Bài giảng Sinh thái môi trường - Các quy luật sinh thái học

9/15/2009 1 CÁC QUY LUẬT SINH THÁI HỌC I. Sơ lược: Khảo sát sự phân bố loài và mức độ phong phú của một hệ sinh thái cần phải tìm hiểu các vấn đề: ƒ lịch sử phát triển của các loài ƒ tập tính sống ƒ các nguồn dinh dưỡng ƒ tốc độ sinh trưởng, tỷ lệ sinh, tử ƒ tác động tương hổ trong loài, giữa các loài và ảnh hưởng của các điều kiện môi trường (nhiệt độ, ánh sáng, pH, độ ẩm, độ mặn, tốc độ dòng chảy…) II. Các quy luật: 1. Quy luật giới hạn sinh thái: ƒ Sự tồn tại của sinh vật (sv) phụ thuộc vào cường độ tác động của các nhân tố sinh thái. ƒ Cường độ tác động tăng, giảm vượt ra ngoài giới hạn thích hợp của cơ thể Ö giảm khả năng sống sv. ƒ Vượt ngưỡng cao nhất, thấp nhất Ö sv chết. ƒ Giới hạn cường độ 1 nhân tố sinh thái mà sv chịu đựng được gọi là giới hạn sinh thái của sv đó. ƒ Cường độ có lợi nhất cho sv, gọi là điểm cực thuận ƒ Giới hạn sinh thái và điểm cực thuận phụ thuộc vào các yếu tố: tuổi tác, tình trạng cơ thể … ƒ Các ví dụ: 9 Thực vật bậc cao có giới hạn nhiệt hẹp 0-50oC. 9 Cá rô phi là loài rộng nhiệt 5 Ö 42oC. 9 Sinh vật hẹp nhiệt ưa nóng: sứa. 9 Sinh vật hẹp nhiệt ưa lạnh: côn trùng núi cao Collembola. Đường biểu diễn minh họa tác động của sự thay đổi điều kiện môi trường lên sức sống (S), tăng trưởng (G) và sinh sản (R) của cá thể sinh vật (a)ảnh hưởng của nhiệt độ và pH (b)ảnh hưởng của chất độc, tia bức xạ và ô nhiễm hóa chất (c)ảnh hưởng của các yếu tố hóa học, với nồng độ thấp cần cho sự tăng trưởng nhưng nồng cao lại gây chết 2. Quy luật tác động tổng hợp của các nhân tố sinh thái: ƒ Môi trường gồm nhiều nhân tố sinh thái khác nhau. ƒ Các nhân tố sinh thái tác động qua lại với nhau. ƒ Sự thay đổi nhân tố sinh thái này làm thay đổi nhân tố sinh thái liên quan. ƒ Sinh vật chịu ảnh hưởng của các thay đổi đó. ƒ Các ví dụ: 9 Đất có đủ muối khoáng, cây chỉ có thể hấp thụ tốt khi đất có độ ẩm thích hợp. 9 Cây quang hợp tốt nếu kết hợp đủ nước và muối khoáng. 9/15/2009 2 (b) Tỷ lệ chết của tôm cái Crangon septemspinosa mang trứng theo sự thay đổi của nhiệt độ và độ mặn (theo Haefner, 1970) (a) Mức các nhiệt độ mà tại đó các loài thực vật vùng núi Alps có thể đạt được quang hợp thực ở bức xạ cường độ thấp (70W m-2) (theo Pisek và cộng sự, 1973) 3. Quy luật tác động không đồng đều của các nhân tố sinh thái lên chức phận cơ thể: ƒ Các nhân tố sinh thái có ảnh hưởng khác nhau lên các chức phận của cơ thể sống. ƒ Một nhân tố sinh thái cực thuận với quá trình này nhưng lại nguy hại cho quá trình khác. ƒ Các ví dụ: 9 Nhiệt độ tăng làm tăng quá trình trao đổi chất trong cơ thể động vật biến nhiệt nhưng kìm hãm các hoạt động vận động. 9 Chu kỳ đời sống của tôm các giai đoạn phát triển sống trên các