Nghiên cứu tính đa dạng thực vật đất ngập nước sông Nhuệ - Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) khả sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường Nguyễn Thị Việt Nga Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Khoa học Môi trường; Mã số: 60 85 02 Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Thụy Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Đánh giá trạng đa dạng sinh học thực vật đất ngập nước lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) giá trị sử dụng chúng Tìm hiểu khả sử dụng số loài thực vật đất ngập nước việc xử lý ô nhiễm môi trường nước Định hướng số mô hình hợp lý cho việc xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy Keywords: Khoa học môi trường; Đất ngập nước; Ô nhiễm môi trường; Thực vật Content PHẦN MỞ ĐẦU Phân giới thực vật phận quan trọng cấu thành nên sinh giới Chúng phong phú đa dạng thành phần loài, khu vực phân bố môi trường sống Một phận thực vật trình tiến hóa thích nghi với đời sống ẩm ướt chịu ngập gọi thực vật đất ngập nước Hiện nay, việc tìm hiểu nghiên cứu nhóm thực vật ngày thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, đặc biệt nghiên cứu mức độ đa dạng, vai trò khả sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường nước Phương pháp xử lý ứng dụng phổ biến nhiều quốc gia giới với kết mang lại khả quan Đối với Việt Nam, loại hình công nghệ tương đối hướng bền vững lợi ích vượt trội mà mang lại: hiệu tốt, tính kinh tế cao thân thiện với môi trường Sông Nhuệ, sông Đáy chảy qua địa phận tỉnh Hà Nam nguồn tài nguyên phong phú góp phần vào phát triển kinh tế xã hội khu vực Hệ thống sông cung cấp nước sinh hoạt cho người dân, phục vụ tưới tiêu nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp… Đây nguồn lợi dồi cư dân sống hai bên lưu vực sông thông qua việc đánh bắt hay nuôi trồng thủy sản Ngoài hệ thống tiêu thoát nước cho thành phố Hà Nội Tuy nhiên, phát triển kinh tế xã hội, tốc độ đô thị hóa, dân số tăng nhanh tỉnh Hà Nam khu vực lân cận gây tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, khiến không giữ nguyên trạng thái cân ban đầu Các nguồn nước thải ngoại tỉnh nội tỉnh bao gồm nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp làng nghề chưa xử lý theo tiêu chuẩn quy định mà thải bỏ trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận nguyên nhân làm cho môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy ngày ô nhiễm nghiêm trọng, vào mùa nước kiệt Hậu ảnh hưởng đến mức độ đa dạng sinh học hệ sinh thái lưu vực sông, có thực vật đất ngập nước Để phục vụ công tác quản lý sử dụng bền vững hệ sinh thái thủy vực, đề xuất giải pháp góp phần cải thiện chất lượng nguồn nước sông Nhuệ, sông Đáy, thực đề tài “ Nghiên cứu tính đa dạng thực vật đất ngập nước sông Nhuệ - Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) khả sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường” với mục tiêu: - Đánh giá trạng đa dạng sinh học thực vật đất ngập nước lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) giá trị sử dụng chúng - Tìm hiểu khả sử dụng số loài thực vật đất ngập nước việc xử lý ô nhiễm môi trường nước - Định hướng số mô hình hợp lý cho việc xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực vật đất ngập nƣớc 1.1.1 Khái niệm thực vật đất ngập nước - Thực vật đất ngập nước: thuật ngữ sử dụng để định