26/11/2015

Chu trình chuỗi thực phẩm ở biển

Chuỗi thực phẩm (Food chain) là một mô hình trao đổi năng lượng từ một sinh vật này sang một sinh vật khác. Chuỗi thực phẩm ở đại dương bắt đầu bằng một loại vi thực vật sống tự dưỡng nhờ lục hóa lấy từ ánh sáng mặt trời và khí CO₂ hòa tan trong nước, gồm phiêu-sinh-thực-vật (phytoplankton) và rong tảo. Phiêu-sinh-thực-vật sống nơi có ánh sáng, hạn chế trong vòng 200 m cách mặt biển. Các phiêu-sinh-động-vật (zooplankton) ăn phiêu-sinh-thực-vật. Cả hai nguồn phiêu-sinh này làm thức ăn cho các động vật nhỏ li ti như tép, ruốc (krill), rồi các loại động vật nhỏ này là mồi của cá nhỏ. Cá lớn ăn cá nhỏ, và tiếp tục là mồi của chim biển, rùa, gấu biển, v.v. Mọi động vật và thực vật chết được lắng chìm xuống đáy biển, bị phân hủy thành chất hữu cơ, làm thức ăn cho động vật đáy biển, động vật này là mồi của động vật sống kế bên trên, và tiếp tục thành một chu trình kín. Nếu có dòng nước ngầm trồi lên mặt biển, nước sẽ mang theo khoáng chất và chất hữu cơ ở đáy biển lên mặt biển sẽ làm phiêu-sinh và sinh vật biển sinh trưởng phong phú.

Phần biển ở các cửa sông có khối trầm tích lớn, nơi có dòng hải lưu chảy qua, hay nơi có dòng nước ngầm trồi lên mặt là nơi phong phú thức ăn cho phiêu sinh vật phát triển cũng chính là nơi có nhiều hải sản nhất.

 

Hình 1. Sơ đồ chuỗi thực phẩm ở trên mặt biển trong vòng 200 m sâu.

 

Hình 2. Mô hình chuỗi thực phẩm từ mặt biển đến đáy biển

 

Biến đổi các dòng hải lưu

Nước đại dương đang được đun nóng. Kể từ 1880 đến 1965, nước biển gia tăng nhiệt độ khoảng 0,5 đến 1,0°C tùy nơi. Riêng từ 1980 đến nay, nước mặt đại dương gia tăng +0,5ºC và nước đáy đại dương tăng +0,1ºC.

Nước biển không đứng yên một chỗ như nước trong ao hồ mà lúc nào cũng lưu động, theo chiều ngang và chiều thẳng đứng. Vì ảnh hưởng của gió, các dòng hải lưu trên mặt biển chảy từ xích đạo đến cực mang theo nhiệt lượng chứa trong nước ấm đến vùng lạnh của cực, như Gulf Stream; và các dòng hải lưu ngầm ở đáy biển chảy chiều ngược lại, mang nước lạnh ở cực và trồi lên mặt ở vùng xích đạo, nhờ vậy khí hậu vùng xích đạo mát hơn. Chính dòng hải lưu điều hòa khí hậu toàn cầu, vùng xích đạo mát hơn và vùng cực ấm hơn nếu có các hải lưu chảy qua.

Dòng hải lưu trên mặt đại dương là do gió gây nên, nhưng di chuyển của dòng nước ngầm ở đáy đại dương chi phối bởi nhiệt độ, tỷ trọng nước hay độ mặn.

Tỷ trọng nước biển thay đỗi tùy theo nhiệt độ và chiều sâu. Càng xuống sâu, tỷ trọng nước càng tăng, vì nước lạnh hơn và áp xuất cao. Ở vùng xích đạo, tỷ trọng nước mặt thông thường khoảng 1.020 g/l. Càng xuống sâu tỷ trọng nước càng gia tăng, ở đáy đại dương có thể tới 1.050 g/l, hay hơn nữa.

