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

T p chí Khoa h c Cơng ngh bi n T11 (2011) S Tr 75 - 96 MÔ HÌNH CHU TRÌNH CHUY N HỐ NITƠ TRONG H SINH THÁI BI N ÁP D NG CHO VÙNG BI N V NH B C B NGUY N NG C TI N Vi n ð a ch t ð a v t lý bi n NGUY N CHÍ CƠNG Vi n H i dương h c DƯ VĂN TOÁN T ng c c Bi n H i ñ o Vi t Nam Tóm t t Bài báo gi i thi u mơ hình chu trình chuy n hố Nitơ h sinh thái bi n m t s k t qu áp d ng mơ hình đ tính toán su t sinh h c sơ c p t i vùng bi n v nh B c b Bài gi i thi u chu trình, nguyên t Nitơ đư c chuy n hố qua h p ph n: th c v t n i, ñ ng v t n i, ch t h u hoà tan, Amoni Nitrat Các q trình chuy n hố chu trình đư c mơ ph ng tốn h c b ng h phương trình vi phân h u n K t qu tính tốn cho th y s c s n xu t sơ c p thô c a vùng bi n v nh B c b mùa đơng dao đ ng ch y u t 30 - 63 mgC/m3/ngày, trung bình 57 mgC/m3/ngày, lư ng s n ph m tinh dao ñ ng t - 25 mgC/m3/ngày, trung bình 21 mgC/m3/ngày S n ph m su t th c p giá tr trung bình 5,6 mgC/m3/ngày dao đ ng kho ng 2,8 - 6,0 mgC/m3/ngày H s P/B ngày c a th c v t n i có giá tr trung bình 0,85, hi u su t t dư ng 1,54 hi u su t chuy n hoá lư ng t nhiên c a vùng bi n kho ng 0,03% Trong mùa hè, s c s n xu t sơ c p thơ dao đ ng kho ng 67 - 77 mgC/m3/ngày, trung bình 72,43 mgC/m3/ngày, lư ng s n ph m tinh dao ñ ng kho nng 28 - 32 mgC/m3/ngày trung bình 30 mgC/m3/ngày, su t th c p dao ñ ng kho ng 6.0 - 6.6 mgC/m3/ngày, trung bình đ t 6.36 mgC/m3/ngày H s P/B ngày c a th c v t n i có giá tr trung bình 1.02, hi u su t t dư ng 1,7 hi u su t chuy n hoá lư ng t nhiên c a vùng bi n kho ng 0,02% I M ð U Quan tr c, ño ñ c y u t hóa sinh t i vùng bi n Vi t Nam cịn chưa đư c th c hi n thư ng xuyên có h th ng Trong cơng trình này, tác gi s d ng mơ hình tốn phương pháp s nghiên c u h sinh thái bi n Vi t Nam Hư ng nghiên c u có nhi u tri n v ng, ñư c xây d ng s mơ ph ng tốn h c chu 75 trình chuy n hố v t ch t h sinh thái bi n nh m xác ñ nh ñư c nh ng quy lu t b n, ph bi n d báo bi n ñ ng c a h p ph n vô sinh, h u sinh, ñ c bi t vi c ki m sốt mơi trư ng h sinh thái bi n Trong vi t này, gi i thi u mơ hình chu trình Nitơ nh ng mơ ph ng tốn h c q trình chuy n hố chu trình m t s k t qu áp d ng t i vùng bi n v nh B c b 12 tháng nh m phân tích s phân b mùa đơng mùa hè II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U Sơ ñ chu trình chuy n hóa Nitơ h sinh thái bi n Mơ hình chu trình chuy n hố Nitơ h sinh thái bi n ñư c bi u di n sơ đ! hình Trong chu trình, ngun t Nitơ đư c chuy n hố qua h p ph n: th c v t n i (Phytoplankton- sinh kh i ñư c ký hi u PHY), ñ ng v t n i (Zooplankton - ZOO), ch t h u hoà tan (Dissolved Organic Matter - DOM), Amoni (Amonium - AMO), Nitrat (Nitrate - NIT) Trong nghiên c u này, sinh kh i ho c hàm lư ng c a h p ph n đư c tính theo kh i lư ng Nitơ có h p ph n đư c bi u di n b ng s micro-nguyên t gam Nitơ có lít nư c bi n (µAT-gN/l) Có th quy ñ i ñơn v ño thành ñơn v ño thư ng hay s d ng nghiên c u sinh h c bi n theo t" l 0,660 mg lư ng ch t tươi sinh v t phù du bi n có ch a µAT-gN [6] Các q trình chuy n hố chu trình đư c di n t sau: Q trình chuy n hoá 1: Quang h p c a Phytoplankton Trong q trình dư i tác đ ng c a lư ng ánh sáng m t tr i, Phytoplankton s d ng khí CO2, nư c mu i dinh dư$ng có Amoni (đư ng d%n 1a), Nitrit (1b) Nitrat (1c) c a mơi trư ng đ t ng h p ch t h u Q trình chuy n hố Nitơ vô t& môi trư ng thành Nitơ liên k t t bào t o (làm gi m AMO, NRIT NRAT làm tăng PHY) Kh i lư ng gia tăng c a qu n