Đánh giá tiềm năng nguồn lợi cá nổi vùng biển vịnh bắc bộ

Tiến hành nghiên cứu: Mô hình hoá quá trình chuyển hoá năng lượng trong quần xã sinh vật nổi biển; Tính toán đặc trưng quá trình sản xuất vật chất hữu cơ và các hiệu suất sinh thái trong

Đánh giá tiềm năng nguồn lợi cá nổi vùng biển

vịnh Bắc Bộ Nguyễn Thị Hương Thảo

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyên ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97

Người hướng dẫn: GS.TS Đinh Văn Ưu

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về nguồn lợi cá nổi vịnh Bắc Bộ: Khái quát về nguồn lợi cá nổi

vịnh Bắc Bộ; Một số phương pháp đánh giá trữ lượng cá Tiến hành nghiên cứu: Mô hình hoá quá trình chuyển hoá năng lượng trong quần xã sinh vật nổi biển; Tính toán đặc trưng quá trình sản xuất vật chất hữu cơ và các hiệu suất sinh thái trong quần xã sinh vật nổi biển; Xác định trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ Trình bày các kết quả đạt được và đánh giá trữ lượng nguồn lợi cá nổi nhỏ Vịnh Bắc Bộ: Đặc trưng quá trình sản xuất sơ cấp của TVN trong vịnh Bắc Bộ; Đặc trưng quá trình sản xuất thứ cấp của ĐVN trong vịnh Bắc Bộ; Đặc trưng chuyển hóa năng lượng trong vịnh Bắc Bộ; Ước

tính trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ vịnh Bắc Bộ

Keywords: Hải dương học; Vịnh Bắc bộ; Phương pháp chuyển hóa năng lượng; Hệ sinh thái biển; Cá nổi

Content

MỞ ĐẦU

Phát triển kinh tế xã hội cho dù ở hình thức hay quy mô nào cũng luôn gắn liền với việc khai thác, sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên Để đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững kinh tế xã hội đất nước, những nghiên cứu cơ bản về tài nguyên sinh vật biển là hướng đi rất tích cực nhằm mục đích phục vụ khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên biển Việt Nam - nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá góp phần tạo nên vị trí địa kinh tế, địa chính trị vô cùng quan trọng của Biển Đông Đặc biệt, việc đánh giá tiềm năng nguồn lợi sinh vật biển có giá trị kinh tế, chú trọng đến nguồn lợi vùng biển xa bờ là cơ sở xây dựng bản đồ ngư trường đánh bắt thủy sản theo mùa và quy hoạch, quản lý tài nguyên biển theo vùng lãnh thổ

Ở vùng biển nước ta, nghề khai thác cá nổi nhỏ đã tồn tại từ rất lâu, trước khi nghề khai thác cá đáy và cá nổi đại dương phát triển Biển Việt Nam lại nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa và có khu hệ cá biển thuộc khu hệ động vật Ấn Độ - Tây Thái Bình Dương nên cá biển Việt Nam không chỉ phong phú, đa dạng về thành phần loài, mà còn đặc trưng cho cá biển nhiệt đới

về những đặc điểm sinh vật học Đa số chúng có kích thước không lớn Theo thống kê của Bộ Thủy sản, các loài cá đánh bắt được chủ yếu có chiều dài nhỏ hơn 200 mm, trong đó những loài

cá có kích thước nhỏ hơn 100 mm cũng chiếm sản lượng không nhỏ Qua đó thấy rằng việc nghiên cứu, đánh giá trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ là quan trọng và cần thiết Lựa chọn nghiên cứu của luận văn giới hạn ở đối tượng là cá nổi nhỏ mà thành phần thức

ăn của chúng chủ yếu là sinh vật nổi

Mục tiêu của luận văn là có được các đánh giá định lượng về trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ vùng biển vịnh Bắc Bộ và các phân vù ng trong vi ̣nh , sử du ̣ng phương pháp chuyển hóa năng lượng Đây là phương pháp tính toán năng suất, sinh khối và trữ lượng cá nổi nhỏ dựa trên cơ sở năng lượng chuyển hóa qua các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái biển, được ứng dụng lần đầu ti ên tại vịnh Bắc Bộ Kết quả của luâ ̣n văn đã được báo cáo ta ̣i Hội nghi ̣ Khoa ho ̣c Trường Đa ̣i học Khoa học Tự nhiên , Đa ̣i học Quốc gia Hà Nội lần thứ V (10-2012) và công bố trên Ta ̣p chí Khoa học Đa ̣i học Quốc gia Hà Nội (số 3S, tâ ̣p 28, 2012) [2]

