2.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
2.2.2. Đặc điểm các yếu tố môi truờng của đất ngập nước ven biển
* Khí hậu
Theo Walter (1977), các hệ sinh thái rừng ngập mặn được tìm thấy chủ yếu ở ba vùng khí hậu của trái đất: (a) Vùng xích đạo, giữa 10o vĩ Bắc và 5 – 10o vĩ độ Nam; (b) Vùng mưa – mùa hè nhiệt đới, Bắc và Nam của vùng xích đạo, 25 – 30 độ vĩ độ Bắc và Nam, một phần ở vùng khô cận nhiệt đới của sa mạc; và (c) những vùng khí hậu ấm, nơi không có mùa đông lạnh thực sự, và chỉ ở ranh giới phía đông của các lục địa.
Theo Blasco (1984) rừng ngập mặn phát triển tốt nhất ở vùng cửa sông nhiệt đới, nơi nhận được lượng mưa lớn, ngay cả được phân bố suốt năm, trong khi đó sự khô cằn là nhân tố giới hạn trong nhiều vùng của thế giới. Cũng theo Blasco (1984), nơi rừng ngập mặn tự nhiên phân bố, có lượng mưa hàng năm thường cao hơn 1.200 mm và không xuất hiện trong một năm một mùa khô dài.
Theo Phan Nguyên Hồng (1999), ở vùng nhiệt đới, rừng ngập mặn phát triển ở nơi mưa nhiều, ví dụ ở Thái Lan, Australia, Việt Nam, rừng ngập mặn phát triển mạnh ở nơi có lượng mưa trong năm cao (1.800 – 2.500 mm), vùng ít mưa số lượng loài và kích thước của cây giảm. Ở ven biển Nam Bộ, trong điều kiện nhiệt độ bình quân năm ở Cà Mau và Vũng Tàu chênh lệch nhau rất ít (0,7oC), nhưng lượng mưa ở Cà Mau (2.360 mm/năm) lớn hơn nhiều so với Vũng Tàu (1.357 mm/năm), nên rừng ngập mặn ở Cà Mau phong phú hơn, kích thước cây cũng lớn hơn. Theo Aksornkoae (1993) (trích dẫn bởi Phan Nguyên Hồng 1999), ở Bắc Bán Cầu, cây ngập mặn phát triển tốt ở những vùng mà lượng mưa hàng năm từ 1.800 – 3.000 mm.
* Thủy triều
Thủy triều là nhân tố quan trọng đối với sự phân bố và sinh trưởng của cây ngập mặn, vì không những có tác động trực tiếp lên thực vật do mức độ và thời gian ngập, mà còn ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác như kết cấu, độ mặn của đất (Phan Nguyên Hồng, 1999). Dựa vào sự phân nhóm của Watson and De Haan, Chapman (1976) đã sắp xếp một số loài cây rừng ngập mặn vào các nhóm sau:
13
Bảng 2.2: Phân nhóm các loài cây ngập mặn theo cấp độ ngập
Đặc điểm ngập triều
Số lần ngập/tháng Watson (1928)
Số ngày ngập/tháng De Haan (1931)
Tên loài cây ngập mặn Đất ngập triều
thấp
56 - 62 20 Chưa xuất hiện rừng ngập mặn
Đất ngập bởi các con nước triều cao trung bình
45 - 56 10 -19 Sonneratia allba
Avicennia alba Bl.
Rhizophora mucronata Đất ngập bởi các
con nước triều cao bình thường
20 - 45 4 -9 Rhizophora apiculata Bl.
Bruguiera cylindrical Bruguiera parviflora (Roxb.) W. Ex Giff.
Bruguiera gymnorhiza Đất ngập bởi các
con nước triều cường
2 - 20 2 – 4 Xylocarpus granatum
Lumnitzera littorea Excoecaria agallocha Bị ngập chỉ bởi
triều cao của bão
< 2 < 2 Bruguiera sexangula
(Chapman, 1976) Đối với rừng ngập mặn Cà Mau, Hà Chí Tâm (2005) cho rằng, loài Mấm trắng phân bố và chiếm ưu thế ở khu vực triều cao, có tổng số lần ngập triều trong năm từ 302 - 303 lần, với độ ngập cao nhất hàng tháng so mặt đất từ 50,3 – 58,0 cm. Loài Đước đôi (Rhizophora apiculata Bl.) chiếm ưu thế ở khu vực triều có tổng số lần ngập/năm là 117 – 183 và độ ngập cao nhất từ 30 – 38 cm.