th Phytoplankton m t ñơn v th i gian th c hi n quang h p (thư ng tính ngày) su t sinh h c sơ c p thô (Rough primary productivity), m t tham s quan tr ng ñ ñánh giá ti m sinh h c c a vùng bi n Cư ng ñ trình ph thu c vào sinh kh i qu n th Phytoplankton, n!ng ñ mu i dinh dư$ng Amoni, Nitrit, Nitrat, nhi t đ mơi trư ng lư ng b c x quang h p (Photosynthetically Active Radiation - PAR) [4, 5, 6, 7] Quá trình chuy n hố 2: Hơ h p c a Phytoplankton Trong trình này, m t ph n lư ng ch t h u ñư c thành t o quang h p b ơxy hố làm gi m sinh kh i PHY, kèm theo s gi i phóng m t s h p ph n vơ 76 có h p ch t Nitơ vơ cơ, làm tăng n!ng đ AMO (đư ng d%n 2a) NIT (2b) Hi u s gi a lư ng ch t h u ñư c thành t o quang h p lư ng ch t h u b m t ñi q trình hơ h p c a Phytoplankton ñơn v th i gian (thư ng tính ngày) su t sơ c p tinh (Pure primary productivity) ðó ph n v t ch t (năng lư ng) cịn l i đư c tích lu) s n ph*m c a Phytoplankton ñ b c dinh dư$ng k ti p, trư c h t Zooplankton s d ng theo kênh dinh dư$ng h sinh thái vùng bi n Q trình chuy n hố 3: Dinh dư ng c a Zooplankton Trong trình Zooplankton s d ng Phytoplankton làm th c ăn ñ t!n t i phát tri n Cư ng ñ s d ng th c ăn c a Zooplankton ph thu c vào hàm lư ng th c ăn (PHY), sinh kh i b n ch t qu n th Zooplankton Quá trình chuy n hoá làm gi m sinh kh i qu n th Phytoplankton, ph n th c ăn th c s ñư c s d ng vào ñ!ng hoá (ñư ng d%n 3a) s+ làm tăng sinh kh i qu n th Zooplankton, ph n không s d ng (3b) s+ tr l i môi trư ng làm tăng sinh kh i ch t h u (DOM) Q trình chuy n hố 4: Hơ h p c a Zooplankton Hô h p c a Zooplankton q trình ngư c l i v i đ!ng hố c a Trong q trình ph n v t ch t (năng lư ng) ñã l y ñư c ñ!ng hoá th c ăn l i b ơxy hố đ gi i phóng lư ng Zooplankton s d ng lư ng ñ t!n t i phát tri n Cơ ch hô h p c a Zooplankton ñư c th hi n ñơn gi n qua ph n ng sau: CnH2nOn + nO2 = nCO2 + nH2O + Q Kèm theo lư ng đư c gi i phóng s n ph*m v t ch t ñư c th i môi trư ng dư i d ng s n ph*m ti t, có Amoni Như v y, hơ h p c a Zooplankton làm gi m sinh kh i ZOO tăng n!ng ñ AMO Cư ng đ q trình ph thu c ch y u vào nhi t đ mơi trư ng Hi u s gi a lư ng s n ph*m ñ!ng hoá lư ng s n ph*m tiêu hu" hô h p c a Zooplankton m t ñơn v th i gian (thư ng tính ngày) su t th c p c a b c d dư$ng th nh t ðây ph n v t ch t (năng lư ng) l i đư c tích lu) s n ph*m c a Zooplankton ñ b c dinh dư$ng k ti p (các ñ ng v t b c cao) s d ng theo kênh dinh dư$ng h sinh thái vùng bi n Q trình chuy n hố 6: Ch t t Zooplankton nhiên c a qu n th Phytoplankton Quá trình làm gi m sinh kh i qu n th làm tăng sinh kh i ch t h u (DOM) ð i v i PHY, cư ng đ q trình ch t t nhiên b gi i h n b i n!ng ñ mu i dinh dư$ng (AMO NIT), ñ i v i ZOO - b gi i h n b i hàm lư ng th c ăn (PHY) 77 Q trình chuy n hố 7: Khống hố ch t h u Phân hu" khoáng hoá ch t h u bi n (các xác ch t, s n ph*m dư th&a ho t ñ ng s ng) m t t p h p q trình lý-hố-sinh h c r t ph c t p, có s tham gia c a sinh v t (ch y u vi sinh v t phân gi i) ch t Ơxy, nư c, Trong q trình phân hu", lư ng l i ch t h u đư c gi i phóng sinh v t phân gi i s d ng lư ng ñ t!n t i phát tri n S n ph*m cu i c a trình phân hu" khoáng hoá ch t h u ch t vơ đư c hồn l i cho mơi trư ng Cư ng đ q trình ph thu c b n ch t ch t h u cơ, lư ng sinh v t phân gi i nhi u ñi u ki n phân gi i, quan tr ng h t nhi t đ mơi trư ng ð i v i chu trình Nitơ, s n ph*m vơ đư c gi i phóng q trình phân hu" khống hồ Amoniac, Amoni, Nitrit, Nitrat Tuy nhiên, s ph c t p c a khâu phân hu" h p ch t