Chương 5 : NĂNG SUẤT SINH HỌC CỦA THUỶ VỰC
5.1. Chu trình vật chất trong thuỷ vực
5.1.1. Định nghĩa
Chu trình vật chất trong thủy vực là quá trình tạo thành, phân hủy rồi lại tạo thành vật chất từ dạng vô cơ sang dạng hữu cơ rồi trở lại dạng vơ cơ. Chu trình này thể hiện mối quan hệ tác động qua lại giữa thủy sinh vật và thủy vực, giữa thủy vực và mơi trường ngồi thủy vực.
Trong chu trình, ln có một bộ phận của sinh cảnh (muối hoà tan, chất hữu cơ hoà tan, thức ăn….) chuyển hoá thành thuỷ sinh vật (các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp) đồng thời cũng có một bộ phận của thuỷ sinh vật chuyển hố thành sinh cảnh thơng qua quá trình phân huỷ xác thuỷ sinh vật.
Ở bước khởi đầu, chu trình vật chất trong thủy vực tiến hành được là nhờ có nguồn năng lượng từ bên ngoài, chủ yếu nhờ hoạt động quang hợp, một phần nhỏ nhờ hoạt động hóa tổng hợp. Nhờ nguồn năng lượng này mà cơ sở vật chất vơ cơ có nguồn gốc từ bên trong và bên ngoài thủy vực (oxy, CO2 , muối dinh dưỡng) hình thành nên những sinh vật ở bậc dinh dưỡng thấp nhất làm cơ sở cho sự hình thành các thủy sinh vật ở bậc cao hơn, đồng thời từ các sản phẩm được hình thành này (động vật, thực vật) lại có một q trình chuyển hóa ngược lại nhờ các sinh vật phân hủy (vi khuẩn) và quá trình phân hủy chất hữu cơ trong cơ thể của hoạt động sống.
Trong q trình phân hủy có một phần vật chất bị tách ra khỏi chu trình chuyển hóa một thời gian hay vĩnh viễn, phần vật chất này sẽ được tích tụ ở các nơi dự trữ trong hay ngoài thủy vực.
5.1.2. Đặc tính của chu trình vật chất
Chu trình chuyển hóa vật chất và năng lượng trong thủy vực càng dài tức là càng tạo thành nhiều bậc dinh dưỡng cao trong chu trình, thì lượng vật chất và năng
Muối khống từ ngồi thủy vực Sản phẩm khai thác Chất hữu cơ từ ngoài thủy vực lượng càng giảm đi, theo tính tốn cứ mỗi lần chuyển hóa từ một bậc dinh dưỡng tới bậc dinh dưỡng tiếp sau, lượng năng lượng giảm đi 10-15 lần.
Theo đặc tính địa hình và thủy học, chu trình vật chất trong thủy vực có các kiểu sau:
* Kiểu vịng: là chu trình mà trong đó mỗi vịng của chu trình được tiến hành
trên cơ sở lượng vật chất được tạo thành ở ngay nơi đó trong vịng trước của chu trình.
* Kiểu xốn ốc: là chu trình mà trong đó lượng vật chất được tạo thành trong
vịng đầu của chu trình, do chuyển động của khối nước mà được chuyển tới nơi khác trong thủy vực, cộng với lượng vật chất từ bên ngoài vào mà tiến hành một vịng chuyển hóa vật chất mới.