Nước có tỷ trọng nhỏ nằm bên trên lớp nước có tỷ trọng lớn hơn, như tại cửa sông nước ngọt ở trên mặt, còn nước mặn ở bên dưới. Kết hợp ảnh hưởng của nhiệt (thermo) và độ muối (haline) tạo nên một động lực gây chuyển động dòng nước, gọi là dòng-nhiệt-tỷ-trọng (Thermohaline circulation).

Trên mặt đại dương, gió từ xích đạo (nóng) thổi đến cực (lạnh) tạo dòng hải lưu, như Gulf Stream, mang nước nóng của xích đạo đến vùng lạnh của cực. Trên đoạn đường di chuyển, gió làm nước bốc hơi nên làm nước biển lạnh hơn (evaporation cooling, ngoài ảnh hưởng lạnh của vĩ tuyến), và nồng độ muối gia tăng (vì bốc hơi), nước vì vậy có tỷ trọng lớn dần khi tiến về cực. Ngoài ra, ở cực nước (ngọt) đóng thành băng, nên nước biển bên dưới tảng băng càng chứa rất nhiều muối, tỷ trọng càng cao. Vì vậy, càng đến gần cực, dòng nước ấm từ từ chìm xuống đáy vực đại dương.

Ở đáy biển Bắc Đại Tây Dương, dòng nước ngầm, lạnh và có tỷ trọng lớn, di chuyển về hướng nam rất chậm chạp, chi phối bởi động lực nhiệt-tỷ-trọng. Vận tốc di chuyển của dòng hải-lưu-nhiệt-tỷ-trọng rất chậm, phải mất 1.600 năm mới có thể di chuyển ngầm từ Bắc Đại Tây Dương đến đáy Nam Cực rồi chuyển hướng để nổi lên ở Bắc Thái Bình Dương. Khi trồi lên mặt, dòng hải lưu ngầm mang theo chất khoáng và chất hữu cơ trầm tích ở đáy đại dương lên mặt, là nguồn thức ăn của vi sinh vật (phiêu-sinh) và động vật biển, nên là nơi có nguồn cá biển phong phú và đa dạng những loài cá tôm và động vật biển khác.

Chính các dòng hải lưu là nguồn động lực mang thực phẩm cho động vật biển, nơi nào có nhiều thực phẩm nơi đó có loại động vật biển thích ứng môi trường nơi đó sinh sống. Cá có loài sống nơi nước ấm, có loài nước lạnh, loài sống trên mặt, có loài sống dưới sâu hơn hay tận đáy đại dương.

 

 

Hình 3. Bản đồ các dòng hải lưu trên mặt biển toàn thế giới. Chúng ta thấy hướng di chuyển của hải lưu làm thay đổi nhiệt độ giữa các vùng, màu đỏ là dòng nước ấm, màu lục là dòng nước lạnh. Dòng nước lạnh Peru ngoài khơi phía tây Nam Mỹ (bên trái dưới cùng), còn có tên dòng hải lưu Humboldt, là nơi giàu cá nhất trên thế giới.

 

 

Hình 4. Chi tiết dòng nước ấm Gulf Stream là hải lưu quan trọng nhất ở Bắc Đại Tây Dương, mang ấm áp cho các nơi dòng nước chảy qua như Anh quốc và Bắc Âu.

 

Hình 5. Các dòng hải lưu ở Bắc Thái Bình Dương. Dòng Kuroshio bắt nguồn từ Đài Loan, chảy theo hướng đông bắc dọc Nhật Bản, hợp lưu với dòng hải lưu Bắc Xích Đới để chảy tới vùng duyên hải tây Hoa Kỳ.

 

Cá di chuyển theo khí hậu

Ngoại trừ loài cá bản địa, đa số loài cá ở biển di chuyển theo mùa để tìm chỗ đẻ trứng hay tìm thức ăn. Để tìm chỗ đẻ trứng, có thể chia cá làm 3 loại. Thứ nhất, loại cá biển lội ngược vào sông, suối có nước lợ hay nước ngọt để đẻ, khi thành cá con thì lội trở ra biển. Ví dụ cá hồi (salmon). Loại cá này gọi là “anadromous”. Loại thứ hai, cá nước lợ hay nước ngọt di cư ra biển để đẻ, ấu trùng hay cá con trở về lại sông để sinh sống. Ví dụ cá kèo. Loại cá này gọi là “catadromous”. Loại thứ ba là đẻ ngoài biển và sinh trưởng ngoài biển, có thể ở luôn tại chỗ, có thể di cư đi xa cả chục ngàn cây số. Chẳng hạn ở Bắc Âu, cá herring đẻ trứng ở phía nam Norway, cá con sinh sống ở phía bắc Norway và lớn lên tìm thức ăn ở Iceland, rồi trở về đẻ ở nam Norway.