Nitơ h u chu trình mà ngư i ta thư ng coi s n ph*m vơ đ u tiên khâu ch, Amơni th y hình Như v y, theo sơ đ! q trình phân hu" ch t h u làm gi m sinh kh i DOM tr c ti p làm tăng n!ng ñ c a ch, riêng AMO PHY 3a ZOO 3b DOM 1a 2a AMO 1b 2b NIT Hình 1: Sơ đ! chu trình chuy n hố Nitơ h sinh thái bi n Chú gi i: PHY: Phytoplankton; ZOO: Zooplankton; DOM: Ch t h u hoà tan; AMO: Amoni; NIT: Nitrat; 9: Các trình chuy n hoá; → : Hư ng chuy n hoá 78 Quá trình chuy n hố - ð m hố (Nitrification) q trình chuy n hố - Phi đ m hố (Denitrification) Trong nghiên c u này, chúng tơi ñã b sung cho sơ ñ! chu trình Nitơ q trình nêu ð m hố q trình ơxy hố chuy n Amoni thành Nitrat, phi đ m hố q trình kh Nitrat thành Nitơ t Cơ ch q trình đ m hố: NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ NH3 + 2O2 → NO3- + H2O + H+ Cơ ch trình phi ñ m hoá: 5CH2O + 5H2O + 4NO3- + 4H+ → 5CO2 + 2N2 + 12H2O Mơ hình tốn chu trình chuy n hóa Nitơ Theo ngun lý b o tồn, t c đ tồn ph n bi n ñ i sinh kh i ho c n!ng ñ c a m t h p ph n sinh, hoá h c t ng đ i s t c đ q trình s n sinh làm tăng (ngu!n-Production) phân hu" làm suy gi m (phân hu"-Destruction) n!ng ñ ho c sinh kh i c a h p ph n G i Ci n!ng ñ (ho c sinh kh i) c a h p ph n i, Prodi, Desti tương ng t c ñ trình làm tăng làm gi m n!ng ñ (ho c sinh kh i) c a h p ph n, ta có: dCi = Pr od i − Desti dt (1) - ñây i = tương ng PHY, ZOO, DOM, AMO, NIT T&ng h p ph n c a chu trình Nitơ, bi u th c mô ph ng Prodi, Desti sau [6, 7]: Pr od Dest PHY Pr od  δ AP AMO  δ NP NIT = L(i).L (ξ ) + Exp(−λ AMO).PHY CA + AMO CN + NIT  * PHY = F PHY + ZOO N P = (1 − X P ) δ PZ PHY CP + PHY δ PZ PHY CP + PHY Dest ZOO = ( FZA + FZD ) ZOO ZOO + FPD PHY ZOO (2) (3) (4) (5) 79 Pr od Dest DOM DOM X Pδ PZ PHY.ZOO = + FPD PHY + FZD ZOO C P + PHY (6) = FDA DOM (7) Pr od AMO = FZA ZOO+ FDA DOM + α AMOFPN PHY Dest AMO = L(i).L(ξ ) δ AP AMO C A + AMO (8) PHY + FAN AMO (9) Pr od NIT = FAN AMO + α NIT FPN PHY NIT Dest = L(i).L(ξ ) δ NP NIT CN + NIT (10) Exp(−λ.AMO).PHY + FNO NIT (11) Trong mơ ph ng tốn h c k trên, L(i), L*(ξ) nh hư ng c a nhi t ñ N D A D A A N O cư ng ñ chi u sáng, FP , FP , FZ , FZ , FD , FZ , FA , FN t c ñ riêng c a trình chuy n hố (các đ i lư ng đư c tính tốn theo cơng th c th c nghi m [6, 7] Các ký hi u l i thông s (h ng s ) c a mơ hình, ý nghĩa giá tr c a chúng ñ i v i vùng bi n v nh B c b ñư c cho b ng Phương trình b n c a mơ hình Mơ hình tốn chu trình chuy n hố Nitơ đư c vi t l i dC i = Pr od i − Dest i dt d ng t ng quát sau: (12) V i i=1…5 tương ng h p ph n c a chu trình Nitơ ðây h phương trình vi phân thư ng g!m phương trình, có th gi i b ng nhi u phương pháp, ñây ch n phương pháp Runger Kuta v i ñi u ki n ban ñ u: Ci (t=t0) = Ci* (bi t trư c) (13) K t qu c a mơ hình (12) v i u ki n (13) cho ta bi n ñ ng theo th i gian c a sinh kh i, hàm lư ng h p ph n, su t sinh h c sơ c p, th c p hi u qu sinh thái c a vùng bi n V i m c đích nghiên c u hi n tr ng phân b h p ph n chu trình Nitơ đ c trưng c a trình s n xu t v t ch t h u b c th p vùng bi n t i m t th i ñi m ñ y, tốn (12) đư c gi i u ki n d&ng (dCi/dt = 0, i = 1…5) nghĩa là: 80 Prodi - Desti =0, i = 1…5 (14) Phương pháp l p Runge - Kuta v%n ñư c áp d ng cho toán d&ng, song c n ph i ki m tra tính h i t C th , v i ñi u ki n mơi trư ng khơng đ i su t trình l p, n u t i bư c tính th n đ l n mà nghi m tính ñư c ch, sai khác v i nghi m bư c th n-1 m t giá tr ε nh bé cho trư c xem q trình đ t ñ n t a d&ng V i cách x lý này, nghi m ban đ u (13) có th cho trư c tuỳ ý ≠ Ngoài xem xét tồn b thơng s c a mơ hình th y r ng: ð gi i đư c tốn cịn c n ph i có thơng s sinh thái s li u đo v nhi t ñ , cư ng ñ chi u sáng t i th i m (kh o sát) t i vùng bi n Toàn b giá tr tham s khơng đ i su t q trình l p đ n nghi m t a d&ng B ng 1: Các thông s (h ng s ) s d ng mơ hình giá tr l a ch n cho vùng bi n v nh B c b TT Ký hi u Thông s Th! nguyên Giá tr δ NP T c ñ riêng c c ñ i s d ng Nitrat quang h p (Ngày)-1 2.2 δ AP T c ñ riêng c c ñ i s d ng Amoni quang h p (Ngày)-1 1.8 CN H s bán bão hồ mu i Nitrat µ AT-gN/l 0.15 CA H s bán bão hoà mu i Amoni µ AT-gN/l 0.3 PAROPT Cư ng đ sáng thích h p cho quang h p W/m2 120 βT H s bi u th c ch quang h p nhi t ñ - -0.5 βI H s bi u th c ch quang h p ánh sáng - -0.5 TLeth C n dư i nhi t ñ quang h p o C 15 TOPT Nhi t ñ t i thu n cho quang h p o C 27 10 λ 11 δ MP T c ñ riêng ch t c c ñ i c a PHY (Ngày)-1 0.9 12 δ mP T c ñ riêng ch t c c ti u c a PHY (Ngày)-1 0.3 13 P0 H s th c nghi m (xác đ nh cư ng đ hơ h p c a PHY) - 0.05 14 Q0 H s th c nghi m (xác đ nh cư ng đ hơ h p c a PHY) - 0.01 H s bi u th s c ch tác d ng c a NIT quang h p có AMO ( µ ATgN/l)-1 1.5 81 15 U0 H s th c nghi m (xác đ nh cư ng đ hơ h p c a PHY) - 0.187 16 MP Kích thư c trung bình t bào t o µm 3.10-6 17 THH Nhi t đ thu n cho q trình hơ h p c a PHY 18 Nm 19 o C 20 Giá tr ngư$ng Nitơ t ng (AMO+NIT) t i cư ng ñ ch t c a PHY ñ t c c đ i µ AT-gN/l 0.3 αN T" l Nitơ vô s n ph*m hô h p c a PHY - 0.16 20 α AMO T" l c a Amoni ph n Nitơ vô c a s n ph*m hô h p c a Phytoplankton - 0.4 21 α NIT T" l Nitrat ph n Nitơ vô c a s n ph*m hô h p c a Phytoplankton - 0.4 22 δ PZ T c ñ riêng c c ñ i s d ng PHY (b t m!i) c a ZOO (Ngày)-1 1.5 23 δ MZ T c ñ riêng ch t c c ñ i c a ZOO (Ngày)-1 0.8 24 δ mZ T c ñ riêng ch t c c ti u c a ZOO (Ngày)-1 0.05 25 CP H s bán bão hồ hàm lư ng th c ăn µ AT-gN/l 0.5 26 XP T" l c a ph n th c ăn khơng đ!ng hố - 0.4 27 PHYm Giá tr ngư$ng c a lư ng th c ăn PHY t i cư ng đ ch t c a ZOO c c đ i µ AT-gN/l 1.0 28 δ ZA T c ñ riêng ti t Amoni t i 0oC (Ngày)-1 0.1 29 be H s bi u th nh hư ng nhi t ñ ñ n t c ñ ti t - 1.03 30 δ DA T c ñ riêng phân hu" thành Amoni t i 20oC (Ngày)-1 0.7 31 KT H s bi u th nh hư ng c a nhi t ñ ñ n δ DA - 1.05 32 KAMO T c ñ riêng ñ m hoá chuy n Amoni thành Nitrat - 0.087 33 KNIT T c đ riêng phi đ m hố chuy n Amoni thành Nitrat - 0.00001 34 I0 H ng s m t tr i W/m 1353 35 C1 H s th c nghi m - 0.56 36 C2 H s th c nghi m - 0.16 37 ∆T Bư c tính Ngày 0.01 38 ε Tham s ñi u n ch ñ d&ng - 10-6 82 Trong vi t này, chúng tơi s d ng khai thác chương trình NITCYCLE ðây m t ph n m m m vi t b ng ngơn ng Pascal đ gi i tốn d&ng (12) b ng phương pháp Runge - Kuta áp d ng t i m t m kh o sát có t ng khác Chúng tơi vi t l i chương trình b ng ngơn ng Fortran cho 257 m tồn vùng nghiên c u III K T QU" ÁP D NG MƠ HÌNH T#I VÙNG BI N V NH B C B Trong b ng hình 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ñưa m t s k t qu b n áp d ng mơ hình t i vùng bi n v nh B c b 12 tháng, vi t ch, ñưa vào tháng đ i di n cho mùa đơng tháng đ i di n cho mùa hè Mùa đơng Trong tháng 1, khu v c phát tri n c a th c v t n i v nh B c b ch y u vùng nư c m trung tâm c a v nh, nơi có nhi t ñ 24oC Sinh kh i c a th c v t n i khu v c ñ t kho ng 1110 - 1120 mg-tươi/m3 trung bình 1103 mg-tươi/m3 (hình 2) Vùng nư c l nh ven b phía B c Tây B c v nh có nhi t đ kho ng 15,5 - 21oC khơng thu n l i cho quang h p, t i ñây sinh kh i ch, ñ t c$ 1065 - 1090 mg tươi/m3 So