Mô hình chu trình nitơ trong hệ sinh thái biển

TAP CHl KHOA HOC ĐHQGHN KHTN & CN T XIX, N01, 2003 MỒ H ÌN H C H U T R Ì N H N IT Ơ T R O N G H Ệ S I N H T H Á I B I E N Đ o n Bỏ, T r ị n h Lê Hà K h o a K h í tượng - Thu ỷ v ă n v H ả i d n g học Đ i học K h o a hoe T ự nh iên , Đ ỈI Q G H N ộ i Mở d ầ u Ớ V iệ t N a m , v iệc sứ d ụ n g mơ h ìn h to n cá c ph n g p h p sô n g h iên cứu hệ s in h th i b iển ng ày c n g có n h iề u tr iể n vọng H ỏ n g n g h iê n cửu xây dự n g tr ê n sở mô ph ỏng to án học chu tr ìn h c h u y ê n hoá v ậ t c h ấ t hệ s in h th i biển, k ế t hớp với mơ hìn h th u ỷ đ ộ n g lực có th ể đ n h g iá vai trò tác động c ủ a d iê u k iệ n th u ỷ n h iệ t đ ộ n g lực biến c h iề u h n g p h t tr iể n hệ, xác địn h n h ữ n g quy lu ậ t , phô b iế n dự báo b iê n động hợp phần vô s in h , hữ u sin h , đặc b iệt tron g v iệc k iể m s o t m ôi trư n g hệ sin h th i biển Với mục đích b n vê phư ng pháp lu ậ n , c h ú n g tỏi giỏi th iệ u m h ìn h ch u trìn h N itơ c ù n g n h ữ n g mơ p h ỏ n g tốn học tr ìn h c h u y ể n h o tr o n g c h u trình m ột sơ k ết áp d ụ n g v ù n g b iển tỉn h Q u ả n g N in h tr o n g m ù a hè Sơ dồ chu tr ìn h ch u yế n hoá N itơ tr o n g hệ s in h th i b iể n Mơ hình chu tr ìn h c h u y ể n hố Nit-Ơ tr o n g h ệ s in h th i b iể n biểu diễn tr ê n sơ đồ hình T rong c h u tr ìn h , n g u y ê n tô N itơ c h u y ể n h o qua hờp phần: thực vậ t nôi (P h y to p la n k to n - sin h khối clược ký h iệ u PHY), đ ộ n g v ậ t (Z ooplanktonZOO), c h ấ t hữu lờ lử n g (P a rticle O rg a n ic M a tte r-P O M ), c h ấ t hữ u hoà ta n (D isso lv ed O rganic M a tte r-D O M ), A m oni (A m m o n iu m -A M O ), N it r it (N itr ite -N R IT ), N itr a t (N itra te -N R A T ) Các q trình c h u y ể n hố tron g c h u tr ìn h (ký h iệu t đ ến 1 tr ê n sơ đồ) d iề n tả sau: Q uả trìn h c h u y ể n Ììố 1' Q u a n g hợp c ủ a P h y t o p la n k to n : Trong trình tác (lộng c ủ a n ă n g lưựng án h s n g m ật trời, P h y to p la n k to n đà sử d ụ n g khí CO., nước muối dinh dưỡng có Amoni (đường dẫn la), N itrit (lb) N itr a t (lc ) môi trư n g đ ể tô n g hợp c h ấ t hữu Q uá tr ìn h n y c h u y ể n hố N itơ vơ từ mơi trư n g th n h N itơ liên k ế t tr o n g t ế bào tả o , m g iả m A M O, N R IT N R A T v m t n g PH Y Khôi lượng gia t ă n g c ủ a q u ầ n t h ể P h y to p la n k to n tro n g đơn vị thời g ia n th ự c h iệ n q u a n g hợp (th n g tín h tr o n g n g y ) c h ín h n ă n g s u ấ t sin h học sơ cấp th ô (R ough prim ary p r o d u ctiv ity ), m ột th a m sỏ qu an trọng ciổ đán h giá tiêm n ă n g s in h học v ù n g b iển C ường độ tr ìn h n y phụ th u ộ c vào s in h khối qu ần th è P h y to p la n k to n , n n g độ muôi d in h đường A m o n i, N itr it, 10 Mơ Ììitìỉỉ chu trình N i tơ 11 N itrat, n h iệ t (lộ m ôi trư n g n ă n g lượng xạ q u a n g hớp (P h o to s y n th c tic a lly A ctive R a d ia tio n - P A R ) [4, 5, , 7] 3a IV /.