3.1.1. Sinh khối thực vật phù du (BP)
Trong hệ sinh thái thủy vực, thực vật phù du đóng vai trò là sinh vật sản xuất, thông qua quá trình quang hợp để tạo ra sinh khối từ CO2 và năng lượng mặt trời, làm nguồn thức ăn chủ yếu cho động vật phù du và các sinh vật tiêu thụ cao hơn [2, 40]. Là khởi điểm của lưới thức ăn phức tạp, cộng với sự nhạy cảm đối với những biến đổi của môi trường [2], sự thay đổi về sinh khối của sinh vật phù du là một trong những dấu hiệu dễ nhận thấy nhất khi thủy hệ sinh thái có những biến động đáng kể, ví dụ như việc sinh khối thực vật phù du tăng mạnh gây ra “triệu chứng” nước nở hoa, là chỉ thị cho “căn bệnh” siêu phú dưỡng khiến sức khỏe hệ sinh thái giảm sút [56].
Kết quả sinh khối thực vật phù du tại các vị trí khác nhau ở hồ Đồng Nghệ qua 2 đợt thu mẫu được thể hiện trong bảng 3.1 và hình 3.1 sau:
Bảng 3.1. Sinh khối thực vật phù du qua các đợt thu mẫu
Hình 3.1. Sinh khối thực vật phù du qua các đợt thu mẫu Vị trí thu mẫu Sinh khối đợt 1 (mg/l) Sinh khối đợt 2 (mg/l) DN1 - 0.794 DN2 2.513 0.661 DN3 1.587 0.397 DN4 - 0.595 DN5 - 0.132 DN6 1.488 0.397 DN7 0.198 0.397 DN8 0.496 0.198 DN9 1.687 0.265 DN10 0.496 0.132 Trung bình 1.209 ± 0.774 0.397 ± 0.215
Kết quả phân tích cho thấy giá trị sinh khối thực vật phù du trong đợt 1 có sự chênh lệch khá lớn giữa các vị trí thu mẫu trong khi khoảng dao động của nó trong đợt 2 lại nhỏ hơn. Trong đợt 1, giá trị sinh khối lớn nhất ghi nhận được tại vị trí thu
mẫu DN2 với 2.513 mg/l và nhỏ nhất tại vị trí DN7 với chỉ 0.198 mg/l, sinh khối trung bình toàn khu vực nghiên cứu là 1.209 ± 0.77 mg/l. Đối với đợt 2, sinh khối thực vật phù du lao động trong khoảng từ 0.132 – 0.794 mg/l và trung bình là 0.397 ± 0.215 mg/l, thấp nhất ở vị trí DN6 và DN10 (0.132 mg/l), cao nhất ở vị trí DN 1 (0.794 mg/l).
Sự chênh lệch lớn giữa sinh khối thực vật phù du tại các vị trí khác nhau trong một hồ chứa bị ảnh hưởng bởi các yếu tố về thủy văn và điều kiện tự nhiên. Do sự thay đổi từ hệ sinh thái sông suối sang hệ sinh thái hồ nên hồ chứa mang những đặc điểm giao thoa giữa 2 hệ sinh thái này. Theo Kimmel và cộng sự (1984), có một sự phân vùng dọc theo chiều dài của hồ chứa từ khu vực tiếp nhận nguồn nước đến gần đập chắn dựa trên các đặc điểm thủy lý-hóa [29]. Có thể chia hồ chứa thành BP phân vùng như sau (hình 3.2):
Hình 3.2. Sự khác nhau về các đặc điểm lý – hóa – sinh giữa ba phân vùng của một hồ chứa điển hình (Nguồn: Kimmel và cộng sự [29])
Cụ thể hơn, Thorton và cộng sự (1990) đã đưa ra mô hình thể hiện gradient của một số thông số theo chiều từ xa đến gần đập chắn để cho thấy được mối tương quan giữa các thông số này [44].