v i th i kỳ khác năm mùa đơng khơng ph i th i kỳ phát tri n c a th c v t n i nhi t ñ nư c gi m th p, cư ng ñ b c x không l n, lư ng dinh dư$ng sông t i v nh không nhi u ð c bi t, s gi m th p c a nhi t ñ nư c v i d i nhi t tương ñ i r ng (19 - 23oC) m t nhân t b t l i cho s phát tri n c a th c v t n i ðây th i kỳ có sinh kh i th c v t n i th p nh t năm S c s n xu t sơ c p thơ c a vùng bi n dao đ ng ch y u kho ng 30 ñ n 63 mgC/m3/ngày, trung bình 57 mgC/m3/ngày lư ng s n ph*m tinh dao đ ng khỗng đ n 25 mgC/m3/ngày trung bình 21 mgC/m3/ngày Phân b s c s n xu t sơ c p vùng bi n có đ c m khu v c phía Nam (s n ph*m thơ) cao h1n khu v c phía B c (hình 4), khu v c ngồi c a v nh đ t giá tr cao nh t 63 mgC/m3/ngày ñ i v i s n ph*m thơ 25 mgC/m3/ngày đ i v i s n ph*m tinh ð i v i s n ph*m th c p (ñ ng v t n i), nét tương ñ!ng gi a b c tranh phân b sinh kh i su t c a chúng th hi n rõ (hình 6) r t phù h p v i phân b c a s c s n xu t sơ c p c a th c v t n i, nh t ñ i v i s n ph*m tinh ðây s bi u hi n rõ nh t ñúng quy lu t v quan h dinh dư$ng b c th p vùng bi n nghiên c u Trong sinh kh i ð ng v t n i (hình 10) đ t giá tr kho ng 134 - 329 mg-tươi/m3, giá tr trung bình 288 mg-tươi/m3, s n ph*m su t th c p (hình 8) giá tr trung bình 5.6 mgC/m3/ngày bi n ñ i kho ng 2,8 - 6,0 mgC/m3/ngày 83 V hi u su t sinh thái tháng mùa đơng đư c th hi n b ng 2: H s P/B ngày c a th c v t n i có giá tr trung bình 0,85, ch ng t t c đ t ng h p ch t h u c a m t ñơn v sinh kh i th c v t n i không l n H s P/B ngày c a đ ng v t n i có giá tr trung bình 0.33 ði u cho th y y u t sinh thái c a vùng bi n tháng mùa đơng khơng pha thu n, vai trị c a nhi t đ nư c th hi n rõ nh t Tuy nhiên, hi u su t t dư$ng v%n luôn l n (giá tr trung bình đ t 1,54) cho th y vùng bi n v%n tích lu) v t ch t h u sơ kh i ði u m t l n n a th hi n s h n ch q trình hơ h p tiêu hao v t ch t n n nhi t gi m th p, hi u su t chuy n hố lư ng t nhiên khơng cao, m t ph n cư ng ñ b c x t nhiên tháng mùa đơng gi m, song ph n ch y u trình t ng h p ch t h u c a th c v t n i nh Mùa hè Trong tháng 7, ñư c xem mùa phát tri n c a th c v t n i v i sinh kh i h u kh p v nh ñ t kho ng 1132 - 1197 mg-tươi/m3 (hình 3), giá tr trung bình l n nh t đ t 1159,77 mg-tươi/m3 tháng 9, ñ c bi t vùng ven b c a sơng có sinh kh i đ t 1198 mg-tươi/m3 Th i kỳ nhi t ñ nư c t ng m t tăng cao 29oC tương ñ i ñ!ng nh t, lư ng dinh dư$ng b sung t& l c ñ a d!i ðây m t nh ng ñi u ki n sinh thái thu n cho trình t ng h p ch t h u c a th c v t n i khu v c ven b Tây v nh B c b Phân b s c s n xu t sơ c p, t ng lư ng s n ph*m thơ (hình 5) th c v t n i t ng h p ñư c ngày (l y trung bình ngày 15 hàng tháng) đ t trung bình 72,34 mgC/m3/ngày, dao đ ng kho ng 67 - 77 mgC/m3/ngày Sinh kh i đ ng v t n i (hình 7) trung bình 388mg-tươi/m3 dao đ ng kho ng 345 - 445 mgC/m3/ngày, su t th c p (hình 9) trung bình đ t 6.36 mgC/m3/ngày dao đ ng kho ng 6.0 - 6.6 mgC/m3/ngày ðây nh ng giá tr ñ c trưng cho vùng bi n nhi t ñ i ven b gi u dinh dư$ng có s c s n xu t sơ c p cao V hi u su t sinh thái mùa hè: H s P/B ngày c a th c v t n i có giá tr trung bình 1.02 cho th y t c ñ t ng h p ch t h u c a m t ñơn v sinh kh i th c v t n i cao; H s P/B ngày c a ñ ng v t n i có giá tr trung bình 0.22; hi u su t t dư$ng luôn l n trung bình 1,7 ch ng t v t ch t t ng h p đư c khơng nh ng đ chi dùng cho th c v t n i mà cịn đư c tích lu) nhi u s n ph*m tinh ñ b c dinh dư$ng ti p theo s d ng Hi u su t chuy n hoá lư ng t nhiên trung bình 