: Ci (t=t0) = Ci* (biết trước) (13) Kết mơ hình (12) với điều kiện (13) cho ta biến động theo thời gian sinh khối, hàm lượng hợp phần, suất sinh học sơ cấp, thứ cấp hiệu sinh thái vùng biển Với mục đích nghiên cứu trạng phân bố hợp phần chu trình Nitơ đặc trưng trình sản xuất vật chất hữu bậc thấp vùng biển thời điểm 42 (6) (7) Pr od AMO  FZAZOO  FDADOM   AMOFPN PHY Dest AMO  L(i).L( ) (5) (8) (9) (10) (11) đấy, toán (12) giải điều kiện dừng (dCi/dt = 0, i = 1…5), nghĩa là: Prodi - Desti =0, i = 1, …, (14) Các tài liệu sử dụng tính tốn bao gồm: Nhiệt độ lớp nước mặt trung bình nhiều năm mùa đơng mùa hè Dữ liệu tính tốn thống kê ô 0,25 độ kinh vĩ vùng biển nghiên cứu, nguồn từ Ủy ban Đại dương khí (NOAA) phát hành năm 2009 [7] Cường độ xạ tính tốn từ điều kiện thiên văn trung bình vĩ độ vùng biển nghiên cứu mùa đặc trưng Các tham số sinh thái mơ hình lựa chọn phù hợp với điều kiện biển nhiệt đới Việt Nam vùng biển nghiên cứu thể bảng [4-6] Trường độ sâu tính tốn từ lớp mặt đến 200 m nơi xạ quang hợp tới Năng suất sinh học quần xã plankton … Bảng Một số thông số (hằng số) sử dụng mơ hình giá trị lựa chọn cho vùng biển Trường Sa TT Ký hiệu   AP P N PAROPT   TLeth TOPT  Nm 10 CP (Ngày) -1 2,2 Tốc độ riêng cực đại sử dụng Amoni quang hợp (Ngày) -1 1,8 Cường độ sáng thích hợp cho quang hợp I Hệ số biểu thị ức chế quang hợp ánh sáng 12  ZA 13 be A D 15 KT 16 17 18 KAMO KNIT I0 Giá trị Tốc độ riêng cực đại sử dụng Nitrat quang hợp T PHYm  Thứ nguyên Hệ số biểu thị ức chế quang hợp nhiệt độ 11 14 Thông số Cận nhiệt độ quang hợp Nhiệt độ tối thuận cho quang hợp Hệ số biểu thị ức chế tác dụng NIT quang hợp có AMO Giá trị nghưởng Nitơ tổng (AMO+NIT) cường độ chết PHY đạt cực đại Hệ số bán bảo hoà hàm lượng thức ăn Giá trị nghưỡng lượng thức ăn PHY cường độ chết ZOO cực đại Tốc độ riêng tiết Amoni C o Tốc độ riêng phân huỷ thành Amoni 20 C o Hệ số biểu thị ảnh hưỡng nhiệt độ đến  DA Tốc độ riêng đạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat Tốc độ riêng phi đạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat Hằng số mặt trời Đặc trƣng phân bố trình sản xuất sơ cấp thực vật Trong mùa gió Đơng Bắc Tây Nam, xu hướng phát triển thực vật vùng biển quần đảo Trường Sa tăng dần từ bờ khơi, sinh khối thực vật khu vực đạt khoảng 1.131 – 1.167 mg-tươi/m3 trung bình 1.149 mg-tươi/m3 (hình 2, 3) So với thời kỳ khác năm vùng vĩ độ cao gần bờ mùa đơng khơng phải thời kỳ phát triển thực vật nhiệt độ nước giảm thấp, cường độ xạ không lớn, vùng quần đảo Trường Sa, mùa đông mùa hè nhiệt độ dao động khoảng từ 24 đến 30oC, nguồn dinh dưỡng từ lục địa khơng có, lớp nước mặt lại có xạ lớn mà sinh vật phát triển tầng nước có xạ thích hợp lượng dinh dưỡng cao Xu sinh khối thực vật đồng 120 - -0,5 - -0,5 C o C 16 28 o (  AT-gN/l)  AT-gN/l  AT-gN/l  AT-gN/l (Ngày) Hệ số biểu thị ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ tiết KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH W/m -1 (Ngày) -1 1,5 0,3 0,5 1,0 0,1 1,03 -1 0,8 - 1,05 W/m 0,088 0,0001 1.353 tốc độ tổng hợp chất hữu quang hợp thực vật phụ thuộc vào xạ mặt trời phát triển ngưỡng quang hợp cho phép, điều kiện sinh thái thuận lợi cho trình tổng hợp chất hữu thực vật vùng biển nghiên cứu phát triển Theo suất sơ cấp tinh gió mùa Đơng Bắc Tây Nam tầng mặt có xu định lượng đồng nhau, giá trị hai mùa biến đổi từ 24 đến 28 mgC/m3/ngày (hình 4, 5), phân bố với xu tăng dần từ Nam lên Bắc Tồn vùng biển có suất sơ cấp tinh đạt trung bình 26 mgC/m3/ngày, riêng khu vực vĩ độ 12 có suất sơ cấp tinh cao, đạt khoảng 28 mgC/m3/ngày Điều liên quan chặt chẽ tới điều kiện sinh thái thuận, có nhiệt