Hình 3.3. Sự thay đổi một số thông số dọc theo chiều dài của hồ chứa (Nguồn: Thorton và cộng sự [44])
Hình 3.3 cho thấy, sự biến động của sinh khối thực vật phù du trong một hồ chứa điển hình có mối tương quan khá rõ với các thông số điều kiện môi trường khác như: dinh dưỡng, ánh sáng, vận tốc dòng chảy… Sinh khối thực vật phù du ở phân vùng chuyển tiếp thường cao hơn phân vùng sông và phân vùng hồ do điều kiện ở đây khá ổn định, các tác động hạn chế về ánh sáng và dinh dưỡng thấp, tốc độc dòng chảy không quá lớn trong nguồn dinh dưỡng vẫn được cung cấp đầy đủ.
Tuy nhiên, số liệu thu thập được của nghiên cứu này lại cho thấy sự sai khác so với mô hình lý thuyết khi trong cả hai đợt thu mẫu, những vị trí cho kết quả sinh khối thực vật cao nhất đều nằm về phía gần đập chắn (DN1 và DN2) – khu vực thuộc phân vùng hồ – và giảm dần về phía xa đập. Điều này có thể giải thích là do có một nhánh suối khá lớn đổ vào khu vực gần đập. Dòng chảy này đã mang thêm một nguồn dinh dưỡng dồi dào từ vùng đồi núi đã bị mất một phần thảm thực vật che phủ vào hồ, cộng với chất dinh dưỡng từ các chu trình chuyển hóa tại chỗ đã làm tăng lượng dinh dưỡng cho khu vực gần đập chắn. Bên cạnh đó, khu vực này
lại ít bị xáo trộn (do đây là khu vực sâu nhất trong hồ) và có nguồn ánh sáng đầy đủ đã tạo điều kiện thích hợp cho sự phát triển của thực vật phù du.
3.1.2. Sinh khối động vật phù du (BZ)
So với trong môi trường sống ở biển và đại dương, động vật phù du trong các thủy vực nước ngọt kém đa dạng hơn rất nhiều. Tuy vậy, chúng vẫn đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ sinh thái thủy sinh bởi chức năng sử dụng Carbon hữu cơ và góp phần vào chu trình dinh dưỡng [47]. Trong chuỗi thức ăn, động vật phù du là mắt xích liên kết sinh vật sản xuất đến với các bậc dinh dưỡng cao hơn [28], do đó, hoạt động tiêu thụ thực vật phù du của nó là một cơ chế quan trọng, ảnh hưởng đến sự cân bằng của các thành phần sinh học trong hệ sinh thái.
Kết quả xác định sinh khối của động vật phù du tại hồ Đồng Nghệ được thể hiện trong bảng 3.2 và hình 3.4
Bảng 3.2. Sinh khối động vật phù du qua các đợt thu mẫu
Hình 3.4. Sinh khối động vật phù du qua các đợt thu mẫu
Vị trí thu mẫu Sinh khối đợt 1 (mg/l) Sinh khối đợt 2 (mg/l) DN1 - 0.220 DN2 0.160 0.150 DN3 0.100 0.350 DN4 - 0.283 DN5 - 0.353 DN6 0.140 0.497 DN7 0.787 0.947 DN8 0.613 0.357 DN9 0.293 0.300 DN10 0.313 1.600 Trung bình 0.344 ± 0.241 0.506 ± 0.420
Kết quả ở bảng 3.2 cho thấy, sinh khối của động vật phù du qua hai đợt thu mẫu chênh lệch không quá lớn. Giá trị sinh khối của động vật phù du trong đợt 1 dao động trong khoảng 0.1 - 0.787 mg/l, trung bình 0.344 ± 0.241 mg/l còn đợt 2 là 0.150 – 1.6 mg/l, trung bình 0.506 ± 0.420 mg/l.
