Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực nước bình cang nha trang (khánh hòa)

GHER Tên một mô hình tích hợp nghiên cứu địa - thủy động lực và môi trường Geo-Hydrodynamics and Environment Research Model GIS Hệ thông tin địa lý Geographic Information System HabViet

NGUYỄN HỮU HUÂN

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP CỦA THỰC VẬT NỔI TRONG HỆ SINH THÁI VỰC NƯỚC BÌNH CANG - NHA TRANG (KHÁNH HÒA)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NHA TRANG, 2012

NGUYỄN HỮU HUÂN

MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP CỦA THỰC VẬT NỔI TRONG HỆ SINH THÁI VỰC NƯỚC BÌNH CANG - NHA TRANG (KHÁNH HÒA)

Chuyên ngành: Thủy sinh vật học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, trên cơ sở các đề tài, dự án mà tôi đã tham gia trong nhiều năm qua và được phép sử dụng số liệu tổng kết các đề tài, dự án liên quan cho luận án

Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu về cả tinh thần lẫn vật chất Trước hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Hồng Long và PGS.TSKH Nguyễn Tác An - cán bộ hướng dẫn khoa học - vì sự giúp đỡ tận tình từ những bước đi đầu tiên trong quá trình định hướng nghiên cứu cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận

án Chân thành cám ơn Hội đồng đào tạo sau đại học, Lãnh đạo Viện Hải dương học; Đại học Bergen (Na Uy); Hợp phần mô hình sinh thái (Dự án NUFU) đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Rune Rosland, PGS.TS Knut Barthel (Đại học Bergen, Na Uy), vì sự giúp đỡ hiếm có trong quá trình định hướng nghiên cứu, ứng dụng mô hình sinh thái ECOSMO, cũng như trong thời gian tác giả nghiên cứu, thực tập về mô hình sinh thái ở Đại học Bergen (năm 2008 và 2010) Lời cám ơn của tác giả cũng xin được gửi đến GS.TS Corinna Schrum, TS Daewell Ute và nhóm nghiên cứu Mô hình sinh thái của Đại học Bergen; GS.TS Fei Chai, đại học Maine, Hoa Kỳ,… những người đã dành thời gian trao đổi và cho tác giả những lời khuyên quý báu trong việc thiết lập các tham số sinh thái cũng như thảo luận về kết quả ứng dụng mô hình ECOSMO cho vực nước Bình Cang - Nha Trang

Lời tri ân của tác giả cũng mong muốn được gửi đến: TS Nguyễn Văn Lục, PGS.TS Bùi Lai, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm, PGS.TS Võ Sĩ Tuấn,

TS Đoàn Như Hải, GS.TS Nguyễn Văn Chung, PGS.TS Nguyễn Tường Anh, ThS Trần Văn Chung, TS Thái Ngọc Chiến và một số chuyên gia về

mô hình sinh thái vì những lời động viên, trao đổi trong quá trình thực hiện nghiên cứu cũng như đã dành thời gian đọc và cho những góp ý quý giá cho luận án

Luận án hoàn thành nhờ nguồn dữ liệu của nhiều đề tài, dự án, mà tác giả có cơ hội được tham gia như: NUFU, SAREC, HabViet, ClimeeViet, Tác giả xin gửi lời cám ơn đến Ban chủ nhiệm, điều phối viên, đồng nghiệp trong các đề tài dự án trên Đặc biệt, tác giả không quên cám ơn: TS Lê Đình Mầu, TS Vũ Tuấn Anh, TS Hồ Văn Thệ, ThS Lê Thị Vinh và tập thể cán bộ khoa học các phòng: Sinh thái và môi trường biển, Vật lý biển, Sinh vật phù

du biển, Thủy - Địa - Hóa (Viện Hải dương học) - những thành viên tham gia

dự án NUFU, đã đoàn kết, khắc phục khó khăn trong quá trình khảo sát, phân tích và cung cấp nguồn số liệu chủ yếu cho luận án

Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến gia đình, nơi

đã gánh vác, sẻ chia với tác giả mọi khó khăn trong cuộc sống cũng như củng

cố động lực, niềm tin để tác giả theo đuổi con đường khoa học

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

MỞ ĐẦU 1

Nội dung của luận án: 4

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển mô hình sinh thái 6

1.1.1 Khái niệm về mô hình sinh thái 6

1.1.2 Các bộ phận chủ yếu của mô hình sinh thái 6

1.1.2.1 Hệ phương trình toán 6

1.1.2.2 Hàm lực hay biến ngoài 7

1.1.2.3 Biến trạng thái 7

1.1.2.4 Tham số 7

1.1.2.5 Hằng số phổ biến 8

1.1.3 Lịch sử phát triển mô hình sinh thái 8

1.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển 3 chiều mô phỏng năng suất sơ cấp thực vật nổi 13

1.2.1 Trên thế giới 13

1.2.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển mô phỏng năng suất sơ cấp ở Việt Nam 25

1.3 Một số nghiên cứu về năng suất sơ cấp và điều kiện tự nhiên vực nước Bình Cang - Nha Trang 28

1.3.1 Những nghiên cứu tiêu biểu về năng suất sơ cấp trong thời gian qua 28

1.3.2 Điều kiện tự nhiên vực nước nghiên cứu 29

1.3.2.1 Vị trí địa lý, địa hình 29

1.3.2.2 Đặc điểm khí hậu, khí tượng 31

1.3.2.3 Đặc điểm thủy văn 35

1.3.2.4 Đặc điểm nhiệt - muối và thủy động lực 38

1.3.2.5 Đặc trưng muối dinh dưỡng và sinh vật nổi 39

Chương 2: TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.1 Phương pháp mô hình hóa năng suất sơ cấp bằng mô hình ECOSMO 42

2.1.1 Cơ sở phương pháp luận 42

2.1.1.1 Hợp phần vật lý 44

2.1.1.2 Hợp phần hệ sinh thái 48

2.1.1.3 Các quan niệm và giả thiết chủ yếu của mô hình 53

2.1.2 Cấu trúc chương trình của mô hình ECOSMO 54

2.1.3 Thiết lập điều kiện cho mô hình 55

2.1.3.1 Thiết lập lưới tính 55

2.1.3.2 Tác động của ngoại lực 59

2.1.3.3 Điều kiện ban đầu 61

2.1.4 Chạy mô hình và lựa chọn tham số sinh thái 62

2.1.5 Đánh giá, xác nhận mô hình 64

2.2 Phương pháp điều tra, thu thập và xử lý dữ liệu 64

2.2.1 Thu thập nguồn dữ liệu liên quan sử dụng cho mô hình 65

2.2.2 Điều tra, khảo sát bổ sung 65

2.2.2.1 Thời gian, địa điểm, các thông số khảo sát 65

2.2.2.2 Phương pháp thu mẫu, đo đạc 67

2.2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 68

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 70

3.1 Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp 70

3.1.1 Khởi động mô hình 70

3.1.2 Kiểm tra và phân tích độ nhạy 71

3.1.2.1 Các tham số rất nhạy 71

3.1.2.2 Các tham số nhạy 73

3.1.2.3 Các tham số ít nhạy 74

3.1.3 Hiệu chỉnh và xác nhận các tham số 74

3.1.4 Kiểm tra kết quả khởi động lạnh mô hình 76

3.2 Kết quả mô hình hóa năng suất sơ cấp và điều kiện sinh thái liên quan ở vực nước ven bờ Bình Cang - Nha Trang 78

3.2.1 Đặc điểm thủy động lực 78

3.2.2 Đặc trưng nhiệt, muối 81

3.2.3 Phân bố và biến động năng suất sơ cấp thực vật nổi 84

3.2.3.1 Phân bố và biến động năng suất sơ cấp thực vật nổi theo không gian84 3.2.3.2 Phân bố và biến động năng suất sơ cấp thực vật nổi theo thời gian 92

3.2.4 Phân bố và biến động muối dinh dưỡng 94

3.2.5 Phân bố và biến động sinh khối thực vật nổi 100

3.3 Đánh giá kết quả mô hình 101

3.4 Ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng từ nuôi thủy sản lên vực nước 106

3.5 Ứng dụng kết quả mô hình trong quy hoạch nuôi trồng thủy sản 111

3.6 Một số vấn đề thảo luận liên quan đến việc ứng dụng mô hình sinh thái trong điều kiện hiện nay 114

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Tài liệu tiếng Việt 121

Tài liệu tiếng nước ngoài 127

PHỤ LỤC 151

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANNs Mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Networks)

BOD Nhu cầu o xy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

ClimeeViet Dự án hợp tác Việt Nam - Đan Mạch về biến đổi khí hậu

COHERENS

Tên một mô hình sinh thái thủy động lực tích hợp cho thềm biển Tây Bắc châu Âu (Coupled Hydrodynamical Ecological model for Regional Northwest-European Shelf seas)

CPBM Tên một mô hình vật lý - sinh địa hóa tích hợp (Coupled

Physical-Biogeochemical Model) DIN Ni tơ vô cơ hòa tan (Disolved irorganic nitrogen)

DIP Phốt pho vô cơ hòa tan (Disolved irorganic phosphorus)

D Mùn bã hữu cơ lơ lửng (detritus)

ELISE Tên một mô hình sinh thái (Ecological Modelling Software

for interactive modelling)

ERSEM Tên một mô hình hệ sinh thái biển châu Âu (European

Regional Seas Ecosystem Model) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) GETM Tên một mô hình vận chuyển cửa sông tổng quát (General

Estuarine Transport Model)

GHER

Tên một mô hình tích hợp nghiên cứu địa - thủy động lực và môi trường (Geo-Hydrodynamics and Environment Research Model)

GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System)

HabViet Dự án hợp tác Việt Nam - Đan Mạch về tảo độc hại

HAMSOM Tên một mô hình thềm đại dương (HAMburg Shelf Ocean

Model) IBMs Tên mô hình phát triển cá thể (Individual Based Model)

