Bài giảng Sinh thái môi trường - Ngô An

Sinh thaùi Moâi tröôøng CBGD: TS. Ngoâ An Sinh thái môi trường học cơ bản (30 tiết) (Chung cho 3 chuyên ngành) • 1) Những nguyên lý cơ bản của STH, HST môi trường, Cân bằng sinh thái. • 2) Phương pháp luận và PP nghiên cứu của STMT. • 3) Dòng năng lượng, chuổi thức ăn trong HST. • 4) Sinh thái quần thể, quần xã. • 6) Chu trình sinh địa hoá. • 7) Các yếu tố MT vật lý ảnh hưởng đến HST • 8) Ảnh hưởng của bộc phát dân số đến STMT • 9) Cây xanh, rừng, Đa dạng sinh học và MTST • 10) Chỉ thị môi trường sinh thái • 1) Suy thoái MT và diễn thế sinh thái. • 2) PHú dưỡng hoá • 3) Sinh thái môi trường đất ước. • 4) Sinh thái đô thị và đô thị sinh thái. • 5) Sinh thái môi trường nông thôn. • 6) Thách thức và hiểm hoạ sinh thái môi trường toàn cầu. • 7) Một số ứng dụng về sinh thái môi trường. Sinh thái môi trường học ứng dụng (15 tiết) (Chuyên ngành Kỹ thuật MT và Quản lý TNTN) Nhoùm khaùi nieäm veà sinh thaùi, moâi tröôøng •MT cuûa con ngöôøi bao goàm toaøn boä caùc heä thoáng töï nhieân vaø caùc heä thoáng do con ngöôøi taïo ra, nhöõng caùi höõu hình (taäp quaùn, nieàm tin..), trong ñoù con ngöôøi soáng vaø lao ñoäng, hoï khai thaùc caùc taøi nguyeân thieân nhieân vaø nhaân taïo nhaèm thoaõ maûn nhöõng nhu caàu cuûa mình (UNESCO, 1981). Khoâng gian soáng cuûa con ngöôøi vaø caùc loaøi sinh vaät Nôi löu tröõ vaø cung caáp caùc nguoàn thoâng tin Nôi chöùa ñöïng caùc nguoàn taøi nguyeân Nôi chöùa ñöïng caùc pheá thaûi do con ngöôøi taïo ra trong cuoäc soáng Caùc chöùc naêng chuû yeáu cuûa MT Moâi tröôøng • - MT soáng cuûa con ngöôøi theo nghiaõ roäng laø taát caû caùc nhaân toá töï nhieân vaø xaõ hoäi caàn thieát cho söï soáng, saûn xuaát cuûa con ngöôøi nhö taøi nguyeân thieân nhieân, khoâng khí, ñaát , nöôùc, aùnh saùng, caûnh quan, quan heä xaõ hoäi.. • - MT soáng CCN theo nghiaõ heïp chæ bao goàm yeáu toá töï nhieân vaø nhaân toá xaõ hoäi tröïc tieáp lieân quan tôùi chaát löôïng cuoäc soáng con ngöôøi => laø taát caû nhöõng gì xung quanh chuùng ta, taïo ñieàu kieän ñeå chuùng ta soáng, hoaït ñoäng vaø phaùt trieån (MT töï nhieân + MT xaõ hoäi). Leâ Huy Baù, 1997 Leâ Huy Baù, 1997 Sinh thaùi moâi tröôøng • - Sinh thaùi moâi tröôøng laø moân hoïc thuoäc ngaønh moâi tröôøng hoïc. Noù nghieân cöùu moái quan heä töông taùc khoâng chæ giöõa caùc caù theå sinh vaät, maø coøn giöõa taäp theå, giöõa coäng ñoàng vôùi caùc ñieàu kieän moâi tröôøng töï nhieân bao quanh noù (Leâ Huy Baù, 2005). • - Sinh thaùi moâi tröôøng ngoaøi nhieäm vuï cuûa moâi tröôøng sinh thaùi hoïc coå ñieån coøn taäp