( )( ) Sơ dồ chu trinh chuyến hoá Nitd hộ sinh thai biên H in lì 3b IX )M ĩ ĩ ĩ Clìú giải: T P1IY: P h v to p la n k to n ZOO: Z ooplan kton X).VI u AMO 2a NUIT 2h p o M: c h ả t h ữ u 1ơ 1ừ ng DOM: C h ấ t hữu cớ hoà ta n 4a AMO: A m oni NRIT: N itr it NRAT: N itr a t 4h 1 : Các trìn h c h u y ê n hoá - > : H ướng c h u y ể n hoá NkAT 2c Q u trìn h c h u y ế n h o - l ỉ ô h ấ p c ủ a P ìiy to p l a n k to ìì: Trong trìn h này, p h ầ n lượng c h ấ t h ữ u t h n h tạo tr o n g q u a n g hợp bị ỏxy hoá làm g iả m sinh khỏi PIỈY, k è m t h e o d ó g iả i p h ó n g sô hợp p h ầ n v ô có hợp c h ấ t N itố vô cơ, làm t ă n g n n g độ A M O (dường dẫn 2a), N R IT ( b) v N R A T ( c) H iệ u sô lư ợ ng c h ấ t hừu th n h tạo q u a n g hợp v lượng c h ấ t hữu bị m ấ t tr o n g q u tr ìn h hơ h ấp c ủ a P h y to p la n k to n tro n g đơn vị thòi gian (th n g tín h tr o n g n g y ) c h ín h la s u ấ t sơ cấp tin h (P u re primarv p r od u ctivity) Dó c ù n g c h ín h p h ầ n v ậ t c h ấ t (n ă n g lượng) cịn lại tích luỹ tr o n g s ả n p h ẩ m c ủ a P h y to p la n k to n đ ể bậc dinh dường kê tiếp, trưốc hết Z o op la n k ton sử d ụ n g t h e o k ê n h d in h dường hộ s in h th i v ù n g b iển Q u tr in h c h u y ể n h o - D in h d n g c ủ a Z o o p la n k to n : T rong trình Z o op lan k to n sử d ụ n g P liy to p la n k to n m thức ăn để tồn p h t triển Cưởng độ sư d ụ n g thức ã n c ủ a Z o o p la n k to n phụ th uộc vào hàm lượng th ứ c 'ă n (PH Y ), sinh k hỏi c h ấ t q u ầ n th ể Z o o p la n k to n n h đặc điểm s in h học, tỷ lệ b ắ t mồi, cấu tr ú c th n h p h ầ n lo i [6 ,7 ] Q uá tr ìn h c h u y ể n hoá n y m g iả m s in h khôi qu ẩn th ể P h v to p la n k to n , tr o n g dó p h ấ n th ứ c ã n thực sử d ụ n g vào đ ồn g hoá (đường d n 3a) làm t ă n g s i n h khôi q u ầ n th ể Z ooplan kton , p h ầ n k h ô n g sử d ụ n g (3b) sẻ trơ lại môi trư ng m t ă n g s in h khối chất hữu lơ lử n g (PONT) Đ oàn 12 /ìỏy T rin h Lê Hà Q u tr in h c h u y ê n ìtố H ô h ấ p c ủ a Z o o p la n k to n : T rong qu trình n y p h ầ n v ậ t c h ấ t đả lấy d o đ n g hoá th ứ c ăn lại bị ô xy h o c!ê giải p h ó n g n ă n g lượng Z o o p la n k to n sử d ụ n g n ă n g lư ơng n y dể tồn tạ i p h t triển K èm th e o n ă n g lượng g iả i p h ó n g c c s ả n p h ẩ m v ậ t c h ấ t th ả i môi trư ờng d n g cá c sản p h ẩ m tiế t, tr o n g cỉó có A m o n i (dường d ẫ n 4a), N itr it (4b) v N it r a t (4c) Cường độ tr ìn h n y ph u th u ô c c h ù y ê u vào n h iệ t đô môi trư ờng [6 , 7] H iệ u sô lư ng s ả n p h ẩ m đ ồn g h o v lưởng s ả n p h ẩ m tiê u hu ỷ hô h ấ p cùa Z o o p la n k to n tr o n g Iììột đơn vị thời g ia n (th n g tín h tr o n g n g y ) c h ín h n ă n g s u ấ t th ứ cấp c ủ a bậc dị dưỡng th n h ấ t Đ â y p h ầ n v ậ t c h ấ t (n ă n g lượng) cịn lại tích luỹ tr o n g s n p h ẩ m c ủ a Z o o p la n k to n đ ể bậc din h d n g k ế tiế p sử d ụ n g th e o k ê n h d in h d õ n g tr o n g h ệ s in h th i v ù n g b iển Quá tr ìn h chuyển hố 6- Q tr ìn h chết t ự n h iê n quẩn th ế P h y to p la n k to n v Z o o p l a n k to n : Q u tr ìn h n y làm g iả m sin h khôi q u ầ n th ê m t ă n g s in h khối c h ấ t h ữ u lơ lủ n g PO M Đỏi với PHY, cư ờn g độ tr ìn h c h ế t tự n h iê n bị giâi h n n n g độ m u ô i din h dư ờng AM O, N R IT N R A T , đôi với ZOO - bị giỏi h n h m lư ợ n g th ứ c ăn (PHY) [ , 7] Q u tr in h c h u y ể n h o 7, 8- P h ả n h u ỷ k h