Bài giảng Hệ sinh thái thủy vực

• Chế độ nhiệt ở môi trường nước tương đối ổn định hơn trong không khí do có độ toả nhiệt và thu nhiệt lớn, các lớp nước ở trên bề mặt và dưới sâu điều hoà nhiệt độ lẫn nhau trong quá tr

Môn học

Cơ sở sinh thái học thuỷ vực

Chương 1 Môi trường nước và các thuỷ vực

Chương 2 Đời sống quần xã thuỷ sinh vật

Chương 3 Hệ sinh thái thuỷ vực

Chương 4 Năng xuất sinh học thuỷ vực

2

Cấu trúc giáo trình

II Đặc điểm môi trường sống trong thuỷ vực nội địa

I Đặc tính môi

trường nước

III Đặc điểm môi trường sống ở biển và đại

CHƯƠNG 1 MÔI TRƯỜNG NƯỚC

VÀ CÁC THUỶ VỰC

I ĐẶC TÍNH MÔI TRƯỜNG NƯỚC

1.Chu trình nước và nguồn nước trong thiên nhiên

Đại dương cung cấp hầu hết lượng nước bốc hơi trong khí quyển Chỉ có 91% được trở lại đại dương thông qua mưa,

9% còn lại được chuyển vận tới các vùng khác nhau trên đất liền mà ở đó các yếu tố khí hậu đã tạo thành mưa

4

Kho chứa nước: khí quyển, đại dương, hồ, sông, đất, sông băng, núi tuyết và nước ngầm 97% lượng nước là nước mặn trong các đại dương; 3% là nước ngọt.

6

Nước trên trái đất

Nước ngọt

Nước bề mặt

SỰ PHÂN PHỐI NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT

Gần 28.300 hộ gia đình tại Tây Nguyên đang không có nước để ăn, uống Dự đoán thời gian tới, con số này sẽ tăng lên khoảng 59.000 hộ, trong

đó nặng nhất là Đắk Lắk 25.000 hộ, Đắk Nông 10.000 hộ, Lâm Đồng 7.000 hộ Trong hình, hàng chục vòi nước đang vét nước từ những hồ nước cạn trơ đáy tại Tây Nguyên

(Nguồn: danviet.vn)

8

2 Đặc tính thuỷ lý-hoá học của môi trường nước

Á nh sáng dưới nước

 Nguồn sáng: Mặt trời; mặt trăng, sao, một phần phát sáng từ thủy sinh vật.

 Các tia sáng đi vào trong nước không đồng đều, phụ thuộc vào độ dài sóng và độ

trong của nước: Tia sáng ngắn và cực ngắn xuyên sâu hơn.

Tác dụng của ánh sáng:

vùng thực vật phong phú ứng với những vùng sáng của tầng nước

10

Vùng giữa Chỉ có tia sáng ngắn, cực ngắn

Chế độ nhiệt

Trong hệ sinh thái thủy vực, nhiệt giữ hai chức năng chủ yếu:

 Tạo ra sự phân tầng nhiệt trong thuỷ vực.

 Điều chỉnh tốc độ của các phản ứng hoá học và các quá trình sinh học.

12

Nguồn nhiệt

• Nguồn nhiệt chủ yếu từ bức xạ mặt trời và do các tia có bước sóng dài: hồng ngoại, đỏ, da cam Lớp nước trên mặt hút nhiều nhiệt hơn ở dưới sâu, và các tia sáng này chỉ có ở khối nước tầng mặt

• Chế độ nhiệt ở môi trường nước tương đối ổn định hơn trong không khí do có độ toả nhiệt và thu nhiệt lớn, các lớp nước ở trên bề mặt và dưới sâu điều hoà nhiệt độ lẫn nhau trong quá trình lạnh

đi và bốc hơi, làm cho nhiệt độ của khối nước ít biến đổi

Nguồn nhiệt

• Nguồn nhiệt vào: là quá trình tích nhiệt trong khi nguồn ra biểu thị lượng nhiệt bị mất đi và ra khỏi môi trường

nước Nguồn nhiệt vào được phân biệt bởi nguồn nhiệt sơ cấp và nguồn nhiệt thứ cấp:

