BÁO CÁO KHOA HỌC: "DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ THÀNH PHẦN ĐA DẠNG SINH HỌC HỒ BA BỂ BẰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN" pdf

DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ THÀNH PHẦN ĐA DẠNG SINH HỌC HỒ BA BỂ BẰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN. Lưu Lan Hương, Nguyễn Thuỳ Dương Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN ĐẶT VẤN ĐỀ Hồ Ba Bể là một thắng cảnh nổi tiếng không chỉ của Việt Nam mà còn của thế giới. Hồ Ba Bể đã được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu khá nhiều. Các nghiên cứu thực hiện ở hồ Ba Bể chủ yếu tập trung vào lĩnh vực thuỷ sinh học và đầm hồ học. Trong các nghiên cứu đã có, việc dự báo diễn thế sinh thái và môi trường hồ Ba Bể mới chỉ dừng ở mức định tính theo kinh nghiệm. Gần đây một số mô hình tính toán gián tiếp mới chỉ dự báo hàm lượng Phôtpho trung bình của hồ. Việc sử dụng mô hình toán học để dự báo biến động thuỷ sinh vật và diễn thế sinh thái thuỷ vực đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, Công việc này còn mới mẻ và chỉ thực hiện ở một số thuỷ vực tiêu biểu như hồ Tây ở Hà Nội. Để góp phần quản lý có hiệu quả và phát triển hệ sinh thái hồ Ba Bể một cách bền vững, chúng tôi thực hiện đề tài: “Dự báo sự biến động một số nhóm sinh vật hồ Ba Bể bằng mô hình toán”. 1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. Đối tượng Hồ Ba Bể là hồ nước ngọt tự nhiên nằm trên vùng núi cao phía Bắc nước ta. Hồ chứa đựng nguồn động thực vật phong phú, đa dạng và độc đáo. Cùng với hệ thống sông suối trong vùng, hồ Ba Bể đóng vai trò quan trọng đối với sự giao lưu đi lại của người dân địa phương. Hồ cũng là nơi cung cấp nguồn thủy sản quan trọng cho nhân dân địa phương và giữ vai trò to lớn trong việc điều tiết lũ sông Năng. Vì vậy hồ Ba Bể có nhiều chức năng kinh tế và môi trường quan trọng đối với các địa phương trong vùng và các vùng lân cận. Trong đề tài này chúng tôi tiến hành dự báo sự phát triển của một số nhóm sinh vật trong hồ như: thực vật nổi (F), động vật nổi (Z), động vật đáy (B), các nhóm cá ăn thực vật nổi (S), nhóm cá ăn động vật nổi (MH), nhóm cá ăn động vật đáy (C). 1.2. Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng một số phương pháp cơ bản như thống kê số liệu, phân tích hệ thống, hồi quy, kỹ thuật mô phỏng. Chúng tôi áp dụng mô hình hệ sinh thái của Yu. M. Svirezhev, V. P. Krysanova và A. A. Voinov để phân tích biến động sinh khối của các nhóm sinh vật. Sau đó, mô phỏng mô hình bằng phần mềm Stella II để dự báo sự biến động của các nhóm sinh vật đó của hồ trong thời gian tới. 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 2.1. Áp dụng mô hình biến động sinh khối thuỷ sinh vật Mô hình hệ sinh thái của Yu. M. Svirezhev, V. P. Krysanova và A. A. Voinov bao gồm 11 tiểu mô hình, 45 phương trình và 112 các thông số khác nhau. Nó được thừa nhận là một mô hình phản ánh khá hoàn chỉnh các quá trình biến đổi vật chất diễn ra trong hồ. Ngoài các hàm số bắt buộc trong mô hình là các yếu tố khí hậu, nhiệt độ nước và tổng số bức xạ mặt