Nhìn chung trong cả 2 đợt thu mẫu, sinh khối động vật phù du ở các vị trí ở phía thượng nguồn cho kết quả cao hơn so với các vị trí ở phía gần đập chắn. Khảo sát thực địa trong quá trình thu mẫu cho thấy, càng về phía thượng nguồn (độ sâu
của nước càng giảm) thì sự xuất hiện của các loài thực vật thủy sinh cỡ lớn (họ rong mái chèo) càng nhiều, đây có thể là một trong những lý do quan trọng dẫn đến sự sai khác về kết quả giữa các khu vực thu mẫu. Những ảnh hưởng của thực vật thủy sinh cỡ lớn đến cấu trúc sinh học của hệ sinh thái hồ đã được nhấn mạnh bởi nhiều nghiên cứu, ví dụ các công trình của Van Donk và cộng sự (1989) [45], Li (1998) [30] đã chỉ ra rằng thực vật thủy sinh cỡ lớn làm suy giảm sinh khối của thực vật phù du và làm tăng sinh khối của động vật phù du và cá (đặc biệt là cá ăn thực vật) bằng cách cung cấp nơi trú ngụ, nguồn thức ăn và nơi sinh sản cho những sinh vật tiêu thụ này (Moss và cộng sự (1988), Gulati (1989), Grim (1989), Van Donk và cộng sự (1989)) [56].
3.1.3. Exergy và structural exergy
Exergy và structural exergy là hai thông số nhiệt động học đã được sử dụng rộng rãi như những indicator sinh thái dùng để đánh giá sức khỏe của hệ sinh thái thủy vực, bao gồm cả hệ sinh thái hồ và hệ sinh thái biển [56]. Những nghiên cứu của Jorgensen (1995), Xu và cộng sự (1999, 2001, 2002, 2004) đã chứng minh rằng giá trị exergy cung cấp thông tin để xác định các tiêu chí (1), (2) và một phần các tiêu chí (3), (4), (5), và giá trị Structural exergy thể hiện các tiêu chí (3) và (6) trong định nghĩa của Costanza về sức khỏe hệ sinh thái [23, 52, 54, 55].
Kết quả tính toán hai thông số Exergy và Structural exergy được thể hiện trong bảng 3.3, 3.4 và hình 8, 9
Bảng 3.3. Exergy qua hai đợt thu mẫu Bảng 3.4. Structural exergy qua hai đợt thu mẫu
Vị trí thu mẫu Exergy đợt 1 (kJ/l) Exergy đợt 2 (kJ/l) DN1 - 0.631 DN2 0.581 0.438 DN3 0.364 0.949 DN4 - 0.785 DN5 - 0.941 DN6 0.463 1.336 DN7 2.089 2.524 DN8 1.650 0.954 DN9 0.881 0.809 DN10 0.858 4.232 Trung bình 0.984 ± 0.599 1.36 ± 1.101 Vị trí thu mẫu Structural Exergy đợt 1 (kJ/mg) Structural Exergy đợt 2 (kJ/mg) DN1 - 0.622 DN2 0.217 0.539 DN3 0.216 1.270 DN4 - 0.894 DN5 - 1.938 DN6 0.285 1.495 DN7 2.121 1.878 DN8 1.487 1.718 DN9 0.445 1.432 DN10 1.060 2.443 Trung bình 0.833 ± 0.692 1.423 ± 0.577
Kết quả ở bảng trên cho thấy, giá trị exergy trung bình của hồ Đồng Nghệ qua hai đợt thu mẫu lần lượt là 0.984 ± 0.599 kJ/l và 1.36 ± 1.101 kJ/l. Trong đợt 1, giá trị exergy dao động trong khoảng từ 0.364 kJ/l đến 2.089 kJ/l. Giá trị exergy cao nhất được ghi nhận tại vị trí DN7 (2.089 kJ/l), thấp nhất tại vị trí DN3 (0.364 kJ/l). Ở đợt thu mẫu thứ 2, giá trị của exergy dao động trong khoảng 0.438-4.232 kJ/l, giá trị exergy cao nhất được ghi nhận tại vị trí DN10 (4.233 kJ/l) và thấp nhất tại vị trí DN2 (0.438 kJ/l).