Phân bố sức sản xuất sơ cấp tinh vùng biển có đặc điểm khu vực phía Bắc cao hẳn khu vực phía Nam, suất sơ cấp tinh thường đạt cực đại tầng mặt đến tầng 50m 43 Nguyễn Ngọc Tiến, Dư Văn Tốn Hình Phân bố sinh khối thực vật (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng Hình Phân bố sinh khối thực vật (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 44 Năng suất sinh học quần xã plankton … Hình Phân bố suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng Hình Phân bố suất sơ cấp tinh (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 45 Nguyễn Ngọc Tiến, Dư Văn Tốn Hình Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng Hình Phân bố nhiệt độ tầng mặt trung bình tháng 46 Năng suất sinh học quần xã plankton … Trong mùa gió Tây Nam, hầu hết khu vực vùng biển nghiên cứu có suất sơ cấp tinh khoảng 42-48 mgC/m3/ngày, cao so với mùa gió Đơng Bắc đồng Tuy thấy khu vực biển Khánh Hồ, Phan Thiết Trường Sa có tốc độ tổng hợp chất hữu cao khu vực khác Xem xét đặc trưng phân bố trường nhiệt tháng tháng (đại diện cho mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam), thấy rằng: Nhiệt độ nước bề mặt biển phụ thuộc vào xạ mặt trời tới mặt nước biển Theo số nghiên cứu trước đây, nhiệt độ thích hợp cho quang hợp thực vật vùng biển Nhiệt Đới Việt Nam khoảng 26-28oC [3, 4] So sánh nhiệt trung bình mùa vùng biển nghiên cứu với giá trị thấy mùa gió Đơng Bắc tồn khu vực Trường Sa từ vĩ tuyến - 12oN có nhiệt độ nước tầng mặt đạt 26-28,5oC (trừ dải nước sát bờ Vũng Tàu), nhiệt trung bình mùa gió Tây Nam thường cao 29,5oC (hình 6, 7) Đặc trƣng phân bố trình sản xuất sơ cấp động vật Trong mùa gió Đơng Bắc, nét tương đồng tranh phân bố sinh khối suất động vật thể rõ (hình 8) phù hợp với phân bố sức sản xuất sơ cấp thực vật nổi, sản phẩm tinh Đây biểu rõ quy luật quan hệ dinh dưỡng bậc thấp vùng biển nghiên cứu Xu hướng phát triển tăng dần từ bờ khơi [1] Sinh khối động vật tầng mặt đạt giá trị khoảng 180 - 243 mg-tươi/m3, trung bình 211 mg-tươi/m3 Trong mùa gió Tây Nam sinh khối động vật (hình 9) dao động khoảng 227 267 mg-tươi/m3 Xu chung phân bố theo mặt rộng động vật mùa gió Tây Nam Đơng Bắc quần đảo Trường Sa tăng dần từ bờ khơi xu biến đổi tương đối đồng Hình Phân bố sinh khối động vật (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng 47 Nguyễn Ngọc Tiến, Dư Văn Tốn Hình Phân bố sinh khối động vật (mg-tươi/m3) tầng mặt trung bình tháng Hình 10 Phân bố suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng 48 Năng suất sinh học quần xã plankton … Hình 11 Phân bố suất thứ cấp (mgC/m3/ngày) tầng mặt trung bình tháng Năng suất thứ cấp mùa gió Đơng Bắc thấp mùa gió Tây Nam hai mùa phân bố theo xu hướng tăng dần từ bờ khơi vùng biển nghiên cứu (hình 10) Trong mùa hầu hết tồn vùng biển có suất thứ cấp khoảng 2,6 đến 4,0 mgC/m3/ngày Vị trí khu vực có suất thứ cấp cao trùng hợp tương khu vực có sinh khối cao Trong mùa gió Tây Nam tháng (hình 11), suất thứ cấp phân bố tương đối đồng có giá trị khoảng 3,8-5,0 mgC/m3/ngày Đây khác biệt giá trị suất thứ cấp mùa.Điều phù hợp với đặc trưng hệ sinh thái biển nhiệt đới Việt Nam, nơi có yếu tố sinh thái môi trường biến đổi không nhiều năm KẾT LUẬN Năng suất sinh học quần xã Plankton vùng biển Trường Sa Việt Nam (6-12ON, 109118OE) tính tốn sở hệ số chuyển hoá lượng bậc dinh dưỡng Các hệ số tìm từ việc giải tốn mơ hình chu trình chuyển hố Nitơ hệ sinh thái vùng biển nghiên cứu Kết cho thấy rằng: suất sơ cấp tinh vùng biển đạt cỡ 24 đến 28 mgC/m3/ngày mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam Trong gió mùa Đơng Bắc sinh khối động vật tầng mặt đạt giá trị khoảng 180 - 243 