Nhìn chung, trong chu trình vật chất của thuỷ vực, ba quá trình vận động cơ bản của vật chất trong thuỷ vực là: quá trình tạo thành, quá trình phân huỷ và q trình tích tụ. Ba q trình này có quan hệ qua lại chặt chẽ với nhau và chính đặc tính của mối quan hệ giữa ba quá trình này quyết định khả năng sản xuất ra chất sống của thuỷ vực. Muối dinh dưỡng vơ cơ hịa tan Thực vật (sản phẩm sơ Chất hữu cơ hòa tan Động vật (sản phẩm thứ cấp) Vi khuẩn Chất vẩn
5.1.3. Năng suất sinh học của thủy vực
Năng suất sinh học của thủy vực là khả năng tạo ra chất sống của thủy vực dưới dạng thủy sinh vật, làm tăng khối lượng sinh vật trong thủy vực. Trong chu trình vật chất của thủy vực, khả năng này thể hiện ở quá trình tạo thành nhưng có liên quan phụ thuộc với tất cả các khâu khác trong tồn chu trình chuyển hố vật chất trong thuỷ vực.
Năng suất sinh học của thủy vực cao hay thấp một mặt tùy thuộc vào khả năng sinh trưởng và sinh sản của các quần thể thuỷ sinh vật, tự dưỡng hay dị dưỡng trong thủy vực, mặt khác còn phụ thuộc vào khả năng đảm bảo các điều kiện thuận lợi cho sự tồn tại và sinh sản chất sống, tạo nên khối lượng sinh vật mới của thủy vực.
5.2. Xác định năng suất sinh học trong thuỷ vực
5.2.1. Các khái niệm
Khối lượng sinh vật hay sinh vật lượng (biomasse)
Khối lượng sinh vật hay còn gọi là sinh vật lượng của thủy vực là lượng sinh vật có trong thủy vực, được xác định bằng phương pháp định lượng ở một thời điểm nhất định nào đó.
Khối lượng sinh vật trong thủy vực biến đổi qua các thời điểm, phụ thuộc vào sự biến đổi số lượng các quần thể thuỷ sinh vật sống trong thủy vực.
Khối lượng sinh vật được tính theo chất tươi, chất khơ hay định hình, đơn vị thường dùng để tính tốn khối lượng sinh vật là g/l, g/m3 , g/m2 , kg/ha, tấn/ha.
Sản lượng sinh vật (Production)
Sản lượng sinh vật của thủy vực là lượng chất sống do sinh vật sản sinh ra, thể hiện ở độ tăng khối lượng sinh vật trong một khoảng thời gian nhất định nào đó (ngày đêm, năm…) trong thủy vực.
Sản lượng sinh vật biến đổi tùy theo đặc tính thành phần lồi của quần xã thủy sinh vật và điều kiện đảm bảo cho quá trình sinh trưởng và phát triển của thủy sinh vật trong thủy vực.
Sản lượng sinh vật được tính theo chất tươi hay chất khơ, hoặc có thể tính gián tiếp theo lượng carbon hấp thu, lượng oxy phóng thích ra trong q trình quang hợp
hay độ calo tương ứng của chất sống sản sinh ra trong một thời gian nào đó. Đơn vị tính sản lượng sinh vật của thủy vực là gC/m2 , gO/m2 , Kcal/m2 trong ngày hay trong năm, g/m2 hay g/m3 vật tươi hay khô trong năm.
Quan hệ giữa khối lượng sinh vật (B) và sản lượng sinh vật (P) của một quần thể sinh vật hay của thuỷ vực trong khoảng thời gian t1 – t2 được xác định bằng công thức cơ bản sau:
P(t2-t1) = B(t2) – B(t1) + P’
Với:
- P(t2-t1) : là sản lượng sinh vật trong thời gian (t2-t1)
- B(t1) và Bt(2) : khối lượng sinh vật có ở thời điểm t1 và t2.
- P’: là khối lượng sinh vật hao hụt đi trong khoảng thời gian (t2-t1)
Hệ số P/B
Là khái niệm đươc dùng để thể hiện mối quan hệ giữa sản lượng và khối lượng sinh vật của một quần thể sinh vật hay một thủy vực, đó là sản lượng sinh vật của một đơn vị khối lượng sinh vật trong khoảng thời gian nhất định, thường là một năm, có thể gọi đó là sản lượng sinh vật riêng.