trời, còn có các yếu tố điều khiển như nguồn dinh dưỡng N, P và chế độ thoáng khí. Trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi chỉ đề cập đến mô hình biến động sinh khối của 6 nhóm sinh vật trên và mối quan hệ của nó với một số thành phần có liên quan: ánh sáng, nhiệt độ, ôxy hòa tan (O), các chất dinh dưỡng (Nitơ- N, Phospho-P, các mùn hữu cơ-D), 2.2. Dự báo sự biến động của các nhóm sinh vật Áp dụng mô hình trên chúng tôi tiến hành mô phỏng để dự báo sự phát triển của các nhóm sinh vật trong hồ theo 3 phương án sau đây: Phương án 1: Sử dụng số liệu điều tra thực tế trong những năm gần đây để mô phỏng Phương án 2: Mô phỏng theo xu hướng phát triển hiện nay của các nhóm sinh vật trong hồ qua xử lý dữ liệu bằng phương pháp hồi quy. Phương án 3: Mô phỏng cho sự phát triển bền vững của hồ Mỗi bước mô phỏng là 1 năm, mỗi năm số liệu chạy dao động theo 4 mùa. Kết quả mô phỏng cụ thể như sau: Phương án 1 Tiến hành mô phỏng theo số liệu điều tra thực tế, ta thấy thực vật nổi (F) và động vật nổi (Z) đã phát triển rất nhanh, sinh vật tiêu thụ (Z) sẽ phát triển sau khi sinh vật sản xuất (F) tăng nhanh về sinh khối. Từ hình 1 ta thấy thực vật nổi phát triển rất mạnh kéo theo sự tăng sinh khối nhanh và lớn hơn cả là nhóm cá sử dụng thực vật nổi làm thức ăn (S); tương tự sinh khối của nhóm cá ăn động vật nổi (MH) cũng được tăng lên theo sự phát triển thức ăn của chúng nhưng tăng chậm hơn so với nhóm cá ăn thực vật nổi; sinh khối nhóm cá ăn sinh vật đáy (C) trong hồ tăng nhưng không đáng kể (hình 1). Sự phát triển đó là hoàn toàn đúng với quy luật phát triển của các sinh vật trong hệ sinh thái, các mối quan hệ dinh dưỡng trong chuỗi và lưới thức ăn. Hình 1. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối của thực vật nổi (1) và động vật nổi (2) theo số liệu điều tra thực tế Hình 2. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối 3 nhóm cá được nghiên cứu (nhóm ăn sinh vật đáy-1, nhóm ăn động vật nổi-2, nhóm ăn thực vật nổi-3) theo số liệu điều tra thực tế Thực tế hiện nay, sản lượng cá được khai thác trong hồ Ba Bể đã giảm đi đáng kể, cụ thể trong những năm 1961-1962 sản lượng cá là 38 tấn/năm nhưng cho đến năm 2000 ước tính chỉ đạt 6-7 tấn/năm. Nguyên nhân chính là do tình trạng khai thác cá với cường độ cao, các ngư cụ khai thác ngày càng được cải tiến để đánh bắt triệt để hơn và hàng năm lượng khách du lịch đến đây ngày càng đông. Kết quả mô hình thực tế lại cho thấy, sinh khối của ba nhóm cá được nghiên cứu vẫn tăng lên, điều đó có thể giải thích do tiềm năng phát triển của chúng là không nhỏ, chúng vẫn sinh sản và có sự tăng sinh khối trong mỗi loài. Tuy nhiên, từ mô hình ta thấy sự tăng lên đó là rất thấp bởi việc khai thác quá lớn và đặc biệt là việc khai thác cá vào mùa sinh sản. Phương án 2 Sau khi dùng phần mềm Exel để tiến hành hồi quy, chúng tôi tìm ra được phương trình phát triển theo lý thuyết của mỗi biến từ các số liệu điều tra thực tế qua một số năm gần đây. Từ phương trình lý thuyết đó chúng ta thấy được xu hướng phát triển của các nhóm sinh vật được nghiên cứu cho tới thời điểm hiện tại. Dựa vào xu hướng đó chúng tôi tiến hành mô phỏng sinh khối của các nhóm sinh vật nghiên cứu bằng mô hình của Voinov. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 3 và hình 4. Theo kết quả mô phỏng trong 10 năm gần đây, sự phát triển của thực vật nổi trong hồ ngày càng giảm và dần đi tới sự ổn định ở giá trị sinh khối thấp. Đó là chiều hướng tốt đảm bảo sự trong sạch của hồ. Hình 3. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối thực vật nổi (1) và động vật nổi (2) thực tế trong 10 năm gần đây Hình 4. Kết quả mô phỏng biến động sinh khối 3 nhóm cá (nhóm ăn sinh vật đáy-1, nhóm ăn động vật nổi-2, nhóm ăn thực vật nổi-3) thực tế trong 10 năm gần đây Bên cạnh đó, thực vật nổi lại có xu hướng phát triển mạnh. Chính vì thế, sinh khối ba nhóm cá nghiên cứu có sự tăng tuyến tính (hình 4). Mặc dù, theo tính toán hồi quy, sản lượng cá chung trong toàn hồ ngày càng giảm. Điều này có thể giải thích tương tự như ở phương án 1, khi điều kiện dinh dưỡng trong hồ thuận lợi cho sự phát triển của các loài cá, thì xu hướng tất yếu là chúng tăng sinh khối. Song thực tế, sản lượng cá ngày càng giảm do việc khai thác không hợp lý. Chúng tôi cho rằng kết quả mô phỏng ở phương án 2 là sự phản ánh gần đúng nhất, trung thực nhất các điều kiện sinh thái trong hồ cả về chất lượng nước cũng như hiện trạng các nhóm sinh vật hiện có trong hồ. [...]... các nhóm sinh vật được nghiên cứu trong 10 năm gần đây, chúng tôi đưa ra mô hình mô phỏng cho sự phát triển bền vững của hồ Ba Bể Thời gian chạy mô phỏng là 100 năm Trong mô hình này, các biến ngoại sinh như ôxy, nhiệt độ có sự biến động thực tế theo mùa (mùa mưa và mùa khô) và nằm trong giới hạn cho phép đối với sự tồn tại và phát triển của sinh vật sống trong nước Tổng lượng N và P trong hồ được duy... nhóm loài trên (4 năm) Trong mô hình chúng tôi sử dụng hàm "if" cho phép tự động xác định thời điểm cần khai thác cá theo tiêu chuẩn nói trên Hình 7 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá ăn sinh vật đáy (1) và các đợt khai thác (2) Hình 8 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá ăn động vật nổi (1) và các đợt khai thác (2) Hình 9 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối nhóm cá ăn thực vật... Trong mô hình này, sinh khối thực vật nổi theo xu hướng giảm dần rồi đạt tới trạng thái ổn định Sau 6 năm sinh khối thực vật nổi có giá trị 0,21mg/l Từ năm thứ 37 sinh khối thực vật nổi được giữ ở mức ổn định (0,01mg/l) Hình 5 Kết quả mô phỏng biến động sinh khối thực vật nổi (1) và động vật nổi (2) trong điều kiện phát triển bền vững Hình 6 Kết quả mô phỏng biến động của 3 nhóm cá (nhóm ăn sinh vật... 10,0mg/l) lên sự phát triển của các nhóm sinh vật trong hồ Ba Bể cũng góp phần duy trì trạng thái phát triển bền vững của hồ Hình 10 cho thấy trong điều kiện phát triển bền vững, chúng ta có thể tiến hành đánh bắt nhiều loài cá sống trong hồ Ba Bể Sinh khối các nhóm sinh vật trong hồ vẫn được duy trì ổn định khoảng 20 năm sau Đặc biệt, trong điều kiện này, các loại cá được khai thác khi đạt sinh khối 5mg/l... thực