mg-tươi/m3, trung bình 211 mg-tươi/m3 Trong mùa gió Tây Nam sinh khối động vật dao động khoảng 227 - 267 mg-tươi/m3 Năng suất thứ cấp vùng biển biến đổi khoảng 3,6 đến 4,0 mgC/m3/ngày, nhỏ suất sơ cấp khoảng 100 lần Năng suất thứ cấp mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam phân bố tương đối đồng đều, xu hướng tăng dần từ bờ khơi vùng biển TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tác An, 1977 Năng suất sinh học sơ cấp hiệu ứng sinh thái dòng nước trồi vùng biển Nam Trung Bộ, Các cơng trình nghiên cứu vùng nước trồi mạnh Nam Trung Bộ Nxb KH & KT Hà Nội Tr 114-130 49 Nguyễn Ngọc Tiến, Dư Văn Toán Doan Bo, Liana McManus and others, 1997 Primary productivity of phytoplankton in study area of RP-VN JOMSRE-SCS 1996 Proceedings: Conference on the PhilippinesVietnam Joint Oceanographic and Marine Scientific Research Expedition in the South China Sea 1996, Hanoi, 22-23 April 1997, pp 72-86 Đoàn Bộ, Nguyễn Dương Thạo, 2001 Sinh vật phù du vùng biển phía Tây Trường Sa mối quan hệ chúng với yếu tố môi trường Tạp chí Thủy Sản, Số Đồn Bộ, 2005 Một số kết tính tốn suất sinh học quần xã plankton 50 vùng biển khơi nam Việt Nam Tạp chí khoa học ĐHQG HN, Tập 21, Số 3AP Tr 1-7 Nguyễn Ngọc Tiến, 2011 Đánh giá trình sản xuất sơ cấp hiệu sinh thái vùng biển vịnh Bắc Bộ Tạp chí Khoa học Công nghệ Số đặc biệt Tập 49, Số 6B Nguyễn Ngọc Tiến, Nguyễn Chí Cơng, Dư Văn Tốn, 2011 Mơ hình chu trình chuyển hóa Ni tơ hệ sinh thái biển áp dụng cho vùng biển vịnh Bắc Bộ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ biển Tập 11, Số World Ocean Atlas (WOA- Database), 2009 CD-Rom, NOAA Năng suất sinh học quần xã plankton … BIOLOGICAL PRODUCTION OF PLANKTON COMMUNITY IN THE MARINE REGION OF TRUONG SA ARCHIPELAGO Nguyen Ngoc Tien, 2Du Van Toan Institute for Marine Geology and Geophysics-VAST Vietnam Administration of Seas and Islands ABSTRACT: The biological production of plankton population in Truong Sa (Spratly) archipelago, Vietnam (6-12ON, 109-118OE) was calculated basing on energy transformed coefficients between nutrient orders These coefficients were found by solving Nitrogen transformed cycle model in researched marine region ecosystem The results show that: The coarse primary power is about 69 mgC/m3/day in North-East monsoon and South-West monsoon, with about 40% fine product Organic material synthesize ability in Southern research zone is higher than that in the Northern zone The fine primary power reaches from 24 to 28 mgC/m3/day in North-East monsoon and SouthWest monsoon The distribution of primary power is related to the temperature field of this marine region through seasons The nature energy transformed coefficient is 2,5% The secondary power changes in range 3,6-4,0 mgC/m3/day, less than 100 times primary power The secondary power distributes relatively equal in North-East monsoon and South-West monsoon, which has the trend increasing slowly from shore to open sea Keywords: Community, biological, plankton 51 ... Việt Nam, nơi có yếu tố sinh thái mơi trường biến đổi không nhiều năm KẾT LUẬN Năng suất sinh học quần xã Plankton vùng biển Trường Sa Việt Nam (6-12ON, 109118OE) tính tốn sở hệ số chuyển hoá lượng... Thạo, 2001 Sinh vật phù du vùng biển phía Tây Trường Sa mối quan hệ chúng với yếu tố mơi trường Tạp chí Thủy Sản, Số Đồn Bộ, 2005 Một số kết tính tốn suất sinh học quần xã plankton 50 vùng biển khơi... Ni tơ hệ sinh thái biển áp dụng cho vùng biển vịnh Bắc Bộ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ biển Tập 11, Số World Ocean Atlas (WOA- Database), 2009 CD-Rom, NOAA Năng suất sinh học quần xã plankton