Giá trị của exergy thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc sinh học của hệ sinh thái [55]. Nhiều mô hình và nghiên cứu sinh thái đã cho thấy rằng khi sự đa dạng sinh học tăng hay trạng thái dinh dưỡng giảm, khả năng sử dụng năng lượng (thể hiện qua giá trị exergy) của hệ sinh thái là cao hơn [58]. Do exergy được tính dựa trên sinh khối và số lượng thông tin chứa trong gene của các thành phần sinh học, nên hệ sinh thái càng có nhiều sinh vật bậc cao và có cấu tạo phức tạp (càng nhiều gene) thì exergy càng lớn [58].
Trong nghiên cứu này, hai thành phần được dùng để tính exergy của hệ sinh thái là thực vật phù du và động vật phù du. Động vật phù du có số gene mang thông tin nhiều hơn hẳn so với thực vật phù du, nên động vật phù du đa số đóng góp một phần lớn hơn vào giá trị exergy. Do đó, những vị trí có sinh khối động vật phù du cao đều tương ứng có giá trị exergy cao (ví dụ ở đợt 1 là vị trí DN7, DN8; ở đợt 2 là vị trí DN7, DN10).
Trong đợt 1, giá trị structural exergy cao nhất tính được là 2.121 kJ/mg, thấp nhất là 0.216 kJ/mg, trung bình là 0.833 ± 0.692 kJ/mg. Trong đợt 2, tất cả các vị trí thu mẫu đều cho giá trị structural exergy cao hơn đợt 1 với giá trị cao nhất đạt 2.443 kJ/mg và thấp nhất là 0.539 kJ/mg, giá trị trung bình là 1.423 ± 0.577 kJ/mg.
Do structural exergy bằng exergy chia cho tổng sinh khối (nồng độ) các thành phần sinh học, nên giá trị structural exergy thu được sẽ phản ánh được sự bền vững là phụ thuộc chủ yếu vào sinh khối hay vào lượng thông tin trong gene. Hệ sinh thái có càng nhiều hơn sinh vật bậc cao sẽ có giá trị structural exergy càng cao. Sự kết hợp giữa exergy và structural exergy mang lại những thông tin đầy đủ, đáng tin cậy về sức khỏe hệ sinh thái hơn việc chỉ sử dụng một mình giá trị exergy, bởi vì sự kết hợp này đề cập đến cả tính đa dạng sinh học và tình trạng của những sinh vật bậc cao hơn. Nếu một hệ sinh thái duy trì được exergy và structural exergy cao, ổn định theo thời gian thì có thể kết luận rằng hệ sinh thái đó đang khỏe mạnh và bền vững [22].
Hồ Đồng Nghệ là một hồ chứa có diện tích không quá lớn (khoảng 125ha) và không bị chia cắt mạnh bởi các yếu tố địa lý, nên mặc dù có sự sai khác về structural exergy tại các vị trí thu mẫu trong cùng 1 đợt nhưng sự sai khác này là không đáng kể.
3.2. SỨC KHỎE HỆ SINH THÁI HỒ ĐỒNG NGHỆ
Dựa trên những nghiên cứu cơ bản về sự thay đổi của các thành phần trong hệ sinh thái hồ đối với các stress, Xu và cộng sự (2011) đã đề xuất bộ indicator sinh thái với 3 cấp độ cấu trúc, chức năng và hệ thống dùng để đánh giá sức khỏe hệ sinh thái hồ một cách tương đối (xem Bảng 2) [55].
Qua bảng 1.2 có thể thấy sức khỏe hệ sinh thái đạt loại tốt khi sinh khối thực vật phù du thấp và sinh khối động vật phù du, tỉ lệ động vật phù du với thực vật phù du, exergy, structural exergy cao. Tuy nhiên, hiện chưa có một quy chuẩn nào để so sánh, nên những đánh giá này chỉ mang tính chất tương đối và hiệu quả nhất khi dùng để so sánh giữa sức khỏe các hệ sinh thái hồ khác nhau hoặc các thời điểm khác nhau của cùng một hồ.
