Hệ sinh thái, sinh quyển

A. HỆ SINH THÁI

I. KHÁI NIỆM HỆ SINH THÁI

1. Khái niệm

- Hệ sinh thái bao gồm quần xã sinh vật và môi trường sống của quần xã (sinh cảnh) tác động qua lại lẫn nhau tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh và tương đối ổn định.

- Các thành phần của hệ sinh thái:

+ Môi trường vô sinh: đất đá, chất vô cơ, chất hữu cơ (thảm mục, mùn…), chế độ khí hậu, ánh sáng, nhiệt độ…

+ Quần xã sinh vật:

• Sinh vật sản xuất: các sinh vật sản xuất (thực vật, tảo, các sinh vật nhân sơ quang tổng hợp, hoá tổng hợp)
• Sinh vật tiêu thụ:
  • động vật ăn hoặc kí sinh trên thực vật: sinh vật tiêu thụ cấp 1.
  • động vật ăn sinh vật tiêu thụ cấp 1 (động vật ăn thực vật): sinh vật tiêu thụ cấp 2.
  • động vật ăn sinh vật tiêu thụ cấp 2: sinh vật tiêu thụ cấp 3...

• Sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm…): phân giải xác chết và chất thải của động thực vật, trả lại vật chất cho môi trường.

- Sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa các sinh vật trong nội bộ quần xã và giữa quần xã với sinh cảnh biểu hiện thông qua 2 quá trình: dòng năng lượng và chu trình tuần hoàn vật chất. Ví dụ minh họa hệ sinh thái rừng nhiệt đới:

2. Các kiểu hệ sinh thái chủ yếu trên trái đất

Hệ sinh thái tự nhiên:

- Các loại hệ sinh thái tự nhiên:

• Hệ sinh thái trên cạn: hệ sinh thái rừng nhiệt đới, sa mạc, hoang mạc, savan đồng cỏ, thảo nguyên, rừng lá rộng ôn đới, rừng thông phương bắc và đồng rêu hàn đới. Ví dụ: Hệ sinh thái đồng cỏ (trái) và đồng rêu hàn đới (phải).

• Hệ sinh thái dưới nước:
  • Hệ sinh thái nước ngọt: gồm các hệ sinh thái nước đứng (ao, hồ...) và hệ sinh thái  nước chảy (sông, suối).
  • Hệ sinh thái nước mặn (gồm cả vùng nước lợ): các rừng ngập mặn, cỏ biển, rạn san hô và hệ sinh thái vùng biển khơi. Ví dụ: hệ sinh thái biển: 

 

- Đặc điểm của các hệ sinh thái tự nhiên:

• Nguồn năng lượng hoàn toàn lấy từ tự nhiên (ánh sáng mặt trời).
• Sự có mặt và phát triển ổn định của một loài nào đó trong hệ sinh thái là kết quả của chọn lọc tự nhiên.
• Quan hệ khăng khít giữa các sinh vật trong hệ sinh thái (cạnh tranh, hỗ trợ, khống chế sinh học...) giúp duy trì sự ổn định của hệ sinh thái.

Hệ sinh thái nhân tạo: đồng ruộng, hồ nước, rừng trồng...

- Đặc điểm của các hệ sinh thái nhân tạo:

• Ngoài nguồn năng lượng sử dụng giống như các hệ sinh thái tự nhiên, để nâng cao hiệu quả sử dụng, người ta còn bổ sung thêm các nguồn vật chất và năng lượng khác.
• Sự có mặt của một loài nào đó trong hệ sinh thái vừa phải phù hợp với nhu cầu sống của loài đó, vừa được định hướng bởi con người.
• Quan hệ giữa các sinh vật trong hệ sinh thái nhân tạo không đủ mạnh để tạo nên sự khống chế sinh học và duy trì sự ổn định của hệ sinh thái mààcanf nhờ đến bàn tay con người (cải tạo hệ sinh thái, các biện pháp tỉa thưa rừng, loại bỏ chất độc hại, loại bỏ cá dữ...).

II. CHUỖI THỨC ĂN VÀ LƯỚI THỨC ĂN

- Mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài trong hệ sinh thái: thể hiện thông qua chuỗi và lưới thức ăn.

