Bài 23: Hệ sinh thái
Nội dung lý thuyết
I. KHÁI QUÁT VỀ HỆ SINH THÁI
1. Khái niệm và cấu trúc hệ sinh thái
Hệ sinh thái là một hệ thống hoàn chỉnh và tương đối ổn định gồm quần xã sinh vật và môi trường vô sinh có tác động qua lại với nhau trong một khoảng không gian xác định.
Quần xã sinh vật bao gồm các sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và các sinh vật phân giải. Môi trường vô sinh của quần xã gồm các nhân tố khí hậu, các chất vô cơ, các chất hữu cơ,... Các sinh vật trong quần xã tác động qua lại với nhau và tác động qua lại với các nhân tố vô sinh trong môi trường.
Hệ sinh thái có phạm vi không gian rất đa dạng. Hệ sinh thái có thể rất nhỏ như một hốc cây, một hồ nước nhỏ hoặc rộng lớn như một khu rừng.
@9135763@
2. Phân loại hệ sinh thái
Dựa vào nguồn gốc tạo thành, các hệ sinh thái được chia thành hệ sinh thái tự nhiên và hệ sinh thái nhân tạo.
Hệ sinh thái tự nhiên là hệ sinh thái được hình thành và phát triển theo quy luật của tự nhiên, không có hoặc có ít tác động của con người.. Hệ sinh thái tự nhiên gồm hệ sinh thái trên cạn và hệ sinh thái dưới nước.
Hệ sinh thái nhân tạo do con người tạo nên như đồng lúa, ao nuôi tôm, khu đô thị, khu công nghiệp. Các hệ sinh thái nhân tạo có vai trò quan trọng đối với con người. Để phục vụ đời sống của mình, con người cải tạo các thành phần của hệ sinh thái. Khi không có sự chăm sóc của con người, hệ sinh thái nhân tạo sẽ biến đổi thành hệ sinh thái tự nhiên.
@9135631@
II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI
Các sinh vật trong hệ sinh thái có mối quan hệ dinh dưỡng và năng lượng với nhau. Các sinh vật sử dụng sinh vật khác làm nguồn thức ăn (chứa năng lượng hoá học), ví dụ châu chấu ăn cỏ. Các sinh vật chết, các phần cơ thể rơi rụng hoặc chất bài tiết tạo thành vụn hữu cơ, là nguồn thức ăn cho một số sinh vật. Các quá trình này làm cho vật chất và năng lượng được trung chuyển trong hệ sinh thái.
1. Chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng
Chuỗi và lưới thức ăn được sử dụng để biểu diễn mối quan hệ về dinh dưỡng và năng lượng giữa các sinh vật trong hệ sinh thái. Chuỗi thức ăn là sơ đồ biểu diễn thứ tự chuyển hoá năng lượng hoặc dinh dưỡng bắt đầu với sinh vật sản xuất hoặc vụn hữu cơ và kết thúc với sinh vật tiêu thụ. Mỗi sinh vật hoặc thành phần tương ứng trong chuỗi thức ăn được gọi là một mắt xích. Dựa vào thứ tự trong chuỗi thức ăn, các sinh vật được sắp xếp theo bậc từ thấp đến cao, gọi là bậc dinh dưỡng.
Loại chuỗi thức ăn phổ biến trong hệ sinh thái thường được bắt đầu bằng sinh vật sản xuất. Ngoài ra, trong hệ sinh thái còn có loại chuỗi thức ăn bắt đầu bằng vụn hữu cơ, là hệ quả của chuỗi thức ăn bắt đầu từ sinh vật sản xuất.
Trong hệ sinh thái, một sinh vật có thể tiêu thụ nhiều loài khác nhau, đồng thời có thể là nguồn thức ăn của nhiều loài khác, tạo thành mắt xích kết nối các chuỗi thức ăn. Các chuỗi thức ăn có những mắt xích chung tạo nên một mạng lưới, được gọi là lưới thức ăn.
2. Sự chuyển hoá năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng
Hầu hết năng lượng của các hệ sinh thái trên Trái Đất nhận được từ ánh sáng mặt trời. Do góc chiếu của tia sáng đến mặt đất giảm dần theo vĩ độ nên vùng có vĩ độ càng cao, cường độ ánh sáng ở mặt đất càng yếu, lượng nhiệt nhận được càng thấp. Hệ sinh thái nhận được lượng năng lượng mặt trời cao thường có sản lượng sinh vật cao.
Năng lượng đi vào, truyền qua các thành phần và ra khỏi hệ sinh thái (hình 23.6). Năng lượng từ ánh sáng mặt trời được chuyển hoá thành năng lượng hoá học nhờ các sinh vật sản xuất. Thông qua lưới thức ăn, năng lượng hoá học được chuyển qua các sinh vật trong hệ sinh thái. Cuối cùng, năng lượng được thải ra môi trường dưới dạng nhiệt.