0,02% m c cao so v i m t s vùng bi n ven b Vi t Nam 84 B ng 2: Giá tr trung bình ñ c trưng c a trình s n xu t v t ch t h u vùng bi n v nh B c b Y$u t Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng 10 11 12 Th%c v t n i Sinh kh i th c v tn i (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 su t 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 h p th c v t n i (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 su t 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 ð&ng v t n i Sinh kh i ñ ng v t n i (mg287.98 267.75 267.47 311.2 354.46 381.3 388.76 389.87 394.92 390.77 366.39 333.67 tươi/ m3) ð!ng hố c a đ ng v t n i (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 h p c a ñ ng v t n i (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 su t th c p (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 Hi u qu sinh thái H s P/B ngày c a PHY 0.85 0.81 0.82 0.92 1.03 1.02 1.01 1.03 1.05 1.03 0.97 H s P/B ngày c a 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 Hi u su t t dư$ng 1.54 1.48 1.49 1.65 1.77 1.79 1.77 1.76 1.79 1.82 1.8 1.72 Hi u su t chuy n hoá lư ng t 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 Chuy n hoá lư ng 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 85 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 107 o 106 o 108 o 109 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây Q.Đ C ôTô 21 o Đảo C át B Hải Phòng Hng Yên Ho Bình H Nam 1,0 Q.Đ Long Châu Thái Bình Nam Định Ninh Bình 65 70 10 107 108 108 Đ.Bạch Long Vĩ 20 o Thanh Hoá 20 o 1090 10 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 1105 19 o 19 o 11 1, Hòn M Nghệ An H Tĩnh 15 11 Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió Quảng Bình Đảo Cồn C ỏ 17 o 17 o 11 20 Quảng Trị Huế 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o Hình 2: Giá tr trung bình sinh kh i th c v t n i (mg-tươi/m3) tháng 86 110 oE 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 107 o 106 o 108 o 109 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o H Tây 1197 Quảng Ninh Hải Dơng Q.Đ C ôTô 21 o 1192 Đảo C át B Hải Phòng Hng Yên Ho Bình H Nam 1187 Q.Đ Long C hâu Thái Bình 118 Nam Định Ninh Bình Đ.Bạch Long VÜ 1177 20 o Thanh Ho¸ 20 o 1172 1162 Hòn Mê Đảo Nghi Sơn 1152 19 o 19 o 1147 Hòn M Nghệ An 1137 1132 H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió 1147 Quảng Bình Đảo Cồn C ỏ 17 o Quảng Trị 17 o 1142 1147 HuÕ 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o 110 oE Hình 3: Giá tr trung bình sinh kh i th c v t n i (mg-tươi/m3) tháng 87 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 106 o 108 o 107 o 109 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây Q.Đ C ôTô 21 o 57 Đảo Cát B Hải Phòng Hng Yên Ho Bình H Nam 39 42 45 48 Q.Đ Long C hâu 36 Thái Bình Nam Định Ninh Bình Đ.Bạch Long Vĩ 20 o 20 o 51 Thanh Hoá 54 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 60 19 o 19 o Hòn M Nghệ An H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió Quảng Bình Đảo C ồn C ỏ 63 17 o 17 o Quảng Trị HuÕ 63 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o Hình 4: Giá tr trung bình su t thơ (mgC/m3/ngày) tháng 88 110 oE 106 o 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 107 o 109 o 108 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây 77 Q.Đ CôTô 21 o Đảo Cát B Hng Yên Ho Bình H Nam Hải Phòng Q.