Tổng quan nghiên cứu

Nguồn lợi sinh vật biển đóng vai trò then chốt trong chiến lược phát triển kinh tế biển và bảo đảm an ninh lương thực quốc gia. Tại Vịnh Bắc Bộ, cá nổi nhỏ chiếm trên 83% tổng trữ lượng hải sản và là đối tượng khai thác chủ lực của ngư dân các tỉnh phía Bắc. Theo thống kê của ngành thủy sản, sản lượng đánh bắt cá biển tại khu vực phía tây vịnh liên tục tăng trưởng mạnh mẽ, từ mức 191.700 tấn vào năm 2005 lên 253.300 tấn vào năm 2010 và đạt 268.200 tấn vào năm 2011. Trong giai đoạn 2010 - 2011, sản lượng khai thác cá nổi nhỏ riêng vùng biển này đã chạm ngưỡng 210.000 đến 223.000 tấn mỗi năm. Sự gia tăng cường lực khai thác cùng sự hiện diện của hơn 89% loài cá có nguồn gốc nhiệt đới kích thước nhỏ dưới 200 mm đặt ra yêu cầu cấp thiết phải đánh giá chính xác trữ lượng nhằm ngăn chặn tình trạng suy kiệt tài nguyên.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hải dương học của tác giả Nguyễn Thị Hương Thảo tập trung giải quyết bài toán định lượng trữ lượng và khả năng khai thác nguồn lợi cá nổi nhỏ tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ diện tích khoảng 126.000 hải lý vuông, giới hạn từ đường bờ biển đến vĩ tuyến 16,5 độ Bắc và kinh tuyến 110 độ Đông, bao gồm 4 phân vùng chính: vùng bờ tây, vùng bờ đông, khu vực cửa vịnh và vùng đánh cá chung Việt Nam - Trung Quốc. Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học về dòng năng lượng sinh thái từ sản xuất sơ cấp đến bậc cá nổi nhỏ, tạo tiền đề xây dựng bản đồ ngư trường phục vụ công tác quản lý tài nguyên biển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết cân bằng sinh thái và dòng chuyển hóa năng lượng trong chuỗi thức ăn biển nhiệt đới do Odum khởi xướng, kết hợp mô hình động lực học cạnh tranh quần thể sinh vật nổi biển của Volterra mở rộng. Quá trình truyền năng lượng được mô hình hóa qua 4 mắt xích dinh dưỡng liên hoàn: năng lượng bức xạ mặt trời, thực vật nổi (bậc sản xuất sơ cấp), động vật nổi (bậc sản xuất thứ cấp) và cá nổi nhỏ (bậc tiêu thụ bậc cao chuyên ăn sinh vật nổi).

Hệ thống phương trình vi phân mô tả biến động sinh khối xét đến các hệ số đồng hóa thức ăn tự nhiên đạt mức 0,6, hệ số chọn lọc thức ăn 0,5, tỷ lệ carbon hữu cơ chiếm 40% trọng lượng chất khô và 6% trọng lượng chất tươi. Năng lượng tích lũy trong mỗi miligram carbon được xác định bằng hằng số 9,375 calo, liên kết chặt chẽ với quy luật bảo toàn tỷ lệ hiệu suất sinh thái giữa các bậc dinh dưỡng kế tiếp trong cột nước quang hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán học PLAMOD3D giải hệ phương trình vi phân động lực học bằng phương pháp Runge - Kutta bậc 4 ở trạng thái dừng với bước tính thời gian 0,01 ngày và chuẩn sai hội tụ dừng đạt mức 10 mũ trừ 9. Lưới tính toán không gian được thiết lập chi tiết với độ phân giải 0,25 độ kinh vĩ trên toàn bộ diện tích Vịnh Bắc Bộ với 5 tầng độ sâu tiêu chuẩn: tầng mặt, 10 mét, 20 mét, 30 mét và 50 mét đến giới hạn bức xạ quang hợp 125 mét.