 Nguồn nhiệt sơ cấp: từ bức xạ mặt trời; từ không khí tới nước;

 Nguồn nhiệt vào thứ cấp: từ các quá trình sinh hóa diễn ra trong môi trường nước của đại dương, từ các hoạt

động thuỷ nhiệt và bên trong trái đât, từ ma sát do dòng chảy và từ các hoạt động sóng vô tuyến

• Nguồn nhiệt ra: từ bức xạ ngược của sóng dài; nhiệt truyền trực tiếp vào khí quyển; nhiệt thoát ra từ bốc hơi

nước; nhiệt truyền ra theo dòng chảy, hoàn lưu thẳng đứng, các nhiễu loạn

14

Nước, bụi, ô zôn hấp

Tầm quan trọng của nhiệt

 Tác động tới cấu trúc hệ sinh thái hồ và các phản ứng sinh học, hoá học trong hồ

 Điều chỉnh các phản ứng hoá học và các quá trình sinh học.

 Vào mùa hè, nhiệt độ tăng sẽ thúc đẩy quá trình trao đổi chất; Tăng tốc độ các chu trình chuyển hoá vật chất hữu cơ và các thành phần khoáng hoá tăng khi nhiệt độ tăng Các phản ứng hoá học thông thường và các hoạt động sinh học như quá trình hô hấp sẽ tăng lên gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên 10 ° C

 Vào mùa đông, động vật nổi và cá sẽ tốn nhiều năng lượng hơn nhưng sinh trưởng chậm hơn so với mùa hè

16

 m thanh trong môi trường nước

• Trong môi trường nước: trong khi ánh sáng không thể xuống sâu dưới nước thì âm thanh lại có thể truyền tới một độ sâu rất lớn.

• Trong môi trường nước biển, tốc độ âm thanh (c) là hàm số của nhiệt độ (T), độ mặn (S) và áp xuất (p) và dao động giữa khoảng 1.400 m/s và 1.600 m/s

• Động vật thuỷ sinh sử dụng âm thanh để truyền tín hiệu thông tin Đa số các động vật thuỷ sinh không chỉ có khả năng nghe mà còn có thể phát ra âm thanh với tần số khác nhau Các cơ quan tạo

âm thanh của cua rất phong phú: càng, giáp đầu, râu I

• Động vật thuỷ sinh tạo ra âm thanh với nhiều mục đích: báo động, gọi con cùng bầy, tín hiệu gọi nhau giữa con cái và con đực trong mùa sinh sản hoặc bảo vệ những nơi phân bố của mình Cá voi

và cá heo (delphin) có khả năng phát siêu âm để dò nơi tập trung sinh vật nổi hay các đàn cá để kiếm ăn, hay báo hiệu cấp cứu cho đồng bọn Sứa có khả năng nhận sóng âm phát ra do chuyển động của các lớp không khí (8-13%Hz), do đó biết được cơn bão sắp tới mà di chuyển ra xa bờ để tránh sóng.

18

Muối hoà tan

Ba nhóm chất hoà tan: chất vô cơ hoà tan, chất hữu cơ hoà tan và chất khí hoà tan Các chất vô cơ hoà tan trong nước lại gồm ba thành phần:

1 Thành phần muối cơ bản gồm các muối clorit, sunphát, các bô nát, hydro các bô nát của Na, Mg, Ca và K Thành phần này tồn tại trong nước thiên nhiên dưới dạng các ion chủ yếu Cl-, SO42+, HCO3-, Na+, K+,

Mg 2+và Ca 2+

2 Các nguyên tố tạo sinh (biogen) gồm các hợp chất vô cơ và hữu cơ hoà tan của N, P và Si và có thể như Na,

Ca, K, Mg… gọi chung là các muối dinh dưỡng Nitơ ở trong nước dưới dạng các ion NH4+, NO2- và NO3- Phốt pho cũng ở dạng vô cơ hoặc hữu cơ hoà tan trong nước Dạng vô cơ trong nước là H3PO4 Silíc trong nước tự nhiên ở dạng hoà tan là H4SiO4