LOBSTER

Tên một mô hình sinh thái mô phỏng tài nguyên và hệ sinh thái (LOCEAN Biogeochemical Simulation Tool for Ecosystem and Resources)

MSL Mực nước biển trung bình (Mean Sea Level)

NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia (National Centres for

Environmental Prediction)

NEMO Tên một mô hình hải dương (Nucleus for European

Modelling of the Ocean)

NEMURO

Tên một mô hình hệ sinh thái Bắc Thái Bình dương (The North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography)

NORWECOM Tên một mô hình sinh thái Na Uy (Norwegian Ecological

Model System)

NPZD Dinh dưỡng - Thực vật nổi - Động vật nổi - Mùn bã hữu cơ

lơ lửng (Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus) NSSC Năng suất sinh học sơ cấp

NTTS Nuôi trồng thủy sản

NUFU Chương trình phát triển, nghiên cứu và giáo dục của Chính

phủ Na Uy OPA Tên một mô hình hoàn lưu (Ocean Parallelise Model)

Pd Tảo si líc (Diatom)

Pf Tảo roi (Flagellates)

PELAGOS Tên một mô hình sinh địa hóa biển (PELAgic

biogeochemistry for Global Ocean Simulations)

PISCES Tên một mô hình hệ sinh thái biển (Pelagic Iteraction

Scheme for Carbon and Ecosystem Studies)

POC Các bon hữu cơ lơ lửng (Particulate Organic Carbon)

POL3dERSEM Tên một mô hình hệ sinh thái biển (Proudman

Oceanographic Laboratory 3d ERSEM Model) POM Tên một mô hình hải dương (Princeton Ocean Model)

POP Tên một mô hình hải dương (Parallel Ocean Program)

RCO Tên một mô hình hải dương (Rossby Centre Ocean model)

S Độ nhạy (sensitive)

SAREC Dự án hợp tác Việt Nam - Thụy Điển về môi trường

SCOBI Tên một mô hình sinh hóa biển (Swedish Coastal and

Ocean Biogeochemical model)

SDMs Tên của mô hình động học cấu trúc (Structurally Dynamic

Models) TCN Toàn cột nước

TVN Thực vật nổi

Zl Động vật nổi kích thước lớn (Zoolarge)

Zs Động vật nổi kích thước nhỏ (Zoosmall)

WGS 84 Tiêu chuẩn hệ trắc địa thế giới (World Geodetic System 1984)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thống kê các đặc trưng khí hậu, khí tượng tại Nha Trang [23] 31

Bảng 1.2: Nhiệt độ không khí trung bình tháng tại Nha Trang [22] 32

Bảng 1.3: Độ ẩm không khí trung bình tháng tại Nha Trang [22] 33

Bảng 1.4: Lượng mưa trung bình tháng tại Nha Trang [22] 33

Bảng 1.5: Phân phối dòng chảy năm của sông Cái [23] 36

Bảng 1.6: Phân phối dòng chảy năm của sông Dinh [23] 37

Bảng 1.7: Diện tích và sản lượng tôm nuôi ven khu vực đầm Nha Phu [22] 41 Bảng 2.1: Độ tin cậy của các sóng triều sử dụng trong mô hình [40] 60

Bảng 2.2: Tọa độ hệ thống trạm khảo sát khu vực nghiên cứu 66

Bảng 3.1: Kết quả khởi động mô hình (bộ tham số sinh thái vùng Biển Bắc) 70 Bảng 3.2: Kết quả phân tích các tham số rất nhạy 71

Bảng 3.3: Kết quả phân tích các tham số nhạy 73

Bảng 3.4: Kết quả phân tích các tham số ít nhạy 74

Bảng 3.5: Kết quả hiệu chỉnh và xác nhận tham số mô hình ECOSMO cho vực nước Bình Cang - Nha Trang 75

Bảng 3.6: Năng suất sơ cấp trung bình tầng nước mặt 87

Bảng 3.7: Năng suất sơ cấp trung bình toàn cột nước của thủy vực 88

Bảng 3.8: Năng suất sơ cấp tích phân toàn thủy vực 91

Bảng 3.9: Biến thiên hàm lượng dinh dưỡng trung bình năm toàn thủy vực 94 Bảng 3.10: Đặc trưng muối dinh dưỡng vực nước Bình Cang - Nha Trang 99

Bảng 3.11: So sánh kết quả mô phỏng NSSC và sinh khối TVN toàn khu vực 103

Bảng 3.12: So sánh kết quả mô phỏng DIN và DIP trong nước 105

Bảng 3.13: So sánh kết quả mô phỏng muối dinh dưỡng si li cát trong nước 105

Bảng 3.14: Ước tính nguồn thải từ tôm nuôi ven khu vực 108

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ lịch sử phát triển mô hình sinh thái 13

Hình 1.2: Sơ đồ khu vực nghiên cứu và phân bố độ sâu 30

Hình 1.3: Hoa gió tại khu vực Nha Trang [41] 34

Hình 2.1: Sơ đồ phương pháp luận 42

Hình 2.2: Sơ đồ mô phỏng mô hình sinh thái 3D tích hợp ECOSMO 43

Hình 2.3: Quan hệ giữa các thành phần trong mô đun sinh thái [201] 49

Hình 2.4: Sơ đồ truy xuất của mô hình 55

Hình 2.5: Sơ đồ cách thức vận hành của mô hình 56

Hình 2.6: Ma trận độ sâu khu vực nghiên cứu 57

Hình 2.7: Mô phỏng khởi động mô hình 62

Hình 2.8: Sơ đồ trạm khảo sát khu vực nghiên cứu 67

Hình 3.1: Kết quả mô phỏng diễn biến nhiệt độ trong pha khởi động lạnh 77

Hình 3.2: Kết quả mô phỏng diễn biến độ muối trong pha khởi động lạnh 77

Hình 3.3: Dòng chảy tầng mặt trong mùa gió tây nam (tháng 7) 79

Hình 3.4: Dòng chảy tầng mặt trong mùa gió đông bắc (tháng 11) 80

Hình 3.5: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trong mùa khô (tháng 7) 82

Hình 3.6: Phân bố độ muối tầng mặt trong mùa khô (tháng 7) 82

Hình 3.7: Phân bố nhiệt độ tầng mặt trong mùa mưa (tháng 11) 83

Hình 3.8: Phân bố độ muối tầng mặt trong mùa mưa (tháng 11) 83

Hình 3.9: Phân bố NSSC tầng mặt trong mùa khô (tháng 7) 85

Hình 3.10: Phân bố NSSC tầng mặt trong mùa mưa (tháng 11) 85

Hình 3.11: Phân bố NSSC thô theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 7) 88

Hình 3.12: Phân bố NSSC thô theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 11) 89

Hình 3.13: Phân bố NSSC theo độ sâu (trạm 10, tháng 11) 90

Hình 3.14: Phân bố NSSC theo độ sâu (trạm 13, tháng 11) 90

Hình 3.15: Biến thiên NSSC trung bình tháng toàn khu vực 92

Hình 3.16: Biến thiên hàm lượng dinh dưỡng trung bình toàn vực nước 95

Hình 3.17: Phân bố DIN tầng mặt (tháng 7) 96

Hình 3.18: Phân bố DIP tầng mặt (tháng 7) 96

Hình 3.19: Phân bố DIN tầng mặt (tháng 11) 96

Hình 3.20: Phân bố DIP tầng mặt (tháng 11) 96

Hình 3.21: Phân bố Si li cát tầng mặt (tháng 7) 97

Hình 3.22: Phân bố Si li cát tầng mặt (tháng 11) 97

Hình 3.23: Phân bố DIN theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 7) 97

Hình 3.24: Phân bố DIN theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 11) 97

Hình 3.25: Phân bố DIP theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 7) 98

Hình 3.26: Phân bố DIP theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 11) 98

Hình 3.27: Phân bố Si li cát theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 7) 98

Hình 3.28: Phân bố Si li cát theo độ sâu (mặt cắt 12,260 Bắc, tháng 11) 98

Hình 3.29: Phân bố TVN tầng mặt (tháng 7) 100

Hình 3.30: Phân bố TVN tầng mặt (tháng 11) 100

Hình 3.31: Biến thiên NSSC, TVN (tầng mặt) theo thời gian 101

Hình 3.32: Sơ đồ thực hiện phương pháp mô hình hóa [57] 102

Hình 3.33: Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng NSSC và sinh khối TVN 104

Hình 3.34: Đồ thị so sánh kết quả mô phỏng muối dinh dưỡng 106

Hình 3.35: Phân bố DIN TBTCN khi không có nguồn thải từ tôm (tháng 8) 108

Hình 3.36: Phân bố DIN TBTCN khi có nguồn thải từ tôm (tháng 8) 108

Hình 3.37: Phân bố DIP TBTCN khi không có nguồn thải từ tôm (tháng 8) 109

Hình 3.38: Phân bố DIP TBTCN khi có nguồn thải từ tôm (tháng 8) 109

MỞ ĐẦU

Hiện nay, ô nhiễm môi trường nói chung, “phú dưỡng” vực nước (eutrophication) nói riêng là một trong những vấn đề thu hút sự quan tâm của nhân loại, nhất là những quốc gia có biển Lượng chất thải từ các hoạt động của con người đang là gánh nặng cho môi trường, đặc biệt là vùng biển ven

bờ Trên thực tế, hầu hết các khu tập trung dân cư, các hoạt động kinh tế-xã hội (đô thị, cảng biển, nhà máy, khu công nghiệp, nuôi trồng hải sản, du lịch,…),… đều tập trung chủ yếu ở các vùng cửa sông và ven bờ Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng: các vực nước ven bờ và cửa sông là

những nơi có mức độ phú dưỡng cao nhất [65, 68, 90, 169],

Là khâu đầu tiên trong quá trình sản sinh ra chất hữu cơ trong thuỷ vực, quá trình sản xuất sơ cấp ngoài việc góp phần quyết định năng suất sinh học thuỷ vực còn có vai trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh các nguồn nguyên tố chủ yếu như: các bon, ni tơ, phốt pho, si líc,… [180] và do vậy, có ảnh hưởng đáng kể đến chu trình vật chất, đến tình trạng dinh dưỡng của thủy vực Nghiên cứu quá trình sản xuất sơ cấp nói riêng, năng suất sinh học thuỷ vực nói chung, hiện nay, được coi như là một trong những vấn đề trung tâm của ngành thuỷ sinh học mà mục đích cuối cùng của nó là đề ra những giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng tiềm năng thủy vực cũng như bảo đảm chất lượng môi trường, phục vụ phát triển bền vững [45]