Nhiều nghiên cứu đã cung cấp các số liệu liên quan đến các chế độ ngập triều và tình trạng dinh dưỡng của đất ngập nước ven biển. Thủy triều phân bố cả chất dinh dưỡng hòa tan và dạng hạt thông qua các hệ thống đầm lầy, với dòng dinh dưỡng đi vào nhiều nhất ở các vùng bị ngập thường xuyên thông qua sự lắng tụ trầm tích. Tuy nhiên, không chỉ có ảnh hưởng của tình trạng ngập triều lên tính khả dụng của chất dinh dưỡng dọc theo biên độ ngập triều, mà mức độ bão hòa của đất cũng ảnh hưởng lên thế oxy hóa khử của trầm tích và chính bản thân nó lại ảnh hưởng trở lại lên hình thức và tính khả dụng của chất dinh dưỡng cũng như độ mặn của lớp đất mặt (Ball, 1988). Đất ngập nước bị ngập thì pH và Eh thay đổi ảnh hưởng đến mức độ dễ tiêu của các chất dinh dưỡng (Lê Văn Khoa và ctv., 2005).
Ở các vùng nhiệt đới, sự thay đổi nồng độ chất dinh dưỡng trong nước ở cửa sông theo chu kỳ thủy triều với nồng độ cao nhất xảy ra khi thủy triều lên và giảm khi thủy triều thấp (Ovalle et al., 1990; trích dẫn bởi Alongi et al., 1992). Chế độ ngập của đất ngập nước bao gồm tần số và thời gian của sự ngập triều xác định sự hiện diện của oxy trong đất ngập nước và đặc biệt quan trọng
14
đối với sự nitrate hóa (Rivera-Monroy and Twilley, 1996). Ở miền Bắc nước Úc, một số lạch triều ở rừng ngập mặn bị ảnh hưởng gần như hoàn toàn bởi hoạt động của thủy triều với đầu vào từ nước ngầm hoặc chảy tràn trên mặt đất. Do đó, nồng độ nitrat trong nước thường thấp hơn ở những lạch vùng nhiệt đới khác (Alongi et al., 1992).
2.2.2.2. Đặc điểm môi trường đất
* Độ mặn
Độ mặn có ý nghĩa rất lớn đối với sự phân bố thực vật rừng ngập mặn.
Mỗi loài cây rừng ngập mặn có mức độ thích nghi với một phạm vi độ mặn khác nhau, tuy nhiên độ mặn quá cao cũng là yếu tố giới hạn đối với chúng. Theo Blasco (1982), nước có độ mặn cao hơn 9‰ thì hầu như không có loại rừng ngập mặn nào tồn tại, chỉ có một vài cây Mấm sống còi cọc (Nguyễn Ngọc Bình, 1999). Phan Nguyên Hồng (1991) đã chia các loài cây rừng ngập mặn thành hai loại; loại có biên độ muối rộng và loại có biên độ muối hẹp. Loại có biên độ muối rộng gồm các loài như Mấm, Đước đôi…, trong đó Mấm là nhóm chịu độ mặn cao (10‰ – 35‰ hoặc hơn), Đước đôi là nhóm chịu độ mặn cao trung bình (7‰ – 20‰). Loại có biên độ muối hẹp có Bần đắng, loài này thuộc loại chịu mặn cao (20‰ – 33‰). Aksornkoae (1992) cũng cho rằng, Bần đắng là loài chịu được độ mặn cao. Theo Nguyễn Ngọc Bình (1999), rừng Mấm trắng sinh trưởng tốt ở độ mặn 2‰ - 3‰, rừng Đước đôi sinh trưởng tốt ở nước có độ mặn 1‰ – 2‰.