Luận văn gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục Nội dung chính được bố cục thành ba chương:

Chương 1: Tổng quan nguồn lợi cá nổi vịnh Bắc Bộ

Chương 2: Phạm vi, phương pháp và nguồn số liệu sử dụng

Chương 3: Kết quả nghiên cứu, đánh giá trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ vịnh Bắc Bộ

TÓM TẮT CÁC NỘI DUNG CHÍNH Biển Việt Nam được chia thành 4 vùng chủ yếu: Bắc Bộ, Trung Bộ, Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ Các hoạt động khai thác hải sản trong các vùng này được phân chia thành nghề cá ven bờ và nghề cá xa bờ, dựa vào độ sâu ngư trường ở mỗi vùng biển Ranh giới phân chia được xác định là đường đẳng sâu 50m ở vùng biển Trung Bộ và 30m ở các vùng biển còn lại Mùa vụ

khai thác chủ yếu có 2 vụ: vụ cá nam (tháng 5-10) và vụ cá bắc (tháng 11-4) tương ứng với hai mùa gió: mùa gió tây nam và mùa gió đông bắc (FICen – Trung tâm thông tin thủy sản) Dựa theo quan hệ với nhiệt độ, khu hệ cá vịnh Bắc Bộ được tạo thành bởi các nhóm loài như nhóm nhiệt đới rộng nhiệt, nhóm nhiệt đới hẹp nhiệt, nhóm ôn đới và cận nhiệt đới, trong đó thành phần nhiệt đới chiếm số lượng chủ yếu (89,3%) Do đó có thể coi khu hệ cá vịnh Bắc Bộ là một khu hệ cá nhiệt đới không hoàn toàn với hai nhóm chính là nhóm hẹp nhiệt và nhóm rộng nhiệt Thuộc nhóm thứ nhất là những loài cá nhiệt đới (191 loài, chiếm 25,6% tổng số loài của khu hệ) mà giới hạn phân bố phía bắc của chúng là tây bắc Biển Đông và vịnh Bắc Bộ là giới hạn phân bố phía nam của chúng Thuộc nhóm thứ hai là những loài phân bố rất rộng trong vùng biển nhiệt đới của Thái Bình Dương, Ấn Độ Dương và Đại Tây Dương Nhóm này có 476 loài, chiếm 63,7% tổng số loài trong vịnh

Dựa theo điều kiện cư trú, có thể chia cá biển Việt Nam thành 4 nhóm chính: cá tầng trên (cá nổi), cá tầng đáy, cá đáy và cá sống trong rạn san hô Trong nhóm cá nổi có khoảng 260 loài, chiếm 15% tổng số loài cá trong vùng biển Chúng thường sống ở tầng nước bên trên, tập trung thành đàn Những ngày nắng ấm và thời tiết thuận lợi chúng thường nổi lên sát mặt nước, đôi khi nổi cả mõm hoặc vây lưng lên khỏi mặt nước để thở hoặc bắt mồi Cùng với sự di cư vào vịnh Bắc Bộ trong thời gian mùa hè và ra khỏi vịnh vào mùa thu đông của một số loài cá nổi đại dương, còn có hiện tượng di chuyển tương đối của phần lớn cá từ phía bắc và tây vịnh đến phía nam và đông vịnh trong mùa thu đông và di chuyển theo hướng ngược lại trong mùa xuân hè Đồng thời với sự di chuyển theo chiều ngang, còn có hiện tượng di động theo chiều thẳng đứng

từ tầng mặt xuống tầng sâu và ngược lại theo mùa.Ví dụ, về mùa lạnh, nhiệt độ nước biển tầng

mă ̣t giảm thấp, những loài cá nổi đại dương bơi ra khỏi vùng biển, những loài cá nổi ven bờ thường bơi ra khơi, hoặc lần xuống tầng nước sâu Các loài cá thu, cá ngừ có kích thước lớn, phân bố chủ yếu ở ngoài khơi, gần cửa vịnh và di chuyển vào gần bờ trong mùa sinh sản

Ngoài ra, theo kích thước chia thành nhóm cá nổi lớn như cá ngừ, cá cờ, cá kiếm … hoặc nhóm cá nhỏ như cá trích, cá nục, cá cơm, cá chuồn, cá bạc má, cá chỉ vàng… Theo đặc tính bắt mồi, chia thành nhóm cá ăn sinh vật nổi, nhóm ăn các loại cá khác hoặc ăn chất vẩn hữu cơ…