Đã có nhiều công trình khoa học tập trung nghiên cứu vấn đề trên nhằm tìm kiếm các giải pháp bảo vệ an toàn môi trường, phòng tránh và giảm thiểu các nguy cơ trong quá trình phát triển Tuy nhiên, các thủy vực ven bờ là những hệ thống phức tạp nên việc nghiên cứu các thành phần cấu trúc và đặc trưng của chúng trong trạng thái “động” vẫn còn có những hạn chế nhất định

trong một thời gian dài Gần đây, do những tiến bộ của công nghệ máy tính và phương pháp mô hình hóa, các mô hình số ngày càng chứng tỏ hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề nói trên Nhờ khả năng dự báo và có thể kiểm tra

về mặt định lượng, mô hình số sẽ giúp cho việc đánh giá các quan niệm lý thuyết về hệ thống và dự báo các đặc trưng biến động của chúng Mô hình cho phép mô phỏng các quá trình trên một hệ thống với các quy mô có kích thước khác nhau mà khó có thể thực hiện ở điều kiện tại chỗ hay trong phòng thí nghiệm Vì vậy, việc mô phỏng các quá trình sinh thái trong các thủy vực ven

bờ bằng phương pháp mô hình hóa sẽ cung cấp dẫn liệu, dự đoán diễn biến của các hợp phần của hệ trong trạng thái “động”, là cơ sở để nghiên cứu, đề xuất các giải pháp quản lý, khai thác và phát triển hợp lý vực nước

Là một tỉnh ven biển Nam Trung Bộ, Khánh Hòa có bờ biển dài với các đầm, vịnh có nhiều điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các hoạt động kinh

tế (vận tải biển, du lịch, khai thác và nuôi trồng thủy sản,…), trong đó có vực nước Bình Cang - Nha Trang gồm 3 đầm, vịnh liên thông với nhau: đầm Nha Phu, vịnh Bình Cang và vịnh Nha Trang Ở khu vực phía bắc là đầm Nha Phu với độ sâu khá nhỏ, lại chịu ảnh hưởng của nước sông Dinh đổ ra ở đỉnh đầm nên biên độ dao động của các yếu tố môi trường khá lớn, đặc biệt là trong thời

kỳ mùa mưa Tiếp theo là khu vực vịnh Bình Cang và cuối cùng là vịnh Nha Trang - khu vực có diện tích và độ sâu trung bình lớn nhất của hệ thống Với

2 con sông chảy vào (sông Cái qua cửa Hà Ra và sông Tắc qua cửa Bé) và thông với biển qua 2 cửa: phía Bắc và phía Nam đảo Hòn Tre nên khả năng trao đổi nước của vịnh Nha Trang với biển Đông thể hiện khá rõ nét [23] Do

có vị trí thuận lợi và có vai trò quan trọng trong phát triển các hoạt động kinh

tế - xã hội nên trong thời gian qua, vực nước Bình Cang - Nha Trang đã được chọn lựa triển khai nhiều đề tài, dự án nghiên cứu khoa học và công nghệ, trong đó có các dự án hợp tác quốc tế như: SAREC, Việt - Đức, Việt - Nga,

HabViet, ClimeeViet,… Có thể nói, đây là một trong những thủy vực nửa kín ven bờ có nguồn dữ liệu điều tra, khảo sát tương đối đầy đủ và có hệ thống nhất ở Việt Nam cho nên vực nước Bình Cang - Nha Trang có điều kiện thuận lợi để có thể triển khai thực hiện thử nghiệm, đánh giá các kết quả nghiên cứu mới, nhất là mô hình sinh thái

Cũng như những vực nước khác trên dải ven bờ Khánh Hòa, vực nước Bình Cang - Nha Trang đang có nhiều hoạt động kinh tế đan xen lẫn nhau mà chưa có những quy hoạch, phân vùng hợp lý Những năm gần đây, nghề nuôi trồng các đối tượng hải sản có giá trị cao cũng phát triển mạnh Việc mở rộng diện tích nuôi, đa dạng hóa đối tượng nuôi, … còn mang tính tự phát, thiếu quy hoạch; việc chặt phá rừng ngập mặn ở vùng ven bờ, thải nước thải từ các

hệ thống nuôi ra biển không qua xử lý; xung đột lợi ích giữa nuôi trồng thủy sản và các ngành kinh tế khác như: du lịch, đánh bắt hải sản,… cùng áp lực gia tăng dân số đã có những ảnh hưởng nhất định đến vực nước, đặc biệt là đe dọa các hệ sinh thái, gây phú dưỡng,… cũng như tác động trở lại đối với các hoạt động kinh tế và sức khoẻ con người

Sự cần thiết của luận án:

Trước thực trạng trên, những hiểu biết đầy đủ về quy luật phân bố, biến động năng suất sơ cấp, nguồn dinh dưỡng trong mối quan hệ với các hoạt động con người ở các thủy vực ven bờ Khánh Hòa nói chung và vực nước Bình Cang - Nha Trang nói riêng sẽ có ý nghĩa lớn cho khoa học và thực tiễn Nghiên cứu đặc trưng, dự báo năng suất sơ cấp, nguồn dinh dưỡng trong thủy vực có một vai trò quan trọng bởi nó không những là cơ sở để xây dựng các giải pháp khai thác tiềm năng năng suất sinh học thủy vực mà còn góp phần đánh giá, dự báo tình trạng thủy vực, khả năng chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển ven bờ

Do vậy, luận án: “Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực nước Bình Cang - Nha Trang (Khánh Hòa)”

được tiến hành nhằm: xác định phân bố và biến động sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi, nguồn dinh dưỡng trong mối quan hệ với một số điều kiện sinh thái và hoạt động con người ở vực nước Bình Cang - Nha Trang làm cơ sở cho việc xây dựng các giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý, phát triển bền vững

Mục tiêu của luận án:

Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong mối quan

hệ với một số yếu tố sinh thái và hoạt động kinh tế tại vực nước Bình Cang - Nha Trang (tập trung cho nuôi trồng thủy sản) làm cơ sở để xây dựng giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý vực nước, phát triển bền vững

Nội dung của luận án:

- Tổng quan về một số mô hình sinh thái 3 chiều mô phỏng năng suất

sơ cấp ở vùng thềm lục địa và ứng dụng mô hình ECOSMO trong nghiên cứu đặc trưng các yếu tố sinh thái các thủy vực ven bờ, xây dựng sơ đồ khối nghiên cứu và thiết lập các thông số cần thiết cho mô hình

- Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực nước Bình Cang - Nha Trang bằng mô hình ECOSMO

- Đánh giá phân bố, biến động năng suất sơ cấp và đặc trưng dinh

dưỡng vực nước Bình Cang - Nha Trang theo không gian, thời gian

- Đánh giá ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng từ nuôi trồng thủy sản lên vực nước Bình Cang - Nha Trang làm cơ sở để xây dựng giải pháp khai thác,

sử dụng hợp lý và phát triển nuôi trồng thủy sản bền vững

Điểm mới của luận án:

Luận án được xem là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu, ứng dụng mô hình sinh thái học 3 chiều ECOSMO để nghiên cứu phân bố, biến động năng suất sinh học sơ cấp thực vật nổi trong mối quan hệ với một số yếu

tố sinh thái khác ở vực nước nửa kín ven bờ Việt Nam Kết quả nghiên cứu bằng phương pháp mô hình hóa đã phản ánh được bức tranh tương đối đầy đủ

về biến thiên năng suất sơ cấp, muối dinh dưỡng cũng như phát hiện các khu vực, các thời kỳ có năng suất sơ cấp cao trong năm, góp phần làm rõ và hoàn thiện hơn các hiểu biết về sinh thái học ở vực nước Bình Cang - Nha Trang

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Luận án đã mô phỏng được đặc trưng phân bố, biến động năng suất sơ cấp, muối dinh dưỡng và một số yếu tố sinh thái có liên quan (dòng chảy, nhiệt, muối) đến quá trình sản xuất sơ cấp của vực nước Bình Cang - Nha Trang Kết quả của luận án là cơ sở để xem xét khả năng ứng dụng mô hình sinh thái học ECOSMO cho các thủy vực nửa kín ở các vùng ven bờ nước ta

- Ứng dụng mô hình đánh giá, dự báo biến động năng suất sinh học sơ cấp, nguồn dinh dưỡng,… ở vực nước Bình Cang - Nha Trang làm cơ sở xây dựng các giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý nguồn lợi tài nguyên, quy hoạch, quản lý và phát triển bền vững vực nước

Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển mô hình sinh thái

1.1.1 Khái niệm về mô hình sinh thái

Mô hình sinh thái có thể xem như một công cụ mô phỏng về cấu trúc, chức năng, các quá trình cơ bản của hệ sinh thái Mô hình hóa hệ sinh thái là quá trình ứng dụng kinh nghiệm và kiến thức để mô phỏng và miêu tả cấu trúc và vận động cơ bản của một hệ sinh thái thực nhằm đạt những mục tiêu xác định [132] Mô hình nói chung hay mô hình sinh thái nói riêng được xem

là phương tiện có hiệu quả vì có thể dễ tiếp cận, mô phỏng,… để nghiên cứu hơn là trên hệ thống (hay hệ sinh thái) thực vốn dĩ thường rất phức tạp Do vậy, hiện nay, mô hình sinh thái ngày càng trở nên phổ biến và không ngừng phát triển