1. Chuỗi thức ăn

- Chuỗi thức ăn là một dãy nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau, mỗi loài là một mắt xích, vừa là sinh vật tiêu thụ mắt xích phía trước, vừa là thức ăn của sinh vật mắt phía sau. Ví dụ: 

• Cỏ => thỏ => cáo => hổ
• Mùn bã sinh vật => giun đất => gà => cáo => hổ

 

 - Có 3 loại sinh vật trong chuỗi thức ăn:

• Sinh vật sản xuất (sinh vật cung cấp) là những sinh vật tự dưỡng trong quần xã (cây xanh, một số tảo), có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ.
• Sinh vật tiêu thụ là những sinh vật dị dưỡng ăn thực vật và có thể cả những sinh vật dị dưỡng khác. Chúng không tự tổng hợp được chất hữu cơ mà phải sử dụng các chất hữu cơ của nhóm sinh vật sản xuất.
  • Sinh vật tiêu thụ bậc 1 có thể là động vật ăn thực vật, hay kí sinh trên thực vật.
  • Sinh vật tiêu thụ bậc 2 là sinh vật ăn thịt hay kí sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc 1. trong 1 chuỗi, có thể có sinh vật tiêu thụ bậc 3, bậc 4...

 

• Sinh vật phân huỷ là những vi khuẩn dị dưỡng và nấm, có khả năng phân huỷ chất hữu cơ thành chất vô cơ.

- Có 2 loại chuỗi thức ăn: 

• Chuỗi thức ăn khởi đầu từ sinh vật tự dưỡng: Sinh vật tự dưỡng => động vật ăn sinh vật tự dưỡng => động vật ăn thịt các cấp.
• Chuỗi thức ăn khởi đầu từ mùn bã sinh vật: Mùn bã sinh vật => động vật ăn mùn bã sinh vật => động vật ăn thịt các cấp.

Chuỗi thức ăn thứ hai là hệ quả của chuỗi thức ăn thứ nhất vì mùn bã sinh vật là kết quả của quá trình phân giải các chất thải, xác động, thực vật. Trong tự nhiên, hai chuỗi hoạt động đồng thời nhưng tuỳ nơi, tuỳ lúc mà một trong hai chuỗi trở nên ưu thế hơn. Ví dụ:

• Mùa xuân hè: cỏ, thực vật dồi dào làm thức ăn cho động vật => chuỗi thức ăn loại 1 chiếm ưu thế.
• Mùa đông: cỏ, thực vật tàn úa => chuỗi thức ăn loại 2 chiếm ưu thế.

2. Lưới thức ăn

- Lưới thức ăn bao gồm các chuỗi thức ăn có nhiều mắt xích chung.

- Lưới thức ăn càng có nhiều chuỗi và nhiều mắt xích chung thì:

• quần xã càng nhiều loài (độ đa dạng cao, độ phong phú thấp)
• tính ổn định của quần xã càng cao.

3. Bậc dinh dưỡng

- Trong lưới thức ăn, tất cả các loài có cùng mức dinh dưỡng hợp thành một bậc dinh dưỡng => hệ sinh thái có nhiều bậc dinh dưỡng:

• Bậc dinh dưỡng cấp 1 (sinh vật sản xuất): gồm các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ của môi trường.
• Bậc dinh dưỡng cấp 2 (sinh vật tiêu thụ bậc 1): gồm các động vật ăn sinh vật sản xuất.
• Bậc dinh dưỡng cấp 3 (sinh vật tiêu thụ bậc 2): gồm các động vật ăn sinh vật tiêu thụ bậc 1...

III. SỰ TRAO ĐỔI CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI

1. Tháp sinh thái

- Mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài trong quần xã thể hiện thông qua chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng.

- Độ lớn của các bậc dinh dưỡng không ngang bằng nhau và có thể được xác định bằng một số đại lượng: số lượng cá thể, sinh khối hoặc năng lượng.

- Độ lớn của mỗi bậc dinh dưỡng xác định theo một trong các đại lượng trên được biểu thị bằng hình chữ nhật, có chiều cao bằng nhau và chiều ngang thể hiện độ lớn của bậc dinh dưỡng đó.

- Hình bao gồm các bậc dinh dưỡng chồng lên nhau được gọi là tháp sinh thái.