3. Hiệu suất sinh thái và tháp sinh thái
Mỗi bậc dinh dưỡng có khả năng chuyển hoá năng lượng ở mức độ khác nhau, được biểu diễn bởi sản lượng. Sản lượng ở một bậc dinh dưỡng là lượng chất hữu cơ hoặc năng lượng được chuyển hoá tính trên một đơn vị diện tích của hệ sinh thái trong một khoảng thời gian.
Trong hệ sinh thái, chỉ một phần năng lượng được chuyển hoá từ bậc dinh dưỡng thấp hơn lên bậc dinh dưỡng cao hơn. Tỉ lệ phần trăm năng lượng được chuyển hoá qua các bậc dinh dưỡng được gọi là hiệu suất sinh thái giữa các bậc dinh dưỡng. Hiệu suất sinh thái trung bình giữa các bậc dinh dưỡng ở các hệ sinh thái trên Trái Đất xấp xỉ 10%. Do hiệu suất sinh thái thấp nên sinh vật ở bậc dinh dưỡng càng cao có sản lượng càng thấp.
Để biểu diễn sản lượng, mức độ sinh khối hoặc số lượng cá thể của các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái, người ta xây dựng tháp sinh thái. Tháp sinh thái gồm
Có ba dạng tháp sinh thái:
- Tháp năng lượng biểu diễn sản lượng của mỗi bậc dinh dưỡng (hình 23.7a).
- Tháp sinh khối biểu diễn sinh khối (khối lượng trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích) của các bậc dinh dưỡng (hình 23.7b).
- Tháp số lượng biểu diễn số lượng hoặc mật độ cá thể của các bậc dinh dưỡng (hình 23.7c).
Trong thực tiễn, nghiên cứu về hiệu suất sinh thái và tháp sinh thái giúp các nhà khoa học đưa ra biện pháp tác động làm tăng sản lượng sinh vật, khai thác hiệu quả tài nguyên, tiết kiệm năng lượng.
@9135830@
III. SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA HỆ SINH THÁI
1. Diễn thế sinh thái
Ở các hệ sinh thái, cấu trúc của quần xã sinh vật và các yếu tố môi trường có thể thay đổi rõ rệt khi có nhiễu loạn môi trường (nhiễu động) hoặc do tác động bởi các yếu tố nội tại của hệ sinh thái. Sự biến đổi tuần tự của các quần xã sinh vật tương ứng với sự biến đổi của môi trường được gọi là diễn thế sinh thái. Diễn thế sinh thái được chia thành hai loại là diễn thế nguyên sinh và diễn thế thứ sinh.
Diễn thế nguyên sinh là diễn thế sinh thái xảy ra ở khu vực chưa có sinh vật sinh sống.
Diễn thế thứ sinh là diễn thể xảy ra ở môi trường đã có quần xã sinh vật, khi có nhiễu động làm suy giảm đa dạng quần xã sinh vật của hệ sinh thái. Các nhiễu động có thể do yếu tố tự nhiên, hoặc do tác động của con người. Khi không còn nhiễu động, quần xã có khả năng phục hồi dần do sự phát triển trở lại của các loài sinh vật.
Nghiên cứu diễn thế sinh thái giúp con người dự đoán những biến đổi của quần xã, từ đó chúng ta có những tác động phù hợp để duy trì hoặc phục hồi những quần xã suy thoái. Hiểu biết về các nguyên nhân của diễn thế giúp hạn chế các tác động xấu đến hệ sinh thái, khai thác nguồn tài nguyên bền vững.
2. Một số hiện tượng ảnh hưởng đến hệ sinh thái
Hiện nay, các hệ sinh thái trên Trái Đất chịu những tác động ở phạm vi toàn cầu do các nguyên nhân tự nhiên và đặc biệt là do tác động mạnh mẽ của con người.
Sự ấm lên toàn cầu
Những ghi nhận hiện nay cho thấy nhiệt độ Trái Đất đang ngày càng tăng. Từ thời kì tiền công nghiệp đến nay, nhiệt độ trung bình Trái Đất tăng khoảng 1,2°C. Sự ấm lên toàn cầu có tương quan với gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển. Những hoạt động của con người như khai thác và sử dụng than đá, dầu mỏ,... làm tăng lượng khí nhà kính, đặc biệt là CO2 trong khí quyển, làm tăng nhiệt độ Trái Đất do hiệu ứng nhà kính tăng cường.