1.1.2 Các bộ phận chủ yếu của mô hình sinh thái

Thông thường, một mô hình sinh thái gồm có 5 bộ phận cấu thành [130] như sau:

tế như vậy là do, các quá trình quan tâm có thể sẽ được mô phỏng tốt hơn bởi các phương trình khác nhau (vì ảnh hưởng của các nhân tố khác) Hơn nữa,

do tính phức tạp của các quá trình, của hệ thống và mục đích nghiên cứu nên các phương trình trong mô hình dùng để mô phỏng chúng sẽ khác nhau

1.1.2.2 Hàm lực hay biến ngoài

Các hàm lực hay biến ngoài (forcing functions or external variables) là những hàm hay những biến bên ngoài hệ thống nhưng có tác động chi phối trạng thái của hệ Mô hình thường dùng để dự báo những thay đổi trong hệ thống khi những hàm lực thay đổi theo thời gian Hàm lực chịu sự tác động của con người thường được gọi là hàm điều khiển (nguồn chất độc hại, nguồn muối dinh dưỡng,… đi vào hệ sinh thái) Hàm lực tự nhiên là các tác động từ

tự nhiên có ảnh hưởng đến thành phần và các quá trình hữu sinh và vô sinh trong hệ Hàm lực chính là đại diện cho những ảnh hưởng của môi trường lên

hệ sinh thái

1.1.2.3 Biến trạng thái

Các biến trạng thái (state variables) biểu diễn (thể hiện) trạng thái của

hệ thống dưới tác động của hàm lực tại thời điểm nhất định Việc chọn lựa các biến trạng thái khá quan trọng đối với cấu trúc mô hình và thường phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu (chẳng hạn, khi mô hình hóa quá trình phú dưỡng, biến trạng thái là hàm lượng các muối dinh dưỡng và thực vật nổi) Vì mô hình chứa các mối quan hệ giữa hàm lực và biến trạng thái nên trong các mô hình, giá trị của các biến trạng thái sinh ra do biến thiên của hàm lực có thể xem là kết quả của mô hình

1.1.2.4 Tham số

Các tham số (parameters) là các hệ số (hoặc hàm số) được dùng trong

các biểu thức toán học để mô tả các quá trình trong hệ sinh thái Thông thường, các hệ số thường là các giá trị thực nghiệm trong một hệ nào đó và được xem như là hằng số đối với một hệ sinh thái có điều kiện sinh thái tương

đồng với hệ thực nghiệm Tuy nhiên, sử dụng tham số như một hằng số là hạn chế của mô hình vì có nhiều tác động phản hồi khác nhau trong các hệ sinh thái thực Vì vậy, trong tương lai, một thế hệ mô hình mới đưa vào sử dụng

tham số biến đổi theo một số nguyên lý sinh thái học sẽ là giải pháp khả thi 1.1.2.5 Hằng số phổ biến

Các hằng số phổ biến (universal constants) như: khối lượng nguyên tử, hằng số khí,… cũng thường được sử dụng trong các mô hình sinh thái để biểu diễn mối liên quan giữa các quá trình, các thành phần trong hệ thông qua các phương trình toán học

Các quá trình liên kết giữa các biến trạng thái và hàm lực dễ được biểu diễn bằng cách dùng các phương trình toán học Trong các kiểu mô hình sinh thái được ứng dụng nhiều nhất (mô hình sinh - địa - hóa động), thay đổi của

biến trạng thái được biểu diễn bằng phương trình vi phân

Mô hình sinh thái có ưu thế trong việc kiểm tra, đánh giá các giả thuyết khoa học về các phản ứng của hệ sinh thái Vì hệ sinh thái là hệ thống phức tạp nên thường không thể thực hiện các thực nghiệm trực tiếp trên toàn bộ hệ Tuy nhiên, có thể tạo ra thay đổi trên hàm lực để quan sát phản ứng của hệ sinh thái thông qua các biến trạng thái Trong trường hợp như thế, có thể phát triển một mô hình hệ sinh thái cơ bản với hàm lực và biến trạng thái liên quan

để có thể gắn kết quan sát với lý thuyết hay giả thuyết ban đầu Khả năng này giúp cho mô hình sinh thái được sử dụng rộng rãi trong sinh thái học, đặc biệt

đối với sinh thái hệ thống

1.1.3 Lịch sử phát triển mô hình sinh thái

Lịch sử phát triển mô hình sinh thái chia làm 6 giai đoạn với sự mở màn trong giai đoạn đầu tiên là mô hình sinh thái ứng dụng Lotka - Volterra

và mô hình Streeter - Phelps trong những năm 1920 [131] Mô hình Streeter -

Phelps do Streeter và Phelps xây dựng năm 1925 để miêu tả quá trình tiêu thụ oxy trong các phản ứng sinh hoá của chất ô nhiễm hữu cơ và quá trình gia tăng oxy trong các phản ứng tái tạo khí; trong khi đó, mô hình Lotka - Volterra (mô hình biến động quần thể) là mô hình đơn giản nhất về tương tác giữa vật săn mồi và vật mồi, được phát triển độc lập bởi Lotka năm 1925 và Volterra năm 1926 [130] Nhìn chung, những công trình về mô hình sinh thái trong giai đoạn này chỉ tập trung nghiên cứu các tương tác đơn giản về các quá trình sinh, hóa học để tìm ra các hệ số thực nghiệm

Giai đoạn 2 kéo dài trong khoảng 30 năm tiếp theo, thể hiện bước phát triển cao hơn bằng sự xuất hiện các phương trình vi phân được thiết lập trên

cơ sở định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng Trong thời kỳ này, các mô hình toán dùng trong hệ sinh thái biển ven bờ được phát triển, điển hình như:

mô hình của Riley và cộng sự (1946) dùng để mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến phân bố và biến động của thực vật và động vật nổi [192, 193, 194], mô hình của Steele (1962) để nghiên cứu mối quan hệ giữa quang hợp và ánh sáng [210], mô hình của Dugdale (1967) để mô phỏng biến động quá trình hấp thu dinh dưỡng [93], Nhìn chung, các mô hình này đã sử dụng công thức mô tả các yếu tố và quá trình cơ bản điều khiển sự sinh trưởng và chết của thực vật và động vật nổi mà chúng đều có mặt trong các

mô hình phức tạp ngày nay [158] Đặc biệt, trong mô hình của Riley và cộng

sự (1949) đã tính đến sự biến đổi theo phương thẳng đứng của một số biến số (hệ số chuyển động theo phương thẳng đứng của sinh vật nổi, sự lắng chìm của thực vật nổi, ) - những quá trình mà chưa được quan tâm trong các mô hình trước đây [193] Như vậy, những nghiên cứu của Riley và cộng sự đã đặt nền tảng cho những nghiên cứu mô hình sinh thái trong tương lai, đó là đã xác định những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của thực vật nổi: ánh sáng, nhiệt độ, dinh dưỡng, quá trình xáo trộn, quá trình tiêu thụ thực

vật và lắng chìm Các mô hình sau đó phát triển và mở rộng từ những mô hình

cơ bản này [105]

Đặc điểm chung của mô hình sinh thái trong giai đoạn 2 là mô phỏng những mối tương tác cơ bản, đơn giản về các quá trình sinh thái và cho nghiệm giải tích hay là mô phỏng biến động sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi theo một chiều (1D)

Sự phát triển thực sự về mô hình sinh thái được thể hiện trong giai đoạn

3, từ năm 1970 đến năm 1975 Nhờ có sự hỗ trợ đắc lực của máy tính nên việc phát triển các mô hình phức tạp hơn với các phương pháp tính hiện đại trở nên khả thi và mô hình sinh thái được sử dụng làm công cụ giải quyết các vấn đề quản lý môi trường vì nó có thể chỉ ra mối quan hệ giữa tác động và những thay đổi theo sau trong hệ sinh thái Khi thiết lập những kịch bản thay đổi (trong khoảng có thể chịu đựng) thì mô hình có thể chỉ ra những tác động tương ứng có thể chấp nhận Sự ra đời mô hình phú dưỡng đầu tiên của Chen (1970) và nhiều mô hình tập trung vào các vấn đề môi trường và hệ sinh thái khác nhau là minh chứng cho sự phát triển giai đoạn này [75]

Giai đoạn 4 (kéo dài từ 1975 - 1980) có thể xem là thời kỳ trưởng thành của mô hình sinh thái Từ kinh nghiệm của việc phát triển nhiều mô hình mới cho thấy, hệ sinh thái khác xa các hệ thống vật lý và các đặc trưng cơ bản của

hệ sinh thái cần phải được phản ánh nên mô hình sinh thái đã thực sự phát triển theo chiều sâu [77] Trong lĩnh vực hải dương học, giai đoạn này cũng

có những tiến bộ lớn khi thành phần dòng chảy được đưa vào như một thành phần bắt buộc trong các mô hình sinh thái [229, 235] Ngoài ra, sự phát triển của máy tính với tốc độ cao, khả năng lưu trữ và dung lượng lớn đã cho phép các mô hình sinh thái liên kết với mô hình động lực và các quá trình sinh, lý học khác để tăng khả năng mô phỏng và độ chính xác Thời kỳ này là giai