- Có 3 loại tháp sinh thái:

Loại tháp	Đặc điểm	Chú ý
Tháp số lượng	- Xây dựng dựa trên số lượng sinh vật ở mỗi bậc dinh dưỡng. - Ưu: dễ xây dựng	- Kém chính xác vì không tính đến kích thước của các loài khác nhau (voi = kiến) => đôi khi bị biến dạng (nhiều vật kí sinh trên một vật chủ g đáy nhỏ, đỉnh lớn).
Tháp sinh khối	- Xây dựng dựa trên khối lượng tổng số của tất cả các sinh vật trên một đơn vị diện tích hay thể tích ở mỗi bậc dinh dưỡng. - Chính xác hơn tháp số lượng	- Không tính đến chất lượng của vật chất đặc trưng cho mỗi loài g đôi khi bị biến dạng (VD: các quần xã sinh vật nổi trong nước, sinh khối của tảo và thực vật phù du thấp hơn sinh khối của các sinh vật tiêu thụ cấp cao hơn).
Tháp năng lượng	- Xây dựng dựa trên số năng lượng được lích luỹ trên một đơn vị diện tích hay thể tích, trong một đơn vị thời gian ở mỗi bậc dinh dưỡng.	- Hoàn thiện nhất vì có cùng số đo là năng lượng. - Thường có dạng chuẩn (đáy rộng nhất, càng lên cao càng nhỏ) nghĩa là năng lượng của vật làm mồi bao giờ cũng đủ đến dư thừa để nuôi vật tiêu thụ mình.

2. Chu trình sinh địa hóa (chu trình vật chất)

- Chu trình sinh địa hoá trong hệ sinh thái là sự trao đổi liên tục của các nguyên tố hoá học giữa môi trường và quần xã sinh vật.

- Sơ đồ: vật chất vô cơ => sinh vật sản xuất => sinh vật tiêu thụ các cấp => sinh vật phân huỷ => vật chất vô cơ trả lại cho môi trường.

=> Vai trò: duy trì sự cân bằng vật chất trong sinh quyển.

- Có 2 nhóm chu trình sinh địa hoá:

• Chu trình các chất khí: các chất tham gia chu trình này có nguồn dự trữ trong khí quyển, đi qua quần xã, ít bị thất thoát, phần lớn được hoàn trả lại chu trình.
• Chu trình các chất lắng đọng: các chất tham gia chu trình này có nguồn dự trữ từ vỏ trái đất, đi qua quần xã, một phần tách khỏi chu trình đi vào các chất lắng đọng g thất thoát nhiều hơn.

- Một số chu trình điển hình: 

Chu trình sinh địa hóa của nước

 

• Nước tham gia vào các mắt lưới trong lưới thức ăn. Cây hút nước từ đất. Các sinh vật tiêu thụ khác đều sử dụng nước và qua quá trình trao đổi chất, một phần nước lại quay về đất hoặc khí quyển. Trong cơ thể sinh vật dị dưỡng nước được sử dụng một phần để tổng hợp lại các chất hữu cơ. Trong quá trình dinh dưỡng của các sinh vật dị dưỡng yếm khí thì các hợp chất hữu cơ cuối cùng được phân huỷ thành nước, CO₂ và muối khoáng; chúng sẽ được tái sử dụng bởi các sinh vật tự dưỡng.
• Để thực hiện được chu trình vật chất này cần có năng lượng. Nguồn năng lượng chính là năng lượng của ánh sáng mặt trời.

Chu trình sinh địa hoá của cacbon

Chu trình sinh địa hóa của Nito

 

=> Như vậy, có thể thấy rằng, quần xã sinh vật cũng như những hệ thống sống khác là những hệ mở tự điều chỉnh, luôn luôn trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh.

3. Dòng năng lương trong hệ sinh thái

- Sự phân bố năng lượng trên Trái đất

• Ánh sáng mặt trời phân bố không đồng đều trên bề mặt trái đất: theo độ cao, theo vĩ độ, theo chiều sâu, theo từng mùa trong năm.
• Thành phần và độ dài bước sóng có vai trò khác nhau đối với hệ sinh thái:
  • Các sóng dài: cung cấp nhiệt.
  • Các tia sóng ngắn: chuyển hoá vitamin D
  • Các tia sáng nhìn thấy: cần thiết cho quá trình quang hợp của thực vật.
• Quá trình quang hợp sử dụng khoảng 0,2 - 0,5% tổng lượng bức xạ chiếu trên trái đất để tổng hợp nên khoảng 170 tỉ tấn chất hữu cơ/năm.