Bảng 2.3: Thành phần loài cây rừng ngập mặn theo ngưỡng độ mặn Goa
TT Loài Ngưỡng độ mặn
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Rhizophora mucronata Rhizophora apiculata Bl.
Bruguiera gymnorriza Bruguiera cylindica Ceriops tagal Kadelia candel Avicennia officinalis Avicennia marina Avcicennia alba Sonneratia alba Sonneratia caseolaris Aegiceras corniculatum Acanthus illicipolius Excoecaria agallocha Derris heterophylla Aerostichurm aureum
6‰ – 37‰
6‰ – 37‰
6‰ – 33‰
11‰ – 35‰
10‰ – 37‰
6‰ – 26‰
6‰ – 30‰
6‰ – 40‰
7‰ – 35‰
10‰ – 37‰
5‰ – 22‰
11‰ – 35‰
11‰ – 39‰
9‰ – 35‰
5‰ – 30‰
0‰ – 20‰
(Bộ Lâm nghiệp Goa, 2007)
Chan and Baba (2009) cho rằng mỗi loài cây rừng ngập mặn chỉ thích ứng với một loại đất và chế độ ngập triều nhất định (Bảng 2.4).
15
Bảng 2.4: Phân bố một số loài cây ngập mặn theo cấp độ ngập
Dạng đất
Chế độ ngập
nước triều Độ thành thục đất Loài cây rừng ngập mặn 1 Ngập khi nước
triều rất thấp Bùn rất loãng Chưa xuất hiện rừng ngập mặn 2 Ngập khi nước
triều trung bình thấp
Bùn loãng Mấm trắng (Avicennia alba) Bần trắng (Sonneratia alba) Đưng (Rhizophora mucronata) 3 Ngập khi nước
triều cao trung bình
Bùn chặt Vẹt trụ (Bruguiera cylindrical) Vẹt tách (Bruguiera parviflora (Roxb.) W. ex Griff.)
Vẹt đen (Bruguiera sexangula) Đước (Rhizophora apiculata Bl.) 4 Ngập khi nước
triều cao
Sét mềm
hoặc sét cứng Giá (Excoecaria agallocha) Gõ nước (Instia bijuga) Cóc đỏ (Lumnitzera littorea) Cóc trắng (Lumnitzera racemosa) Xu ổi (Xylocarpus granatum) Xu sung (Xylocarpus moluccensis) 5 Ngập khi triều
bất thường
Sét cứng, đất rắn chắc Mướp xác hường (Cerbera manghas) Mướp xác (Cerbera odollam)
Dừa nước (Nypa fruticans) Bần chua (Sonneratia caseolaris)
(Chan, H.T. and Baba, S., 2009) Nghiên cứu của Phan Nguyên Hồng và ctv. (1999) cho thấy, Đước đôi tại Duyên Hải - Trà Vinh chịu được độ mặn cao của lớp đất mặt, đặc biệt ở tầng 35 - 50 cm, độ mặn từ 5‰-35‰. Theo Bộ lâm nghiệp của chính phủ Goa (2007), cấu trúc và sự sắp sếp của các loài cây rừng ngập mặn ở cửa sông thay đổi theo ngưỡng độ mặn từ vùng cửa sông đến thượng nguồn, trong đó loài Mắm trắng là loài có biên độ chịu mặn rộng từ 7‰-35‰, loài Đước đôi thích nghi tương tự từ 6‰-37‰, trong khi đó loài Bần đắng lại thích hợp ở vùng đất mặn hơn từ 10‰-37‰. Theo Hà Chí Tâm (2005) tại cồn trong cửa sông Ông Trang - Cà Mau, loài Mấm trắng phân bố và chiếm ưu thế ở độ mặn trong đất từ 33‰ – 38‰, loài Đước 30‰-35‰.