đoạn phát triển chủ yếu của các mô hình sinh thái hai chiều (2D), với một số

đại diện tiêu biểu như: mô hình của Walsh (1975) nghiên cứu biến động nguồn dinh dưỡng ở hệ sinh thái nước trồi Peru [229]; mô hình của Wroblewski (1977) nghiên cứu các quá trình điều khiển năng suất sinh học sơ cấp ở vùng nước trồi ven biển Oregon, với chuỗi thức ăn bao gồm 5 thành phần: thực vật nổi, động vật nổi, nitrát, a môn và vật chất lắng đọng [235]; mô hình của Kremer và Nixon (1978) nghiên cứu biến động muối dinh dưỡng và sinh vật nổi ở vịnh Narraganset [138]; mô hình của Di Toro và cộng sự (1971)

mô phỏng biến động thực vật nổi và phú dưỡng vực nước ở Sacramento San Joaquin Delta, California [84] và mô hình sinh khối thực vật nổi cửa sông San Francisco và Potomac năm 1977 [83]; mô hình của Steele và Frost (1977) để nghiên cứu biến động cấu trúc quần xã sinh vật nổi theo mùa ở ven bờ biển Loch Striven, Scotland [212];

Giai đoạn 5 kéo dài trong khoảng 10 năm, từ năm 1980 đến năm 1990, với sự hình thành và phát triển một số lượng lớn các loại mô hình sinh thái khác nhau trên rất nhiều lĩnh vực khác nhau Trong thời kỳ này, mô hình Lagrange được phát triển mạnh trong hải dương học để mô phỏng phân bố và lan truyền vật chất, thủy sinh vật, tiêu biểu như: 2 mô hình của Wroblewski

mô phỏng phân bố của động vật nổi ở vùng nước trồi Oregon [236, 237]; mô hình của Ishizaka và cộng sự mô phỏng lan truyền vật chất, biến động muối dinh dưỡng, phân bố chlorophyll, ở vùng thềm lục địa Đông Nam Hoa Kỳ [120, 121, 122]; mô hình của Rothlisberg và cộng sự mô phỏng di chuyển thẳng đứng của ấu trùng tôm he [195]; mô hình của Smith và cộng sự mô phỏng phân bố quần xã thực vật nổi vùng nước trồi Peru [206] Ngoài một số

mô hình ba chiều bắt đầu được phát triển, phổ biến trong thời kỳ này vẫn là

mô hình hai chiều

Nhìn chung, đặc điểm cơ bản của 3 giai đoạn: 3, 4 và 5 là mô hình sinh

thái đã có sự liên kết giữa các quá trình vật lý và sinh thái cơ bản để mô phỏng biến động của các thành phần: năng suất và sinh khối sinh vật nổi, dinh dưỡng, mùn bã hữu cơ lơ lửng theo không gian hai chiều Mặc dù mô hình hai chiều đã có tiến bộ hơn mô hình giải tích và một chiều, nhưng nó vẫn còn hạn chế là chưa xác định được các quá trình chuyển động và khuyếch tán theo tầng và theo chiều thẳng đứng, đặc điểm phân tầng hoặc xáo trộn của cột nước, làm hạn chế việc mô phỏng quá trình biến động trong hệ sinh thái biển

Giai đoạn 6 bắt đầu từ năm 1990 đến nay Có thể nói đây là thời kỳ phát triển rực rỡ của mô hình sinh thái về quy mô cả chiều rộng lẫn chiều sâu Với khả năng máy tính ngày càng mạnh cùng với công cụ và các phương pháp tính mới, có thể phát triển những mô hình ngày càng phức tạp Những năm 1970, mô hình hiếm khi xem xét phân bố không gian của những thành phần trong hệ nhưng ngày nay, khá nhiều mô hình ba chiều (3D) về hệ sinh thái thủy sinh được phát triển Thêm vào đó, GIS được ứng dụng ngày càng nhiều trong phát triển mô hình sinh thái và nhiều mô hình sinh thái dựa vào GIS cũng được công bố Trong quản lý môi trường, phát triển các mô hình kinh tế - xã hội - sinh thái cũng trở nên cần thiết vì mối quan hệ kinh tế - xã hội của các quyết định quản lý môi trường cần được quan tâm Những cố gắng đầu tiên để phát triển mô hình kinh tế - xã hội - sinh thái đã thể hiện nhưng có lẽ phải mất 10 - 12 năm, trước khi có những kinh nghiệm đủ để phát triển và sử dụng những mô hình thực sự phức tạp này Hàng loạt mô hình sinh thái hiện đại: IBMs, SDMs, …được phát triển và nhiều tạp chí mới ra đời từ tạp chí mô hình sinh thái (Ecological Modelling) như: kinh tế sinh thái (Ecological Economics) năm 1998, công nghệ sinh thái (Ecological Engineering) năm 1992, chỉ thị sinh thái (Ecological Indicators) năm 2001, thông tin sinh thái (Ecological Informatics) năm 2006 đã chứng tỏ sự phát triển nhanh và đa dạng về mô hình sinh thái trong giai đoạn này

Có thể khái quát lịch sử phát triển mô hình sinh thái như trên hình 1.1

mô hình

hình sông)

Hầu hết

hệ sinh thái đều được

mô hình hóa, mô hình 2D, 3D

mới (IBMs, SDMs, ANNs), mô hình 3D, 3D tích hợp

Hình 1.1: Sơ đồ lịch sử phát triển mô hình sinh thái

1.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển 3 chiều mô phỏng năng suất sơ cấp thực vật nổi

1.2.1 Trên thế giới

Ban đầu, mô hình sinh thái mô phỏng năng suất sơ cấp thực vật nổi trong các vùng thềm lục địa rất đơn giản (chỉ là mô hình hoá nguồn ni tơ, được xem như là dinh dưỡng chính giới hạn năng suất sơ cấp), gồm 3 thành phần: dinh dưỡng, thực vật nổi, động vật nổi [98, 211, 224, 238] Sau khi thêm vào mùn bã hữu cơ lơ lửng, thành phần đại diện cho hoạt động phân rã

và khoáng hoá của vi khuẩn, cấu trúc mô hình sinh thái kinh điển được hình thành gồm 4 thành phần Tuy nhiên, sau này các mô hình được mở rộng thêm

và các quá trình hấp thu, tiêu thụ thức ăn của động vật nổi, chết, lắng chìm, phân huỷ, khoáng hoá, được mô hình hóa bằng các phương trình vi phân và cho phép mô phỏng biến động của các thành phần trong hệ thống Việc tích hợp với mô hình thuỷ động lực thông qua các biến: nhiệt độ, bức xạ, độ muối, dòng chảy, độ sâu lớp xáo trộn, ứng suất gió, đã cho phép mô hình hóa hệ

sinh thái trong môi trường không đồng nhất theo không gian và thời gian Các

mô hình sinh thái tích hợp này thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của khí hậu, môi trường lên sinh khối và năng suất sinh học sơ cấp của thực vật nổi Dù được nhắc đến như mô hình sinh thái nhưng các mô hình này cũng chỉ đại diện cho một phần nhỏ của hệ sinh thái, đó là mức độ dinh dưỡng thấp của chuỗi thức ăn [224, 229] Trong kiểu mô hình NPZD, tương tác giữa mức dinh dưỡng thấp với mức dinh dưỡng cao được đại diện bằng một số hạng mức chết cố định cho bộ phận động vật nổi (hằng số hoặc biến mùa) Sử dụng

mô hình sinh thái nói chung và mô hình sinh thái 3D trong nghiên cứu dự báo thuỷ triều đỏ cũng đã được thảo luận bởi Glibert và cộng sự, trong đó, tác giả

đã nhận định khó khăn và triển vọng của nó [110]

Mô hình sinh thái 3D chỉ thực sự phát triển kể từ khi có các công cụ tính toán đủ mạnh để đáp ứng nhu cầu của mô hình về sự phối hợp các hàm dinh dưỡng cần thiết với sự biến đổi không gian và thời gian của chúng Sự phát triển loại mô hình này theo sau các mô hình hoàn lưu cho thềm lục địa và đại dương, bởi vì chúng sẽ được dùng như hàm lực ngoài trong mô hình sinh thái Tính ưu việt của mô hình 3D là nó bao hàm tất cả các quá trình vận chuyển với sự biến đổi của tham số khuyếch tán rối (turbulence) theo phương thẳng đứng (z) và nằm ngang (x, y) Có thể nói, mô hình sinh thái 3D đầu tiên trên thế giới bắt đầu xuất hiện vào những năm cuối của thập niên 1980, hay chính xác là vào năm 1986 ở Nhật và Mỹ Sau đó, đến năm 1993, chúng bắt đầu được phát triển ở Biển Bắc với mô hình NORWECOM [165] Hiện nay,

mô hình hóa các hệ sinh thái biển, đặc biệt là ở vùng thềm lục địa đã và đang được phát triển mạnh mẽ, nhất là vùng thềm lục địa Biển Bắc và Biển Baltic, với rất nhiều mô hình sinh thái 3D đã được công bố như: NORWECOM, GHER, ECOHAM, COHERENS, ERSEM, POL3dERSEM, ECOSMO, NORWECOM là mô hình sinh thái 3D đầu tiên được phát triển cho vùng

Biển Bắc, đến năm 1995, Aksnes và cộng sự đã ứng dụng mô hình để mô phỏng biến động thực vật nổi trong vùng Sau đó, Skogen và cộng sự cũng đã kiểm tra khả năng dự báo của mô hình và đã phát hiện rằng, nhiều bức tranh

“nở hoa” có thể được tái hiện cùng với các quá trình dinh dưỡng và bùng nổ tảo si líc và tảo hai roi, năng suất sơ cấp mô phỏng từ mô hình cũng khá phù hợp với dữ liệu quan sát [204] Sau mấy năm, mô hình phát triển thành NORWECOM 2 để bổ sung thêm 3 thành phần: o xy, si li cát và vật chất lơ lửng [203] Soiland và Skogen cũng đã tiếp tục xác nhận mô hình NORWECOM 2, dùng dữ liệu dinh dưỡng khảo sát vùng Biển Bắc trong thời

kỳ 1980 - 1989 để đánh giá sự sai khác giữa dữ liệu mô hình và dữ liệu quan sát Kết quả cho thấy, trong khi ni tơ vô cơ không cho kết quả mô phỏng tốt thì phốt phát và đặc biệt là si li cát được mô phỏng khá tốt [208]