3 Các nguyên tố vi lượng bao gồm các nguyên tố có hàm lượng rất nhỏ nhưng rất quan trọng đối với đời sống của thuỷ sinh vật Các nguyên tố vi lượng phổ biến là các kim loại: Fe, Ni, Pb, Cu, Mn, Co

Muối hoà tan

• Hàm lượng các muối vô cơ gốc nitơ, phốt pho và silíc trong nước biểu thị

mức độ dinh dưỡng và năng xuất sinh học của thuỷ vực

• Nếu hàm lượng các muối dinh dưỡng quá cao sẽ gây sự phú dưỡng, phì dưỡng của thuỷ vực, gây nở rộ thực vật nổi (Algal bloom).

20

Chế độ khí

Trong môi trường nước các chất khí thường gặp và có khi có hàm lượng cao là : O2, CO2, N2, CH4, H2S, NH3 Nguồn gốc của các chất khí này là:

• Từ không khí đi vào nước (O2, CO2, N2 ).

• Do các quá trình sống và quá trình chuyển hoá vật chất (CO2, CH4, H2S, NH3, H2).

• Do quá trình phân giải khí và chuyển hoá ở lớp đất sâu (CO2, H2S, NH3).

• Ô xy: từ không khí và từ hoạt động quang hợp của thực vật Ôxy hoà tan trong nước có vai trò quan trọng

trong trao đổi chất Hàm lượng ô xy hoà tan trong nước còn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp xuất môi trường Trong thuỷ vực, mức tiêu thụ ô xy trong nước thông qua các quá trình sinh hoá, hoá học biểu thị các mức độ ô nhiễm của môi trường nước qua các chỉ số BOD (nhu cầu ô xy sinh hoá) và COD (nhu cầu ô xy hoá học)

Chế độ khí

• Cacbonic (CO2): từ hoạt động hô hấp của thuỷ sinh vật và từ các quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ vào nước Khí CO2 có một vai trò quan trọng trong môi trường sống ở nước CO2 hoà tan trong nước được tiêu thụ trong quá trình quang hợp.

• Dihydro sulphua (H2S) trong thuỷ vực được hình thành do hoạt động của vi khuẩn thối rữa phân huỷ chất hữu cơ và vi khuẩn lưu huỳnh khử sunfat trong nước Khối lượng H2S sinh ra trong thuỷ vực nhiều khi rất lớn, làm nhiễm độc một diện tích rất rộng trong thuỷ vực H2S là khí độc, trực tiếp hay gián tiếp gây tác hại cho thuỷ sinh vật.

• Mê tan (CH4) hình thành do quá trình phân huỷ chất xenlulo ở đáy hồ, ao, đầm lầy, rất ít khi

có ở biển và thường có dạng các bọt khí nhỏ từ đáy nổi lên mặt nước CH4 cũng là khí độc đối với thuỷ sinh vật.

22

Độ pH và ô xy hoá khử

• Độ pH của nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố và được coi là căn cứ để xác định chất lượng nước

• Yếu tố quyết định độ pH của nước là sự phân ly H2CO3

• Độ pH còn được điều chỉnh bởi các phản ứng sinh học: trong thuỷ vực có sự phát triển mạnh của tảo, hàm lượng CO2

trong nước bị tảo huy động trong quá trình quang hợp, dẫn tới gia tăng độ pH

• Độ pH thay đổi từ 0-14 nhưng pH của thuỷ vực tự nhiên thường chỉ ở khoảng 6,5-8,5 Độ pH của nước biển và đại dương thường ngả về tính kiềm, dao động 8,1-8,4 Ở các thuỷ vực nội địa, độ pH dao động nhiều hơn: từ thuỷ vực có tính a xít (pH 3,4-6,95), trung tính (pH dao động 6,95-7,3), có tính kiềm (pH dao động từ 7,3-10, thậm chí trên 10 như một số hồ phú dưỡng ở nội thành Hà Nội)

