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)

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HẢI DƯƠNG HỌC
***

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


VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HẢI DƯƠNG HỌC
***

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
Mã số: 62 42 50 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Bùi Hồng Long
2. PGS.TSKH. Nguyễn Tác An

NHA TRANG, 2012


-i-

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


-ii-

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.


-iii-

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.


-iv-

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


-v-

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


-vi-

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


-vii-

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
ĐVN
ECOHYM

ECOHAM

Mùn bã hữu cơ lơ lửng (detritus)
Động vật nổi
Tên một mô hình sinh thái (Ecological Connectivity
Hypoxia Model)
Tên một mô hình sinh thái Biển Bắc (ECOlogical North Sea
Model, HAMburg)

ECOSMO

Tên một mô hình hệ sinh thái tích hợp (ECOSystem MOdel)

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
GETM

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
Tên một mô hình vận chuyển cửa sông tổng quát (General
Estuarine Transport Model)


-viii-

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
IBMs

LOBSTER

Tên một mô hình thềm đại dương (HAMburg Shelf Ocean
Model)
Tên mô hình phát triển cá thể (Individual Based Model)
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

NPZD

Tên một mô hình sinh thái Na Uy (Norwegian Ecological
Model System)
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

-ix-

phủ Na Uy
OPA

Tên một mô hình hoàn lưu (Ocean Parallelise Model)

Pd

Tảo si líc (Diatom)

Pf

Tảo roi (Flagellates)

PELAGOS

PISCES
POC
POL3dERSEM

Tên

một

mô

hình

sinh

địa

hóa

biển (PELAgic

biogeochemistry for Global Ocean Simulations)
Tên một mô hình hệ sinh thái biển (Pelagic Iteraction
Scheme for Carbon and Ecosystem Studies)
Các bon hữu cơ lơ lửng (Particulate Organic Carbon)
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)


-x-

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


-xi-

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


-xii-

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


-1-

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


-2-

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,


-3-

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.


-4-

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:


-5-

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.


-6-

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:
1.1.2.1. Hệ phương trình toán
Hệ phương trình toán (mathematical equations) thường được dùng để
biểu diễn các quá trình: vật lý, hóa học và sinh học trong hệ sinh thái. Quan
hệ giữa các hàm lực (hàm điều khiển) và các biến trạng thái được thể hiện

bằng tập hợp các phương trình trong mô hình. Một tập hợp phương trình có
thể được sử dụng để miêu tả trong các hệ thống khác nhau và ngược lại, trong
cùng điều kiện có thể dùng các tập hợp phương trình khác nhau. Sở dĩ có thực
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,


-7-

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


-8-

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 -


-9-

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


-10-

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


-11-

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