Một năm sau khi NORWECOM ra đời, các mô hình khác lần lượt xuất hiện và phát triển như: mô hình GHER vào năm 1994, ECOHAM và ERSEM trong năm 1995, [165] GHER được Delhez và Martin phát triển đầu tiên cho vùng thềm lục địa Tây Bắc châu Âu, bằng cách tích hợp mô hình hoàn lưu cỡ trung bình (độ phân giải 1/6 độ) với mô hình hệ sinh thái đơn giản chứa các biến trạng thái dinh dưỡng ni tơ, thực vật nổi, động vật nổi và mùn

bã hữu cơ lơ lửng [82] Sau đó, một phiên bản phức tạp hơn về sinh học, hoá học cũng được Delhez phát triển năm 1998, mô phỏng chu trình các bon và ni

tơ với 17 biến trạng thái đại diện cho 9 thành phần: ni trát, a môn, thực vật nổi

cỡ nhỏ, thực vật nổi cỡ lớn, tảo roi dị dưỡng, động vật nổi, vi khuẩn, mùn bã hữu cơ lơ lửng và chất hữu cơ hoà tan Sức sản xuất sơ cấp chịu sự chi phối của các yếu tố vật lý điều khiển và thể hiện sự khác nhau giữa chế độ phân tầng và không phân tầng [165] Còn ECOHAM được Moll sử dụng để mô phỏng năng suất sơ cấp hàng năm trong vùng Biển Bắc [163, 164], nó được

mở rộng từ mô hình cột nước 1 chiều bởi Radash và Moll [165, 187] Hệ sinh

vật nổi (đại diện bằng biến sinh khối thực vật nổi) được hình thành từ một nguồn dinh dưỡng sẵn có (phốt phát hoặc ni tơ vô cơ) Cơ chế tái tạo muối dinh dưỡng được thể hiện bởi quá trình tái sinh trực tiếp từ một phần chất hữu

cơ chết trong nước và quá trình tái sinh của mùn bã hữu cơ lơ lửng ở đáy Nhờ quá trình tái tạo dinh dưỡng vô cơ từ mùn bã hữu cơ lơ lửng và di chuyển vào trong cột nước bởi điều kiện biên “đáy - nước” nên nguồn dinh dưỡng từ đáy trở lại vào cột nước So sánh năng suất sơ cấp mô phỏng giữa ECOHAM và NORWECOM cho thấy sự khác nhau về năng suất theo khu vực lớn hơn sự khác nhau trong kết quả 2 mô hình tại mỗi vùng được kiểm tra [165] Năm 2004, Wei và cộng sự đã ứng dụng mô hình ECOHAM để nghiên

cứu biến động thực vật nổi cho vùng biển Bột Hải (Trung Quốc) [231] Sau

đó 4 năm, Pätsch and Kühn phát triển thành ECOHAM3 để mô hình hóa nguồn và thông lượng ni tơ ở vùng thềm lục địa Tây Bắc châu Âu [179] Kết quả cho thấy ECOHAM3 đã mô phỏng được bức tranh biến động chlorophylla, o xy, ni tơ và xác định vực nước nghiên cứu là một bể chứa (sink) ni tơ từ vùng biển khơi lân cận [179] Năm 2010, Tiedje, Moll và Kaleschke đã công bố công trình nghiên cứu về ECOHAM3, so sánh biến động của chlorophyll a giữa mô hình với ảnh vệ tinh và kết quả khảo sát tại chỗ [222] ECOHAM3 cũng đã được sử dụng nghiên cứu và đánh giá kết quả

ở vùng Bight (Đức) để mô phỏng chu kỳ động vật nổi theo mùa [213] Hiện nay, ECOHAM4 cũng đã phát triển bằng cách thêm vào chu trình các bon và một số thành phần khác [139]

ERSEM là một mô hình sinh thái tương đối phức tạp được phát triển để khảo sát nhiều khía cạnh của hệ sinh thái và tính hợp lý của nó cũng đã được chứng minh [165] Năm 1995, Blackford và Radford đã thảo luận về phương pháp luận và cấu trúc của ERSEM, sau đó Lenhart và cộng sự đã ứng dụng để

mô phỏng biến động nguồn dinh dưỡng ở vùng Biển Bắc [141] Một số đóng

góp giá trị của ERSEM gồm có: tính toán tổng năng suất sơ cấp, mô phỏng biến động vi sinh vật với việc tách đồng hoá các bon và hấp thu dinh dưỡng (bằng ERSEMII), mô hình hoá quá trình biến động động vật nổi cỡ lớn và mô hình 3D về phát triển cấu trúc quần xã động vật nổi Calanus Dùng ERSEM, Radach và Patsch đã mô phỏng hậu quả phú dưỡng hoá vùng Biển Bắc và đã chứng mình rằng mô hình này có khả năng mô phỏng chuỗi thức ăn liên tục [188] Kohlmeier và Ebenhöh đã dùng ERSEM cải tiến để nghiên cứu chu trình các bon, ni tơ và si líc ở vực nước ven bờ Bight của Đức [136] Nhiều công trình sau đó đã dùng ERSEM cải tiến để nghiên cứu suy giảm tải lượng dinh dưỡng từ một số sông chính trong vùng Biển Bắc dưới những điều kiện khác nhau Sau đó, Allen và cộng sự đã bổ sung phần sinh học của ERSEM vào trong sơ đồ hoàn lưu 3D thành POL3dERSEM và áp dụng cho vùng Biển Bắc ở độ phân giải không gian 12 km [55] Mô hình đã được ứng dụng để chứng minh biến thiên theo không gian và thời gian của các yếu tố môi trường quyết định đến bùng nổ sinh khối POL3dERSEM đã thiết lập các tiêu chuẩn mới đối với mô hình hệ sinh thái 3D cho vùng Biển Bắc, vì quan hệ dinh dưỡng phức tạp của mô hình đã được tích hợp trong một mô hình hoàn lưu 3D đầy đủ với độ phân giải không gian tốt nhất trong số các mô hình quan tâm

Cũng theo kiểu mô hình tích hợp POL3dERSEM, còn có những mô hình phát triển mới như: COHERENS, ECOSMO COHERENS cho phép thiết lập một hệ thống mô hình từ một khối kiến trúc cơ bản như: mô đun vật

lý để mô phỏng hoàn lưu chung của vùng biển, một mô đun sinh học, một mô đun trầm tích và một mô đun vận chuyển chất nhiễm bẩn Mô đun sinh học có

8 biến trạng thái: các bon và ni tơ trong sinh vật nổi cỡ nhỏ, các bon và ni tơ trong mùn bã hữu cơ lơ lửng, ni trát, a môn, o xy và ni tơ trong động vật nổi nhưng không có biến trạng thái ở đáy [218, 219] Năm 2009, Lopes và cộng

sự đã thực hiện mô hình này cho vùng Avero, Bồ Đào Nha để nghiên cứu sự phân bố của nhiệt độ và sinh khối thực vật nổi trong hệ sinh thái ven bờ [146] Cũng theo hướng này, năm 2006, Schrum và cộng sự đã thành công trong việc phát triển mô hình sinh thái tích hợp ECOSMO cho vùng Biển Bắc và vùng Baltic [202] Từ đó đến nay, ECOSMO liên tục được phát triển tại các vùng khác nhau cho các mục đích khác nhau như: nghiên cứu tái cấu trúc lịch

sử biển Aral (Trung Á) [53], mô phỏng nguồn nước và biến động nguồn nước ngầm - nước biển ở vùng biển Aral [54]; tích hợp ECOSMO và mô hình phát triển cá thể (IBMs) để mô phỏng ảnh hưởng của biến đổi môi trường vùng Biển Bắc lên tiềm năng tăng trưởng và tỷ lệ sống các giai đoạn đầu của loài cá cơm châu Âu (S sprattus L.) [79],…

Ngoài một số mô hình tiêu biểu trên, khu vực châu Âu cũng có một số

mô hình 3D khác được phát triển Chẳng hạn: năm 2003, có mô hình của Sarmiento và cộng sự dùng để xác định năng suất sinh học sơ cấp ở vùng Bắc Đại Tây Dương [198], trong đó, mô đun chuỗi thức ăn được xây dựng bởi Fasham [99] Năm 2006, Gibson và cộng sự đã ứng dụng mô hình ELISE trong biển Măng sơ “English Channel”, dùng ni tơ vô cơ hòa tan và si li cát như nguồn dinh dưỡng, không quan tâm đến động vật nổi và các bậc dinh dưỡng cao hơn [109]; Losa và cộng sự đã phát triển mô hình số cặp tại biển Atlantic, trên cơ sở mô đun vật lý POP kết hợp với mô đun sinh học gồm 4

mối liên hệ giữa sinh khối tảo (si líc và tảo nâu) với tải lượng dinh dưỡng và điều kiện khí tượng vực nước ven bờ Vương quốc Bỉ [112]; NEMURO và NEMURO.FISH để mô phỏng sự phát triển theo thời gian và biến động chuỗi thức ăn dinh dưỡng - thực vật nổi - động vật nổi, ảnh hưởng của khí hậu lên sinh trưởng và biến động quần thể một số loài cá, cũng như dự báo ảnh hưởng của quá trình ấm lên toàn cầu đối với biến động hệ sinh thái và chu trình sinh