Hệ số P/B biến đổi phụ thuộc vào nhiều nhân tố như: đặc tính thành phần lồi, đặc điểm sinh trưởng và phát triển của sinh vật.
Hệ số P/B ở một số nhóm sinh vật nước ngọt giảm dần khi kích thước trung bình của chúng tăng lên (Shushkina, 1967).
Theo Greze (1971) thì kết quả nghiên cứu hệ số P/B ở sinh vật biển cũng tương tự như ở nước ngọt nghĩa là sinh vật có kích thước trung bình càng cao thì hệ số P/B càng thấp.
Nguồn lợi sinh vật: là bao gồm tất cả sinh vật có khả năng, là đối tượng khai
thác của thủy vực.
Sản phẩm sinh vật: là từng loại sinh vật cụ thể (động vật, thực vật), thường là
các loại có giá trị sử dụng trong thủy vực, toàn bộ sản phẩm sinh vật tạo nên nguồn lợi sinh vật của thủy vực.
Sản phẩm khai thác: là các đối tượng sinh vật có giá trị khai thác trực tiếp
hay gián tiếp, phụ thuộc vào lợi ích con người hiện đang được khai thác.
Sản lượng thu hoạch: là lượng sinh vật thu hoạch được bằng phương tiện đánh
bắt, gây ni trong một khoảng thời gian nào đó từ thủy vực. 5.2.2. Sản lượng sinh vật sơ cấp của thủy vực
Đây là khâu thứ nhất trong quá trình sinh sản ra vật chất hữu cơ trong thủy vực, bước chuyển hóa của vật chất trong thủy vực từ vơ cơ thành vật chất hữu cơ nhờ quá trình quang hợp của thực vật trong nước. Đây cũng là giai đoạn thuỷ vực sử dụng trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời trong chu trình vật chất trong thuỷ vực. Thực vật ở nước tham gia vào q trình này có thành phần rất đa dạng, nhưng do có cùng chung một khả năng quang hợp nên chúng cũng có một vị trí chung trong q trình sản sinh ra vật chất hữu cơ trong thuỷ vực.
Sản lượng sinh vật sơ cấp của thủy vực là khâu quang trọng, quyết định năng suất sinh học của thủy vực, là cơ sở của quá trình tạo thành chất sống ở các bậc cao hơn.
Sản phẩm sinh vật sơ cấp được tạo nên do hoạt động quang hợp của thực vật ở nước, do đó việc xác định sản lượng sơ cấp của thủy vực cũng dựa trên cơ sở tính tốn cường độ quang hợp của thực vật trên từng đơn vị diện tích của mặt nước hay đơn vị của khối nước ở các tầng nước khác nhau từ tầng mặt tới giới hạn quang hợp ở trong nước. Tuy nhiên, cần phân biệt rõ hai khái niệm là:
- Cường độ quang hợp thể hiện khả năng sản sinh ra chất hữu cơ của thực vật trên một đơn vị khối lượng của chúng.
- Sản lượng sinh vật sơ cấp thể hiện khả năng sản sinh ra chất sống của một thể tích nước.
Sản lượng sinh vật sơ cấp có thể mang hai ý nghĩa ở hai mức độ khác nhau: - Sản lượng sơ cấp toàn phần là toàn bộ chất hữu cơ được thực hiện và có trong một khối nước tạo thành nhờ hoạt động quang hợp.
- Sản lượng sơ cấp thực tế là sản lượng sơ cấp toàn phần trừ đi phần chất hữu cơ tiêu hao trong quá trình trao đổi chất của thực vật. Đó là lượng chất hữu cơ được tích luỹ lại, làm tăng khối lượng cơ thể ở thực vật. Trong nghiên cứu năng suất sinh
học, việc xác định sản lượng sơ cấp thực tế là quan trọng, vì đây mới thể hiện độ tăng thực tế của khối lượng thực vật trong thuỷ vực.