trung vaøo moái quan heä giöõa con ngöôøi vaø moâi tröôøng soáng thoâng qua caùc hoaït ñoäng coâng , noâng nghieäp, khai thaùc taøi nguyeân, hoaït ñoäng vaên hoaù xaõ hoäi (du lòch, vui chôi giaûi trí) • - Sinh thaùi hoïc moâi tröôøng laø gaïch noái giöõa sinh thaùi hoïc coå ñieån vaø moâi tröôøng hoïc. Caùc phaân moân cuûa STMT: • Caên cöù vaøo möùc ñoä toå chöùc cuûa heä soáng: • - Sinh thaùi moâi tröôøng hoïc caù theå • - Sinh thaùi moâi tröôøng hoïc quaàn theå • - Sinh thaùi moâi tröôøng hoïc quaàn xaõ • - Heä Sinh thaùi moâi tröôøng • - Sinh quyeån hoïc • Caên cöù vaøo muïc ñích nghieân cöùu: • - Sinh thaùi moâi tröôøng cô sôû : Nghieân cöùu caùc khiaù caïnh cuûa sinh thaùi moâi tröôøng vaø ñöa ra caùc lyù thuyeát veà moâi tröôøng hoïc. • - Sinh thaùi moâi tröôøng öùng duïng : ÖÙng duïng caùc kieán thöùc lyù thuyeát vaøo thöïc teá ñeå quaûn lyù, caûi taïo moâi tröôøng. • Caên cöù vaøo tính chaát moâi tröôøng: • - Sinh thaùi moâi tröôøng ñaát • - Sinh thaùi moâi tröôøng nöôùc • - Sinh thaùi moâi tröôøng khoâng khí • Caên cöù vaøo tính chaát moâi tröôøng, nhöng theo ñaëc tröng khaùc: • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng • - Sinh thaùi moâi tröôøng bieån • - Sinh thaùi moâi tröôøng soâng • - Sinh thaùi moâi tröôøng ven bieån • - Sinh thaùi moâi tröôøng noâng thoân • - Sinh thaùi moâi tröôøng ñoâ thò • Moãi loaïi moâi tröôøng, coù theå chia thaønh ñôn vò nhoû hôn: • Ví duï: Sinh thaùi moâi tröôøng röøng • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng möa nhieät ñôùi • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng ngaäp maën • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng traøm • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng ruïng laù • - Sinh thaùi moâi tröôøng röøng laù kim • Caên cöù vaøo tính chaát moâi tröôøng : • - Sinh thaùi moâi tröôøng töï nhieân • - Sinh thaùi moâi tröôøng nhaân taïo Caùc loaïi heä sinh thaùi trong sinh quyeån • - HST töï nhieân: Röøng, ñoàng coû, ao hoà, bieån vaø ñaïi döông. • - HST ñoâ thò: Caùc thaønh phoá lôùn vaø caùc khu coâng nghieäp. • - HST Noâng nghieäp: Laø moät vuøng hay 1 ÑV saûn xuaát noâng nghieäp. HST nhaân taïo do con ngöôøi taïo ra. Goàm caùc thaønh phaàn: • + Ñoàng ruoäng caây haøng naêm • + Vöôøn caây laâu naêm • + Ñoàng coû chaên nuoâi • + Ao caù • + Khu vöïc daân cö noâng thoân. Khaùi nieäm veà sinh thaùi hoïc Sinh thaùi hoïc laø khoa hoïc veà quan heä cuûa sinh vaät hoaëc moät nhoùm sinh vaät vôùi moâi tröôøng xung quanh, hay laø khoa hoïc veà quan heä qua laïi giöõa sinh vaät vaø moâi tröôøng (Odum, 1971). Sinh