nghĩa cho thực vật thủy sinh, loài thích nghi phát triển môi trường ẩm ướt chịu ngập sống nước 1.1.2 Các dạng sống thực vật đất ngập nước Theo Arber (1920), dựa đặc điểm hình thái, chia dạng sống thực vật đất ngập nước bao gồm: 1) Thực vật 2) Thực vật ngập nước 3) Thực vật nổi: a) có rễ b) tự Phân loại sử dụng cho thực vật thân thảo, thân gỗ bụi 1.1.3 Vai trò thực vật thủy sinh xử lý nước thải vùng đất ngập nước Bảng 1.1: Tóm lƣợc vai trò thực vật đất ngập nƣớc xử lý Đặc điểm thực vật lớn Mô hiếu khí Vai trò xử lý Giảm ánh sáng → giảm phát triển sinh vật phù du Ảnh hưởng vi khí hậu → cách nhiệt mùa đông Giảm tốc độ gió → giảm nguy phân tán Tạo tính thẩm mỹ cho hệ thống Dự trữ dinh dưỡng Mô ngập nước Khả lọc → lọc mảnh vụn lớn Giảm tốc độ dòng chảy → tăng tốc độ lắng, giảm nguy phân tán Cung cấp diện tích bề mặt cho màng sinh học Tạo oxy → phân hủy hiếu khí Hấp thu chất ô nhiễm Rễ thân rễ trầm Ổn định bề mặt trầm tích → giảm xói mòn tích Ngăn chặn tắc nghẽn hệ thống chảy thẳng đứng Tạo oxy→ tăng phân hủy nitrat hóa Hấp thu chất ô nhiễm Tiết kháng sinh 1.2 Khái quát tình hình nghiên cứu thực vật đất ngập nƣớc việc sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc giới Việt Nam 1.2.1 Trên giới Bắt đầu từ năm 1950, có thay đổi quan tâm vùng đất ngập nước Có nhiều lĩnh vực nghiên cứu việc xác định thành phần loài, công dụng thực vật đất ngập nước ngày đầy đủ Năm 1952, nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý nước thải loài thực vật đất ngập nước thực Kathe Seidel Đức [28] Loại thực vật bà sử dụng nhiều cỏ Nến (Scirpus lacustris) Các công trình nghiên cứu Seidel đặt móng cho hướng việc xử lý nước thải loài thực vật thủy sinh Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm môi trường nước ngày trọng, phát triển quy mô lớn áp dụng nhiều quốc gia Đây hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển mạnh nước châu Âu, châu Mỹ, nước châu Á (đặc biệt Trung Quốc Thái Lan) số nước khác Trong năm qua, số loài thực vật có khả xử lý ô nhiễm môi trường nước phát ngày nhiều Các nghiên cứu thực cách toàn diện từ lý thuyết đến thực tiễn 1.2.2 Đối với Việt Nam Các loài thực vật sống khu vực ẩm ướt, sông suối, ngập nước, rừng ngập mặn định dạng liệt kê danh lục loài thực vật Việt Nam [2, 4, 5, 6, 8, 13, 14, 27] Tuy nhiên, việc tìm hiểu nghiên cứu vai trò chúng môi trường nước khả sử dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước hạn chế 1.3 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng ven sông Nhuệ, sông Đáy 1.3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên 1.3.1.1 Sông Nhuệ Sông Nhuệ thuộc thành phố Hà Nội tỉnh Hà Nam với chiều dài khoảng 74km, chảy gần theo hướng Bắc Tây Bắc – Nam Đông Nam Trong phạm vi tỉnh Hà Nam, sông Nhuệ chảy qua vùng tiếp giáp huyện Duy Tiên huyện Kim Bảng đổ vào sông Đáy thành phố Phủ Lý 1.3.1.2 Sông Đáy Sông Đáy có chiều dài khoảng 240km, bắt nguồn từ sông Hồng thôn Vân Cốc, chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình, Nam Định Chiều dài sông Đáy chảy qua tỉnh Hà Nam khoảng 47km, đến thành phố Phủ Lý dòng sông Nhuệ góp nước từ phía tả ngạn Sông Đáy tiếp tục hành trình ngã ba Gián Khẩu đổ vịnh Bắc Bộ Cửa Đáy huyện Kim Sơn [12] Sông Nhuệ Sông Đáy Hình 1.5: Lƣu vực sông Nhuệ, sông Đáy (Nguồn Internet) 1.3.