Bài báo giới thiệu kết quả bước đầu xác định hàm lượng POC, tìm hiểu mối quan hệ của chúng với lưu lượng nước và hàm lượng cát bùn lơ lửng trong môi trường nước hệ thống sông Hồng vùng hạ lưu, từ Hà Nội đến các phân lưu chính (sông Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ và sông Đào) trong thời gian từ tháng 4/2009 đến tháng 4/2010.
34(1), 65-69 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 3-2012 BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT HÀM LƯỢNG CARBON HỮU CƠ KHÔNG TAN (POC) TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÙNG HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG HỒNG VŨ HỮU HIẾU1, LÊ THỊ PHƯƠNG QUỲNH1, GARNIER JOSETTE2, HENRI ETCHEBER3, DƯƠNG THỊ THỦY4, HỒ TÚ CƯỜNG4 Email: hieuvh84@yahoo.com Viện Hóa học Hợp chất thiên nhiên - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Đại học Paris VI, Paris 75005 -Cộng hoà Pháp Trường Đại học Bordeaux I, Bordeaux - Cộng hồ Pháp Viện Cơng nghệ Mơi trường - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Mở đầu Carbon hữu không tan (Particulate organic carbon, POC) với carbon hữu hòa tan (DOC) hai dạng tồn carbon hữu mơi trường nước Tải lượng carbon chuyển tải từ sông biển thành phần quan trọng chu trình carbon tồn cầu [7] Gần đây, ước tính tổng tải lượng carbon hữu từ sông giới đổ biển đạt 0,4 Gt/năm, 55% dạng carbon hữu hoà tan 45% dạng carbon hữu không tan Cả hai dạng có nguồn gốc chủ yếu từ bể sinh Trái Đất, biết đến carbon hữu có nguồn gốc sinh vật, bao gồm carbon hữu từ sinh khối sống, rác thải đất [10] Tải lượng carbon hữu vận chuyển qua hệ thống sơng ngịi từ đất liền đại dương chịu ảnh hưởng trình tự nhiên hoạt động người lưu vực Tải lượng carbon hữu tăng nạn phá rừng, xây dựng cầu đường, gia tăng dân số, giảm việc xây dựng hồ chứa lưu vực sông Bên cạnh đó, tải lượng carbon hữu cịn chịu ảnh hưởng q trình phong hố, xói mịn lưu vực, chế độ khí hậu, thảm thực vật, địa chất-địa mạo, địa kiến tạo thành phần khống hóa, cấu trúc đá đất lưu vực [7, 9] POC số quan trọng để đánh giá chất lượng nước sông, dùng để xác định hàm lượng carbon hữu chất rắn lơ lửng Chất rắn lơ lửng bao gồm nguyên tố, hợp chất tách từ hệ động, thực vật chất hữu bị hấp phụ bùn đất sét Sự phân hủy POC với hàm lượng nước trầm tích đóng vai trị quan trọng chất lượng nước sơng làm giảm hàm lượng oxy hòa tan làm tăng nhu cầu cầu oxy sinh học [10] Nghiên cứu POC nước sông tiến hành nhiều quốc gia giới, nhiên, Việt Nam nghiên cứu vấn đề hạn chế Bài báo giới thiệu kết bước đầu xác định hàm lượng POC, tìm hiểu mối quan hệ chúng với lưu lượng nước hàm lượng cát bùn lơ lửng môi trường nước hệ thống sông Hồng vùng hạ lưu, từ Hà Nội đến phân lưu (sơng Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ sơng Đào) thời gian từ tháng 4/2009 đến tháng 4/2010 Các kết thu góp phần đánh giá chất lượng nước hệ thống sông Hồng làm sở liệu cho nghiên cứu tính toán tải lượng carbon đổ biển hệ thống sông Hồng, tạo sở khoa học cho việc bảo vệ quản lý nguồn nước có hiệu Việt Nam Đối tượng nội dung nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống sông Hồng có diện tích lưu vực khoảng 156.451 km2 (51,2% diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam, 47,9% thuộc lãnh thổ Trung Quốc 0,9% thuộc lãnh thổ Lào) 65 Khí hậu chế độ thủy văn: Lưu vực sơng Hồng thuộc vùng khí hậu nhiệt đới Mùa mưa từ tháng đến tháng 10, thường chiếm 85-90% tổng lượng mưa năm Lưu lượng nước trung bình trạm quan trắc sơng Hồng nhánh (giai đoạn từ 4/2009 đến 4/2010) là: 1789m3/s trạm Hà Nội, 521m3/s trạm Nam Định, 328m3/s trạm Quyết Chiến, 143m3/s trạm Trực Phương Riêng trạm Ba Lạt, có số liệu đầy đủ mực nước vài số liệu rải rác lưu lượng nước Vì vậy, nghiên cứu khảo sát hàm lượng POC trạm Ba Lạt mà chưa đề cập tới quan hệ hàm lượng POC lưu lượng nước Dân số tình hình sử dụng đất: Mật độ dân cư thấp lưu vực sông Đà (1000 người.km-2) Trong toàn lưu vực sông Hồng, đất rừng đất đồng cỏ chiếm phần lớn (34% 24% tương ứng), đất trồng công nghiệp chiếm 13%, đất trồng lúa chiếm 8% đất đô thị chiếm phần nhỏ (< 1%) Hồ chứa điều tiết nước: lưu vực sông Hồng có hồ chứa lớn: hồ Hịa Bình hồ Thác Bà với chức hồ thủy điện, cung cấp nước tưới cho nông nghiệp điều tiết lũ Hồ Hịa Bình nằm sơng Đà, hồ chứa lớn Việt Nam với diện tích mặt nước 218km2 trữ lượng 9,5km3 Hồ Thác Bà đưa vào sử dụng năm 1972, nằm sơng Chảy có diện tích mặt thống 234km2, trữ lượng 3,6km3 Đối tượng nghiên cứu báo hàm lượng POC nước hệ thống sông Hồng vùng hạ lưu 2.2 Nội dung phương pháp nghiên cứu Thời gian vị trí lấy mẫu: Các mẫu nghiên cứu lấy hàng tháng thời gian từ tháng 4/2009 đến tháng 4/2010 trạm thuỷ văn Hà Nội trạm thủy văn phân lưu sơng Hồng trước đổ biển Đơng: trạm Ba Lạt (tỉnh Thái Bình) trục sơng Hồng; trạm Trực Phương (tỉnh Nam Định) sông Ninh Cơ; trạm Nam Định (tỉnh Nam Định) sông Đào; trạm Quyết Chiến (tỉnh Thái Bình) sơng Trà Lý (hình 1) Bốn vị trí phân lưu lựa chọn nhằm thu số liệu hàm lượng POC phục vụ cho nghiên cứu tính tốn tổng tải lượng POC sơng Hồng đổ biển 66 Hà Nội Quyết Chiến Nam Định Ba Lạt Trực Phương Hình Các vị trí lấy mẫu hạ lưu hệ thống sông Hồng Các mẫu nước lấy theo tiêu chuẩn Việt Nam 5996-1995 lọc giấy lọc Whatman GF/F (sau sấy khô 550°C) Các mẫu giấy sau lọc chứa chất rắn lơ lửng axit hoá HCl 10% sấy 60°C 24h, sau phân tích thiết bị LECO CS 125 Các phép đo lặp lại lần lấy kết trung bình (khoảng tin cậy 90%) Kết thảo luận 3.1 Hàm lượng POC nước sông Hồng Bảng cho thấy giá trị trung bình hàm lượng POC sơng Hồng trạm Trực Phương trạm Hà Nội lớn (1,797 1,727 mgC/l tương ứng), tiếp đến trạm Nam Định (1,414 mgC/l), trạm Quyết Chiến (1,329 mgC/l) nhỏ trạm Ba Lạt (0,904 mgC/l) Bảng Hàm lượng POC nước sơng Hồng vị trí quan trắc Hàm lượng POC, mgC/l STT Vị trí lấy mẫu Trực Phương Quyết Chiến Nam Định Ba Lạt Hà Nội Giá trị trung bình Giá trị lớn - nhỏ 1,797 1,329 1,414 0,904 1,727 6,406 - 0,552 3,522 -0,347 5,637 - 0,446 2,943 - 0,304 6,596 - 0,466 Tại trạm quan trắc, hàm lượng POC dao động tương đối lớn thời gian từ tháng 4/2009 đến tháng 4/2010 Hầu hết giá trị POC lớn trạm ghi nhận vào thời điểm mùa mưa (từ tháng đến tháng 10) giá trị nhỏ quan trắc thấy mùa khơ (hình 2) Các giá trị lớn cao giá trị nhỏ trạm quan trắc Hà Nội, Nam Định, Trực Phương, Quyết Chiến Ba Lạt 14; 13; 12; 10 10 lần Quyết Chiến Hà Nội sông Ordra (Ba Lan): 1,200-12,700mg/l; sông