Đ Long Châu Thái Bình 76 Nam Định Ninh Bình Đ.Bạch Long Vĩ 20 o 20 o 75 Thanh Hoá 74 Hòn Mê Đảo Nghi Sơn 73 19 o 19 o 72 Hòn M Nghệ An 70 67 H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió Quảng Bình Đảo C ồn C ỏ 17 o 17 o Quảng Trị Huế 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o 110 oE Hình 5: Giá tr trung bình su t thơ (mgC/m3/ngày) tháng 89 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 106 o 107 o 108 o 109 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây Q.Đ C ôTô 21 o Đảo Cát B Hải Phòng Hng Yên Ho Bình H Nam Q.Đ Long C hâu 19 134 164 Thái Bình Nam Định Ninh Bình Đ.Bạch Long Vĩ 23594 269 20 o Thanh Hoá 20 o 284 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 299 19 o 19 o 31 Hòn Mắt Nghệ An H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 32 Hòn Gió 18 o Quảng Bình Đảo C ồn Cỏ 17 o 17 o Quảng Trị Huế 16 o N 105 oE 106 o 107 o § N½ng 108 o 16 o N 109 o Hình 6: Giá tr trung bình sinh kh i đ ng v t n i (mg-tươi/m3) tháng 90 110 oE 106 o 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 107 o 108 o 109 o 110 oE 22 o N L¹ng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh 445 H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây Q.Đ C ôTô 21 o Đảo C át B Hng Yên Ho Bình H Nam Hải Phòng 435 Q.Đ Long C hâu Thái Bình Nam Định Ninh Bình 425 Đ.Bạch Long Vĩ 20 o 20 o Thanh Hoá 415 405 395 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 85 19 o Hòn Mắt 375 Nghệ An 365 19 o 355 345 H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió Quảng Bình Đảo C ồn Cỏ 17 o 17 o Quảng Trị 75 Huế 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o 110 oE Hình 7: Giá tr trung bình sinh kh i đ ng v t n i (mg-tươi/m3) tháng 91 107 o 106 o 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 108 o 109 o o 110 E 22 o N L¹ng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh H Nội 21 o Quảng Ninh Hải Dơng H Tây Q.Đ CôTô 21 o Đảo C át B Hải Phòng Hng Yên Ho Bình H Nam Q.Đ Long C hâu Thái Bình 2.8 Nam Định Ninh Bình Đ.Bạch Long Vĩ 20 o 20 o Thanh Hoá 5.6 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 19 o 19 o 6.0 Hòn M Nghệ An H Tĩnh Hòn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió Quảng Bình Đảo C ồn C ỏ 6.0 17 o 17 o Quảng Trị Huế 16 o N 105 oE 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o Hình 8: Giá tr trung bình su t th c p (mgC/m3/ngày) tháng 92 110 oE 105 oE 22 o Tuyªn Quang N 106 o 107 o 108 o 109 o 110 oE 22 o N Lạng Sơn Thái Nguyên Vĩnh Phúc Việt Trì Bắc Giang Bắc Ninh Quảng Ninh Q.Đ CôTô 21 o Hải Dơng H Tây 6.5 H Nội 21 o Đảo C át B Hng Yên Ho Bình H Nam Hải Phòng 6.6 Q.Đ Long C hâu Thái Bình Nam Định 6.6 Ninh Bình Đ.Bạch Long Vĩ 20 o 20 o Thanh Hoá 6.55 6.5 Hòn M ê Đảo Nghi Sơn 6.45 19 o 6.4 Hòn M ¾t NghƯ An 19 o 6.2 6.0 H TÜnh Hßn Sơn Dơng 18 o 18 o Hòn Gió 17 o 6.2 6.15 Đảo C ồn Cỏ 6.1 6.05 Quảng Bình 17 o Quảng Trị Huế 16 o N o 105 E 106 o 107 o Đ Nẵng 108 o 16 o N 109 o 110 oE Hình 9: Giá tr trung bình su t th c p (mgC/m3/ngày) tháng 93 IV K T LU'N VÀ KHUY N NGH Mùa đơng nhi t đ nư c gi m th p v i d i nhi t tương ñ i r ng (19-23 oC), cư ng ñ b c x không l n, lư ng dinh dư$ng t& sông t i v nh không nhi u t o b t l i cho s phát tri n c a th c v t n i Sinh kh i c a th c v t n i khu v c ñ t kho ng 1110 - 1120 mg-tươi/m3 trung bình 1103 mg-tươi/m3 ðây th i kỳ có sinh kh i th c v t n i th p nh t năm ði u m t l n n a th hi n s h n ch q trình hơ h p tiêu hao v t ch t n n nhi t gi m th p, hi u su t chuy n hoá lư ng t nhiên không cao, m t ph n cư ng ñ b c x t nhiên tháng mùa đơng gi m, song ph n ch y u