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội dải ven sông Nhuệ, sông Đáy 1.3.2.1 Sông Nhuệ Trong phạm vi lưu vực sông có khu công nghiệp Hoàng Đông, quy mô vừa nhỏ, đầu tư lĩnh vực sản xuất kinh doanh hàng tiêu dùng, xuất may, thêu ren, giầy da, hóa mỹ phẩm, đồ gỗ gia dụng nội thất, công nghiệp khí, công nghiệp chế biến nông lâm – thủy sản… 1.3.2.2 Sông Đáy - Đoạn sông từ xã Tượng Lĩnh đến Phủ Lý: Phía Tây từ xã Khả Phong đến xã Thanh Sơn, nguồn nước sông Đáy chịu tác động khu vực khai thác đá xã Tượng Lĩnh, mỏ sét Khả Phong, chất thải khu dân cư thị trấn Quế, nhà máy gạch Kim Bảng, bến xuất nhập vật liệu nhà máy, công ty xi măng 77… - Đoạn sông từ Phủ Lý tới cầu Gián Khẩu: Tại hình thành cụm công nghiệp gồm xí nghiệp tái chế giấy, công ty dệt Hà Nam, kho xăng dầu, trạm trộn bê tông, cảng khu vực cầu Đọ Phía Tây có khu công nghiệp sản xuất đá vôi Kiện Khê gồm hàng chục xí nghiệp sản xuất, hàng chục lò vôi liên hoàn hợp tác xã tư nhân Tại khu vực Kiện Khê, có cảng Bút Sơn cảng xuất nhập nguyên liệu, chuyên chở clinker xi măng công ty xi măng Bút Sơn Từ Thanh Thủy đến Thanh Nghị khu vực khai thác đá số công ty sở tư nhân Nhận xét chung: Hiện nay, dọc lưu vực sông Đáy, sông Nhuệ, tình hình phát triển kinh tế xã hội diễn nhanh mạnh Tuy nhiên, nguồn thải phát sinh từ trình chưa xử lý yêu cầu gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy 1.3.3 Chất lượng môi trường nước sông Nhuệ - Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) 1.3.3.1 Chất lượng nước sông Nhuệ Giá trị WQI điểm quan trắc sông Nhuệ biểu diễn bảng sau: Bảng 1.3: Giá trị WQI sông Nhuệ Thời gian Tháng 7/2010 Tháng 7/2011 Tháng 7/2012 Cống Thần 15 46 46 Cống Nhật Tựu 14 50 71 Đò Kiều 15 65 71 Địa điểm Cầu Hồng Phú 17 50 51 Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2012 [17] Chất lượng nước sông Nhuệ (đoạn qua tỉnh Hà Nam) có tiến triển tốt từ tháng 7/2010 đến Mức độ ô nhiễm cao vào năm 2010, giá trị WQI nằm giới hạn – 25 Trong hai năm trở lại đây, chất lượng nước có chuyển biến theo chiều hướng tốt, giá trị WQI nằm giới hạn 51 – 75, nước sử dụng cho mục đích tưới tiêu mục đích tương đương khác 1.3.3.2 Chất lượng nước sông Đáy Giá trị WQI điểm quan trắc sông Đáy biểu diễn bảng sau: Bảng 1.4: Giá trị WQI sông Đáy Thời gian Tháng 7/2010 Tháng 7/2011 Tháng 7/2012 Cầu Quế 18 17 17 Trạm bơm Thanh Nộn 18 17 17 Cầu Đọ Xá 18 15 17 Cầu phao Kiện Khê 17 17 17 Thanh Tân 16 17 18 Địa điểm Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2012 [17] Chất lượng nước sông Đáy không thay đổi nhiều qua năm quan trắc Giá trị WQI nước sông ô nhiễm nặng, cần có biện pháp xử lý tương lai Tại điểm quan trắc bao gồm cầu Quế, trạm bơm Thanh Nộn, cầu Đọ Xá, chất lượng nước có xu hướng ô nhiễm gia tăng Riêng Thanh Tân vị trí quan trắc mà chất lượng nước có thay đổi theo chiều hướng tốt 1.3.4 Nguyên nhân tình trạng ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy Có hai nguyên nhân gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy Đó nguồn ô nhiễm nội tỉnh nguồn ô nhiễm ngoại tỉnh 1.3.4.1 Nguồn ô nhiễm nội tỉnh - Tác động trình đô thị hóa - Tác động phát triển công nghiệp - Tác động phát triển nông nghiệp tập quán lạc hậu người dân 1.3.4.2 Nguồn ô nhiễm ngoại tỉnh Sông Nhuệ, sông Đáy chảy vào địa phận tỉnh Hà Nam mang theo khối lượng lớn nước thải sở sản xuất, làng nghề nguồn nước thải sinh hoạt thành phố Hà Nội Hiện nay, thống kê sơ bộ, nguồn nước thải ngoại