Bài 22: Sinh thái học quần xã

I. KHÁI NIỆM QUẦN XÃ SINH VẬT

Quần xã sinh vật là một tập hợp các quần thể sinh vật khác loài, cùng sống trong một không gian nhất định, giữa chúng có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và với môi trường, tạo thành một cấu trúc tương đối ổn định, có khả năng tự điều chỉnh. 

Quần xã sinh vật được hình thành trong một quá trình lịch sử, có cấu trúc ổn định tương đối với các đặc trưng cơ bản về thành phần loài, sự phân bố của các loài trong không gian, mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài.

Quần xã sinh vật và môi trường có sự trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng. Các loài trong quần xã có tác động qua lại với nhau cũng như tác động qua lại với môi trường. Các mối tương tác này tạo nên sự cân bằng và giúp quần xã tăng trưởng, đảm bảo quần xã là một tổ chức tương đối ổn định và thích nghi với môi trường sống.

II. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ

1. Đặc trưng về thành phần loài

Đặc trưng về thành phần loài được biểu thị qua số lượng của các loài sinh vật trong quần xã. Mức độ thay đổi thành phần loài cho biết tính ổn định, biến động hay suy thoái của quần xã. Thông thường các quần xã ổn định thường có số lượng loài lớn.

Quần xã sinh vật thường đặc trưng bởi ba nhóm loài: loài ưu thế, loài đặc trưng và loài chủ chốt.

- Loài ưu thế đóng vai trò quan trọng trong quần xã do có số lượng cá thể nhiều, sinh khối lớn và mức hoạt động mạnh, chi phối các loài sinh vật khác cũng như môi trường.

- Loài đặc trưng là loài chỉ có ở một quần xã nào đó hoặc ở đó chúng có số lượng nhiều, tạo nên sự khác biệt so với các loài khác. 

- Loài chủ chốt có số lượng (sinh khối) ít nhưng hoạt động mạnh, chi phối các loài khác trong quần xã thông qua việc kiểm soát chuỗi thức ăn. Vai trò của loài chủ chốt trong quần xã rất quan trọng bởi chúng có khả năng khống chế không cho một loài nào đó phát triển quá mức. 

Ngoài ba nhóm loài kể trên, trong quần xã sinh vật còn có những nhóm loài khác, ví dụ như loài thứ yếu (đóng vai trò thay thế loài ưu thế khi nhóm loài này suy vong), loài ngẫu nhiên (loài có sự xuất hiện và độ phong phú thấp) và loài ngoại lai.

2. Đặc trưng về độ đa dạng và phong phú của quần xã sinh vật

Độ đa dạng và phong phú quần xã sinh vật được đánh giá dựa trên số lượng các loài khác nhau và tỉ lệ số cá thể mỗi loài trên tổng số cá thể trong quần xã (độ phong phú tương đối của loài). Độ đa dạng và phong phú của quần xã thể hiện sự biến động, ổn định hay suy thoái của quần xã. Một quần xã ổn định thường có số lượng loài nhiều và độ phong phú tương đối của mỗi loài cao. Ngược lại, quần xã đang suy thoái thường có số lượng loài ít và độ phong phú tương đối của mỗi loài thấp.

Mức độ đa dạng và phong phú của quần xã sinh vật phụ thuộc vào các nhân tố hữu sinh như sự cạnh tranh giữa các loài về thức ăn, nơi ở và mức độ thay đổi của các nhân tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa,...

Độ đa dạng và phong phú của quần xã sinh vật thường thay đổi theo xu hướng giảm dần từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao, từ chân núi lên đỉnh núi, từ bờ đến khơi xa, từ tầng nước mặt đến tầng đáy sâu. Sự khác biệt này là do sự thay đổi có tính quy luật của các nhân tố sinh thái.

3. Đặc trưng về cấu trúc không gian

Do sự phân bố không đồng đều của các nhân tố sinh thái như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, chất dinh dưỡng,... nên sự phân bố của các loài trong không gian cũng khác nhau. Sự phân bố thường có xu hướng làm giảm bớt mức độ cạnh tranh giữa các loài sinh vật và nâng cao hiệu quả của việc sử dụng nguồn sống trong môi trường. Nhờ đó, các loài sinh vật trong quần xã cùng tồn tại và phát triển đảm bảo sự cân bằng của quần xã. Có hai kiểu phân bố của các loài trong không gian: theo chiều ngang và theo chiều thẳng đứng.

Theo chiều ngang, các quần xã sinh vật phân bố theo những vành đai tương ứng với những thay đổi của môi trường. 

Theo chiều đứng, các loài sinh vật phân bố theo các tầng tương ứng với điều kiện sinh thái và nơi có nguồn sống phù hợp.

