1
Đánh giá quá trình sản xuất sơ cấp và hiệu quả
sinh thái vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Nguyễn Ngọc Tiến

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học
Luận văn Thạc sĩ ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đoàn Văn Bộ
Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Giới thiệu điều kiện tự nhiên vùng biển nghiên cứu và năng suất sinh học
sơ cấp trong biển. Nghiên cứu, ứng dụng mô hình chu trình chuyển hóa Nitơ cho
vịnh Bắc Bộ. Xác định quá trình sản xuất sơ cấp cho vùng biển vịnh Bắc Bộ trung
bình tháng và các tầng sâu chuẩn. Xác định hiệu quả sinh thái và diễn giải phân tích
chi tiết. Phân tích, đánh giá các kết quả thu được.

Keywords. Hải dương học; Quá trình sản xuất; Sinh thái biển; Vịnh Bắc bộ

Content
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận văn
Nghiên cứu năng suất sinh học ở các vực nước ven bờ nhằm giải quyết, một mặt đánh
giá khả năng sản xuất sơ cấp cũng như cường độ vận động và chuyển hoá năng lượng theo
các kênh dinh dưỡng, hai là, tìm hiểu các quá trình sản xuất thứ cấp, đặc biệt là đối với các
đối tượng hải sản có giá trị kinh tế. Đó là những thông số quan trọng phục vụ việc nghiên cứu
đánh giá các nguồn lợi sinh vật, phục vụ việc định hướng quy hoạch khai thác và sử dụng các
vực nước hợp lý và cuối cùng là phục vụ cho công tác đánh giá và quản lý chất lượng môi
trường biển.

Vịnh Bắc Bộ là một trong những vịnh lớn ở Đông Nam Á và Thế giới, vịnh có diện tích
khoảng 126.250 km
2
(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

Hình 1: Vùng biển nghiên cứu
3
cửa chính của cửa 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, đặc biệt
có đảo Bạch Long Vĩ nằm cách đất liền Việt Nam khoảng 110 km, cách đảo Hải Nam. 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.

(mgC/m3/ngày)

Phương pháp
nghiên cứu

Nguồn, thời
gian nghiên cứu
Mùa
hè
Mùa
đông
Ven bờ tây bắc vịnh
121
Độ lệch biến
Hợp tác Việt-
4
Ven bờ tây nam vịnh
105
trình ngày Ôxy
hoà tan
Trung, Việt-Xô
điều tra VBB
1959-1962
Ven bờ đông vịnh
108
Cửa vịnh
81
Lân cận cửa sông Hồng, mùa hè
120


Bình đen trắng
Đề tài KĐL-CIS-
01 (8/2000)
Đông nam đảo Cát Bà, mùa đông

146
Đề tài KĐL-
CIS-01
(12/2001)
Vùng biển ven bờ Quảng Ninh (độ
sâu <10m) mùa hè
228
Mô hình toán
Đề tài KĐL-CIS-
01 (8/2001)
Vùng biển thoáng Quảng Ninh mùa
hè (độ sâu 10-35m)
194

Đề tài KĐL-
CIS-01 (8/2000)
Vùng biển thoáng Quảng Ninh mùa
đông (độ sâu 10-35m)

82
Đề tài KĐL-
CIS-01

) = B (t
2
) - B(t
1
) + R
5
Ở đây: P(t
1
-t
2
) – sản lượng sinh vật trong khoảng thời gian t
1
-t
2
; B (t
2
) và B(t
1
) - khối lượng
sinh vật tại thời điểm t
2
và t
1
; R – khối lượng (sản lượng) sinh vật đã bị hao hụt trong
khoảng thời gian t
1
-t
2
:
B(t

Trong đó: P
N
- là NSSH sơ cấp tinh, P
G
- là NSSH sơ cấp thô, P
R
- là phần chất hữu cơ
được thực vật quang hợp sử dụng trong hô hấp.
Một số phương pháp đo và tính năng suất sinh học sơ cấp
- Phương pháp đồng vị phóng xạ
- Phương pháp xác định hàm lượng sắc tố quang hợp
- Phương pháp bình sáng – tối
- Phương pháp mô hình hóa hệ sinh thái
Chương 2: Áp dụng mô hình chu trình chuyển hóa NiTơ trong hệ sinh thái biển để tính
toán năng suất sinh học sơ cấp và hiệu quả sinh thái vùng biển vịnh Bắc Bộ
2.1. Sơ đồ chu trình chuyển hóa NiTơ trong hệ sinh thái biển
Mô hình chu trình chuyển hoá Nitơ trong hệ sinh thái biển được biểu diễn trên sơ đồ
hình 2 ZOO
4
PHY
DOM