Sự ấm lên toàn cầu gây nhiều hậu quả nghiêm trọng như sự tan băng ở các cực của Trái Đất, nước biển dâng, các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt như mưa bão, lũ lụt, hạn hán, các đợt nóng, lạnh bất thường xảy ra thường xuyên hơn. Những hiện tượng này đe doạ, gây suy giảm đa dạng sinh học ở các hệ sinh thái và ảnh hưởng đến đời sống của các cộng đồng dân cư địa phương.
Phì dưỡng
Hoạt động của con người làm tăng hàm lượng dinh dưỡng ở một số khu vực khác nhau trên Trái Đất, được gọi là phì dưỡng (phú dưỡng). Sử dụng phân bón trong sản xuất nông nghiệp làm gia tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất, chủ yếu là nitrogen và phosphorus. Các chất dinh dưỡng thấm xuống đất, gây ô nhiễm các mạch nước ngầm, gây nguy hại cho sinh vật và con người.
Các chất dinh dưỡng bị rửa trôi đến các hệ sinh thái trên cạn khác và hệ sinh thái dưới nước. Nhiều nghiên cứu cho thấy, ở khu vực đồng cỏ gần các hệ sinh thái nông nghiệp, độ đa dạng của thực vật bị suy giảm do hàm lượng dinh dưỡng trong đất tăng. Hàm lượng dinh dưỡng trong nước cao dẫn tới sự phát triển mạnh của thực vật phù du, gây ô nhiễm các thuỷ vực như hồ.
Sa mạc hoá
Sa mạc hoá là hiện tượng suy thoái hệ sinh thái trên cạn, trong đó sản lượng sinh vật bị suy giảm và đất bị khô cằn do các nguyên nhân tự nhiên hoặc tác động của con người. Quần xã sinh vật bị suy giảm do nhiều yếu tố như biến đổi khí hậu, do chặt phá rừng, chăn thả gia súc, khai thác nguồn nước ngầm cho sản xuất nông nghiệp, thiếu các cơ chế quản lí đất bễn vững. Các vùng đất khô là những khu vực bị đe doạ mạnh mẽ nhất.
@9135688@
IV. THỰC HÀNH THIẾT KẾ HỆ SINH THÁI NHÂN TẠO
Cơ sở lí thuyết
Quần xã sinh vật và các yếu tố vô sinh của môi trường luôn có tác động qua lại với nhau. Quần xã sinh vật có các sinh vật sản xuất, các sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân giải. Để xây dựng một hệ sinh thái cần thiết lập một quần xã sinh vật đơn giản và các điều kiện môi trưởng cần thiết nhằm duy trì sự tồn tại của quần xã sinh vật.
Các bước tiến hành
Chuẩn bị
Nguyên vật liệu: bể kính (kích thước: chiều cao × chiều rộng x chiều sâu = 40 cm × 60 cm × 40 cm), đất, cát, đá, nước. Bể được tạo sẵn, trước giờ học.
Dụng cụ, thiết bị: lam kính, lamen, ống hút, kính hiển vi, thiết bị chụp ảnh (nếu có). Sinh vật: các thực vật thuỷ sinh (2 – 4 cây sen nhỏ, 100 – 200 cây bèo tấm) và các loài động vật nhỏ (10 con ốc, 10 con cá).
Tiến hành
- Tạo sinh cảnh đáy bể: đổ đất, cát với độ dày 10 cm. Thêm đá và cành cây khô để tạo thêm tiểu cảnh.
- Tạo nhóm sinh vật sản xuất ban đầu bằng cách trồng cây sen xung quanh bể và thả bèo tấm trên mặt đất.
- Nhẹ nhàng đổ nước vào bể, tạo độ sâu 20 cm nước.
- Thêm các sinh vật tiêu thụ (ốc, cá) vào bể.
- Đặt bể ở nơi có ánh sáng vừa phải. Theo dõi sự thay đổi của các sinh vật ban đầu sau 1 tuần. Chụp ảnh hệ sinh thái.
- Khi mới xây xong bể, lấy các mẫu nước ở 5 vị trí khác nhau trong bể và quan sát các vi sinh vật trên kính hiển vi. Sau 1 tuần, tương tự như lần đầu, lấy mẫu nước và quan sát các vi sinh vật.
Báo cáo
- So sánh thành phần và số lượng cá thể của các sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ ở thời điểm mới xây xong bể và thời điểm sau 1 tuần.
- So sánh thành phần sinh vật ở hai lần quan sát, bao gồm các loài sen, bèo tấm, ốc, cá và các vi sinh vật khác (nếu có).
- Báo cáo kết quả theo mẫu báo cáo ở bài 1.
Lưu ý: Tuỳ theo điều kiện thực tế, kích thước bể có thể được điều chỉnh lớn hoặc nhỏ hơn; thành phần và số lượng sinh vật cũng được thay đổi cho phù hợp.