Cá nổi nhỏ, đặc biệt là những loài thuộc giống cá nục, cá trích, cá cơm , cá chuồn… phân

bố rộng khắp vùng biển ven bờ nước ta Chúng là đối tượng khai thác chính của ngư dân Ở vịnh Bắc Bô ̣, cá nổi nhỏ chiếm trên 83% trữ lượng ng uồn lợi hải sản của vi ̣nh và là các đối tượng khai thác chính của nhiều loại nghề Đánh giá của Bùi Đình Chung năm 1991 về ngu ồn lợi cá nổi

đánh bắt bằng lưới kéo đôi ở các khu biển ven bờ tây vịnh Bắc Bộ cho thấy , có khoảng 390 nghìn tấn trữ lượng và khả năng khai thác 156 nghìn tấn/năm (các giá trị tương ứng củ a cá đáy là 48,4 và 31,3) Một đánh giá khác của Viện Nghiên cứu Hải Sản năm 2006: trữ lượng cá nổi 433,1 nghìn tấn, khả năng khai thác 216,5 nghìn tấn/năm

Theo số liê ̣u của Tổng cu ̣c Thống kê Viê ̣t Nam , sản lượng khai thác cá biển ở vịnh Bắc

Bô ̣ (chủ yếu ở nửa phía tây và ba o gồm cả cá nổi , cá đáy) của các tỉnh từ Quảng Ninh tới Quảng Bình liên tục gia tăng hàng năm , từ 191,7 nghìn tấn năm 2005 đến 253,3 nghìn tấn năm 2010 và 268,2 nghìn tấn năm 2011 Vớ i tỷ lê ̣ trên 83% là cá nổi thì năm 2010-2011 sản lượng khai thác đối tượng này ở nửa tây vi ̣nh Bắc Bộ đang ở mức 210-223 nghìn tấn/năm

Đáng lưu ý về công tác điều tra, nghiên cứu nguồn lợi cá nổi những năm qua ở biển Viê ̣t Nam nói chung và vịnh Bắc Bộ nói riêng là:

Trong những năm 1965 – 1972, Trạm Nghiên cứu Cá biển (nay là Viện Nghiên cứu Hải sản) đã triển khai một số nội dung nghiên cứu cá nổi ở một số tỉnh trọng điểm như: Quảng Ninh, Thanh Hóa, Hà Tĩnh và Quảng Bình và tiếp theo năm 1973 – 1976, Viện Nghiên cứu Hải sản tổ chức điều tra nguồn lợi cá nổi vùng biển ven bờ phía tây vịnh Bắc Bộ (cán bộ khoa học được cử

đi các tỉnh trọng điểm ven biển từ Quảng Ninh đến Quảng Bình thu thập số liệu về tình hình nguồn lợi và hiện trạng khai thác)

Sau khi nước Việt Nam hoàn toàn thống nhất (1975), năm 1977, Viện Nghiên cứu Hải sản tiếp nhận tàu nghiên cứu Biển Đông (1500 CV) của Na Uy Tàu hiện đại, được trang bị lưới kéo đáy, lưới kéo tầng giữa, lưới vây và hệ thống máy dò thủy âm đồng bộ Từ năm 1977-1981, Viện Nghiên cứu Hải sản tiến hành 24 chuyến điều tra nghiên cứu tổng hợp môi trường, nguồn lợi cá biển ở vịnh Bắc Bộ và vùng biển Thuận Hải – Minh Hải

Năm 1979-1988: Việt Nam hợp tác với Liên Xô tiến hành Chương trình khảo sát nguồn lợi hải sản biển Việt Nam

Năm 1995 – 1997: Dự án khảo sát nguồn lợi biển Việt Nam do JICA (Nhật Bản) tài trợ

đã tiến hành điều tra nguồn lợi cá nổi đại dương (chủ yếu là cá ngừ, cá thu…) ở vùng biển xa bờ

từ Đồng Hới (Quảng Bình) đến Cà Mau

Năm 1996 – 1998: Dự án Đánh giá nguồn lợi sinh vật biển Việt Nam (ALMRV – Giai đoạn I) sử dụng tàu HL 408 nghiên cứu nguồn lợi hải sản ở vùng nước xa bờ có độ sâu trên 50 m tại vịnh Bắc Bộ và đông tây Nam Bộ

Năm 1997 – 1998: Dự án “Điều tra cơ bản nguồn lợi hải sản và điều kiện môi trường các vùng trọng điểm phục vụ mục tiêu phát triển lâu bền ngành hải sản vùng biển gần bờ nước ta”