• Độ pH trong một thuỷ vực có thể biến đổi theo ngày đêm, theo độ sâu, càng xuống sâu càng giảm; theo mùa do biến đổi các quá trình phân huỷ chất hữu cơ, liên quan tới hàm lượng CO2 trong nước

Độ pH và ô xy hoá khử

• Hiệu thế ô xy hoá khử của nước trong thuỷ vực (Eh), xác định quan hệ giữa hàm lượng các thành phần có đặc tính ô xy hoá và các thành phần có đặc tính khử trong môi trường nước Đặc điểm này là quan trọng đối với hoạt động sống của thuỷ sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật.

• Nước biển và các thuỷ vực nước ngọt có Eh dương, trong khoảng 300-350 mV, là môi trường ô xy hoá Ở các tầng nước sâu, hàm lượng ô xy giảm đi, Eh trở thành âm, môi trường giảm tính chất ô xy hoá, thậm chí chuyển sang tính khử.

24

Dãy pH liên quan tới chất lượng nước

II ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG SỐNG TRONG THỦY VỰC NỘI ĐỊA

Các thuỷ vực nước mặt chia thành hai nhóm:

nước đứng và nước chảy

 Các thuỷ vực nước đứng : hồ, ao, đầm lầy

 Các thuỷ vực nước chảy: sông, suối, mạch nước phun

26

II ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG SỐNG TRONG THỦY VỰC NỘI ĐỊA

1. Các loại hình thuỷ vực nội địa

. Phân biệt các thuỷ vực tự nhiên và nhân tạo (hồ chứa nước, ruộng lúa nước, ao đào, các hệ thống kênh mương

v.v.)

. Trên thực tế, sự phân chia các loại thủy vực trên đây không thật hoàn toàn rõ ràng và ổn định Có những thuỷ

vực vừa có tính chất nước chảy, vừa có tính chất nước đứng như hồ chứa nước Có những loại thuỷ vực như ruộng lúa nước có thể là thuỷ vực nước chảy hay nước đứng phụ thuộc đặc tính chế độ canh tác của từng vùng

Có những loại thuỷ vực như ao có khi có nguồn gốc tự nhiên, có khi là thuỷ vực nhân tạo

. Các thuỷ vực chứa nước trên mặt đất, lộ dưới ánh sáng mặt trời Tuy nhiên lại có những loại thuỷ vực trên mặt

đất như mạch nước phun, giếng khơi, lại vừa mang tính chất nước trên mặt, vừa mang tính chất nước ngầm Do

đó, để có khái niệm chung về các thuỷ vực nội địa cần nghiên cứu cụ thể từng loại thuỷ vực tiêu biểu riêng biệt

Thuỷ vực nước

chảy

28

Thuỷ vực nước

đứng

Thuỷ vực Đầm lầy

30

Thuỷ vực nội địa ven bờ

II Đặc điểm môi trường sống trong nước ngọt nội địa

2.1 Độ trong

• Độ trong của môi trường nước là yếu tố môi trường liên quan tới độ chiếu sáng của thuỷ vực Ánh sáng ảnh hưởng tới

sự di động, phân bố của thuỷ sinh vật theo độ sâu, đặc biệt là thực vật quang hợp

• Độ trong của nước nói chung phụ thuộc và đặc tính và số lượng các chất cái của nước và được đo bằng đĩa Sec si (đơn

vị là cm hoặc m)

• Tại các thuỷ vực nước ngọt nội địa, độ trong thường cao nhất ở các hồ nước có độ sâu lớn, nghèo dinh dưỡng Độ trong của hồ Ba Bể tại Bắc Kạn tới trên 200 cm, độ trong của các hồ chứa vào mùa khô cũng thường cao trên dưới 150

cm, nhưng độ trong vùng thượng lưu thường thấp hơn so với các vùng trung lưu và hạ lưu của hồ chứa