Tại Biển Đông Việt Nam cá thu (tuna) sống ở nơi có nước trong với độ muối cao 3,2 -3,4%, và nhiệt độ nước  23-31°C, có thể di chuyển xa khoảng 6 – 6,5 vỉ tuyến. Theo nghiên cứu với 8 loài cá thu của Việt Nam, thì chúng đẻ trứng từ tháng 3 đến tháng 9, tập trung nhiều vào tháng 5 -7, chúng có thể đẻ sớm hơn hay trể hơn 2 tháng, tùy điều kiện nhiệt độ nước. Về tính chất di cư, cá thu Việt Nam chia làm hai loại. Loại sống gần bờ và di cư ngắn trong vùng địa phương, và loại sống ngoài đại dương thì di cư rất xa. Loại di cư đường xa có 3 loại là cá ngừ vây vàng (yellow tuna), cá ngừ mắt to (bigeye tuna) và và cá ngừ Nhật (skipjack tuna, Katsuwonus pelamis). Các loại cá thu này sống ngoài đại dương và ờ tầng nước dưới sâu. Đây là những loài cá thu có giá trị. Chúng sinh đẻ ngoài khơi nước Tàu, lớn lên đàn cá di chuyển đến vùng Trường Sa vào tháng 1-2, chúng ở đây một thời gian, rồi chia làm 2 đàn, một đàn di chuyển lên hướng bắc trong tháng 3-4 và ở đó cho tới tháng 8. Một đàn di chuyển về hướng nam đến vịnh Thái Lan. Vì vậy, các tàu đánh cá phải đón đường di chuyển để đánh bắt cá, theo mùa.

Việc biến đổi khí hậu ảnh hưởng nhiều đến điều kiện môi trường sinh đẻ và sinh trưởng, giống nào không thích ứng sẽ tồn vong, giống nào thích hợp điều kiện mới sẽ phát triển mạnh.

Trong đầu thập niên 2000s, các tàu đánh cá vùng biển Celtic ngoài khơi Ái Nhĩ Lan ngạc nhiên thấy một loài cá nhỏ nhiều xương  có tên boarfish (cá mặt-heo-rừng) mắc lưới với số lượng khổng lồ mà trước đây chưa hề thấy. Họ vứt hết xuống biển chỉ chọn một ít loại cá quí mắc lưới như cá cod, cá hake không còn tồn tại nhiều như trước. Nhưng loại cá boarfish này càng ngày càng đông trong lúc các loại cá quí kia hiếm dần, các tàu đánh cá phải trang bị lại hệ thống lưới nhỏ hơn để đánh bắt boarfish, lấy thịt và dầu cá. Các nhà hải dương học không biết lý do nào làm loại cá này sinh sôi nẩy nở nhanh chóng, trong lúc các loại cá quí kia biến mất, chỉ biết là nhiệt độ vùng biển này ấm hơn trước kia.

Mật độ cá cũng thay đổi theo thời gian. Chẳng hạn cách đây 300 năm, cá sturgeon tràn ngập ngoài khơi Virginia, nhưng ngày nay thì biến mất ở vùng biển này.

Chính các dòng hải lưu làm biến đổi nhiệt độ biển là lý do đàn cá phải di chuyển theo nhiệt độ thích hợp để sinh trưởng, nên tại một địa điểm có khi tràn đầy một giống cá, nhưng có khi lại không còn giống cá này.