- địa - hoá trong khu vực Bắc Thái Bình Dương [116, 232] Năm 2009, có mô hình sinh thái 3D tích hợp giữa mô hình vận chuyển cửa sông GETM với mô hình sinh học 4 thành phần (NPZD) để nghiên cứu suy giảm ánh sáng do tái

lơ lửng đến các quá trình trong hệ sinh thái vực nước Bight của Đức [221] Cũng trong năm này, Ourmières và cộng sự đã nghiên cứu vai trò của nguồn

dữ liệu dinh dưỡng đối với việc cải thiện kết quả mô phỏng năng suất sơ cấp trong mô hình sinh thái 3D CPBM (tích hợp từ mô hình hoàn lưu OPA9 và

mô hình sinh thái LOBSTER) [176]; Maar và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái 3D kích thước nhỏ để nghiên cứu sinh trưởng của hầu nuôi và ảnh hưởng của nó đến nền đáy tự nhiên và tại vị trí đặt tua bin trong trang trại nuôi [150]; Eilola và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái SCOBI tích hợp với mô hình hoàn lưu RCO để nghiên cứu biến động nguồn o xy, phốt pho và vi khuẩn ở biển Ban tích với kết quả nhấn mạnh đặc trưng động lực quan trọng của nguồn o xy và phốt pho bên trong, sự thay đổi điều kiện vật lý và nguồn cung cấp phốt pho từ đất liền trong thời gian dài lên đặc trưng phốt pho trong vực nước [96]

Tại châu Mỹ, vào năm 1988, mô hình sinh thái 3D đầu tiên được phát triển cho vùng trung tâm vịnh Atlantic (Mid-Atlantic Bight) [230] và cho hệ thống hồ Okeechobee ở Florida [85] Chỉ vài năm sau, mô hình sinh thái 3D

đã phát triển ở nhiều nơi, nhất là đối với vùng phía Bắc Mô hình sinh thái 3D trong thời kỳ này được phát trên cơ sở mô hình hoàn lưu biển cơ bản Trong khi mô hình sinh thái kích thước lớn hầu như chỉ dùng để khảo sát các vấn đề liên quan đến biến đổi khí hậu, đặc biệt là ảnh hưởng do thay đổi áp suất riêng phần của CO2 tự nhiên và hấp thu CO2 nhân tạo trong đại dương thì mô hình sinh thái vùng thềm lục địa hầu như chỉ quan tâm đến việc khảo sát chức năng của hệ sinh thái có liên quan đến các vấn đề môi trường, chẳng hạn vấn đề phú dưỡng hoá vực nước [242] Nếu năm 1996, Moisan và cộng sự đã xây

dựng mô hình định lượng các quá trình đóng góp vào nguồn muối dinh dưỡng

và phân bố sinh vật nổi theo không gian và thời gian ở vùng chuyển tiếp ven

bờ California gồm 3 biến dinh dưỡng (ni trát, a môn, si li cát); 2 nhóm thực vật nổi (>5m và <5 m); 3 loài động vật nổi (Eucalanus californicus; Euphausia pacifica và Dolioletta gegenbauri) và mùn bã hữu cơ lơ lửng [160,

161, 162] thì đến năm 2009, Hermann và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái 3D đánh giá thông lượng dinh dưỡng thẳng đứng và ngang qua thềm lục địa vịnh Alaska [117] Cũng tại đây, đặc trưng động lực học hệ sinh thái khu vực Tây Bắc vịnh đã được khảo sát bằng mô hình sinh thái 3D của Fiechter và cộng sự [101] Mô hình đã mô phỏng thay đổi bên trong hệ sinh thái theo mùa, theo năm và giữa các năm cũng như phân biệt giữa điều kiện sinh trưởng giới hạn bởi sắt và ni trát Nghiên cứu chu trình sinh - địa - hoá vịnh Chesapeake cũng đã được Xu và Hood thực hiện trong năm 2006 bằng mô phỏng bức tranh phân bố và biến động các yếu tố dinh dưỡng, sinh khối thực vật nổi, hàm lượng o xy hoà tan và mức suy giảm ánh sáng trong nước trong một hệ thống phức tạp như vịnh Chesapeake [239] Ngoài ra, tại Colombia, Tuchkovenko và Lonin đã dùng mô hình sinh thái 3D để đánh giá tình trạng phú dưỡng và chế độ o xy ở vịnh Cartagena [225] Mô hình đã chỉ ra chiến lược cơ bản để cải thiện chất lượng môi trường nước vịnh và triển khai ứng dụng mô hình cho các vùng biển tương tự khác

Các khu vực còn lại trên thế giới phát triển mạnh mô hình 3D cũng chủ yếu từ năm 2000 trở lại đây Năm 2006, tại Nhật, Nakata và Doi đã dùng mô hình sinh thái 3D chu trình các bon để tính năng suất sơ cấp của biển, với kết quả cho thấy chiều hướng năng suất sơ cấp cao ở những vùng vĩ độ thấp [168] Một năm sau, Kittiwanich và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái để nghiên cứu chu trình ni tơ và phốt pho trong hệ sinh thái cửa sông vịnh Hiroshima [134] Cũng tại Nhật, năm 2008, mô hình năng lượng sinh học 3D

(tích hợp từ mô hình năng lượng sinh học với mô hình sinh thái mức dinh dưỡng bậc thấp) được ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sinh trưởng của loài mực (Todarodes pacificus) ở vùng biển Nhật Bản [133] Đặc biệt, trong năm này, một mô hình cho phép nghiên cứu cơ chế yếm khí của vùng nước (mô hình ECOHYM) đã được Sohma và cộng sự ứng dụng cho vịnh Tokyo - một vực nước cửa sông yếm khí ở Tokyo [207] Và mới đây, năm 2010, Sugimoto và cộng sự dùng mô hình sinh thái 3D gồm 5 hợp phần (ni trát, a môn, thực vật nổi, động vật nổi và mùn bã hữu cơ lơ lửng)

để nghiên cứu năng suất sơ cấp và chu trình ni tơ ở vịnh Ise - một trong những vực nước phú dưỡng nhất Nhật Bản [216]

Tại vùng biển Bột Hải (Trung Quốc), sau 3 năm, kể từ khi Wei Hao dùng ECOHAM để nghiên cứu biến động năng suất sơ cấp và sinh khối thực vật nổi [231], Liu và Yin đã dùng mô hình thủy động lực POM kết hợp với

mô hình sinh thái 4 thành phần (NPZD) để nghiên cứu biến động các thành phần trong mối quan hệ: dinh dưỡng - thực vật nổi - động vật nổi trong hệ Nghiên cứu cho thấy, kết quả mô phỏng chu kỳ biến thiên muối dinh dưỡng

và sinh vật nổi theo mùa khá phù hợp với kết quả quan trắc [144] Một năm sau, Zhao và Lu đã dùng mô hình sinh thái 3D với 3 thành phần (NPZ) để mô phỏng chu kỳ phân bố thực vật nổi cũng như các yếu tố dinh dưỡng trong vùng biển Bột Hải và biển Vàng theo mùa [243] Trên vùng biển Đông Trung Quốc, cũng đã có mô hình 3D được ứng dụng để xác định yếu tố chính điều khiển năng suất sơ cấp vùng thềm lục địa này với 4 thành phần sinh thái (NPZD) [145] Byun và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái 3D (tích hợp giữa

mô hình thuỷ động lực POM và mô hình sinh thái ERSEM) để nghiên cứu ảnh hưởng của trầm tích tái lơ lửng và xáo trộn thẳng đứng lên sinh khối thực vật nổi trong các vực nước ven bờ Hàn Quốc [67] Ở New Zealand, năm

2009, một mô hình hệ sinh thái 3D phức tạp đã được phát triển để đánh giá

sức tải môi trường cho nuôi động vật thân mềm Mô hình định lượng sản lượng tiềm năng động vật thân mềm và ảnh hưởng của nó đến hệ sinh thái các vực nước ven bờ thông qua chuỗi thức ăn đơn giản, chu trình dinh dưỡng và sinh trưởng của động vật nuôi trong hệ Động học hệ sinh thái và thuỷ động lực đã được tích hợp để dự báo đầy đủ ảnh hưởng của mật độ vật nuôi lên hệ thống Mô hình đã phản ánh một cách cơ bản đặc trưng biến động trong hệ thống quan sát, chế độ thuỷ động lực của hệ đã chi phối chủ yếu đến mật độ

và sản lượng nuôi cũng như ảnh hưởng của vật nuôi đến chất lượng vực nước [191]

Mô hình sinh thái 3D cũng đã được ứng dụng, phát triển ở một số vùng biển nhiệt đới Năm 2003, Christian và Murtugudde đã dùng mô hình sinh thái 3D cho vùng biển nhiệt đới Atlantic để mô phỏng thay đổi chu trình sinh

- địa - hóa trong vùng qua 50 năm [78] Mô hình cho kết quả khá phù hợp với nguồn dữ liệu quan sát và một số mô hình khác trong vùng nước trồi xích đạo nhưng ước tính hơi thấp sinh khối sinh vật nổi trong điều kiện nước trồi mạnh Tại vùng biển Ả Rập, Hood và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái tích hợp để mô phỏng các thành phần sinh thái biển (NPZD) [119] Và cũng tại đây, Anderson và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái 3D nghiên cứu quá trình khử ni trát trong hệ thống [56] Tại vùng xích đạo Thái Bình Dương, mô hình sinh thái 3D tích hợp đã được phát triển để mô phỏng phân bố các nguồn ni trát và si li cát trong vùng cũng như xác định nguồn si li cát là yếu tố điều chỉnh sản lượng tảo si lic, năng suất bổ sung và chu trình các bon ở đây [127] Năm 2006, Wiggert và cộng sự đã phát triển mô hình sinh thái 3D tích hợp giữa mô hình vật lý và mô hình sinh thái (gồm: thực vật nổi, động vật nổi, mùn bã hữu cơ lơ lửng, ni trát, a môn và sắt) để nghiên cứu bức tranh biến thiên dinh dưỡng và chlorophyll theo mùa ở biển nhiệt đới Ấn Độ Dương [234] Năm 2008, Vichi và cộng sự đã dùng mô hình PELAGOS để nghiên

cứu ảnh hưởng của nguồn sắt đến thực vật nổi vùng xích đạo Thái Bình Dương [227] Năm 2009, Slemon và cộng sự đã dùng mô hình sinh địa hoá PISCES (gồm ni trát, ni trít, a môn, phốt phát, si li cát, sắt, thực vật nổi, động vật nổi, các bon hữu cơ lơ lửng) tích hợp với mô hình hoàn lưu 3D OPA để nghiên cứu tác động của nguồn sắt tới vùng nước xích đạo ở Thái Bình Dương [205] Gần đây nhất, trong năm 2010, một mô hình sinh thái với 9 thành phần (thực vật nổi nhỏ, thực vật nổi lớn, động vật nổi nhỏ, động vật nổi lớn, vi khuẩn, mùn bã hữu cơ lơ lửng không bền kích thước nhỏ, mùn bã hữu

cơ lơ lửng không bền kích thước lớn, mùn bã hữu cơ lơ lửng kích thước lớn, chất dinh dưỡng giới hạn) để nghiên cứu vai trò các yếu tố điều khiển (dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ) lên tỷ lệ năng suất động vật nổi và năng suất thực vật nổi (hệ số z) tại 46 vực nước trên khắp các châu lục trong thời gian từ