• Độ trong của các hồ nông thấp hơn: độ trong của hồ Tây ở Hà Nội dao động 40-50 cm, hồ Hoàn Kiếm 30-40 cm

• Độ trong của sông thường thấp hơn so với hồ Độ trong của sông, suối vùng thượng lưu cao hơn vùng hạ lưu, có thể tới 100cm vào mùa khô Độ trong của sông vào mùa lũ thường rất thấp: độ trong sông Hồng vào mùa lũ chỉ 10-20 cm

32

2.2 Chế độ nhiệt

2.2.1 Biến động nhiệt độ nước

• Ở các thuỷ vực nội địa, qui luật biến đổi nhiệt độ nước theo mùa phức tạp hơn so với đại dương

• Các thuỷ vực ôn đới có chế độ nhiệt độ nước bề mặt dao động trong khoảng 0-25°C Ở các thuỷ vực nhiệt đới, nước bề mặt có nhiệt độ dao động trong khoảng 20-35°C Ở ruộng cấy lúa vùng nhiệt đới, nhiệt độ nước có thể lên tới 40°C

• Biến đổi nhiệt độ nước theo mùa phụ thuộc rất nhiều vào biến đổi nhiệt độ không khí theo mùa

• Dao động nhiệt hằng năm của các thuỷ vực nội địa không lớn: không quá 30-35°C

• Biên độ nhiệt độ nước ở thuỷ vực nội địa khá lớn: từ –7 tới 75°C (hồ có hàm lượng muối khoáng cao) đến 96,3°C (suối nước nóng)

• Chế độ nhiệt của nước trong thuỷ vực biến đổi theo ba nhân tố chủ yếu: vĩ độ, mùa vụ và độ sâu.

2.2.2 Sự phân tầng nhiệt độ và việc phân loại hồ

• Sự phân tầng nhiệt là hiện tượng vật lý quan trọng nhất trong chu trình hằng năm của các loại hình thủy vực, đặc biệt thủy vực dạng hồ

• Nhiệt độ làm giảm tỷ trọng của khối nước mặt Nếu thủy vực đủ sâu thì sự phân tầng trong mùa hè tạo ra khối nước

ấm, nhẹ ở trên gọi là tầng nước mặt (epilimnion), khối nước lạnh có tỷ trọng cao hơn ở phía dưói gọi là tầng đáy (hypolimnion), và khối nước chuyển tiếp giữa hai tầng trên gọi là tầng giữa (metalimnion) Vùng nước có sự biến đổi đột ngột về nhiệt độ được gọi là tầng biến nhiệt (thermocline)

• Sự chênh lệch nhiệt độ khoảng 10°÷15°C (ôn đới); từ 3°÷7°C (nhiệt đới)

• Forel đã phân chia các thuỷ vực dạng hồ thành ba nhóm: 1) Hồ nóng có nhiệt độ nước luôn luôn > 4°C, phân tầng thuận 2) Hồ ấm: mùa hè > 4°C, mùa đông < 4°C phân tầng thuận nghịch 3) Hồ lạnh có nhiệt độ nước < 4°C, phân tầng nghịch

34

Phân tầng mùa hè

Phân tầng mùa đông

Hồ Hoà Bình

Hutchinson và Loffer (1956) lại phân chia thuỷ vực dạng hồ chi tiết hơn:

• Hồ xáo trộn hoàn toàn (holomitic) có sự pha trộn từ trên bề mặt tới tận đáy, không có hiện tượng phân tầng xảy ra.

• Hồ quá sâu đến mức không có đủ năng lượng để vượt qua sự phân tầng, làm xáo động từ trên tầng mặt xuống dưới đáy thì gọi là hồ

meromictic

• Hồ vùng cực (Amictic): quanh năm đóng băng, nhiệt độ nước < 4° C và không bao giờ xáo trộn.