Gần đây, đề tài “Nghiên cứu trữ lượng và khả năng khai thác cá nổi nhỏ (chủ yếu là cá nục, cá trích, cá bạc má…) ở biển Việt Nam” thuộc chương trình KHCN trong điểm cấp Bộ, mã

số KC.CB.01-14 do thạc sĩ Nguyễn Viết Nghĩa làm chủ nhiệm với nội dung bao gồm các vấn đề chủ yếu sau: (i) Phương pháp thuỷ âm và ứng dụng trong nghiên cứu nguồn lợi cá nổi nhỏ; (ii) Kết quả đánh giá hiện trạng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ ở biển Việt Nam năm 2003-2005; (iii) Kết quả đánh giá hệ số phản hồi âm của một số loài cá nổi nhỏ; (iv) Hiện trạng một số nghề khai thác cá nổi nhỏ ở Việt Nam; (v) Hiện trạng phân bố trứng cá, cá bột của một số loài cá nổi nhỏ ở biển Việt Nam; và (vi) Các yếu tố hải dương học và thuỷ sinh vật có liên quan

ở biển Việt Nam

Trong các Chương trình Biển kể từ năm 1975 đã có một số kết quả nghiên cứu đánh giá trữ lượng cá ở biển Việt Nam nói chung và vịnh Bắc Bộ nói riêng của các nhà khoa học như Bùi Đình Chung, Phạm Thược, Nguyễn Tiến Cảnh…(Viện Nghiên cứu Hải Sản) Những nghiên cứu hiện có đều dựa trên các phương pháp truyền thống, kinh điển với các dữ liệu đầu vào còn nhiều bất cập nên đã có những kết quả khác nhau Mô ̣t số phương pháp đã được sử du ̣ng như : phương pháp tính toán số lượng đàn cá theo số lượng trứng, phương pháp dựa vào quan hệ giữa các nhóm tuổi khác nhau trong sản lượng cá đánh được, phương pháp thả cá đánh dấu, phương pháp tính trữ lượng căn cứ vào tình hình đánh bắt cá trên một đơn vị diện tích, phương pháp thống kê sản lượng cá nhiều năm v.v… Nhìn chung, việc đánh giá trữ lượng của bất kỳ loài cá nào đều phụ thuộc vào các yếu tố chủ quan và khách quan như đặc điểm sinh vật học, mối quan hệ giữa các loài cá với nhau, điều kiện môi trường sống của loài cá đó và phụ thuộc rất nhiều vào mức độ khai thác

Vùng biển nghiên cứu được giới hạn bởi đường bờ vịnh Bắc Bộ và vĩ tuyến 16,5oN ở phía nam, kinh tuyến 110oE ở phía đông , trong đó ranh giới cửa vi ̣nh, đường phân đi ̣nh v ịnh Bắc

Bộ và giới ha ̣n vùng đánh cá chung đã được xác định trong Hiệp định phân định vịnh Bắc Bộ và Hiệp định Hợp tác nghề cá Việt Nam - Trung Quốc trong vịnh Bắc Bộ, ký ngày 25-12-2000 giữa hai Chính phủ Việt Nam và Trung Quốc

Điều 2 trong Hiệp định phân định vịnh Bắc Bộ xác định 21 điểm nối tuần tự từ cửa sông Bắc Luân ra đến cửa vịnh chia vịnh Bắc Bộ ra làm hai Cửa vịnh lấy đường thẳng từ đảo Cồn Cỏ,

tỉnh Quảng Trị, Việt Nam đến mũi Oanh Ca, đảo Hải Nam, Trung Quốc (hình 2.1) Điểm 1 đến 9 phân định hải phận, điểm 9 đến 21 chia vùng đặc quyền kinh tế

Điều 3, phần II của Hiệp định Hợp tác nghề cá Việt Nam - Trung Quốc trong vịnh Bắc

Bộ quy định vùng đánh cá chung như sau: Hai bên ký kết nhất trí thiết lập vùng đánh cá chung trong vùng đặc quyền kinh tế của mỗi nước, nằm về phía bắc của đường đóng cửa vịnh Bắc Bộ,

về phía nam của vĩ tuyến 200 N và cách đường phân định được xác định trong Hiệp định phân định vịnh Bắc Bộ (gọi tắt là “Đường phân định”) 30,5 hải lý về mỗi phía

Vùng biển nghiên cứu bao trùm toàn bộ vịnh Bắc Bộ là một trong những vịnh lớn ở Đông Nam Á và c ủa thế giới, có diện tích khoảng 126.250 km2