4. Đặc trưng về cấu trúc chức năng dinh dưỡng

Theo cấu trúc chức năng dinh dưỡng, các sinh vật trong quần xã được phân thành ba nhóm: sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân giải.

Sinh vật sản xuất là những sinh vật có khả năng sử dụng năng lượng ánh sáng hoặc hoá học để chuyển hoá CO₂ thành chất hữu cơ. Nhóm sinh vật này bao gồm thực vật, tảo, vi khuẩn quang hợp và các vi khuẩn hoá tự dưỡng. Sinh vật sản xuất trực tiếp hoặc gián tiếp cung cấp nguồn dinh dưỡng (năng lượng) cho các sinh vật khác trong quần xã. Sinh vật tiêu thụ là những sinh vật không có khả năng chuyển hoá CO₂ thành chất hữu cơ. Chúng chỉ có khả năng sử dụng các chất hữu cơ có sẵn từ các sinh vật khác. Sinh vật tiêu thụ gồm các loài động vật, được chia thành các nhóm: nhóm ăn thực vật, nhóm ăn thịt và nhóm ăn tạp.

Sinh vật phân giải sử dụng chất dinh dưỡng từ xác của các sinh vật khác (mùn bã hữu cơ) làm nguồn dinh dưỡng. Sinh vật phân giải bao gồm nấm và nhiều loài vi khuẩn.

Các nhóm sinh vật trong quần xã với chức năng dinh dưỡng khác nhau đã giúp vật chất và năng lượng được luân chuyển liên tục trong quần xã sinh vật và giữa quần xã sinh vật với môi trường. Nhờ quá trình trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng, quần xã sinh vật mới tồn tại và phát triển ổn định.

III. QUAN HỆ SINH THÁI GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ

Trong quá trình tìm kiếm nguồn dinh dưỡng và nơi ở, các loài trong quần xã gắn bó mật thiết với nhau thông qua hai mối quan hệ phổ biến: hỗ trợ hoặc đối kháng. Thông qua các mối quan hệ này, các loài sinh vật kiểm soát lẫn nhau, đảm bảo duy trì ổn định cấu trúc của quần xã sinh vật.

1. Quan hệ hỗ trợ

Trong quan hệ hỗ trợ, các loài sinh vật đều có lợi hoặc ít nhất một loài có lợi còn loài kia không bị hại. Quan hệ hỗ trợ bao gồm các mối quan hệ cộng sinh, hợp tác và hội sinh. Quan hệ cộng sinh là mối quan hệ giữa hai hay nhiều loài sinh vật chung sống thường xuyên với nhau, trong đó các loài tham gia đều có lợi.

Quan hệ hợp tác là mối quan hệ giữa các cá thể của hai hay nhiều loài, trong đó các loài tham gia đều có lợi. Các loài tham gia hợp tác không nhất thiết phải gắn bó với nhau. 

Quan hệ hội sinh là mối quan hệ giữa các cá thể của hai hay nhiều loài, trong đó các cá thể của một loài được hưởng lợi nhưng các cá thể của loài khác không được hưởng lợi gì. 

2. Quan hệ đối kháng

Trong quan hệ đối kháng, ít nhất một loài bị hại hoặc cả hai loài đều bị hại. Quan hệ đối kháng bao gồm các mối quan hệ như cạnh tranh, sinh vật này ăn sinh vật khác, kí sinh, ức chế - cảm nhiễm.

Quan hệ cạnh tranh là mối quan hệ đối kháng điển hình giữa các loài sinh vật, trong đó các loài sinh vật cạnh tranh nguồn dinh dưỡng, nơi ở. Trong mối quan hệ này, các loài đều bị ảnh hưởng bất lợi.

Quan hệ cạnh tranh là tác nhân chủ yếu quyết định cấu trúc và sự phát triển của quần xã sinh vật. Trải qua quá trình lịch sử lâu dài, quan hệ cạnh tranh dẫn tới sự phân hoá giữa các loài về nguồn thức ăn, nơi ở và không gian hoạt động, kết quả là hình thành nên các ổ sinh thái. Như vậy, ổ sinh thái của một loài là không gian sống mà ở đó tất cả các nhân tố sinh thái nằm trong giới hạn sinh thái cho phép loài đó tồn tại và phát triển lâu dài. Quan hệ sinh vật này ăn sinh vật khác là mối quan hệ trong đó một loài sinh vật sử dụng loài sinh vật khác làm thức ăn. 

Quan hệ kí sinh là mối quan hệ trong đó một loài sinh vật sống kí sinh trên cơ thể của các loài khác (vật chủ), loài kí sinh sử dụng các chất dinh dưỡng của cơ thể vật chủ để sinh trưởng, phát triển và có thể làm vật chủ chết dần. Trong mối quan hệ này, loài kí sinh được lợi còn vật chủ bị hại.