môi trường độ mặn khác nhau. 4. Quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường: ƒ Các nhân tố sinh thái của môi trường ảnh hưởng đến sinh vật. ƒ Ngược lại sinh vật cũng làm ảnh hưởng và thay đổi các nhân tố môi trường. í ừ é á ó ò ả ô ờƒ V dụ: r ng kh p t n c vai tr c i tạo m i trư ng tự nhiên Ö tăng độ ẩm không khí, đất Ö các sinh vật phân hủy hoạt động tăng độ phì cho đất Ö giữ nước, đất không xói mòn … 5. Quy luật lượng tối thiểu: ƒ Chất có hàm lượng tối thiểu điều khiển năng suất, xác định đại lượng và tính ổn định của sinh vật theo thời gian. ƒ Nhân tố giới hạn là nhân tố có hàm lượng (sử dụng được) gần nhất với lượng tối thiểu cần thiết. ƒ Tác động của các nhân tố khác không phải là tối thiểu có thể làm thay đổi nhu cầu nhân tố tối thiểu. ƒ Các ví dụ: 9 Nồng độ ôxy trong ao nuôi cá có mật độ cao giới hạn năng suất cá. 9 Lượng mưa giới hạn năng suất sinh khối của HST sa mạc. 6. Quy luật tháp sinh thái: ƒ Trong lưới thức ăn của hệ sinh thái, sinh vật ở mắt lưới càng xa vị trí sinh vật sản xuất có tổng lượng sinh khối càng nhỏ. ƒ Theo quy luật này tháp sinh thái được tính trên 3 hình thức: năng lượng, sinh khối, chuỗi thức ăn. á íƒ C c v dụ: Nhiệt Nhiệt Nhiệt 10 SV tiêu thụ cấp 2 (Cá chép) SV tiêu thụ cấp 3 (con người) Sinh vật phân hủy Các bậc dinh dưỡng trong hình tháp sinh thái Nhiệt Nhiệt 100 1,000 10,000 Năng lượng sử dụng trong mỗi bậc dinh dưỡng (kilocalories) SV sản xuất (phytoplankton) SV tiêu thụ cấp 1 (zooplankton) 9/15/2009 3 III.Tác động của nhân tố sinh thái: 1. Ánh sáng: ƒ Ánh sáng là nguồn năng lượng cho tất cả sinh vật. ƒ Bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất chiếm 60%, 40% phản xạ lại vào khoảng không. ƒ Phân bố ánh sáng vùng xích đạo nhiều hơn. ƒ Bức xạ ánh sáng ở dạng sóng điện từ (đơn vị nm). ƒ Ánh sáng có thể ảnh hưởng đến: 9 Hình thái, giải phẩu và sinh lý thực vật 9 Khả năng định hướng và sinh sản ở động vật Tia hồng ngoại 340.000 Tia nhìn thấy 780 Tia tử ngoại 380 10 Các ví dụ: ƒ Các nhóm cây thích nghi với điều kiện chiếu sáng khác nhau (ưa sáng, ưa bóng, chịu bóng). ƒ Cây có tính hướng sáng Ö cây trồng sát nhau trong rừng thẳng đứng ít phân cành. ƒ Cường độ, thời gian chiếu sáng, thành phần quang hổ á h á ó ả h h ở lớ đế h độ hp n s ng c n ư ng n n oạt ng sin lý của thực vật: quang hợp, hô hấp ... Biểu đồ mật độ quần thể tảo Chlorella vulgaris, sự gia tăng mật độ theo cường độ sáng (thay đổi theo độ sâu) (theo Huisman, 1999) Thay đổi phân bố phổ bức xạ theo độ sâu ở Lake Burley Griffin, Australia. Quang hợp hoạt động ở bước sóng từ 400 – 700nm (theo Kirk, 1994) Phân bố ánh sáng trong các kiểu quần xã thực vật. (a) rừng hỗn hợp (b) rừng thông (c) hoa hướng dương (d) ruộng bắp 2. Nhiệt độ: ƒ Sinh vật