- Các quy luật về sự chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

• Quy luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng như mất đi, mà được chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác (quang năng g hoá năng trong các hợp chất hữu cơ của sinh vật sản xuất g hoá năng trong các hợp chất hữu cơ của sinh vật tiêu thụ các cấp và dạng nhiệt năng bị tiêu hao qua mỗi quá trình chuyển hoá).
• Quy luật thứ hai của nhiệt động học: trong bất kì một quá trình chuyển hoá nào, đều có một phần năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt.

=> Sơ đồ chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái: 

4. Hiệu suất sinh thái

- Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ % chuyển hoá năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái.

- Năng lượng mà một bậc dinh dưỡng nào đó thu nhận sẽ được sử dụng cho:

• hoạt động tổng hợp chất hữu cơ đặc trưng cho cơ thể.
• hoạt động hô hấp của sinh vật, hoạt động tạo nhiệt giữ ấm cho cơ thể sinh vật (70 - 80%)
• tiêu hao qua các chất thải và các bộ phận rơi rụng (lá cây, rụng lông, lột xác...)...(10%).

=> Năng lượng tích luỹ trong chất sống ở mỗi bậc dinh dưỡng chiếm khoảng 10% năng lượng nhận được từ bậc dinh dưỡng liền kề thấp hơn.

- Công thức tính hiệu suất sinh thái: eff = C_{i + 1} / C_i * 100 . Trong đó:

• eff: hiệu suất sinh thái (%). C_i:
• bậc dinh dưỡng thứ i.
• C_i+1 : bậc dinh dưỡng thứ i + 1, bậc sau liền kề với i.

- Kết luận:

• Càng lên bậc dinh dưỡng cao hơn thì năng lượng càng giảm do một phần năng lượng bị thất thoát qua các hoạt động hô hấp, bài tiết... => giới hạn độ dài của chuỗi thức ăn và tháp năng lượng luôn có dạng chuẩn.
• Trong chăn nuôi, người ta hay nuôi các sinh vật sử dụng thức ăn là thực vật để thu được tổng năng lượng tối đa.

5. Sản lượng sinh vật

- Sản lượng sinh vật sơ cấp thô (PG): sản lượng sinh vật tạo ra sau quá trình quang hợp (tổng sản lượng chất hữu cơ đồng hoá được).

• 30 - 40% được thực vật tiêu thụ cho chính nó (tạo ra năng lượng cho các hoạt động sống của thực vật) - R.
• 60 - 70% tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ thực vật và được chuyển lên làm thức ăn cho các sinh vật dị dưỡng.

- Sản lượng sinh vật sơ cấp tinh (PN): sản lượng thực để nuôi các nhóm sinh vật dị dưỡng. PN = PG - R

- Sản lượng sinh vật thứ cấp: sản lượng chất hữu cơ của các sinh vật dị dưỡng.

B. SINH QUYỂN

I. Khái niệm sinh quyển

- Sinh quyển gồm toàn bộ sinh vật sống trong các lớp đất, nước, không khí của Trái Đất. Sinh quyển có thể coi như một hệ sinh thái lớn nhất.

- Sinh quyển dày khoảng 20 km, bao gồm:

• lớp đất dày khoảng vài chục mét thuộc Địa quyển.
• lớp không khí cao 6-7 km thuộc Khí quyển.
• lớp nước đại dương có độ sau tới 10-11 km thuộc Thủy quyển.

II. Các khu sinh học chính trên trái đất

- Bề mặt Trái Đất không đồng nhất về các điều kiện địa lý, địa chất, thổ nhưỡng, khí hậu và thảm thực vật. Các hệ sinh thái lớn rất đặc trưng cho đất đai và khí hậu của một vùng địa lý xác định gọi là các khu sinh học (biôm)

1. Các khu sinh học trên cạn

- Đồng rêu (Tundra)

• Phân bố: Vành đai viền lấy rìa bắc châu Á, Bắc Mỹ.
• Khí hậu - Thổ nhưỡng: quanh năm băng giá, đất nghèo dinh dưỡng.
• Sinh vật: có thời kỳ sinh trưởng ngắn. Thực vật ưu thế là rêu, địa y, cỏ bông. Động vật: gấu trắng Bắc Cực, tuần lộc,.... có thời kỳ ngủ đông dài, một số có tập tính di cư xuống phương nam tránh rét.