* Độ thành thục của đất
Theo Nguyễn Ngọc Bình (1999) đã đề nghị dùng chỉ số n để đánh giá độ thành thục của đất mặn ven biển. Chỉ số n biểu hiện mối tương quan % theo trọng lượng của nước biển có trong đất. Theo cách tính này, n = (% nước)/(%
đất) (theo trọng lượng). Theo Nguyễn Ngọc Bình (1996), khi n < 0,7 là đất ngập mặn đã thành thục; khi n ≥ 4 đất ngập mặn có độ thành thục rất thấp, dạng bùn rất loãng, đất còn pha lẫn quá nhiều nước biển, lúc này chưa có rừng ngập mặn tiên phong, cố định bãi bồi xuất hiện (Bãi bồi non, mới bồi, nước sâu); nhưng khi đất ngập mặn có độ thành thục n < 0,4 (dạng sét rắn chắc) đất đã thành thục ở mức độ cao, thì rừng ngập mặn sinh trưởng rất xấu.
16
Bảng 2.5: Các đặc điểm đất để xác định độ thành thục ngoài thực địa Tính chất đất Đặc điểm khu vực
Bùn loãng Khi đi trên bùn, bùn ngập tới đầu gối, rất khó rút chân lên khỏi bùn, và càng đứng lâu chân càng lún sâu vào bùn, độ sâu ngập bùn trên 30 cm
Bùn chặt Khi đi trên bùn, chân bị lún sâu vào bùn tới 20 - 30cm, khó rút chân lên khỏi bùn
Sét mềm Khi đi chân bị lún sâu vào đất từ 10 – 20 cm Sét chặt Khi đi chân bị lún sâu vào đất tới 5 cm
(Ngô Đình Quế và Đỗ Đình Sâm, 2001)
* Eh
Lê Văn Khoa và ctv. (2005) cho rằng, trong đất luôn tồn tại chất ôxy hóa và chất khử, nên quá trình oxy hóa khử xảy ra phổ biến. Ở trong đất, những chất oxy hóa là O2, NO3-, Fe3+, Mn4+, Cu2+ và một số vi sinh vật hiếu khí. Chất khử là H2, Fe2+, Cu+ và vi sinh vật kỵ khí. Quá trình oxy hóa khử trong đất đều có thực vật và vi sinh vật tham gia nên đây là quá trình sinh học. Trong điều kiện oxy hóa hay khử, chất hữu cơ đều bị phân giải, tuy nhiên, cường độ, sản phẩm phân giải khác nhau. Để đặc trưng cho cường độ oxy hóa khử của dung dịch đất thường được xác định bằng thế oxy hóa khử (Eh).
Đặc điểm oxy hóa khử trong đất rừng ngập mặn có liên quan đến quá trình ngập nước triều, đến thành phần cấp hạt và hàm lượng chất hữu cơ trong đất.
Sự ngập nước cao của môi trường sẽ làm Eh giảm và ngược lại. Đất rừng ngập mặn thường ngập úng, vì thế, đất bị yếm khí, quá trình phân hủy chất hữu cơ với sự tham gia của vi khuẩn có sử dụng oxy xảy ra, qua đó lượng oxy giảm (khử oxy hóa). Eh của đất thiếu khí là thường dưới -200 mV trong khi đất thoáng khí thì Eh thường trên +300 mV (Lê Huy Bá, 2003).
Ở tầng đất mặt thoáng khí hơn nên điện thế oxy hóa khử cao hơn, càng xuống sâu điện thế oxy hóa khử càng giảm (Hà Quang Khải và ctv., 2002). Đất chặt bí, đất đầm lầy, đất than bùn có Eh thấp (100 đến -200 mV), quá trình khử chiếm ưu thế, đất tích lũy nhiều chất độc (Hà Quang Khải và ctv., 2002). Nghiên cứu của Mitsch and Gosselink (1993) (trích dẫn bởi Hseu and Chen, 2000) cho thấy rằng đất đầm lầy rừng ngập mặn thường có tính khử cao với giá trị Eh từ -100 đến - 400 mV. Kết quả nghiên cứu của Hseu and Chen (2000) tại vùng đất đầm lầy rừng ngập mặn Đài Loan cho thấy rằng sự khác biệt theo không gian và thời gian của giá trị Eh phản ánh sự dao động theo mùa bởi lượng mưa và hoạt động thủy triều. Ở tầng đất mặt (0 - 20 cm), Eh dao động trong dưới 100 mV đến dưới 0 mV, trong khi ở độ sâu từ 80 - 100 cm, giá trị Eh có tính khử cao (từ -100 đến -200 mV). Về mặt thời gian, do sự tích tụ vật rụng, thời gian
17
ngập triều và mưa ít nên giá trị Eh vào mùa xuân cao hơn các mùa khác trong năm. Sự thông thoáng đất và hàm lượng chất hữu cơ là hai yếu tố chính yếu ảnh hưởng đến Eh trong hệ sinh thái này (Hseu and Chen, 2000).