Dữ liệu đầu vào sử dụng chuỗi số liệu nhiệt độ 3D trung bình tháng, độ sâu địa hình đáy biển và trường bức xạ mặt trời tự nhiên với giá trị biến thiên từ 0,4073 đến 0,5473 cal/cm2/phút, trung bình toàn vùng đạt 0,4910 cal/cm2/phút cùng số giờ nắng trung bình 8 giờ mỗi ngày. Việc lựa chọn phương pháp chuyển hóa năng lượng sinh thái giúp khắc phục nhược điểm tốn kém chi phí khảo sát thực địa của phương pháp dò âm đa tần và hạn chế sai số không gian của phương pháp diện tích lưới kéo truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể về sinh khối và trữ lượng cá nổi nhỏ theo không gian và thời gian:

  • Đặc trưng sản xuất sơ cấp: Sinh khối thực vật nổi tầng mặt trong vụ cá nam đạt giá trị trung bình 733 mg-tươi/m3 (biến thiên 677 - 742 mg-tươi/m3), cao hơn 16,3% so với vụ cá bắc đạt 630 mg-tươi/m3 (biến thiên 322 - 734 mg-tươi/m3). Năng suất sơ cấp tinh tháng 7 đạt mức cực đại 68 đến 74 mgC/m3/ngày tại khu vực trung tâm vịnh, trong khi tháng 1 chỉ dao động trong khoảng 45 đến 68 mgC/m3/ngày.
  • Đặc trưng sản xuất thứ cấp: Quần thể động vật nổi phát triển mạnh nhất ở tầng sâu 20 mét với sinh khối trung bình vụ nam đạt 84 mg-tươi/m3 và vụ bắc đạt 78 mg-tươi/m3, vượt trội so với tầng mặt (67 đến 70 mg-tươi/m3). Năng suất thứ cấp toàn cột nước tháng 7 đạt 0,6 đến 0,9 mgC/m3/ngày, tập trung cao ở các vùng nước khơi.
  • Hiệu suất chuyển hóa năng lượng: Vào tháng 1 mùa đông, có 1,18% năng lượng bức xạ mặt trời được tích lũy vào sản phẩm sơ cấp, 1,14% năng lượng thực vật nổi chuyển sang động vật nổi và 2,3% năng lượng động vật nổi được tích lũy vào cá nổi nhỏ, đưa tổng tỷ lệ tích lũy đạt 3,68 nhân 10 mũ trừ 4 phần trăm. Vào tháng 7 mùa hè, tỷ lệ tích lũy tổng cộng đạt 2,45 nhân 10 mũ trừ 4 phần trăm.
  • Phân bố sinh khối và trữ lượng cá nổi nhỏ: Sinh khối cá nổi nhỏ đạt giá trị cao từ 1.800 đến 2.400 tấn/ô lưới vào các tháng 4, 7 và 10, tập trung cực đại 2.400 tấn/ô lưới tại vùng đánh cá chung. Năng suất khai thác cho phép trung bình tháng đạt mức cao nhất vào tháng 7 với 250 đến 270 tấn/ô lưới/tháng tại vùng đánh cá chung và 200 đến 270 tấn/ô lưới/tháng trên toàn vịnh.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu phản ánh quy luật chi phối mạnh mẽ của cơ chế hoàn lưu gió mùa Đông Bắc và Tây Nam lên nhiệt độ và động lực dinh dưỡng biển. Trong mùa đông, gió mùa Đông Bắc gây xáo trộn cột nước mạnh làm nhiệt độ tầng mặt hạ thấp xuống 18 đến 24 độ C, đẩy sinh khối thực vật nổi dạt về phía nam vịnh (ven bờ Hà Tĩnh - Quảng Bình đạt trên 2.100 tấn cá/ô lưới). Ngược lại, vào mùa hè, bức xạ mặt trời cao cùng nền nhiệt độ 29 đến 30,5 độ C kích thích chuỗi sản xuất sinh học bùng nổ tại khu vực trung tâm vịnh.