Đại dương điều hòa nhiệt độ toàn cầu, nước biển hấp thụ 1/3 khối lượng khí CO₂ do con người thải vào khí quyển bởi đốt nhiên liệu cổ sinh, đồng thời hấp thụ nhiệt làm nước ấm hơn. CO₂ hòa tan nhiều trong nước biển làm gia tăng phiêu-sinh-thực-vật qua lục hóa, là đầu nguồn của dây chuyền thực phẩm. CO₂ cũng làm nước bị bị acit hóa nên cũng ảnh hưởng đến động vật nhiều vôi như ốc sò san hô và tôm. Các nghiên cứu của TS Malin Pinsky và đồng nghiệp ở Đại học Rutgers thuộc New Brunswich ở New Jersy kéo dài trong 40 năm với khoảng 350 loài cá ở Bắc Đại Tây Dương, cho biết 70% loài cá phải di cư, hoặc đến một vùng khác, hoặc phải lặn sâu hơn hay cạn hơn để có nhiệt độ thích hợp khi nhiệt độ nước biển ấm lên do biến đổi khí hậu. TS Ken Able, cũng ở đại học này, nghiên cứu từ 26 năm nay về mật độ ấu trùng cá bằng cách vớt ấu trùng và nghiên cứu cá bơn mùa hè (summer flounder, Paralichthys dentatus), một loài cá rất có giá. Ông và cọng sự viên khám phá thêm rằng cái eo biển vùng New Brunswick là nơi lý tưởng để quan sát sự di cư của loài cá Bắc Đại Tây Dương. Ấu trùng cá di chuyển từ Canada đến vùng Caribbean theo hai dòng nước, dòng Labrador từ mạn bắc và dòng Gulf Stream ở phương nam. Nghiên cứu cho thấy ấu trùng của từng loài thay đổi theo thời gian trong năm. Chẳng hạn khi cá croaker Đại Tây Dương nguồn gốc phía nam (Micropogonias undulatus) (cá nước ấm) chiếm phong phú trong vịnh thì loại cá gốc phương bắc (cá nước vùng lạnh) như cá herring (Clupea harengus) và cá stickleback (Gasterosteus aculeatus) bắt đầu biến mất.

Trong thập niên vừa qua, cá mackerel (Scomber scombrus) vốn là loài cá vùng nước ấm bắt đầu xuất hiện ngoài khơi Iceland vốn là vùng biển lạnh, báo hiệu sự mở rộng phạm vi bành trướng cá nước ấm về phía bắc vốn lạnh lẻo, hiện tượng có liên quan đến nước ấm lan rộng tới vùng này. Năm 2009, Iceland trúng mùa cá mackerel và gây nên “chiến tranh cá” giữa Iceland và Cộng Đồng Âu Châu và Norway, bởi vì theo truyền thống thì Âu Châu có độc quyền đánh cá loài này ở vùng biển ấm, và cho rằng Iceland vi phạm vùng lãnh hải đánh cá của Âu Châu, nhưng sự thật là Iceland đánh cá trong vùng lãnh hải của mình.

Vì khoa học chưa tiên đoán chính xác được vùng biển nào sẽ ấm và loại cá tôm nào sẽ xuất hiện, nên đã gây nhiều bối rối cho kỹ nghệ đánh bắt và biến chế hải sản. Chẳng hạn luồng nhiệt năm 2012 đã làm mực vùng biển ấm lan tràn đến vùng Vịnh Maine (ngoài khơi Massachusetts và đông nam Canada của Đại Tây Dương), đồng thời tôm hùm cũng xuất hiện bất ngờ làm dân săn bắt hải sản trở tay không kịp để trang bị dụng cụ bắt mực và tôm hùm, thiếu xe chuyên chở đặc biệt, và nhà máy biến chế cũng chưa sẵn sàng, nên mực và tôm hùm bị hư thối.

Trái ngược lại, cũng ở vùng này từ thập niên 1980s đến nay ngành đánh cá cod xuống dốc thậm tệ vì mật độ cá cod giảm nhanh chóng. Trước đây các nhà khoa học hải dương cho rằng do khai thác thái quá (overfishing), nhưng các nghiên cứu vừa công bố thảm hoạ cá cod  ở vùng này một phần là do nhiệt độ nước biển ấm lên.