Tình trạng oxy hóa khử của đất xung quanh rễ cây ngập mặn là yếu tố quan trọng đối với tình trạng chất dinh dưỡng cho thực vật hấp thu. Kết hợp với tần số và cường độ ngập triều, tình trạng oxy hóa khử của đất cũng bị ảnh hưởng bởi quần thể sinh vật trong khu vực (ví dụ như hang cua) và sự xuất hiện phong phú của rễ cây ngập mặn (Reef et al., 2010).
Hàm lượng đạm vô cơ hòa tan bị ảnh hưởng bởi chuyển hóa đạm và tình trạng oxy hóa khử. Điều góp phần vào sự biến đổi sự cố định đạm và khử nitơ đáp ứng với các điều kiện dinh dưỡng (Lee and Joye, 2006). Đất rừng ngập mặn kỵ khí và giàu chất hữu cơ thuận lợi cho sự chuyển hóa đạm vô cơ. Như ở các khu rừng nhiệt đới khác, sự chuyển hóa đạm trong rừng ngập mặn là một nguồn đạm quan trọng (Holguin et al., 2001). Một trong những phản ứng đầu tiên xảy ra trong đất của đất ngập nước sau khi trở nên kỵ khí là quá trình khử NO3- đến N2O hoặc N2. NO3- là chất nhận electron ở giá trị Eh = 220 mV (Lê Văn Khoa và ctv., 2005). Theo Reef et al. (2010), trong môi trường đất rừng ngập mặn có giá trị Eh > 330 mV, tốc độ của quá trình nitrate hóa cao và NO3- là dạng N chính trong đất. Khi Eh đất có giá trị từ -100 đến 330 mV tốc độ amôn hóa và khử N trong đất cao, NH4+ là dạng N chính trong đất và NO3- trong đất không xuất hiện ở giá trị Eh thấp hơn 250 mV.
Theo Nguyễn Ngọc Bình (1999), đặc điểm oxy hóa khử (Eh) của đất ngập mặn đều có liên quan đến quá trình nước triều, đến thành phần cấp hạt và hàm lượng chất hữu cơ đất. Nhìn chung, đất ngập mặn có mức độ khử oxy càng cao thì càng có ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng của cây rừng ngập mặn. Theo Lê Huy Bá (2003), hàm lượng Oxy trong môi trường đất, những chất bài tiết do hoạt động của vi sinh vật và chất hữu cơ có mặt trong môi trường có ảnh hưởng quyết định đến quá trình Oxy hoá - khử. Theo tác giả điều kiện ngập nước và độ ẩm cao của môi trường sẽ làm Eh giảm và ngược lại. Nghiên cứu của Võ Đức Nguyên (1987) cho thấy, phần hạ lưu sông Cửu Long rất bằng phẳng, đất thường xuyên bị ngập, thường giữ lại rất nhiều sản phẩm của biển như lưu huỳnh, sắt, nhôm… thêm vào đó rừng tự nhiên phát triển khá phong phú đặc biệt là Sú - Vẹt. Chất hữu cơ phong phú trong rừng ngập mặn tạo điều kiện hình thành pyrite trong điều kiện ngập nước lâu dài. Theo Nguyễn Ngọc Bình (1996), trong thành phần của xác hữu cơ rừng ngập mặn có chứa nhiều lưu huỳnh (lá cây Đước đôi (Rhyzophora apiculata) có chứa tới 1,08% SO2). Thông qua các quá trình phân giải và chuyển hóa của vi sinh vật trong đất, S sẽ được chuyển hóa thành khoáng disulfua sắt (pyrite). Khi FeS2 được tích lũy trong đất tới một mức độ nào đó, sẽ chuyển từ loại đất ngập mặn sang loại đất ngập mặn phèn
18