Sản lượng sinh vật sơ cấp phụ thuộc vào nhiều nhân tố trong đó quan trọng nhất là hàm lượng muối dinh dưỡng cần cho sự sinh trưởng, phát triển của thực vật, số lượng, thành phần loài, độ tập trung của thực vật và chế độ chiếu sáng trong tầng nước. Ngoài ra chế độ nhiệt, nồng độ muối cũng ảnh hưởng đến năng suất này.
5.2.3. Sản lượng sinh vật thứ cấp
Các sản phẩm sơ cấp của thủy vực được tạo thành một phần sẽ bị phân hủy, một phần sẽ được các động vật ăn, nghĩa là chuyển sang tham gia vào quá trình tạo thành các sản phẩm thứ cấp của thủy vực ở các bậc dinh dưỡng tiếp sau, dưới dạng động vật dị dưỡng. Sản phẩm thứ cấp có thể ở nhiều bậc khác nhau trong toàn bộ quá trình sản sinh các động vật trực tiếp ăn thực vật, tới các bậc ba bậc bốn là bậc ăn trực tiếp động vật được tạo thành qua các khâu tiếp sau.
Số lượng bậc tùy thuộc vào đặc điểm cấu trúc quần loại thủy sinh vật, trước hết là thành phần loài và quan hệ thức ăn. Mỗi bậc của quá trình tạo thành sản phẩm thứ cấp trong thủy vực lại có một giá trị khác nhau về mặt chuyển hóa vật chất và năng lượng, bậc càng cao thì số lượng vật chất và năng lượng bị tiêu hao càng lớn, sản lượng sinh vật thứ cấp ở các bậc tiếp sau càng giảm đi về số lượng nhưng mặt khác lại được nâng cao về mặt chất lượng.
Do đặc tính của q trình tạo thành sản phẩm thứ cấp nên khi xác định sản lượng thứ cấp của mỗi nhóm động vật trong thuỷ vực cần xác định rõ bậc dinh dưỡng của chungstrong chuổi thức ăn của thuỷ vực.
Việc xác định sản lượng sinh vật thứ cấp là vấn đề rất phức tạp hiện nay, do đặc tính sinh học và sinh thái học của động vật rất khác nhau nhất là quá trình sinh trưởng và phát triển vì vậy khơng có phương pháp nghiên cứu chung cho tất cả các nhóm động vật.
5.3. Các nhân tố quyết định năng suất sinh học của thuỷ vực
Năng suất sinh học của thuỷ vực trước hết được quyết định bởi đặc điểm của chu trình vật chất trong thuỷ vực
Năng suất sinh học thủy vực chỉ có thể cao tức là thủy vực sinh ra được nhiều sản phẩm sơ cấp hay thứ cấp là tùy thuộc vào điều kiện thủy vực có đảm bảo được sự cân bằng của ba quá trình tạo thành, phân hủy và tích tụ vật chất trong thủy vực mà trước hết là quá trình tạo thành. Ba quá trình này liên quan chặt chẽ với nhau và ảnh hưởng lẫn nhau vì vậy một khâu nào yếu cũng sẽ ảnh hưởng đến cân bằng vật chất và năng lượng trong thủy vực, do đó sẽ ảnh hưởng đến năng suất sinh học của thủy vực.
Hơn nữa, thủy vực là yếu tố cảnh quan cũng vừa là môi trường sống của thủy sinh vật do đó xét các nhân tố quyết định năng suất thủy vực trước hết xét các nhân tố đảm bảo mức cao nhất sự phát triển thuận lợi đời sống sinh vật trong thủy vực. Các nhân tố này có rất nhiều và tác dụng tới đời sống sinh vật như một phức hệ tuy nhiên trong đó các nhân tố chủ yếu và thứ yếu.