Mississippi (Mỹ): 0,107-0,842 mg/l, Nam Định 04/18/10 03/26/10 03/03/10 02/08/10 01/16/10 12/24/09 12/01/09 11/08/09 10/16/09 09/23/09 08/31/09 08/08/09 07/16/09 06/23/09 05/31/09 05/08/09 3.2 Mối liên hệ hàm lượng POC lưu lượng nước sông 04/15/09 POC, mgC/l Trực Phương Ba Lạt Hình Biến đổi hàm lượng POC vị trí quan trắc thời gian 4/2009-4/2010 Meybeck [8] cho hàm lượng POC hệ thống sơng giới có giá trị khoảng rộng, từ đến 30mg/l, trung bình đạt 5mg/l Gần đây, hàm lượng POC khảo sát số hệ thống sông giới sau: sông Luodingjiang (Trung Quốc): 0,141-6,328mg/l [10]; sông Yangtze (Trung Quốc): 0,372-0,972mg/l [12]; sông Lanyang Hsi (Đài Loan): 0,206-1,750mg/l; Hà Nội 7 y = 0.8927Ln(x) - 4.8828 R2 = 0.2499 y = 0.4499Ln(x) - 0.3273 R2 = 0.0159 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lưu lượng nước, m3/s 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lưu lượng nước, m3/s Quyết Chiến Nam Định y = 0.9226Ln(x) - 3.6713 R2 = 0.5041 POC, mgC/l POC, mgC/l Điều quan sát thấy nhiều hệ thống sông giới sông Yangtze, Changjiang, Luodingjiang,… phản ánh ảnh hưởng q trình xói mịn, rửa trơi carbon hữu từ đất lưu vực [9] Khi lượng mưa lưu vực tăng (làm gia tăng lưu lượng nước sông) kéo theo lượng đất đá bị rửa trôi đồng thời carbon hữu đất bị rửa trôi gia tăng, dẫn đến làm tăng hàm lượng POC nước sông Trực Phương POC, mgC/l POC, mgC/l Hàm lượng POC biến đổi theo mùa [2, 5] Nhìn chung, hàm lượng POC vị trí quan trắc cao vào mùa mưa lưu lượng nước sông tăng, giảm vào mùa khơ lưu lượng nước sơng giảm Hình cho thấy mối quan hệ theo chiều thuận POC lưu lượng nước sơng vị trí quan trắc y = 1.5442Ln(x) - 7.9394 R = 0.3444 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lưu lượng nước, m3/s 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lưu lượng nước, m3/s Hình Mối quan hệ hàm lượng POC lưu lượng nước trạm quan trắc sông Hồng giai đoạn 4/2009 - 5/2010 3.3 Mối liên hệ hàm lượng POC hàm lượng chất rắn lơ lửng Hàm lượng POC nước sơng biểu diễn phần trăm (%) so với tổng chất rắn lơ lửng (TSS) biểu diễn nồng độ (mg/l) Giá trị % POC chất rắn lơ lửng vị trí quan trắc dao động lớn, từ 0,49 đến 45,75 %, trung bình đạt 1,86; 3,47; 6,68; 5,88 2,22% trạm Hà Nội, Quyết Chiến, Trực Phương, Nam Định Ba Lạt tương ứng Các giá trị cao so với số sông khác giới sông Changjiang (1,16%) [13]; sông Xijiang (1,20%) [11]; sông Brahmaputra (0,50%), sông Huanghe (0,53%) [4]) gần với sông Congo (6,5%) [3]) Mối liên quan hàm lượng POC (hoặc % POC chất rắn lơ lửng) chất rắn lơ lửng nước sông vị trí quan trắc trình bày hình 4, cho thấy hàm lượng POC tăng theo tỷ lệ thuận với hàm lượng chất rắn lơ lửng nước sơng Điều giải thích POC có nguồn gốc chủ yếu từ hàm lượng carbon hữu đất, theo q trình xói mịn rửa trôi, chuyển tải vào hệ thủy văn 67 Hà Nội Hà Nội % POC POC, mgC/l 5 y = 6.9467x-0.3364 R2 = 0.4799 y = 0.0065x + 1.0829 R = 0.1543 0 100 200 300 400 500 600 100 500 600 y = 0.008x + 0.9591 R = 0.5833 100 200 300 400 y = 6.553x-0.2816 R2 = 0.4325 500 100 200 8 300 400 500 TSS, mg/l Trực Phương Trực Phương % POC POC, mgC/l 400 Quyết Chiến % POC POC, mgC/l Quyết Chiến TSS, mg/l y = 0.0072x + 1.5227 R = 0.0407 y = 