Trong nghiên cứu này, tôi đã tiến hành hai đợt thu mẫu tại hồ Đồng Nghệ vào ngày 25/1/2016 và ngày 5/3/2016. Kết quả phân tích qua hai đợt và kết quả của một số nghiên cứu tương tự trên thế giới được thể hiện ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Một số nghiên cứu tương tự trên thế giới
Thời gian nghiên cứu BP (mg/l) BZ (mg/l) BZ/BP Ex (kJ/l) Exst (kJ/mg) Tài liệu tham khảo Hồ Đồng Nghệ 25/1/2016 1.209 0.344 0.28 0.984 0.833 - Hồ Đồng Nghệ 5/3/2016. 0.397 0.506 1.27 1.360 1.423 - Khu vực Zaolinzhuang – hồ Baiyangdian 8/2009 – 7/2010 8.63 5.35 0.62 510 5.49 Xu và cộng sự [51] Khu vực Zhainan – hồ Baiyangdian 8/2009 – 7/2010 38.77 9.30 0.24 78 3.79 Xu và cộng sự [51]
Kết quả từ bảng 3.5 cho thấy có sự khác biệt khá rõ về sinh khối của thực vật phù du và động vật du giữa 2 đợt thu mẫu, gián tiếp thể hiện sự biến động về cấu trúc của hệ sinh thái. Giá trị trung bình sinh khối thực vật phù du giảm mạnh từ 1.209 mg/l xuống còn 0.397 mg/l trong khi sinh khối động vật phù du tăng từ 0.344 mg/l lên 0.506 mg/l.
Sự thay đổi của cấu trúc quần xã phù du trong hai đợt thu mẫu đã dẫn đến biến động về tỉ lệ giữa 2 nhóm sinh vật này (tăng từ 0.28 trong đợt 1ên 1.27 trong đợt 2). Tỉ lệ sinh khối động vật phù du và thực vật phù du (BZ/BP) phản ánh được dạng lưới thức ăn trong một thủy vực và do đó, phản ánh được bản chất của hệ sinh thái. Nó gián tiếp biểu thị nhóm ưu thế trong quần xã phù du, mối quan hệ dinh dưỡng giữa chúng và các loài cá cũng như áp lực của cá lên động vật phù du. Tỉ lệ BZ/BP này do đó được sử dụng như một tiêu chí để đánh giá tình trạng dinh dưỡng trong thủy vực và có thể là một thông số để giám sát môi trường nước. Tỉ lệ này giảm tướng ứng với dinh dưỡng tăng [3, 14, 15]. Tỉ lệ BZ/BP thường thể hiện tốt những kết quả trên trong trường hợp so sánh các giá trị tính được tại các khu vực khác nhau trong một hồ lớn, hoặc đặt trong sự biến động theo thời gian dài (thường là qua các mùa).
Mặc dù tổng sinh khối của quần xã phù du trong đợt 1 lớn hơn đợt 2 (1.553 mg/l > 0.903 mg/l) nhưng giá trị exergy của đợt 1 lại nhỏ hơn so với đợt 2. Điều
này được giải thích là do động vật phù du có số gene trung bình nhiều hơn hẳn thực vật phù du (lần lượt là 50,000 và 850), nên sự thay đổi về exergy trên một đơn vị sinh khối do động vật phù du gây nên lớn gấp gần 42 lần sự thay đổi do thực vật phù du. Thực nghiệm cho thấy mặc dù sinh khối thực vật phù du giảm nhưng sinh khối động vật phù du lại tăng nên Exergy đợt 2 cao hơn đợt 1 (tương ứng 1.360 kJ/l và 0.984 kJ/l).
Về Structural exergy, giá trị trung bình của nó tính được ở đợt 2 là 1.423 kJ/mg, cao hơn gấp 1.7 lần so với đợt 1. Kết quả này chứng tỏ cấu trúc sinh thái của hệ sinh thái hồ Đồng Nghệ có sự dịch chuyển theo hướng các nhóm động vật bậc cao phát triển mạnh lên. Tuy nhiên, với chỉ 2 thành phần là sinh khối động vật và thực vật phù du được dùng để tính toán các indicator ở cấp độ hệ thống, kết luận này có thể mang tính chất tương đối, mức độ tin cậy không cao.