chỉ sống trong giới hạn nhiệt độ thích hợp. ƒ Sự trao đổi nhiệt giữa sinh vật và môi trường dựa vào cấu trúc và hoạt động của cơ thể (đồng nhiệt, biến nhiệt). ƒ Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến: ì á ả ẩ à ý ậ9 H nh th i, gi i ph u v sinh l thực v t 9 Đặc điểm hình thái và sinh lý động vật 9/15/2009 4 Các con đường trao đổi nhiệt giữa cơ thể động vật biến nhiệt và môi trường (Tracy, 1976; Hainworth, 1981) Các ví dụ: ƒ Hình thái lá bị biến đổi nhiều ở các nhiệt độ khác nhau (xương rồng). ƒ Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh đến quá trình quang hợp, hô hấp và các quá trình trao đổi chất trong cơ thể. Nhiệt độ ả h hưở đế ự hát t iể ủ độƒ n ng n s p r n c a ng vật biến nhiệt, sự sinh sản, trạng thái tạm nghĩ (ngủ đông) … 3. Nước: ƒ Nước thành phần cấu trúc cơ bản và tham gia vào hoạt động sống của sinh vật. ƒ Nước tồn tại trong khí quyển ở 3 dạng: cứng, lỏng và hơi, dạng hơi tạo độ ẩm trong không khí. ƒ Trong nước chứa nhiều hệ sinh thái khác nhau với các loài động thực vật đa dạng. ƒ Các đặc điểm của nước ảnh hưởng đến sinh vật: 9 Độ ẩm (trong không khí), áp suất, tỷ trọng, lượng ôxy, lượng CO2, nhiệt độ, ánh sáng, độ đục, độ mặn (các muối hòa tan). 9 Cân bằng nước ở thực vật, động vật trên cạn. 4. Đất: ƒ Đất là môi trường sống và cung cấp chất dinh dưỡng cho nhiều loài động vật, thực vật, vi sinh vật và nấm. ƒ Đất mang nhiều hệ sinh thái với các loài sinh vật phân bố theo độ sâu khác nhau. ƒ Các đặc điểm của đất: 9 Cấu trúc đất 3 tầng: mùn, rửa trôi, đất mẹ. 9 Thành phần đất: chất vô cơ, hữu cơ, nước, không khí, pH, thành phần hóa học và độc chất đất. 5. Không khí: ƒ Không khí có chứa oxy là thành phần cần thiết cho sự sống, ozon là vật cản bức xạ. (không khí chứa hàm lượng oxy cao hơn nước). ƒ Không khí chứa: nitơ 78,08%; oxy 20,94%; CO2 0,03%; H2; NH3; hơi nước; He; O3; CH4; CO; SO2; NO; H2S; bụi, vi khuẩn, phấn hoa, bào tử … IV. Cơ chế hoạt động của hệ sinh thái: ƒ Bất kỳ hoạt động của một HST nào cũng có cơ chế cân bằng động, trong đó dòng vật chất và năng lượng luôn biến đổi từ dạng này qua dạng khác. ƒ HST là một hệ thống tự điều chỉnh phức tạp. ƒ HST có quá trình tiến hóa, phát triển và đạt đến điểm cực thuận, kèm theo đó là hiệu suất, tính đa dạng của hệ tăng lên, lượng chất dinh dưỡng, lưu thông cũng tăng lên, biến đổi yếu tố vô sinh gia tăng. 9/15/2009 5 ƒ HST duy trì, điều chỉnh bằng các cơ chế: 9 Tốc độ dòng năng lượng (tăng, giảm quang hợp, hô hấp, nhiệt độ). 9 Tốc độ chuyển hóa vật chất (tốc độ phân hủy chất hữu cơ). 9 Tính đa dạng sinh học (gia tăng hay ức chế sự phát triển của 1 loài thay thế loài này bằng loài, khác). Sự đa dạng sút giảm dễ dẫn đến sự mất cân bằng sinh thái. HẾT BÀI CÁC QUY Ậ ÁLU T SINH TH I