(36.000 hải lý vuông), chiều ngang nơi rộng nhất khoảng 310 km (176 hải lý), nơi hẹp nhất ở cửa vịnh rộng khoảng 220 km (119 hải lý) Vịnh có hai cửa, eo biển Quỳnh Châu nằm giữa bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam với bề rộng khoảng 19 hải lý và cửa chính của vịnh từ đảo cồn cỏ (Việt Nam) tới mũi Oanh Ca (đảo Hải Nam, Trung Quốc) rộng khoảng 112 hải lý Chiều dài bờ biển phía Việt Nam khoảng 763 km, phía Trung Quốc khoảng 695 km Phần vịnh phía Việt Nam có khoảng 2.300 hòn đảo, đá ven bờ,

có đảo Bạch Long Vĩ nằm cách đất liền Việt Nam khoảng 110 km, cách đảo Hải Nam 130 km Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lược quan trọng đối với Việt Nam và Trung Quốc cả về kinh tế lẫn quốc phòng, an ninh Vịnh là nơi chứa tài nguyên thiên nhiên biển, đặc biệt là hải sản và dầu khí

Về hải sản, đại bộ phận các ngư trường chính nằm gần bờ biển Việt Nam và tây nam đảo Bạch Long Vĩ Vịnh Bắc Bộ là một trong những ngư trường và nguồn cung cấp hải sản quan trọng cho hai nước Việt Nam và Trung Quốc Khu vực giữa vịnh và cửa vịnh có bồn trũng Sông Hồng có khả năng chứa dầu khí Vịnh Bắc Bộ là cửa ngõ giao lưu lớn và lâu đời của Việt Nam ra thế giới, trong đó có Trung Quốc, có tầm quan trọng đặc biệt với sự phát triển kinh tế, thương mại quốc tế cũng như bảo vệ an ninh, quốc phòng của nước ta

Trong nghiên cứu của luâ ̣n văn , các đánh giá về trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ được thực hiê ̣n cho toàn vùng biển và cho 4 khu vực (theo các ranh giới nêu trên ): khu vực cửa vi ̣nh , khu vực tây vi ̣nh Bắc Bộ , khu vực đông vi ̣nh Bắc Bộ và khu vực đánh cá

chung

Trữ lượng cá được xem là số lượng cá thể hay khối lượng của cả quần thể có trong một khu vực biển nhất định và trong một kh oảng thời gian xác định Xác định trữ lượng cá là một trong những nội dung của việc đánh giá biến động quần thể, trong đó có việc x ác định: (i) số lượng (cá thể) hoặc khối lượng (kg, tấn) của đàn cá tính trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích,

và (ii) mức độ khai thác tối ưu, nghĩa là số lượng (hoặc khối lượng ) tối đa cá có thể khai thác được mà không làm ảnh hưởng đến quần thể

Ở Việt Nam hiện nay, hai nhóm phương pháp phổ biến để xác định trữ lượng là: Các phương pháp trực tiếp xác định số lượng hoặc trọng lượng đàn cá và các phương pháp gián tiếp biểu thị sản lượng cá thông qua các thông số của việc khai thác Để có cơ sở chứng thực phương pháp nghiên cứu của tác giả, luận văn đã trình bày khái quát về cách tính và một số ưu nhược điểm của các phương pháp sau:

Phương pháp đánh dấu và bắt lại Phương pháp đếm trứng Phương pháp thuỷ âm Phương pháp dựa trên diện tích của lưới kéo

Phương pháp quan sát Phương pháp sản lượng thặng dư Ngoài ra, trên thế giới đã có thêm hướng nghiên cứu, đánh giá khả năng cung cấp tài nguyên hải sản và sức tải của môi trường biển dựa trên một kênh thông tin quan trọng là quá trình chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái biển Hơn 70 công trình liên quan đến việc nghiên cứu chuyển hoá năng lượng và vật chất của quá trình sản xuất sơ cấp trong hệ sinh thái biển nhiệt đới đã được công bố trên thế giới trong những năm gần đây Các kết quả nghiên cứu

đã phân tích các mối quan hệ giữa môi trường và các nguồn lợi sinh vật thông qua xích dinh dưỡng trong biển; các ảnh hưởng của sự biến đổi xu thế chuyển hoá năng lượng lên nguồn lợi sinh vật biển Nghiên cứu quá trình chuyển hoá năng lượng và vật chất, quá trình sản xuất và phân rã, quá trình trao đổi chất… trong hệ sinh thái biển Việt Nam cũng đã được chú ý triển khai

từ những năm 1960, bắt đầu bằng việc định lượng sức sản xuất sơ cấp và mô hình hoá chu trình vật chất trong hệ sinh thái biển Tiếp cận hướng nghiên cứu tiên tiến đó, chương tiếp theo của luận văn sẽ trình bày cụ thể phương pháp chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái biển để áp dụng đánh giá trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ vịnh Bắc Bộ