43.979x-0.7407 R2 = 0.3303 0 100 200 300 400 500 100 200 300 8 400 500 TSS, mg/l TSS, mg/l Nam Định Nam Định % POC POC, mgC/l 300 8 5 y = 31.193x-0.5962 R2 = 0.8787 y = 0.01x + 0.7175 R2 = 0.4693 0 100 200 300 400 500 100 TSS, mg/l 300 Ba Lạt 200 400 500 TSS, mg/l Ba Lạt y = 0.0088x + 0.3133 R = 0.0984 % POC POC, mgC/l 200 TSS, mg/l TSS, mg/l y = 69.975x-0.9979 R2 = 0.2245 0 100 200 300 TSS, mg/l 400 500 100 200 300 400 500 TSS, mg/l Hình Biểu diễn mối quan hệ hàm lượng POC % POC với hàm lượng TSS trạm quan trắc sơng Hồng thời gian tháng 4/2009 4/2010 Hình cho thấy % POC chất rắn lơ lửng lại giảm hàm lượng TSS tăng Mối quan hệ quan sát hầu hết sơng giới [1, 6, 7] Có số cách giải thích cho mối quan hệ hàm lượng carbon không tan (POC) tổng chất rắn lơ lửng sau: (i) hàm lượng TSS cao làm giảm ánh sáng 68 nước sông, điều hạn chế phát triển tảo làm giảm đóng góp carbon “bản địa”; (ii) với xói mịn đất mạnh, POC nước sơng bị pha lỗng chất khống có nguồn gốc từ xói mịn đất lục địa q trình tái dịch chuyển chất khống từ đáy sơng; (iii) xói mịn học với cường độ khác ảnh hưởng khác tới tầng đất khác Sự xói mịn học chậm chủ yếu xảy tầng đất bề mặt Với xói mịn đất tăng lên, đất tầng sâu chứa carbon hữu bị rửa trơi vào sơng.Vì vậy, xói mịn mạnh tầng đất sâu làm tăng hàm lượng carbon hữu nước sông [7, 9] Kết luận Kết khảo sát cho thấy, hàm lượng POC trung bình trạm quan trắc dao động với biên độ không lớn, biến đổi khoảng 0,904 mg/l (trạm Ba Lạt) đến 1,797 mg/l (trạm Trực Phương) Hàm lượng POC tất trạm quan trắc tăng tỉ lệ thuận với lưu lượng nước sông hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng, đồng thời %POC cát bùn lơ lửng lại giảm hàm lượng TSS tăng Các mối liên hệ phản ánh q trình xói mịn, rửa trơi xảy mạnh mẽ lưu vực, có ảnh hưởng trực tiếp tới hàm lượng POC nước sông Tuy nhiên, kết nghiên cứu ban đầu Cần mở rộng quy mô quan trắc hàm lượng POC nước sông thu thập đầy đủ số liệu lưu lượng nước sơng để tính tốn xác tổng tải lượng POC sông Hồng đổ biển Lời cảm ơn: Nghiên cứu hoàn thành đề tài “Đánh giá nguy gây phì dưỡng mơi trường nước lưu vực sông Hồng (Việt Nam): tác động trực tiếp người biến đổi khí hậu.”, mã số 105.09.89.09 Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc Gia (NAFOSTED) tài trợ kinh phí thực Liu KX., 2007: Elemental and isotopic signatures of particulate organic carbon in the Zengjiang River, southern China Hydrol Process 21:1318-27 [7] Ludwig W, Probst JL, Kempe S., 1996: Predicting the oceanic input of organic carbon by continental erosion Glob Biogeochem Cycles 10(1):23-41 [8] Meybeck M 1982: Carbon, nitrogen and phosphorus transport by world rivers American Journal of Science 282: 401-405 TÀI LIỆU DẪN [1] Balakrishna K, Probst JL., 2005: Organic carbon transport and C-N ratio variations in a large tropical river: Godavari as a case study, India Biogeochemistry 73:457-73 [2] BarałkiEwicz D., Siepak J., 1994: The contents and variability of TOC, POC and DOC concentration natural waters Polish Journal of Environmental studies 3, [3] Coynel, A., Seyler, P., Etcheber, H., Meybeck, M., Orange, D., 2005: Spatial and seasonal dynamics of total suspended sediment and