Các nghiên cứu mới phát hành gần đây cho thấy nước biển ấm lên quá nhanh làm ảnh hưởng đến cá cod vốn thích lạnh là nguyên nhân giảm lượng cá cod ở vịnh Maines. Các dữ kiện từ vệ tinh cho thấy trong thời gian 2004 đến 2013, nhiệt độ mặt biển ở vùng này gia tăng quá nhanh làm cá cod con không sống được, trong lúc đó kỹ nghệ đánh cá cod vẫn áp dụng như lúc cá cod còn phong phú trước kia.

Trở lại vấn đề cá mặt-heo-rừng boarfish ở Ái Nhĩ Lan. Vào năm 2010 là năm được mùa cá này, Ái Nhĩ Lan bắt được 144.000 tấn cá boarfish, kế theo là cá mackerel. Các nhà chính trị quản trị tài nguyên hải sản của Châu Âu lo ngại, vì không ai biết gì về loài cá mới xuất hiện này, nguyên do gì chúng sinh sản nhanh, chúng sống bao lâu, và mức độ khai thác hiện nay có làm diệt chủng chúng không. Vì vậy các nhà khoa học hải dương được tài trợ để nghiên cứu thâm sâu loại cá này. Các nhà khoa học Đan Mạch dựa vào vòng xương tai xác định cá boarfish sống tới 30 năm, biết cách chúng sinh sản, và ít có kẻ thù thiên nhiên ăn chúng. Ngoài ra, chúng là cá đặc sản của vùng biển khơi Ái Nhĩ Lan, chứ không có ở vùng khác, và chúng cũng không di cư đến vùng biển khác. Loài cá này vốn ở vùng biển này từ lâu, nhưng với mật độ rất thấp. Nhưng nay, vùng biển đó ấm dần, nguồn thức ăn phiêu sinh trở nên phong phú, nhiệt độ thích hợp để sinh nở và sinh trưởng nên mật độ cá bộc phát gia tăng như hiện nay.

Vùng biển phong phú nhất về hải sản và động vật biển trên thế giới là vùng biển tây nước Peru và Chili ở Nam Mỹ, nơi có dòng hải lưu ngầm nước lạnh từ Nam Cực trồi lên có tên Humboldt Current (Hình 3) mang theo nhiều thực phẩm khoáng chất và hữu cơ, là nguồn thức ăn trong chuỗi dây chuyền thực phẩm của động vật biển. Vùng này rất phong phú cá anchoveta (Engraulis ringens), cá trích (sardine, Sardinops sagax), và cá jurel (Trachurus symmetricus). Các loại cá này vốn là thực phẩm của các động vật biển lớn hơn như cá heo Chili (Chilean dolphin, Cephalorynchus eutropia), cá heo Burmeister (Phocoena spinipinnis), rái biển (Lutra felina), sư tử biển (Otaria flavescens), và hải cẩu Nam Mỹ (Arctocephalus australis) với vô số loài chim biển, nên vùng này rất phong phú và đa dạng động vật biển.

Tuy nhiên, cứ mỗi vài năm khi hiện tượng El Niño xuất hiện làm gió thay hướng, vùng biển nóng hơn, làm ảnh hưởng đến dòng hải lưu Humboldt Current ít trồi lên mặt để mang theo dưỡng chất ở đáy biến. Vì vậy, trong những thời gian này cá và chim cũng như động vật biển khác trở nên nghèo nàn.

Kết luận

Hâm nóng toàn cầu không những làm nhiệt độ không khí gia tăng mà còn hâm nóng nước biển đồng thời nước biển bị acit hóa. Các dòng hải lưu sẽ biến đổi, làm nguồn thực phẩm của động vật biển cũng thay đổi theo. Hậu quả là ảnh hưởng đến việc sinh sản và sinh trưởng của mọi động vật biển. Loại sinh vật nào có khả năng di cư sẽ đến vùng biển khác để sinh tồn, sinh vật nào không di chuyển xa được sẽ bị tiêu diệt, và loài sinh vật nào thích ứng điều kiện môi trường mới sẽ phát triển, tồn tại và thay thế sinh vật vừa bỏ đi hay tuyệt chủng.

 

Reading, 11/2015