5.3.1. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến năng suất sinh học thủy vực bao gồm:
* Điều kiện tự nhiên trong thủy vực: đây là điều kiện đảm bảo cho các q
trình chuyển hóa vật chất trong thủy vực tiến hành thuận lợi, vùng quá sâu vật chất lắng đọng khó chu chuyển, đáy dốc nước chảy xiết cuốn trơi vật lắng đọng, độ sâu mực nước quá thấp làm nhiệt độ không ổn định.
* Chất dinh dưỡng của thủy vực: bao gồm khối lượng muối dinh dưỡng và khối
lượng thức ăn cho động vật. Chúng có hai nguồn gốc là nội tại và ngoại lai.
- Khối lượng muối dinh dưỡng phụ thuộc vào q trình tích tụ và phân hủy chất hữu cơ trong thủy vực và từ ngồi đi vào. Khối lượng chất hữu cơ tích tụ trong thủy vực chỉ có tác dụng tích cực với năng suất sinh học thủy vực khi chúng không làm ảnh hưởng chế độ khí hịa tan trong thủy vực, không gây độc cho thủy sinh vật.
- Cơ sở thức ăn cho động vật bao gồm nhiều thành phần: động vật (nổi và đáy), vi khuẩn, thực vật, chất vẩn, chất hữu cơ hòa tan. Các thành phần thức ăn này có tác dụng nhiều hay ít đối với sản lượng thứ cấp của thuỷ vực còn tuỷ thuộc vào giá trị sử dụng của chúng.
- Thành phần loài và quan hệ quần loại trong thủy vực: trong thành phần lồi có nhiều lồi có giá trị khai thác cao, tận dụng hết khả năng về thức ăn trong thủy vực, có sản lượng sinh vật cao, hạn chế lồi gây hại. Thủy vực có năng suất sinh
học cao phải có những chuỗi thức ăn có lợi nhất về mặt chuyển hóa vật chất, khai thác hết các khả năng thức ăn tự nhiên.
* Các biện pháp khai thác và các nhân tố nhân tạo ảnh hưởng đặc tính thủy vực: khai thác bừa bãi, quá mức một đối tượng sẽ làm giảm sút trữ lượng của chúng
đôi khi bị tiêu diệt trong một vùng nào đó. Hiện tượng nhiễm bẩn do nước thải cơng nghiệp có ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất thủy vực, các cơng trình thủy lợi làm thay đổi chế độ thủy học, mạng lưới thủy văn có ảnh hưởng xấu đến năng suất. 5.3.2. Các biện pháp năng cao năng suất sinh học thủy vực
Việc nâng cao năng suất sinh học của thuỷ vực phải dựa trên sự hiểu biết về chu trình vật chất trong thuỷ vực, đặc tính các q trình sinh học diễn biến trong thuỷ vực, đặc tính sinh học, sinh thái học của khu hệ thuỷ sinh vật sống trong đó. Trển cơ sở đó, phát huy những yếu tố tích cực, nhằm biến năng suất sinh học khă năng thành hiện thực. Do đó, phương pháp và biện pháp đề ra cho từng thuỷ vực rất khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc tính của mỗi loại thuỷ vực.
Nghiên cứu nâng cao năng suất sinh học của một thủy vực thường tiến hành ở 2 mức độ đó là biện pháp tận dụng khai thác khả năng tự nhiên và bảo vệ sản lượng tự nhiên đó.
Trong việc nâng cao năng suất sinh học của thuỷ vực có thể nêu lên hai loại biện pháp: các biện pháp nhằm năng cao sản lượng sơ cấp và các biện pháp nhằm năng cao sản lượng thứ cấp. Tuy nhiên, mục đích cuối cùng của các biện pháp là nhằm làm tăng cường các đối tượng có giá trị khai thác, tạo mọi điều khiện thuận lợi để các đối tượng này phát triển tốt nhất.
Một số biện pháp chủ yếu, đã được sử dụng phổ biến và có hiệu quả trong việc nâng cao năng suất sinh học của thuỷ vực:
Cải tạo địa hình và chế độ thủy lý hóa của thủy vực