Bên cạnh các phương pháp truyền thống như phương pháp thủy âm , phương pháp diê ̣n tích với giả thiết về sự đồng nhất sinh khối của toàn bộ quần thể cá khai thác trên vùng biển , phương pháp chuyển hóa năng lượng đã được mô ̣t số nhà khoa h ọc Việt Nam quan tâm nghiên cứu như Nguyễn Tác An (Viện Hải dương Nha Trang), Đoàn Bộ (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội), Nguyễn Tiến Cảnh (Viê ̣n Nghiên cứ u Hải sản)

Theo quan điểm của phương pháp này, tiềm năng nguồn lợi cá nổi có thể được ước tính

từ cơ sở thức ăn của cá có trong vùng biển Đó là nguồn thức ăn có thể đảm bảo cho một lượng (sinh khối ) cá nhất định sinh sống và phát triển trong vùng biển Tổng khối lượng cá trong một vùng nước và trong một thời khoảng nào đấy được các nhà nghiên cứu nguồn lợi biển coi là trữ lượng tiềm năng cá biển trong thời khoảng đó, nó bao gồm cả sinh khối và năng suất sinh học của cá

Dòng năng lượng được chuyển hóa qua các bậc dinh dưỡng của chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái biển tuân theo một chuỗi quy luật như sau (hình 2.2):

- Năng lượng mặt trời đi vào thực vật nổi biển nhờ quang hợp

- Năng lượng từ thực vật nổi đi vào động vật nổi nhờ động vật nổi ăn thực vật nổi

- Năng lượng từ động vật nổi lại đi vào các động vật bậc cao nhờ các động vật bậc cao ăn động vật nổi (nghiên cứu này giới hạn động vật bậc cao là cá nổi nhỏ - động vật ăn cỏ hay dạng cá hiền ăn thực vật và động vật nổi)

Hình 2.2: Qúa trình chuyển hóa năng lượng qua các bậc dinh dưỡng

trong chuỗi thức ăn ơ ̉ hê ̣ sinh thái biển

Chương trình PLAMOD3D dựa trên lý thuyết “mô hình cạnh tranh trong quần xã sinh vật nổi biển” được PGS.TS Đoàn Bộ xây dựng, phát triển và được quản lý bởi Phòng Tài nguyên và Môi trường Biển, Khoa Khí tượng, Thuỷ văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Mô hình viết bằng ngôn ngữ lập trình PASCAL, tính toán sinh khối và năng suất thực vật nổi, động vật nổi cùng các hiệu suất sinh thái ta ̣i các trạm (nhiều tầng)

ở khu vực có độ sâu nhỏ hơn 125m như vùng vịnh Bắc Bộ Cơ sở của mô hình như sau :

Trong hệ sinh thái biển, các mối tương tác giữa sinh vật với nhau và với môi trường là nguyên nhân gây nên sự biến đổi số lượng cá thể và khối lượng của các quần thể Với quần xã sinh vật nổi biển, mối tương tác (cạnh tranh) xảy ra ở hai cấp độ:

Thứ nhất, động vật nổi sử dụng thực vật nổi làm thức ăn Quan hệ này là quan hệ theo kiểu “vật dữ - vật mồi”, trong đó động vật nổi được coi là vật dữ, thực vật nổi được coi là vật mồi Trong quan hệ này, sinh khối của quần thể động vật nổi tăng lên do sử dụng thức ăn còn sinh khối thực vật nổi giảm đi do bị tiêu thụ Đây là mối quan hệ cạnh tranh giữa hai quần thể khác loài

Năng lượng

tự nhiên (1)

Thực vật nổi (2)

Động vật nổi (3)

Cá nổi nhỏ (4)

Thứ hai, do sức ép của sự tăng số lượng cá thể của quần thể, các cá thể buộc phải cạnh tranh để duy trì số lượng ở mức cân bằng Trong quan hệ này, một phần số lượng cá thể nào đó

bị loại ra khỏi quần thể (di cư đi nơi khác hoặc chết) làm cho sinh khối của quần thể suy giảm Đây là mối quan hệ cạnh tranh cùng loài

Ngoài hai quá trình trên, nhiều quá trình khác cũng gây biến động sinh khối quần thể như quang hợp, dinh dưỡng, hô hấp, chết tự nhiên… (hình 2.3)