organic carbon species in the Congo River Global Biogeochemical Cycles 19, GB4019, doi:10.1029/2004GB002335 [4] Dianjun, G., Longjun, Z., Liqing J., 2009: The effects of estuarine processes on the fluxes of inorganic and organic carbon in the Yellow River estuary Journal of Ocean University of China ISSN 1993-5021, 8, 352-358 [5] DoJliDo J., DMitruk U., 2002: Total Organic Carbon Water and Sewage Systems 9, 167 [6] Gao QZ, Tao Z, Yao GR, Ding J, Liu ZF, [9] Ouyang Y., 2003: Simulating dynamic load of naturally occurring TOC from watershed into a river Wat Res 37, 823 [10] Zhang S., Lua X.X., Sunb H., Hanb J., Higgitt D.L, 2009: Geochemical characteristics and fluxes of organic carbon in a human-disturbed mountainous river (the Luodingjiang River) of the Zhujiang (Pearl River), China Science of the Total Environment 407, 815-825 [11] Sun, H.G., Han, J., Lu, X.X, Zhang, S.R., Li D., 2010: An assessment of the riverine carbon flux of the Xijiang River during the past 50 years Quaternary International, doi:10.1016/j.quaint.2010.03.002 [12] Wu Y, Dittmarb T., Ludwichowskic K.U, Kattner G, Zhang J., Zhu Z.Y, Koch B.P, 2007: Tracing suspended organic nitrogen from the Yangtze Rivercatchment into the East China Sea Marine Chemistry 107, 367-377 [13] Wu, Y., Zhanga, J., Liu, S.M., Zhang, Z.F., Yao, Q.Z., Hong, G.H and Cooper, L., 2007: Sources and distribution of carbon within the Yangtze River system Estuarine, Coastal and Shelf, 13-25 SUMMARY Preliminary observation of particulate organic carbon (POC) contents in water environment of the downstream of Red River system POC (particulate organic carbon) is one of major forms of organic carbon in water It plays an important role in assessment of river water quality The observed results in period from April 2009 to April 2010 at the gauging stations in downstream of the Red River showed that the average concentration of POC of the Red River at Truc Phuong and Hanoi stations were the highest (1.797 and 1.727 mg.l-1, respectively) followed by Nam Dinh station (1.414 mg.l-1), Quyet Chien station (1.329 mg.l-1), and the lowest value (0.904 mg.l-) at the Ba Lat station The POC concentration at all observed stations showed positive correlation with water discharge and total suspended solids, but the percentage of POC contents in total suspended solids decreased with increasing total suspended solids contents All that introduced the strong erosion and leaching processes in the watershed and its impacts to the POC content in the Red River system 69 ... 3500 Lưu lượng nước, m3/s 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lưu lượng nước, m3/s Hình Mối quan hệ hàm lượng POC lưu lượng nước trạm quan trắc sông Hồng giai đoạn 4/2009 - 5/2010 3.3 Mối liên hệ hàm. .. Lạt, có số liệu đầy đủ mực nước vài số liệu rải rác lưu lượng nước Vì vậy, nghiên cứu khảo sát hàm lượng POC trạm Ba Lạt mà chưa đề cập tới quan hệ hàm lượng POC lưu lượng nước Dân số tình hình sử... Mối liên hệ hàm lượng POC lưu lượng nước sông 04/15/09 POC, mgC/l Trực Phương Ba Lạt Hình Biến đổi hàm lượng POC vị trí quan trắc thời gian 4/2009-4/2010 Meybeck [8] cho hàm lượng POC hệ thống sơng