6

Các quá trình chuyển hoá vật chất trong chu trình Nitơ (ký hiệu từ số 1 đến 9 trên sơ đồ)
đợc diễn tả nh sau:
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 1: Quang hp ca Phytoplankton.
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 2: Hụ hp ca Phytoplankton.
Qỳa trỡnh chuyn hoỏ 3: Dinh dng ca Zooplankton.
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 4: Hụ hp ca Zooplankton.
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 5 v 6: Cht t nhiờn ca qun th Phytoplankton v Zooplankton.
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 7: Khoỏng hoỏ cht hu c.
Quỏ trỡnh chuyn hoỏ 8 - m hoỏ (Nitrification) v quỏ trỡnh chuyn hoỏ 9 - Phi m hoỏ
(Denitrification).
2.2. Mụ phng toỏn hc chu trỡnh chuyn húa NiT
2.2.1. Mụ phng toỏn hc cỏc quỏ trỡnh chuyn húa
Theo nguyờn lý bo ton, tc ton phn bin i sinh khi hoc nng ca mt
hp phn sinh, hoỏ hc no ú chớnh l tng i s tc cỏc quỏ trỡnh sn sinh lm tng
(ngun-Production) v phõn hu lm suy gim (phõn hu-Destruction) nng hoc sinh
khi ca hp phn ú. Gi C
i
l nng (hoc sinh khi) ca hp phn i, Prod
i
, Dest
i
tng
ng l tc cỏc quỏ trỡnh lm tng v lm gim nng (hoc sinh khi) ca hp phn, ta
cú:

ii
Destod Pr















(2)
PHYFZOO
PHYC
PHY
PHYFDest
D
P
P
Z
P
N
P
PHY
.
.
.

- hệ số bán bão hoà hàm lượng thức ăn; F
P
D
-
tốc độ riêng chết tự nhiên của PHY. Ở đây tốc độ riêng của các quá trình được hiểu là tốc độ
biến đổi của một đơn vị sinh khối (hoặc nồng độ) hợp phần.
Các hàm Prod và Dest đối với Zooplankton (ZOO):
ZOO
PHYC
PHY
Xod
P
Z
P
P
ZOO



)1(Pr
(4)
ZOOFFDest
D
Z
A
Z
ZOO
)( 
(5)
Trong đó X



(6)
DOMFDest
A
D
DOM
.
(7)
Trong đó: F
D
A
là tốc độ riêng phân huỷ chất hữu cơ thành Amoni:
)20(
1
.


T
T
A
D
A
D
KF


ở đây
A
D





)().(
(9)
Trong đó 
AMO
là

tỷ lệ của Amoni trong phần Nitơ vô cơ của sản phẩm hô hấp của
Phytoplankton, F
A
N
là tốc độ riêng đạm hoá chuyển Amoni thành Nitrat
Các hàm Prod và Dest đối với Nitrat (NIT):
PHYFAMOFod
N
PNIT
N
A
NIT

Pr
(10)
8
NITFPHYAMOExp
NITC
NIT
LiLDest

= A
i
– R
i

trong đó P là năng suất, A - đồng hoá và R - hô hấp.

Nếu i là bậc sơ cấp (thực vật) thì nguồn năng lượng nhập vào (P
i-1
) chính là năng lượng
bức xạ quang hợp, do vậy A
i
được gọi là năng suất thô và P
i
là năng suất tinh (hay năng suất
nguyên).
Quá trình sản xuất sơ cấp của quần thể Phytoplankton
Khối lượng gia tăng của quần thể Phytoplankton trong một đơn vị thời gian thực hiện
quang hợp (thường tính trong 1 ngày) chính là năng suất sinh học sơ cấp thô (Rough primary
productivity).
Năng suất sơ cấp tinh (P
TINH
) của quần thể Phytoplankton được biểu diễn bằng hiệu của
lượng sản phẩm thô và sản phẩm hô hấp của quần thể. Đây là phần vật chất (năng lượng) còn
lại được tích luỹ trong sản phẩm của Phytoplankton để các bậc dinh dưỡng kế tiếp, trước hết
là Zooplankton sử dụng theo các kênh dinh dưỡng trong hệ sinh thái vùng biển.
P

i
: Đồng hoỏ
R
i
: Hô hấp P
i
: Năng suất
NU
i
: Không đồng hoá
P
i-1
:

Năng suất của bậc trước (i-1)
N
i-1
: Thất thoát trước khi vào bậc i
N
i-1
P
i-1
B
i
NU
i9
P

/R
ZOO
(23)
2.2.3. Các thông số sử dụng trong mô hình
Các thông số của mô hình là các giá trị hằng số áp dụng cho vùng biển nghiên cứu,
được xác định trước bằng các phương pháp khác nhau, chủ yếu từ các nghiên cứu thực
nghiệm. Trong phần nghiên cứu này, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và đã công bố của
phó GS.TS Đoàn Văn Bộ, chúng tôi đã đưa vào mô hình các thông số (trừ các hằng số thiên
văn) áp dụng tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ.
2.3. Phương pháp giải mô hình
Mô hình toán chu trình chuyển hoá Nitơ được viết lại ở dạng tổng quát sau:
ii
i
Destod
dt
dC
 Pr
(24)
Với i=1…5 tương ứng là 5 hợp phần của chu trình Nitơ. Đây là hệ phương trình vi phân
thường gồm 5 phương trình, có thể giải bằng nhiều phương pháp, ở đây chọn phương pháp
Runger Kuta với điều kiện ban đầu:
C
i
(t=t
0
) = C
i*
(biết trước) (25)
Kết quả của mô hình (24) với điều kiện (25) cho ta biến động theo thời gian của sinh
khối, hàm lượng các hợp phần, cùng năng suất sinh học sơ cấp, thứ cấp và các hiệu quả sinh

- Phân bố theo mặt rộng của tháng 1, tháng 4 , tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m,
tầng 50m
- Phân bố theo thời gian của 12 tháng tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m
3.1.2. Phân bố động vật phù du
- Phân bố theo mặt rộng của tháng 1, tháng 4 , tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m,
tầng 50m
- Phân bố theo thời gian của 12 tháng tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m
3.1.3. Phân bố Năng suất tinh
- Phân bố theo mặt rộng của tháng 1, tháng 4 , tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m,
tầng 50m
- Phân bố theo thời gian của 12 tháng tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m
3.1. 4. Phân bố Năng suất thô
- Phân bố theo mặt rộng của tháng 1, tháng 4 , tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m,
tầng 50m
- Phân bố theo thời gian của 12 tháng tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m
3.1.5. Phân bố Năng suất thứ cấp
- Phân bố theo mặt rộng của tháng 1, tháng 4 , tháng 7, tháng 10 tại tầng mặt, tầng 20m,
tầng 50m
- Phân bố theo thời gian của 12 tháng tại tầng mặt, tầng 20m, tầng 50m
3.2. Kết quả tính toán hiệu quả sinh thái
3.2.1. Hệ số P/B của quần thể Phytoplankton
3.2.2. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng tự nhiên
3.2.3. Hiệu suất tự dưỡng
3.2.4. Hệ số P/B của quần thể Zooplankton
3.2.5. Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng qua hai bậc

Chương 4: Kết luận chung
Mô hình chu trình Nitơ dù còn chưa đầy đủ song đã phản ánh được hầu hết các quá trình
cơ bản, phổ biển diễn ra trong quần thể sinh vật bậc thấp ở biển. Đây là thành công cơ bản
của đề tài, từ đó có thể tiếp tục phát triển mô hình và ứng dụng tại các vùng biển khác của

o
C không thuận lợi cho quang hợp, tại đây sinh khối chỉ đạt cỡ 1055 -
1090 mg tươi/m
3
.
So với các thời kỳ khác trong năm thì mùa đông không phải là thời kỳ phát triển của
thực vật nổi do nhiệt độ nước giảm thấp, cường độ bức xạ không lớn, lượng dinh dưỡng do
các sông tải ra vịnh cũng không nhiều. Đặc biệt, sự giảm thấp của nhiệt độ nước, với dải
nhiệt tương đối rộng (18-23
o
C), là một nhân tố bất lợi cho sự phát triển của thực vật nổi. Đây
là thời kỳ có sinh khối thực vật nổi thấp nhất trong năm.
Sức sản xuất sơ cấp tinh dao động trong khoảng 5 đến 30 mgC/m
3
/ngày trung bình
khoảng 17 mgC/m
3
/ngày (hình 6) đối với lớp nước mặt và 3 đến 30 mgC/m
3
/ngày (hình 8)
đối với lớp nước 20m. Phân bố sức sản xuất sơ cấp ở vùng biển có đặc điểm là khu vực phía
nam (sản phẩm tinh) cao hơn hẳn khu vực phía bắc (hình 6, 8), trong đó khu vực ngoài cửa
vịnh đạt giá trị cao nhất trên 30 mgC/m
3
/ngày đối với sản phẩm tinh.
Đối với sản phẩm thứ cấp (động vật nổi), nét tương đồng giữa bức tranh phân bố sinh
khối và năng suất của chúng thể hiện khá rõ (hình 10, 12, 14, 16) và rất phù hợp với phân bố
của sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi, nhất là đối với sản phẩm tinh. Đây là sự biểu hiện rõ
nhất và đúng quy luật về quan hệ dinh dưỡng bậc thấp ở vùng biển nghiên cứu. Trong đó sinh
12

quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nỗi trong vùng biển nghiên cứu nhất là khu vực
ven bờ tây vịnh Bắc Bộ.
Phân bố sức sản xuất sơ cấp, lượng sản phẩm tinh dao động trong khoảng 32,32 - 33.60
mgC/m
3
/ngày (hình 7, 9) cả tầng mặt và tầng 20 mét nước và tương đối đồng đều, cao hơn
hẳn so với các tháng mùa đông, dao động trong khoảng nhỏ. Điều này liên quan chặt chẽ tới
các điều kiện sinh thái thuận, trong đó lượng dinh dưỡng ở khu vực cửa sông thường cao do
vào các tháng mùa hè là do mùa lũ lượng dinh dưỡng từ các con sông tải ra rất lớn [1, 2].
Sinh khối động vật nổi (hình 11) dao động trong khoảng 427 - 454 mg-tươi/m
3
đối với tầng
mặt và 333 - mg-tươi/m
3
đối với tầng 20 mét nước, năng suất thứ cấp (hình 15, 17) dao động
trong khoảng 6.46 - 6.58 mgC/m
3
/ngày. Đây là những giá trị đặc trưng cho vùng biển nhiệt
đới ven bờ giầu dinh dưỡng và có sức sản xuất sơ cấp cao.

References

1. Nguyễn Tác An, 1980. Sơ bộ nhận xét về năng suất sinh học bậc 1 ở vịnh Bắc Bộ. Tuyển
tập Nghiên cứu biển, tập II, phần 1, Nha Trang, tr. 43-49.
2. Đỗ Trọng Bình, 1997. Kết quả tính toán năng suất sinh học sơ cấp và hiệu quả sinh thái
của thực vật nổi vào mùa khô (tháng 1-1997) tại vịnh Hạ Long. Tài nguyên và Môi
trường Biển, tập IV, NXB KH & KT Hà Nội, Tr.206-213.
3. Đoàn Văn Bộ, 1996. Giáo trình mô hình toán Hệ sinh thái biển. ĐHKHTN, ĐHQG Hà
Nội, lưu hành nội bộ.
13

và những kết quả triển khai tại vịnh Bắc bộ. Báo cáo chuyên đề 3, tài liệu lưu trữ tại Bộ
môn Hải dương học.
14
16. Đề tài – KHCN – 06 – 02: Các kết quả triển khai mô hình 3D kết hợp Thủy nhiệt động
lực và Sinh thái vịnh Bắc Bộ. Báo cáo chuyên đề 4, tài liệu lưu trữ tại bộ môn Hải dương
học.
17. Doan Bo, Liana McManus and others, 1997: Primary productivity of phytoplankton in
study area of RP-VN JOMSRE-SCS 1996. Proceedings: Conference on the Philippines-
Vietnam Joint Oceanographic and Marine Scientific Research Expedition in the South
China Sea 1996, Hanoi, 22-23 April 1997, pp 72-86.
18. Gregoire M.,J-M. Beckers, J.C.J. Nihoul, E. Stanev, Coupled hydrodynamic ecosystem
model of the Black Sea at the basin scale, Sensitivity to Change: Black Sea, Baltic Sea
and North Sea, Ed. by Ozsoy E. and A. Mikaelyan, 1997, pp. 487-499.
19. Walsh J.J. Mc Roy C.P., et al, Carbon and nitrogen cycling within the Bering/Chukchi
Sea: source regions for organic matter affecting AOU demands of the Arctic Ocean,
Progress Oceanography, 1989, pp. 277-359.
20. World Ocean Atlas (WOA- Database). CD-Rom, NOAA, 2009.