• Hồ đơn chu kỳ (Monomictic) chỉ có một thời kì xáo trộn

- Hồ đơn chu kỳ lạnh (Cold monomictic): nước < 4° C, chu chuyển nước hoàn toàn vào mùa hè (hồ vùng cực và cận cực)

- Hồ đơn chu kỳ ấm (Warm monomictic): nước > 4° C, chu chuyển nước hoàn toàn vào mùa đông (hồ cận nhiệt đới) Các hồ Ba Bể với độ sâu lớn

và các hồ chứa ở phía Bắc Việt Nam được xếp vào loại hồ đơn chu kỳ ấm này.

• Hồ hai kỳ (Dimictic): xáo trộn hai lần: vào mùa thu, mùa xuân Chúng bị băng bao phủ vào mùa đông và có thể có sự phân tầng đảo ngược

(nhiệt độ tầng dưới cao hơn tầng mặt) Nhiệt độ nước trên dưới 4 ° C Sự xáo trộn hoàn toàn chỉ xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn giữa thời

kì một lần vào mùa thu trước khi băng phủ và một lần vào mùa xuân khi băng tan (hồ ôn đới)

• Hồ ít pha trộn (Oligomictic): nhiệt độ nước > 4° C rất nhiều, chu chuyển nước không hoàn toàn và không đều (hồ nhiệt đới)

• Hồ đa chu kỳ (polymictic) là loại hồ nông, vì vậy chúng xáo trộn hàng ngày hoặc vài ngày một lần diễn ra trong cả năm Nhiệt độ nước > 4° C, chu chuyển nước hoàn toàn thường xuyên (hồ núi cao nhiệt đới).

36

Phân tầng ô xy mùa hè ở hồ Hoà Bình

Phân tầng ô xy mùa đông ở hồ Hoà Bình

2.3 Chế độ khí của thuỷ vực nước đứng

Sự suy giảm ô xy tầng đáy chủ yếu là kết quả của các quá trình sinh hoá, khoáng hoá vật chất hữu cơ diễn ra ở đây dưới tác động của các nhóm vi sinh vật

Nghiên cứu mới đây của nhà

hải dương học thuộc Trung tâm

Quốc gia Nghiên cứu Khí

quyển (Mỹ) Matthew Long chỉ

ra rằng việc các đại dương bị

mất oxy do biến đổi khí hậu có

thể gây ra những nguy cơ nhất

định

Những nguy cơ này có khả

năng sẽ lan rộng vào năm 2030

hoặc 2040.

Sơ đồ sự mất oxy trong các đại dương38

Chất dinh dưỡng Giá trị tiêu biểu (mg/l) Dãy biến động

Nước mềm hoặc cứng được xác định bởi tính chất đất đá vùng lưu vực

- Nước cứng do giàu can xi, các bon nát, ma nhê và sul phát (thuỷ vực thường giàu dinh dưỡng)

- Nước mềm hoặc nước bị a xít là nước có ít các chất trên (thuỷ vực nghèo dưỡng)

2.6 Thời gian thay mới nước của hồ

• Thời gian thay nước (water renewal) thường được tính bằng năm

• Các hồ ở vùng có lượng mưa nhiều được thay nước mới nhanh hơn so với hồ ở vùng khô hạn

• Thời gian thay mới nước của một hồ nhỏ trên một dòng sông lớn chỉ mất một vài giờ trong khi với hồ lớn thời gian thay mới nước phải tới hàng trăm năm, thậm chí tới hàng nghìn năm đối với các vùng lòng hồ kín như đại dương hoặc các hồ nước mặn ở vùng khô hạn mà ở đó, sự bốc hơi nước là cơ chế chính làm mất nước

• Các hồ có thời gian thay nước nhanh thì ít biến đổi thành phần hoá học, hàm lượng các chất hoà tan chỉ cao gấp hai hoặc

ba lần kết tủa Trong khi các hồ ít hoặc không có dòng chảy ra, ở đó nước chỉ trao đổi bởi sự bốc hơi nước (các chất hoá học bị cô đặc lại)

• Thời gian thay mới nước cũng là một nhân tố quan trọng điều chỉnh mức độ các chất gây ô nhiễm xâm nhập vào thuỷ vực

40