1993 - 2005, trong đó có nhiều vực nước vùng nhiệt đới đã được công bố [215]

Như vậy, mô hình sinh thái 3D đang được phát triển mạnh trong giai đoạn hiện nay và nó đã khẳng định những hiểu biết từ nghiên cứu thực nghiệm cũng như có được một cái nhìn mới về cấu trúc và cơ chế bên trong các hệ thống Đối với các hệ sinh thái biển, đặc trưng của quá trình sản xuất

sơ cấp, chức năng của chuỗi thức ăn, cơ chế tái sinh dinh dưỡng, sự mở rộng vùng phú dưỡng, nguồn ni tơ, phốt pho và si líc, ngày càng được mô hình hóa một cách cơ bản Nhìn chung, các mô hình đã mô phỏng đặc trưng phân

bố không gian, thời gian và biến động của các biến trạng thái đại diện cho bậc dinh dưỡng thấp, mà kết quả này dường như không thể thực hiện được đầy đủ

từ khảo sát Tuy nhiên, mô hình sinh thái hiện nay thường sử dụng cấu trúc mạng lưới thức ăn đơn giản tối thiểu nên vẫn còn giới hạn về số lượng các thành phần cũng như các tương tác bên trong hệ thống và do vậy đã làm hạn chế khả năng tiên đoán diễn biến trạng thái thực của hệ dưới tác động của

ngoại lực kết hợp với động lực học bên trong [114] Mặc dầu vậy, hầu hết mô hình hiện nay đều tương đối phù hợp cho việc ước tính thông lượng vật chất trong vùng nghiên cứu theo thời gian, rất cần thiết cho việc so sánh giữa các

mô hình với nhau, giữa mô hình với số liệu quan sát Ưu điểm của mô hình chia theo hộp (box) là nhu cầu thời gian chạy mô hình tương đối nhỏ, tạo cơ hội thuận lợi để thực hiện nhiều mô phỏng, chẳng hạn: khảo sát độ nhạy của

mô hình để thay đổi tham số Tuy nhiên, độ phân giải của mô hình hộp hạn chế các nghiên cứu về đặc trưng của hệ thống ở quy mô cỡ trung bình và nhỏ

Từ thực nghiệm mô hình hoá cho thấy, mô hình hệ sinh thái phải là 3D và phải được tích hợp với mô hình hoàn lưu tiên tiến, đặc biệt là đối với các vùng ven bờ Để nghiên cứu diễn biến quá trình phú dưỡng và nguồn dinh dưỡng khác nhau từ sông, từ các hoạt động kinh tế,… cần dùng các mô hình sinh thái 3D độ phân giải cao Hầu hết các mô hình trên đây đều đã cho bức tranh phù hợp ở độ phân giải không gian trung bình, nhưng chưa thể hiện được bức tranh về cấu trúc mùa và vùng trong hệ sinh thái Để góp phần giải quyết vấn đề này, Schrum và đồng nghiệp đã sử dụng mô hình dự báo năng suất và sinh khối ở mức dinh dưỡng thấp ECOSMO [202] ECOSMO được xem như mô hình có độ phức tạp hơn ECOHAM, NORWECOM, GHER, ELISE và COHERENS Tuy nhiên, so với ERSEM thì ECOSMO đơn giản hơn ở chỗ giảm quá trình đáy Vì vậy, nó tiết kiệm thời gian tính toán hơn và cho phép mô phỏng chi tiết hơn về tương tác dinh dưỡng vì sự đơn giản hoá này (do ERSEM dựa vào cấu hình hộp để điều chỉnh và kiểm tra tham số chứ không dùng tiếp cận tích hợp mô hình thủy động lực 3D)

Tiên đoán về tương lai của mô hình sinh thái, trong khuôn khổ hợp tác IGBP/SCOR có liên quan đến việc nghiên cứu khía cạnh hóa học và sinh học của quá trình thay đổi toàn cầu đến đại dương, nhiều câu hỏi đã được đặt ra, tập trung vào 3 vấn đề sau [86]:

- Yếu tố điều khiển trạng thái sinh - địa - hoá của đại dương theo thời gian và đáp ứng của đại dương với thay đổi toàn cầu ?

- Tương tác giữa chuỗi thức ăn trong biển với thay đổi toàn cầu ?

- Ảnh hưởng của thay đổi toàn cầu đến tích luỹ cac bon cũng như giải phóng các bô nít và mê tan trong biển ?

Một thế hệ mô hình sinh thái mới với những thành phần, quá trình sinh thái phức tạp hơn được đưa vào mô phỏng và những cải tiến trong cấu trúc sẽ

có thể giải quyết được những vấn đề trên [86, 114]

1.2.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển mô phỏng năng suất sơ cấp ở Việt Nam

Các công trình nghiên cứu về mô hình sinh thái nói chung và mô hình năng suất sơ cấp nói riêng ở Việt Nam xuất hiện tương đối muộn và còn khá khiêm tốn Phần lớn, đó là những mô hình đơn giản dùng để xác định từng quá trình sinh - hóa riêng biệt trong các chuỗi chuyển hóa vật chất, năng lượng qua các bậc dinh dưỡng khác nhau trên cơ sở thực nghiệm và khảo sát trong tự nhiên Năm 1971, lần đầu tiên xuất hiện công trình mô hình hóa chu trình muối phốt phát ở vùng nước biển ven bờ tỉnh Nam Hà [42] và sau đó, nhiều công trình mô hình hóa liên quan đến năng suất sinh học sơ cấp ra đời

mà hầu hết đều gắn liền với tác giả Nguyễn Tác An [1, 7, 12], trong đó có công trình liên quan đến việc đánh giá xu thế chuyển hóa năng lượng đầm Nha Phu [10] Một hướng phức tạp hơn, đó là mô hình hóa tổ hợp một số quá trình sinh hóa nhằm giải quyết quá trình động học chuyển hóa vật chất trong một giai đoạn hay chu trình cũng được thực hiện với những kết quả nhất định

mà điển hình là mô hình cân bằng năng lượng cho hầu hết mọi quần thể sinh vật trong hệ sinh thái vùng thềm lục địa Việt Nam (từ 200 mét nước trở vào) [244] Gần đây nhất, năm 2010, Nguyễn Tác An và Võ Duy Sơn đã công bố

công trình mô hình tính năng suất sơ cấp cho vịnh Nha Trang dựa vào mô hình thực nghiệm VGPM và mô hình Platt [174] Ngoài ra, các tác giả khác cũng công bố một số công trình như: mô hình dựa trên phương trình cân bằng năng lượng để tính năng suất sinh học sơ cấp của thực vật nổi vùng triều cửa sông Hồng và hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai [13]; các công trình dựa vào nguyên lý bảo toàn vật chất để tính năng suất sơ cấp tinh và cân bằng vật chất trong hệ sinh thái vịnh Nha Trang [171], vịnh Vân Phong [173], đầm Cù

Mông [172], vịnh Xuân Đài [29]

Đến nay, mô hình sinh thái theo kiểu kết hợp mô hình vật lý và mô hình sinh thái nhằm thiết lập mô hình tổng hợp để có thể đánh giá được cả ảnh hưởng của một số quá trình nhiệt động học hải dương tới đặc trưng cấu trúc không gian của các hợp phần trong hệ sinh thái biển ở Việt Nam vẫn còn khá ít ỏi Một trong những người đầu tiên đi theo hướng này là tác giả Đoàn

Bộ, với mô hình phân bố sinh vật nổi và năng suất sinh học sơ cấp vùng biển Nam Trung Bộ, công bố năm 1994 [16] Sau 4 năm, tác giả đã công bố công trình nghiên cứu năng suất sinh học quần xã sinh vật nổi vùng đầm phá Tam Giang - Cầu Hai bằng phương pháp mô hình toán quan hệ: “vật mồi” (thực vật nổi) - “vật dữ”(động vật nổi) [17] Mô hình được giải bằng phương pháp Runge-Kuta, với các chuỗi dữ liệu đầu vào gồm: nhiệt độ nước, hàm lượng phốt phát, cường độ ánh sáng và hàm lượng chất hữu cơ lơ lửng Hạn chế của nghiên cứu là sử dụng mô hình giải tích và bỏ qua nhiều yếu tố sinh thái (tốc

độ sinh trưởng của thực vật nổi, hàm lượng muối dinh dưỡng ảnh hưởng đến sinh trưởng của thực vật nổi,…) Một số công trình mô hình sinh thái sau đó được xuất bản mà phần lớn đều gắn liền với tác giả Đoàn Bộ như: mô hình một chiều (CO1DMOD) và mô hình 2 chiều (CO2DMOD) để xác định phân

bố năng suất sơ cấp ở vùng biển khơi miền Trung Việt Nam [88]; mô hình toán nghiên cứu hệ sinh thái biển Ninh Thuận - Bình Thuận và phá Tam