tiềm tàng ven biển. Các kết quả nghiên cứu gần đây nhất của tổ chức OSTOM (Pháp) cho thấy, tất cả các lưu huỳnh của khoáng FeS2 trong đất ngập mặn ở bán đảo Cà Mau đều có nguồn gốc từ chất hữu cơ, có liên quan đến rừng ngập mặn. Theo Boto (1984), khi đất bị ngập, tỷ lệ khuếch tán oxy bị suy giảm nghiêm trọng, nó phụ thuộc vào độ sâu của sự ngập và thời gian đất bị ngập, oxy cung cấp cho đất bị ngưng hầu như hoàn toàn. Dưới những điều kiện này, vi sinh vật trong đất bị biến đổi nhanh chóng. Bình thường đất thoáng khí, vi sinh vật ưa khí chiếm ưu thế, những loài này đòi hỏi oxy để hô hấp, khi thiếu oxy vi sinh vật bị giảm số lượng và những kiểu vi sinh vật khác không phụ thuộc oxy trở nên ưu thế. Clough et al. (1983), cho rằng, thế oxy hóa khử suy giảm từ hiếu khí (+700 mV) đến yếm khí hoàn toàn (-300 mV) phạm vi trị số này phụ thuộc vào hóa học đất. Khi trị số giảm, oxy bị giảm trước tiên, đến những mức thấp nhất, CO2 bị biến đổi thành CH4, tương tự những Ion hoạt động như những chất nhận điện tử quyết định tiến trình trung gian: NO3- thành N2, Mn4+ thành Mn2+, Fe3+ thành Fe2+, SO42- thành S2-.
Theo kết quả nghiên cứu của Hà Chí Tâm (2005) tại Cồn Trong cửa sông Ông Trang cho thấy, loài Mấm trắng phân bố và chiếm ưu thế khi yếu tố Eh từ -220 đến -153 mV, trong khi ở loài Đước đôi là từ -158 đến -119 mV.
* pH
pH đất là một trong những yếu tố môi trường quan trọng. Theo English et al. (1997), nồng độ acid của đất có ảnh hưởng đến sự chuyển hóa các dưỡng chất và các loài cây thích hợp. Hầu hết đất rừng ngập mặn có giá pH trung tính từ 6 – 7, nhưng cũng có nhiều nơi giá trị pH thấp hơn. Theo Hà Chí Tâm (2005), pH đất thích hợp cho loài Mấm trắng là từ 7,1 – 7,4.
Williams and Gray (1974) cho rằng pH đất có ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong đất. Các vi sinh vật phân hủy vật chất hửu cơ phát triển tốt ở môi trường đất có giá trị pH gần trung tính và kém phát triển ở môi trường đất có tính acid. Do đó, ở những nơi có giá trị pH đất gần trung tính sẽ thuận lợi cho quá trình phân hủy vật chất xảy ra và lượng đạm được cung cấp cho môi trường nhiều hơn. Trong các sinh vật phân hủy, vi sinh vật sống ở các màng nước trong đất dễ bị ảnh hưởng nhất đối với sự thay đổi giá trị pH, mặc dù phần lớn có sự thích nghi, được cho là chịu đựng sự thay đổi pH. Trong nghiên cứu của Williams and Gray (1974), kết quả cho thấy rằng ở các giá trị pH thấp (thấp hơn 5,0), nhiều sinh vật phân hủy trở nên không hoạt động hoặc giảm hoạt động.
2.2.2.3. Các chất dinh dưỡng trong đất
* Hàm lượng carbon tổng số
Hàm lượng carbon tổng số trong đất bao gồm tổng các dạng carbon hữu cơ và vô cơ, trong đó hàm lượng carbon hữu cơ thường hiện diện trong chất hữu cơ của đất và carbon vô cơ thì được tìm thấy chủ yếu ở các dạng khoáng