Hình 2.3: Các quá trình ảnh hưởng tới sự phát triển của quần xã sinh vật nổi biển

Trong hình 2.3, K0, K1, K4 – tốc độ riêng hô hấp, quang hợp và chết tự nhiên của quần thể thực vật nổi; K3, K2, K5 – tốc độ riêng hô hấp, lọc nước lấy thức ăn và chết tự nhiên của quần thể động vật nổi Tốc độ riêng của một quá trình được hiểu là tốc độ biến đổi của một đơn vị

khối lượng đối tượng nghiên cứu trong quá trình đó

Theo nguyên lý bảo toàn, tốc độ toàn phần biến đổi nồng độ hoặc sinh khối của một hợp phần nào đó chính là tổng đại số tốc độ các quá trình làm tăng hoặc làm giảm nồng độ hoặc sinh khối của hợp phần Trên cơ sở mô hình cạnh tranh giữa hai quần thể khác loài của Volterra kết hợp với các quá trình nêu trên, mô hình động lực biến động sinh khối củ a quần thể hai đ ối tượng thực vật nổi và động vật nổi được diễn tả như sau: dF/dt = (K1 – K0 – K4 – αF – b1K2Z)F

dZ/dt = (b1b2K2F – K3 – K5 – βZ)Z (2.1) Trong đó F, Z (mg khô/m3) - sinh khối của quần thể thực vật nổi và động vật nổi; b1 - hệ

số chọn lọc thức ăn tự nhiên của động vật nổi đối với thực vật nổi; b2 - hệ số đồng hóa thứ c ăn của động vật nổi ; α, β - hệ số suy giảm khối lượng do cạnh tranh cùng loài của các quần thể thực vật nổi và động vật nổi

Xét hệ (2.1), ba đại lượng đầu trong vế phải phương trình thứ nhất biểu diễn tốc độ phát triển tự nhiên của quần thể thực vật nổi, trong đó đại lượng thứ nhất (K1) biểu diễn tốc độ tăng trưởng thuần túy (hay tốc độ tiềm năng) Đại lượng thứ tư (α.F) biểu diễn ảnh hưởng của sự tăng trưởng (có thể hiểu đó là cạnh tranh cùng loài), đại lượng thứ năm (b1K2Z) biểu diễn sự suy giảm sinh khối vật mồi thực vật nổi do vật dữ động vật nổi gây nên Các đại lượng trong phương trình thứ hai của hệ cũng được hiểu tương tự

Tốc độ riêng (Ki, i=0 5) của các quá trình sinh-hóa học nêu trên phụ thuộc chặt chẽ vào các điều kiện sinh thái – môi trường (như đă ̣c điểm thành phần loài , kích thước cá thể , nhiê ̣t độ, cường độ bức xa ̣… ) được tính theo các công thức thực nghiê ̣m đã được công bố trong [17] và được mô phỏng toán thông qua 3 mô hình phụ trợ sau (phụ lục 1):

- Mô hình về sự phát triển tự nhiên của quần thể thực vật nổi

- Mô hình về sự phát triển tự nhiên của quần thể động vật nổi

- Mô hình tính cường độ bức xạ quang hợp

 Các điều kiê ̣n giải bài toán

Mô hình ca ̣nh tranh 2.1 là một hệ phương trình vi phân thường , khép kín và hoàn toàn giải được bằng các phương pháp thông dụng như phương pháp Runge -Kuta, Adamxo, Zaydel… Trong ứng du ̣ng này đã sử d ụng phương pháp Runge-Kutta

Điều kiê ̣n để giải hê ̣ phương trình này là :

- Cho trướ c 2 nghiê ̣m F0, Z0 tại thời điểm ban đầu t0

- Cho trướ c các điều kiê ̣n môi trường có liên quan ta ̣i vi ̣ trí nghiên cứu và ta ̣i các thời

điểm khác nhau để tính Ki

- Cho trướ c các thông số sinh thái (hằng số) của mô hình để tính Ki và vĩ độ điểm tính (để tính bức xạ nếu không có số liệu đo trực tiếp )

- Chọn trước các tham số điều khiển quá trình tính : bướ c tính ∆t và tham s ố ε điều khiển chế đô ̣ dừng (nếu bài toán giải ở chế độ dừng )

 Giải bài toán dừng

Với mục đích nghiên cứu hiện trạng của quá trình sản xuất vật chất hữu cơ trong quần xã sinh vật nổi ở vùng biển tại một thời điểm nào đó, hoặc trung bình trong một thời khoảng nào đó, bài toán được giải trong điều kiện dừng