Số liệu tính toán được minh chứng trực quan thông qua chuỗi bản đồ phân bố 2D theo lưới 0,25 độ kinh vĩ và các bảng thống kê đa tầng. Khi đối chiếu với các công bố của Viện Nghiên cứu Hải sản ước tính trữ lượng 433.100 tấn và khả năng khai thác 216.500 tấn/năm, kết quả từ mô hình chuyển hóa năng lượng cho thấy sự tương đồng cao về độ tin cậy, đồng thời cung cấp thêm bức tranh chi tiết về biến động sản lượng cho phép theo từng tháng và từng tọa độ ngư trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá trữ lượng sinh học, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa hoạt động khai thác hải sản:

  • Kiểm soát hạn ngạch khai thác: Cục Thủy sản chủ trì ban hành hạn ngạch đánh bắt cá nổi nhỏ cho vùng biển phía tây Vịnh Bắc Bộ ở ngưỡng an toàn 210.000 đến 215.000 tấn/năm trong giai đoạn 2024 - 2026, nhằm ngăn ngừa triệt để nguy cơ suy giảm sinh khối đàn cá bố mẹ.
  • Phân vùng cấm đánh bắt theo mùa: Chi cục Thủy sản các tỉnh từ Quảng Ninh đến Quảng Trị thiết lập vùng bảo vệ nguồn lợi ven bờ tại dải độ sâu dưới 20 mét từ tháng 3 đến tháng 5 hàng năm, duy trì mật độ sinh khối cá giống trên 2.000 tấn/ô lưới và xử lý nghiêm các ngư cụ mang tính hủy diệt.
  • Nâng cấp mô hình dự báo ngư trường: Viện Nghiên cứu Hải sản ứng dụng nâng cấp mô hình PLAMOD3D lên độ phân giải không gian 0,1 độ kinh vĩ, tích hợp dữ liệu viễn thám nhiệt độ bề mặt biển và diệp lục tố nhằm cung cấp bản đồ dự báo ngư trường định kỳ 7 ngày một lần cho ngư dân trong giai đoạn 2025 - 2027.
  • Tái cơ cấu đội tàu đánh bắt xa bờ: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phê duyệt đề án chuyển dịch 25% cường lực tàu cá từ vùng lộng ra vùng đánh cá chung và vùng ngoài cửa vịnh tại độ sâu từ 50 đến 100 mét, nâng cao tỷ trọng khai thác các tháng 7 và 10 đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về thủy sản: Cục Thủy sản và Sở Nông nghiệp các tỉnh ven biển sử dụng số liệu hạn ngạch và bản đồ mùa vụ để cấp phép khai thác, phân bổ chỉ tiêu tàu thuyền và xây dựng chính sách phân vùng biển hợp lý.
  • Các viện và trung tâm nghiên cứu hải dương: Các nhà khoa học chuyên ngành sinh thái biển và khí tượng thủy văn sử dụng mô hình PLAMOD3D làm tài liệu tham khảo chuẩn để phát triển các mô hình tương tác đa loài và nghiên cứu biến đổi dòng năng lượng sinh thái.
  • Hợp tác xã và doanh nghiệp khai thác thủy sản: Các chủ đội tàu đánh bắt xa bờ khai thác thông tin về tọa độ phân bố sinh khối cực đại theo từng tháng (đặc biệt là các ô lưới đạt 250 - 270 tấn/tháng trong vụ hè) để lập lộ trình vươn khơi, tiết kiệm 15 đến 20% chi phí nhiên liệu.
  • Giảng viên và học viên cao học: Giảng viên, nghiên cứu sinh ngành Hải dương học, Quản lý tài nguyên biển tại các trường đại học sử dụng luận văn làm học liệu mẫu mực về phương pháp giải phương trình vi phân và tính toán tích phân cột nước.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp chuyển hóa năng lượng có điểm vượt trội gì so với phương pháp dò âm thủy sản?
Phương pháp chuyển hóa năng lượng định lượng trữ lượng dựa trên chuỗi thức ăn sinh thái tự nhiên từ bức xạ mặt trời đến sinh vật nổi, giúp đánh giá sức tải sinh học dài hạn trên diện tích rộng 126.000 hải lý vuông mà không bị hạn chế bởi vùng nước nông hay chi phí thuê tàu khảo sát đắt đỏ như phương pháp thủy âm.