- Rừng lá kim phương bắc (Taiga)

Phân bố: nằm kề phía nam đồng rêu, diện tích lớn nhất tập trung ở Xibêri. Khí hậu-Thổ nhưỡng: Mùa đông dài, tuyết dày, mùa hè ngắn, ngày dài và ấm. Sinh vật: Cây lá kim (thông, tùng, bách chiếm ưu thế). Động vật sống trong rừng: thỏ, linh miêu, chó sói, gấu.

- Rừng lá rộng rụng theo mùa và rừng hỗn tạp ôn đới Bắc bán cầu

Phân bố: tập trung ở vùng ôn đới. Khí hậu-Thổ nhưỡng: Lượng mưa trung bình, phân bố đều trong năm, độ dài ngày và các điều kiện môi trường biến động lớn theo mùa và theo vĩ độ. Sinh vật: mùa sinh trưởng kéo dài. Thực vật: cây thường xanh và nhiều cây lá rộng rụng theo mùa. Khu hệ động vật khá đa dạng nhưng không loài nào chiếm ưu thế.

- Rừng ẩm thường xanh nhiệt đới

Phân bố: tập trung ở vùng nhiệt đới xích đạo. Khí hậu-Thổ nhưỡng: Nhiệt độ trung bình cao, lượng mưa trên 2230 mm. Sinh vật: Diện tích rừng lớn nhất thuộc lưu vực sông Amazon (Braxin), Công gô, Ấn Độ - Malaysia. Thảm thực vật phân nhiều tầng: cây cao, tán hẹp, cây dây leo thân gỗ, cây họ Lúa có kích thước lớn (tre, nứa,..), cây có quả mọc quanh thân (sung, mít,..), cây sống bì sinh, kí sinh, khí sinh. Động vật lớn: voi, gấu, hổ bào, trâu rừng, bò rừng, hươu, nai, sơn dương, lợn rừng, trăn, rắn,... Côn trùng đa dạng: bướm, ruồi muỗi,... Ở một số nơi còn có kiểu rừng mưa, rụng lá vào mùa khô, rừng nhiệt đới vùng núi cao. Rừng mưa nhiệt đới là lá phổi xanh của Trái Đất, hiện nay đang bị suy giảm mạnh do khai thác quá mức.

2. Các khu sinh học dưới nước

- Khu sinh học nước ngọt: 

• Gồm: sông, suối, hồ, đầm,... chiếm 2% diện tích bề mặt Trái Đất.
• Sinh vật: khá đa dạng, vai trò quan trọng là cá, giáp xác lớn (tôm, cua), thân mềm (trai, ốc,...) Những mặt nước lớn như đầm, hồ,... còn là nơi kiếm ăn của các loài chim nước nhất là các laoif chim di trú đông.

- Khu sinh học nước mặn:

Gồm: các đầm phá, vịnh nông ven bờ, biển và đại dương… bao phủ 71% bề mặt Trái Đất, chứa 1.370 triệu km3 nước mặn, là nơi sống của khoảng 200.000 loài động thực vật thủy sinh trong đó có gần 20.000 loài cá. Đại dương là cỗ máy khổng lồ điều hòa khí hậu cho hành tinh, tạo điều kiện cho phát triển giao thông hàng hải giữa các châu lục. Biển và địa dương được chia thành nhiều vùng với những điều kiện môi trường và nguồn lợi sinh vật khác nhau. Thềm lục địa: vùng nước nông bao quanh lục địa với độ sau tới 200 m, dáy có độ dốc nhỏ và khá bằng phẳng, được chiếu sáng đầy đủ, giàu muối dinh dưỡng, năng suất sinh học cao. Thềm lục địa chứa đựng nhiều hệ sinh thái có giá trị bậc nhất như các hệ sinh thái cửa sông, chuỗi các đầm phá, vùng vinh nông, rừng ngập mặn, các thảm cỏ biển và rạn san hô. Hàng năm biển và đại dương cung cấp 100 triệu tấn hải sản, thềm lục địa đóng góp 70-80%, đồng thời là nơi khai khoáng, khai thác dầu mỏ, khí đốt, là địa bàn phát triển giao thông ven biển và du lịch sinh thái.