Quan hệ ức chế – cảm nhiễm là mối quan hệ khi một loài sinh vật trong quá trình sống đã tạo ra chất độc gây hại cho các loài sinh vật khác. 

IV. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUẦN XÃ SINH VẬT VÀ BIỆN PHÁP BẢO VỆ

Sự tồn tại và phát triển của quần xã sinh vật chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bao gồm các yếu tố vô sinh như bão, lũ lụt, hạn hán, cháy rừng; hữu sinh như loài ngoại lai và con người.

1. Loài ngoại lai

Loài ngoại lai là loài sinh vật xuất hiện và phát triển ở khu vực vốn không phải là môi trường sống tự nhiên của chúng. Như vậy, loài ngoại lai không phải loài bản địa mà là loài được di nhập từ một vùng hay quốc gia này vào một vùng hay quốc gia khác. 

Khi di nhập vào môi trường mới, không còn chịu sự kiểm soát của các tác nhân gây bệnh và các loài cạnh tranh, nếu điều kiện sinh thái phù hợp thì các loài ngoại lai sẽ thích nghi, sinh trưởng và phát triển thành một loài mới của quần xã. Chúng cạnh tranh với các loài bản địa về thức ăn, nơi ở và không gian hoạt động, thậm chí chúng có thể lấn át loài bản địa và trở thành loài ưu thế. Sự xuất hiện của loài ngoại lai sẽ làm thay đổi cấu trúc dinh dưỡng, ảnh hưởng đến sự phân bố, độ đa dạng của quần xã và dẫn tới sự hình thành một trạng thái cân bằng mới.

2. Ảnh hưởng của con người

Do sự bùng phát dân số và áp lực trong việc phát triển kinh tế, con người đã thực hiện một số hoạt động ảnh hưởng lớn đến các quần xã sinh vật như.

- Chuyển đất rừng thành đất nông nghiệp hoặc đất rừng và đất nông nghiệp thành các khu đô thị, địa điểm du lịch, khu công nghiệp. Các hoạt động này làm mất môi trường sống của các loài sinh vật, tăng xói mòn đất, thay đổi khả năng điều hoà nước và khí hậu, gây ô nhiễm môi trường.

- Tàn phá rừng, thực hiện các hoạt động săn bắt, khai thác quá mức nguồn tài nguyên rừng và biển.

- Sử dụng bừa bãi phân bón, thuốc trừ sâu hoá học, thuốc kháng sinh và các hoá chất khác trong sản xuất.

- Xả thải bừa bãi và xả chất thải chưa qua xử lí gây ô nhiễm môi trường.

3. Biện pháp bảo vệ quần xã

Ngày nay, nhận thức của con người về vấn đề bảo vệ các loài sinh vật đã tăng lên. Con người đang thực hiện nhiều biện pháp bảo vệ quần xã sinh vật như:

- Xây dựng các khu bảo tồn thiên nhiên, vườn quốc gia.

- Bảo vệ rừng và cấm săn bắt động vật hoang dã.

- Bảo vệ và phục hồi các loài động thực vật quý hiếm.

- Xây dựng kế hoạch để khai thác và sử dụng hợp lí nguồn tài nguyên đất, rừng, biển. Tích cực phòng chống cháy rừng.

- Sử dụng phân bón vi sinh, phân bón hữu cơ thay thế cho phân bón hoá học.

- Sử dụng biện pháp kiểm soát sinh học để thay thế thuốc hoá học.

- Thực hiện các nghiên cứu khảo nghiệm trước khi nhập nội giống cây trồng, vật nuôi.

- Bảo vệ các loài sinh vật bản địa trước sự xâm lấn của loài ngoại lai.

V. THỰC HÀNH: TÌM HIỂU ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ TRONG TỰ NHIÊN

Cơ sở khoa học

Các quần xã sinh vật, ví dụ như vườn trường, vườn cây ăn quả,... là những quần xã sinh vật ổn định. Do vậy, có thể tìm hiểu, đánh giá được đặc trưng cơ bản của quần xã như cấu trúc chức năng dinh dưỡng của các loài sinh vật.

Các bước tiến hành

Chuẩn bị

Vật liệu, thiết bị: giấy, bút, kính lúp, thiết bị ghi hình.

Tiến hành

Bước 1. Xác định khu vực tiến hành nghiên cứu.

Bước 2. Quan sát, chụp ảnh các loài sinh vật trong khu vực nghiên cứu.

Báo cáo

- Tổng hợp kết quả thực nghiệm.

- Báo cáo kết quả thực nghiệm theo mẫu ở bài 1.