o n g hocí c h ấ t h ữ u cơ: P h â n h u ỷ k h o n g hóa c h ấ t h ữ u tr o n g b iể n (các xác c h ế t, cá c s ả n p h ẩm dư th a tr o n g % h oạ t d ộ n g sô n g) m ộ t tậ p hợp cá c tr in h lý -h o -s in h học r ấ t phửc tạ p , có sụ th a m gia s i n h v ậ t p h â n g iả i (chủ y ế u vi s in h vật) v c h ấ t n h Oxy, nưỏc T rong tr ìn h n y , n ả n g lư ợ ng lạ i tr o n g c h ấ t h u g iả i p h ón g sin h v ậ t p h â n g iải s d ụ n g n ă n g lượng n y để tồn tạ i p h t t r iể n , s ả n p h ẩ m cuối c ùn g c ủ a q u t r ì n h p h â n huỷ k h o n g hoá c h ất h ữ u châ't vô h o n lại cho m ôi trư n g C ường độ tr ìn h n y ph ụ th u ộ c b ả n c h ấ t c h ấ t hữu cơ, lượng s in h v ậ t p h â n g iả i n h iề u đ iề u k iệ n p h â n giải, tr o n g q u a n trọng h ế t n h iệ t độ m ô i tr n g [4, 5, , 7] T ron g g ia i đ oạn đ ầ u c ủ a tr ìn h (đường d ẫ n 7), c h ấ t h ữ u phứ c tạ p bị p h â n rã th n h c h ấ t h ữ u đơn g iả n dưỏi tác đ ộ n g c ủ a m ộ t sơ q u tr ìn h v ậ t lý s in h v ậ t s ả n ph ẩm c ủ a qu tr ìn h n y có dạng: chất hừu h o ta n (D O M ) tiế p tục c h u y ể n hố tro n g ch u tr ìn h c h ấ t “m ù n ” bền v ữ n g d ầ n khỏi hộ s in h th i b iển T rong giai đoạn sa u (đường dẫn ), c h ấ t hữu t i ế p tụ c bị p h â n h u ỷ k h o n g hoá d ên sả n p h ẩ m vô cơ, dó Amoniac Amoni sản phẩm Nitơ vơ đcầu tiên giải phóng Q u tr in h c h u y ể n h o 9, 10 - Đ m h o ( N itr if ic a tio n ) v q u tr ìn h c h u y ê n hoá 11 - N g h ịc h d m h o ( D e n itr if ic a tio n ) D m hố q trình ơxv hoả c h u y ể n A m oni t h n h N itr it v tiế p đ ó t h n h N itr a t, n g h ịch đ ạm hố q tr ìn h khử N it r a t th n h N itơ tự Sơ đổ c h u tr ìn h N itơ n h dã n m ặc dù ch a kẽ đến m ột sơ q tr ìn h vi mỏ tr o n g đó, s o n g cho đ ê n n a y ỏ V iệ t N a m ch a có mơ hìn h chu trìn h N itơ n o hoàn t h iệ n Mơ hình chu trình N itơ 13 Mỏ h ìn h tố n c h u tr in h ch u yể n hoá N itơ T heo n g u y ê n lý bảo toàn , tốc ciộ to n p h ầ n b iê n dổi s in h khối n n g độ m ột hợp p h ầ n s in h , h o học CỈĨ c h ín h tổ n g đạ i sô tôc độ cá c qu t r ìn h s ả n sin h m tả n g (P ro d u c tio n ) ph ân h u ỷ m g iả m (D e s t r u c t io n ) n n g độ s in h khôi c ủ a hợp phan G oi C n n g đỏ (h oặc s in h khôi) c ủ a hợp p h ầ n i, P r o d \ Dest' tương ứ ng tổ n g tố c độ tr ìn h m t ă n g m g iả m n n g độ (h o ặc sin h khối) c ủ a hớp p h ẩn , ta có: — = Pr o đ - D e s t dí (1) Ở đ â y i = l tư n g ứ n g PH Y , ZOO, PO M , D O M , A M O , N R IT , N R A T C ho từ n g hợp p h ầ n c ủ a c h u tr ìn h , b iểu thức m ô p h ỏ n g P r o d \ D e st' n h sau [6, 7]: ?w ưm ổ^AMO , S^NRIT | ổ' ^ AM O + \Cc'_+AMO Amo+AMO C.+NR1T Cy„ - M =i ị i ) i \ Á NRA T PHY (2) D estp" P H YY + Ị Sĩ Ấ- ĨPIĨ ỈỈL 0O++ F Fỉ:° est‘mr = F p" P Y- Z O £ °m.P H Y + PHY (3) Prtìd 7° ° - ( I - x r ) - Sp PHY- Z O O (4) Desl zo° = (Fzn + F[om)ZOO (5) VĩodPOM = F /°" PHY +X p ỏr PHỴ Z00+ F?°" ZOO (6 ) D e s t POM = F ỉ l z n I V M (7) P r od°°M = (8) CNta + N R A T E x d - k , AMO- Ằy NRlĩ) ‘ Amo p cp Cp +PHY Cp+PHY Fp™ POM Dest °°M = F $ z (9) đom Pr odASttì = F é ::D O M + a Amo.F ?Z O O +aAmo.FPNPHY (10 ) D e s r° = (11) PHY + F^.AM O " -