trình t ng h p ch t h u c a th c v t n i nh Mùa hè mùa phát tri n c a th c v t n i v i sinh kh i h u kh p v nh ñ t kho ng 1132 - 1197 mg-tươi/m3, giá tr trung bình l n nh t đ t 1159,77 mg-tươi/m3 Th i kỳ nhi t ñ nư c t ng m t tăng cao 29 oC tương ñ i ñ!ng nh t, lư ng dinh dư$ng b sung t& l c ñ a d!i ðây m t nh ng ñi u ki n sinh thái thu n cho trình t ng h p ch t h u c a th c v t n i khu v c ven b Tây v nh B c b V hi u su t sinh thái mùa hè: H s P/B ngày c a th c v t n i có giá tr trung bình 1.02 cho th y t c ñ t ng h p ch t h u c a m t ñơn v sinh kh i th c v t n i cao; H s P/B ngày c a ñ ng v t n i có giá tr trung bình 0.22; hi u su t t dư$ng ln ln l n trung bình 1,7 ch ng t v t ch t t ng h p đư c khơng nh ng đ chi dùng cho th c v t n i mà cịn ñư c tích lu) nhi u s n ph*m tinh ñ b c dinh dư$ng ti p theo s d ng Hi u su t chuy n hố lư ng t nhiên trung bình 0,02% m c cao so v i m t s vùng bi n ven b Vi t Nam Do s li u quan tr c y u t dinh dư$ng chưa ñư c th c hi n ñ y ñ chi ti t, nên phương pháp mơ hình mơ ph ng chu trình nitơ r t có giá tr , cung c p v chu2i trình nitơ chuy n hóa h sinh thái bi n Có th ng d ng mơ hình nghiên c u cho vùng bi n khác t i Vi t Nam TÀI LI U THAM KH"O 94 Nguy(n Tác An, 1977 Năng su t sinh h c sơ c p hi u ng sinh thái c a dòng nư c tr!i vùng bi n Nam Trung b , Các cơng trình nghiên c u vùng nư c tr i m nh Nam Trung b , NXB KH & KT Hà N i, tr 114-130 2 ð) Tr ng Bình, 1997 K t qu tính tốn su t sinh h c sơ c p hi u qu sinh thái c a th c v t n i vào mùa khô (tháng 1-1997) t i v nh H Long, Tài nguyên Môi trư!ng Bi n, NXB KH & KT Hà N i, T.4, tr 206-213 ðoàn B&, Nguy(n ð!c C%, 1996 Nghiên c u su t sinh h c sơ c p c a th c v t n i h sinh thái vùng tri u c a sông H!ng, Tài nguyên Môi trư!ng bi n, NXB KH & KT Hà N i, T.3, 1996, tr.169-176 ðồn B&, 1997 Mơ hình tốn h c phân b sinh v t n i su t sinh h c sơ c p vùng nư c tr!i th m l c ñ a Nam Trung b , T p chí Sinh h c, T.19, No 4, tr 35-42 ðoàn B&, 1998 Nghiên c u su t sinh h c qu n xã Plankton vùng ñ m phá Tam Giang-C u Hai b ng phương pháp mơ hình tốn, T p chí khoa h c ðHQGHN: Tuy n t p cơng trình khoa h c H i ngh Khoa h c ðHKHTN: Ngành Khí tư ng - Thu" văn - H i dương, tr 1-7 ðinh Văn Ưu, ðoàn Văn B& nnk, 2000 Nghiên c u c u trúc chi#u (3D) thu" nhi t ñ ng l c h c bi n ðông ng d ng c a chúng, Báo cáo t ng k t ñ tài NCKH c p nhà nư c KHCN-06-02, tài li u lưu tr t i Chương trình Bi n KHCN06, Hà N i 2000 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 compounds: Phytoplankton, Zooplankton, Dissolved Organic Matter, Amonium and Nitrate The transformation processes in the cycle ware simulated by system of 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 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 95 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 nh n bài: 25 - 01 - 2011 Ngư i nh n xét: PGS TS Nguy n Chu H!i 96 ... PHÁP NGHIÊN C U Sơ ñ chu trình chuy n hóa Nitơ h sinh thái bi n Mơ hình chu trình chuy n hố Nitơ h sinh thái bi n ñư c bi u di n sơ đ! hình Trong chu trình, ngun t Nitơ đư c chuy n hố qua h p ph... q trình chuy n hố; → : Hư ng chuy n hố 78 Q trình chuy n hoá - ð m hoá (Nitrification) q trình chuy n hố - Phi đ m hố (Denitrification) Trong nghiên c u này, chúng tơi b sung cho sơ đ! chu trình. .. nên phương pháp mơ hình mơ ph ng chu trình nitơ r t có giá tr , cung c p v chu2 i trình nitơ chuy n hóa h sinh thái bi n Có th ng d ng mơ hình nghiên c u cho vùng bi n khác t i Vi t Nam TÀI LI