tỉnh khoảng 700.000 m3//ngày đêm [15] ngày tăng lưu lượng nồng độ chất ô nhiễm CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu Là loài thực vật đất ngập nước sông Nhuệ, sông Đáy (trong địa phận tỉnh Hà Nam) Đề tài tập trung nghiên cứu phần thực vật bậc cao Đây nhóm sinh vật đóng góp quan trọng cho chức sinh thái môi trường tính đa dạng sinh học vùng nghiên cứu 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp kế thừa Phương pháp sử dụng nhằm xác định, phân tích, đánh giá tổng hợp liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu Từ đó, sở kế thừa có chọn lọc để sử dụng thông tin cần thiết phục vụ cho đề tài nghiên cứu 2.2.2 Phương pháp phân tích thảm thực vật - Mô tả phân tích cấu trúc: Những phương pháp tiến hành dựa công bố tác giả có uy tín Quan điểm nghiên cứu dựa phương pháp UNESCO phân tích cấu trúc hình thái thảm thực vật (1979) [11] - Phương pháp điều tra dựa đồ khảo sát thực địa: Các điểm khảo sát tuyến khảo sát thiết lập trải rộng qua tất đơn vị thảm thực vật hệ sinh thái khác theo tuyến sông Các điểm khảo sát định vị tọa độ GPS đồ, từ thiết lập hệ thống tuyến khảo sát hệ thống điểm quan sát lấy mẫu Có tuyến khảo sát chính: + Tuyến 1: Trên sông Nhuệ, bắt đầu trừ ngã ba Phù Vân Nhật Tựu + Tuyến 2: Trên sông Đáy, ngã ba Phù Vân Tượng Lĩnh + Tuyến 3: Trên sông Đáy, nơi hợp dòng hai nhánh sông xuôi đến Gián Khẩu Tuyến khảo sát thiết lập từ sát mép nước tới hệ sinh thái ven sông hệ sinh thái ngập nước thường xuyên Đây diện tích chủ yếu vùng nghiên cứu với diện đầy đủ thành phần hệ sinh thái thủy vực sông Để phân tích thực trạng thực vật, thu thập mẫu, quan sát yếu tố cấu thành thảm thực vật hệ thực vật cấu trúc không gian, cấu trúc thành phần loài (Wittaker - 1962) nhân tố môi trường - Đánh giá tính đa dạng quần xã thực vật: Cơ dựa quan điểm hệ sinh thái (Tansley, 1935) 2.2.3 Phương pháp phân tích đánh giá tính đa dạng hệ thực vật - Phân tích đa dạng thành phần loài: Dựa quan điểm truyền thống hệ thực vật, kiểm kê loài thực vật bậc cao có mạch, mọc tự nhiên loài ngoại lai tự nhiên hóa không phụ thuộc vào chăm sóc người - Đánh giá tính đa dạng thành phần loài, đặc trưng cấu trúc hệ thống hệ thực vật: Sự xếp loài vào Taxon bậc cao (chi, họ ) theo quan điểm vườn thực vật Kiu, liên hiệp vương quốc Anh Bắc Ai Len (Brummitt, 1992) [20] Tên tác giả Taxon viết theo Brummitt Powell (1992) [21] Các ngành thực vật xếp theo tiến hóa thực vật, từ phát tán bào tử (Khuyết thông, Thông đất, Dương xỉ) đến ngành thực vật có hạt (Thông, Ngọc lan) Các họ ngành (riêng ngành Ngọc lan xếp họ lớp), chi họ loài chi xếp theo thứ tự chữ bảng chữ ABC theo tên khoa học - Phân tích đánh giá mức độ giàu loài quý hiếm: theo IUCN, 2004 tiêu chuẩn sách đỏ Việt Nam, 2007; Nghị định số 48/2002/NĐ – CP, loài có giá trị tài nguyên (theo “Tài nguyên thực vật Đông Nam Á – Prosea, 1995”) [3] 2.2.4 Phương pháp xây dựng mô hình sử dụng thực vật cho giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước - Từ kết điều tra thành phần loài thực vật có mạch phân bố hệ sinh thái chịu ngập nước thường xuyên tạm thời đất ướt ven sông lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy (trong địa phận tỉnh Hà Nam), chọn số loài thực vật thủy sinh điển hình có khả xử lý ô nhiễm môi trường nước Đây tập đoàn trồng sử dụng mô hình cho việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước khu vực nghiên cứu - Mô hình sử dụng mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt (Free water surface constructed wetlands – FWS CW) bao gồm lưu vực kênh, với đất vật liệu khác thích hợp cho thực vật có rễ (nếu có) mực nước chảy qua hệ tương đối nông, vận tốc dòng chảy nhỏ, có thân điều tiết lưu lượng nước, đảm bảo điều kiện dòng chảy không bị xáo trộn Một mục đích thiết kế hệ cho nước thải tiếp xúc với bề mặt sinh học hoạt động (Kadlec Knight, 1996) [24] Cơ sở khoa học phương pháp xử lý nước thải hệ thực vật bậc cao kết hợp loài thực vật vi sinh vật Sự phân hủy chất hữu vi sinh vật sống hệ thống rễ loài thực vật đóng vai trò quan trọng trình xử lý Các vi sinh vật sinh sống hệ thống rễ thực vật thủy sinh có mối quan hệ cộng sinh với loài thực vật bậc cao Ngoài ra, vi sinh vật sử dụng phần toàn chất ô nhiễm nước thải nguồn dinh dư ỡng Vì trình phân hủy chất hữu xảy nhanh chất hữu gây ô nhiễm nước thải loại bỏ (Wolverton, 1987) [29] Các FWS CW phân loại theo loại thực vật: + Hệ thống với thực vật trôi tự (Ví dụ: Lục bình, bèo tấm) + Hệ thống với thực vật (Ví dụ: Súng, Sen) + Hệ thống với thực vật sống chìm nước (Ví dụ: Rong đuôi chó, rong mái chèo) + Hệ thống với thực vật chịu ngập có rễ bám đất ngập nước thân vươn lên khỏi mặt nước (ví dụ: Sậy) Để tăng hiệu việc xử lý phù hợp với điều kiện thực tế khu vực nghiên cứu, mô hình đề xuất kết hợp hệ thống trên, thực vật sử dụng bao gồm tập đoàn trồng bổ sung thêm thực vật có khả thị cho môi trường nước làm sở để đánh giá chất lượng nước CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hiện trạng loài thực vật bậc cao có mạch toàn vùng nghiên cứu 3.1.1 Đa dạng bậc taxon Trên toàn diện tích thủy vực nghiên cứu, bao gồm diện tích ngập nước thường xuyên, diện tích ngập tạm thời, diện tích ẩm ướt ven sông hệ sinh thái nông nghiệp, hệ sinh thái khu dân cư tập trung đất chậm thoát nước ven sông thu thập 197 loài thuộc 152 chi 70 họ thuộc ngành thực vật bậc cao có mạch (Ngành Mộc Lan Magnoliophyta; ngành Dương xỉ Polypodiophyta Cỏ Tháp Bút Equisetophyta) Cụ thể sau: - Ngành Mộc Lan Magnoliophyta: có lớp (lớp Mộc Lan Magnoliopsida lớp Hành Liliopsida) gồm 66 họ thuộc 148 chi với số loài 192 loài chiếm 97,46% tổng số loài khảo sát Trong lớp Mộc Lan có 146 loài thuộc 108 chi 51 họ Trong lớp Hành có 46 loài thuộc 40 chi 15 họ - Ngành Dương xỉ Polypodiophyta: có họ thuộc chi loài chiếm 2,03% tổng số loài - Ngành Cỏ Tháp Bút Equisetophyta: có họ thuộc chi loài chiếm 0,51% tổng số loài Bảng 3.1: Thành phần loài thực vật bậc cao có mạch thuộc khu vực nghiên cứu Tên ngành Tên khoa học Tên Việt Nam Equisetophyta Loài Họ Chi SL % SL % SL % Cỏ tháp bút 0,51 0,66 1,43 Polypodiophyta Dương xỉ 2,03 1,97 4,29 Magnoliophyta Mộc Lan 192 97,46 148 97,36 66 94,28 -Magnoliopsida - Lớp Mộc lan 146 74,11 108 71,05 51 72,86 - Liliopsida - Lớp Hành 46 23,35 40 26,31 15 21,42 197 100 152 100 70 100 Tổng Có thể biểu diễn mức độ đa dạng bậc Taxon vùng nghiên cứu biểu đồ sau: 1% 2% 23% 74% Ngành Mộc Lan (Lớp Mộc lan) Ngành Mộc Lan (Lớp Hành) Ngành Dƣơng Xỉ Ngành Cỏ Tháp Bút Biểu đồ 3.1: Mức độ đa dạng bậc taxon Như vậy, chiếm phần lớn loài thực vật khảo sát thuộc ngành Mộc lan Magnoliophyta (Lớp Mộc lan chiếm 74%; Lớp Hành chiếm 23%), số lại thuộc ngành Dương xỉ Polypodiophyta (2%) Cỏ Tháp Bút Equisetophyta (1%) Trong ngành 10