Vì sao năng suất cá nổi nhỏ trong mùa gió Tây Nam lại cao hơn mùa gió Đông Bắc?
Trong vụ cá nam (mùa hè), cường độ bức xạ mặt trời đạt trung bình 0,5473 cal/cm2/phút và nhiệt độ nước tầng mặt đạt 29 đến 30,5 độ C, tạo điều kiện quang hợp tối ưu giúp sinh khối thực vật nổi tăng vọt lên 733 mg-tươi/m3, kéo theo sự gia tăng năng suất thứ cấp và thức ăn dồi dào cho cá nổi.

Khu vực nào tại Vịnh Bắc Bộ có mật độ sinh khối cá nổi nhỏ tập trung cao nhất?
Mật độ sinh khối cá nổi nhỏ tập trung cao nhất tại vùng đánh cá chung Việt Nam - Trung Quốc và dải ven biển Hà Tĩnh đến Quảng Trị, đạt ngưỡng từ 2.100 đến 2.400 tấn/ô lưới trong các tháng chuyển mùa (tháng 4) và chính vụ cá nam (tháng 7 và tháng 10).

Tại sao sinh khối động vật nổi lại đạt giá trị cực đại ở tầng sâu 20 mét thay vì tầng mặt?
Tầng mặt có cường độ chiếu sáng và nhiệt độ cao vượt ngưỡng thích nghi đồng hóa tối ưu của nhiều loài động vật phù du (25 đến 30 độ C). Tầng 20 mét có môi trường nhiệt ẩm ổn định và nguồn thực vật nổi lắng đọng phong phú, giúp sinh khối động vật nổi đạt đỉnh 84 đến 88 mg-tươi/m3.

Sản lượng khai thác cá nổi nhỏ hiện nay tại Vịnh Bắc Bộ đã chạm ngưỡng giới hạn an toàn chưa?
Sản lượng khai thác cá nổi nhỏ ở nửa tây vịnh những năm gần đây đã đạt mức 210.000 đến 223.000 tấn/năm, tiệm cận rất sát khả năng khai thác tối đa cho phép là 216.500 tấn/năm do Viện Nghiên cứu Hải sản công bố, báo hiệu nguy cơ quá tải sinh thái nếu không kiểm soát cường lực đánh bắt.

Kết luận

  • Luận văn tiên phong ứng dụng thành công mô hình chuyển hóa năng lượng PLAMOD3D để định lượng trữ lượng và khả năng khai thác cá nổi nhỏ tại Vịnh Bắc Bộ.
  • Xác lập bức tranh phân bố chi tiết của thực vật nổi và động vật nổi qua 5 tầng nước, chứng minh vụ cá nam có năng suất sinh học vượt trội so với vụ cá bắc.
  • Làm rõ quy luật tích lũy năng lượng sinh thái với hiệu suất chuyển hóa đạt từ 2,45 đến 3,68 nhân 10 mũ trừ 4 phần trăm từ bức xạ mặt trời sang sinh khối cá.
  • Cung cấp cơ sở định lượng về phân bố sinh khối đạt đỉnh 2.400 tấn/ô lưới tại vùng đánh cá chung, phục vụ công tác quy hoạch phân vùng đánh bắt.
  • Đề xuất khung giải pháp quản lý nghề cá theo mùa vụ và tọa độ không gian với lộ trình áp dụng công nghệ dự báo số trị từ nay đến năm 2030.

Nghiên cứu là tài liệu tham khảo khoa học giá trị cao dành cho các nhà hoạch định chính sách, viện nghiên cứu và doanh nghiệp thủy sản trong nỗ lực bảo tồn và khai thác bền vững tài nguyên biển Việt Nam. Hãy kết nối và ứng dụng ngay các kết quả mô hình hóa sinh thái để nâng cao hiệu quả quản trị nghề cá thời kỳ mới!