Trường hợp này thường được áp du ̣ng để nghiên cứu các đă ̣c trưng c ủa quá trình nêu trên với quy mô trung bình ngày , tuần, tháng hoặc mùa và thậm chí trung bình năm Các điều kiê ̣n môi trường cũng được cho trước (hoă ̣c tính toán trước ) với các quy mô trung bình tương ứng

Phương pháp Runge – Kutta vẫn được áp dụng cho bài toán dừng, song cần phải kiểm tra tính hội tụ Cụ thể, với điều kiện môi trường (là gi á trị trung bình theo quy mô nghiên cứu ) không thay đổi trong suốt quá trình lặp, nếu tại bước tính thứ n đủ lớn mà nghiệm tính được chỉ sai khác với nghiệm ở bước thứ n-1 một giá trị ε nhỏ bé cho trước thì xem như quá trình đã đạt đến tựa dừng:

Max (|Fn – Fn-1| và |Zn – Zn-1|) < ε (2.2) Với cách xử lý này, nghiệm ban đầu có thể cho tùy ý khác 0 Hiển nhiên nếu nghiệm ban đầu cho tùy ý mà khá gần với nghiê ̣m đúng thì quá trình hội tu ̣ sẽ diễn ra rất nhanh chóng Điều này phụ thuộ c cơ bản vào kinh nghiê ̣m của người nghiên cứu

Kết quả giải bài toán này cho ta giá tri ̣ sinh khối của quần thể thực vâ ̣t nổi (F) và động vật nổi (Z) tại các tầng nước ở điểm tính toán và là các giá trị trung bình tron g thời khoảng nghiên cứu tương ứng với các điều kiê ̣n môi trường trung bình đã cho

 Sơ đồ khối lập trình giải bài toán

Phương pháp Runge-Kutta giải mô hình cạnh tranh được lập trình theo sơ đồ khối như hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ khối lập trình giải mô hình cạnh tranh

Trên cơ sở sơ đồ dạng kênh của Odum (hình 2.5) về sự chuyển hóa năng lượng qua bậc dinh dưỡng bất kỳ và nguyên lý bảo toàn năng lượng, năng suất của bậc dinh dưỡng i nào đó được biểu diễn như sau:

Pi = Ai - Ri

Gán thông số sinh thái, thông số điều khiển (∆t, ε);

Đọc số liệu môi trường tại tất cả các tầng của các trạm

khảo sát Tính cường độ bức xạ và các tốc độ riêng của các quá trình phát triển quần thể (K0,K1,K4,K5) tại tất cả tầng và các

thái, v.v…

Xuất kết quả

Kết thúc

Thay đổi trạm tính

Trong đó, P là năng suất, A – đồng hóa, R – hô hấp Nếu i là bậc sơ cấp thì nguồn năng lượng nhập vào (Pi-1) chính là năng lượng bức xạ quang hợp, khi đó Ai được gọi là năng suất thô

và Pi là năng suất tinh

Hình 2.5: Sơ đồ kênh năng lượng qua bậc dinh dưỡng i bất kỳ

(Trong sơ đồ này , Bi – sinh khối, Ai – đồng hóa, Ri – hô hấp, Pi – năng suất,

Pi-1 – năng suất của bậc trước (i-1), NUi-1 – năng lượng thất thoát trước khi vào bậc i ,

NUi – năng lượng không được sử dụng ) Ứng d ụng mô hình kênh năng lượng của Odum với các giá tri ̣ F , Z và Ki (i=0 5) đã tìm được từ kết quả giải bài toán cạnh tranh , năng suất sinh học của quần xã sinh vật nổi biển được tính như sau :

Đặc trưng của quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi

Năng suất sơ cấp thô : Pt = 0,4.K1.F

Hô hấp của quần thể TVN : RF = 0,4.K0.F Năng suất sơ cấp tinh: Pn = Pt - RF

Đặc trưng của quá trình sản xuất thứ cấp của động vật nổi

Đồng hóa của quần thể ĐVN : AZ = 0,4.b1.F.b2.K2.Z

Hô hấp của quần thể ĐVN: RZ = 0,4.K3.Z

Năng suất thứ cấp của ĐVN: PZ = AZ - RZ

Trong các tính toán trên, sinh khối F và Z tính bằng mg -khô/m3; đồng hóa, năng suất và

hô hấp tính bằng mgC/m3/ngày; các tốc độ riêng có đơn vị là 1/ngày, riêng K2 là m3/mg/ngày Hệ

số 0,4 cho biết lượng C chiếm 40% trọng lượng khô của sinh vật