vật nổi và động vật nổi Phương án 2: Các số liệu điều tra thực tế sau khi dùng phép phân tích hồi quy rồi xử lý đưa vào mô hình mô phỏng cho kết quả hoàn toàn phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay của các nhóm sinh vật trong hồ Ba Bể (kể cả thực vật nổi, động vật nổi, nhóm cá ăn sinh vật đáy, nhóm cá ăn động vật nổi và nhóm cá ăn thực vật nổi) Phương án 3: Đã mô phỏng thành công một phương án... 3: Đã mô phỏng thành công một phương án phát triển bền vững của hồ Ba Bể cho 100 năm sau Mô hình đã kết hợp được các mối quan hệ giữa các thành phần vô cơ, hữu cơ trong hệ sinh thái hồ Kết quả cho thấy hàm lượng thực vật nổi và động vật nổi tồn tại trong hồ ở mức độ thấp, hồ giữ được sự trong sạch lâu dài và mang lại hiệu quả kinh tế cao bằng việc kết hợp nuôi thả cá với mật độ và khai thác hợp lý TÀI... thực vật nổi (1)và các đợt khai thác (2) Hình 10 Sơ đồ mô phỏng khi tiến hành đánh bắt nhiều loại cá ở hồ Ba Bể trong điều kiện phát triển bền vững (Thực vật nổi-1, Động vật nổi-2, Cá -3, Đánh bắt-4) Một trong những điều kiện để hồ Ba Bể đạt được trạng thái phát triển bền vững theo phương án này đó là nồng độ nitơ và phospho hòa tan trong nước Nồng độ phospho trong hồ giảm đi và ổn định ở mức thấp.là 0,009mg/l... 5mg/l Sản lượng khai thác cá tối đa đối với mỗi đợt khai thác lớn đạt tới gần 49% tổng lượng cá tại thời điểm đó và chu kỳ khai thác chỉ là 2,3 năm KẾT LUẬN Kết quả dự báo sự phát triển của các nhóm sinh vật trong hồ Ba Bể theo 3 phương án như sau: Phương án 1: Sử dụng các số liệu điều tra thực tế tại một thời điểm để mô phỏng chung cho quá trình phát triển của các nhóm sinh vật Kết quả cho thấy chúng... của hồ chúng tôi tiến hành các đợt khai thác lớn theo chu kỳ năm Chu kỳ khai thác đối với ba nhóm cá nghiên cứu (nhóm ăn sinh vật đáy-C, nhóm ăn động vật nổi-MH, nhóm ăn thực vật nổi-S) được thể hiện trong các đồ thị sau (hình 7, 8, 9) Sinh khối mỗi nhóm cá trong hồ được duy trì ở các giá trị khác nhau Sinh khối nhóm cá ăn sinh vật đáy (C) được duy trì ở mức 3,5mg/l, điều đó cũng có nghĩa là khi sinh. .. tương đối ổn định (0,92 - 0,95 mg/l) sau 40 năm Điều đó sẽ cải thiện rất nhiều chất lượng môi trường nước hồ Ba Bể Và đây cũng là xu thế mong muốn chung ở tất cả các hồ tự nhiên đang trong mối đe dọa phì dưỡng Cũng trong điều kiện đó, sinh khối của ba nhóm cá nghiên cứu đã tăng nhanh ngay từ những năm đầu tiên (hình 6) Ở phương án này, chúng tôi đã tiến hành cho khai thác cá hàng năm nhằm duy trì ở . DỰ BÁO SỰ BIẾN ĐỘNG MỘT SỐ THÀNH PHẦN ĐA DẠNG SINH HỌC HỒ BA BỂ BẰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN. Lưu Lan Hương, Nguyễn Thuỳ Dương Trường ĐHKHTN, ĐHQG HN ĐẶT VẤN ĐỀ Hồ Ba Bể là một thắng. A. Voinov để phân tích biến động sinh khối của các nhóm sinh vật. Sau đó, mô phỏng mô hình bằng phần mềm Stella II để dự báo sự biến động của các nhóm sinh vật đó của hồ trong thời gian tới một số thuỷ vực tiêu biểu như hồ Tây ở Hà Nội. Để góp phần quản lý có hiệu quả và phát triển hệ sinh thái hồ Ba Bể một cách bền vững, chúng tôi thực hiện đề tài: “Dự báo sự biến động một số