thaùi hoïc (Ecology), theo Heckel E. (1896), hình thaønh töø chöûû Hy Laïp Oikos (nhaø ôû, nôi sinh soáng) + Logos (khoa hoïc, moân hoïc). Do ñoù, sinh thaùi hoïc (sinh moâi hoïc) laø khoa hoïc veà caùc cô theå soáng “trong nhaø” cuûa mình. • - X.X. Chvartch, 1975 (Lieân Xoâ): Sinh thaùi hoïc laø khoa hoïc veà caáu truùc töï nhieân, khoa hoïc maø söï soáng bao phuû haønh tinh ñang hoaït ñoäng trong söï toaøn veïn cuûa mình. • - Sinh thaùi hoïc laø khoa hoïc veà caáu truùc vaø chöùc naêng cuûa thieân nhieân maø ñoái töôïng cuûa noù laø taát caû caùc moái quan heä hoå töông giöõa sinh vaät vaø moâi tröôøng (Leâ Huy Baù, 2005). • Sinh thaùi hoïc laø khoa hoïc toång hôïp, nhöõng kieán thöùc cuûa noù bao goàm kieán thöùc caùc khoa hoïc khaùc: Ñoäng vaät hoïc, thöïc vaät hoïc Sinh lyù hoïc, sinh hoaù hoïc Di truyeàn hoïc, tieán hoaù hoïc Troàng troït, chaên nuoâi, troàng chaêm soùc röøng...,  Toaùn hoïc, hoùa hoïc, vaät lyù hoïc Ñòa lyù, xaõ hoäi hoïc, kinh teá hoïc, phaùp quyeàn... Sinh thaùi teá baøo, di truyeàn sinh thaùi, sinh thaùi noâng nghieäp, • 1) Toùm laïi, Sinh thaùi hoïc laø 1 khoa hoïc cô baûn trong sinh vaät hoïc, nghieân cöùu: • - Caùc moái quan heä sinh vaät vôùi sinh vaät; • - vaø sinh vaät vôùi moâi tröôøng; • - ôû moïi möùc toå chöùc, töø caù theå , quaàn theå, ñeán quaàn xaõ sinh vaät vaø heä sinh thaùi. • 2) Sinh thaùi hoïc laø moân hoïc nghieân cöùu veà taát caû caùc quan heä giöõa sinh vaät vaø MT vaø nhöõng ñieàu kieän caàn thieát cho söï toàn taïi cuûa chuùng. • 3) Sinh thaùi vaø Moâi tröôøng giuùp toái öu hoaù vieäc söû duïng caùc nguoàn taøi nguyeân thieân nhieân, laõnh thoå, giuùp quy hoaïch toång theå phaùt trieån laâu beàn. • 4) Giuùp döï ñoaùn nhöõng bieán ñoåi cuûa moâi tröôøng trong töông lai. • 5) Giuùp nhìn nhaän laïi nhöõng khaû naêng thöïc söï cuûa con ngöôøi trong xaây döïng caùc heä nhaân taïo, thaáy roõ ñöôïc nhöõng taùc ñoäng baát lôïi cuûa con ngöôøi ñeán moâi tröôøng.... • 6) Ñeà xuaát caùc bieän phaùp caõi thieän moâi tröôøng soáng noùi chung vaø traùi ñaát cuûa chuùng ta. Nhieäm vuï Sinh thaùi MT hoïc • - Xem xeùt taát caû caùc moái quan heä giöõa con ngöôøi vaø moâi tröôøng soáng bao goàm caùc lónh vöïc sinh hoaït, khai thaùc söû duïng nguoàn taøi nguyeân thieân nhieân, saûn xuaát saûn phaåm cho xaõ hoäi... • - Theo doõi caùc bieán ñoåi vaät lyù, hoaù hoïc, sinh hoïc cuûa moâi tröôøng, • - Xem xeùt, tìm caùch ngaên ngöøa nhöõng aûnh höôûng xaáu do söï bieán ñoåi moâi tröôøng leân söùc khoeû laâu daøu vaø phöông tieän soáng cuûa con ngöôøi, giaûm thieåu taùc haïi do con ngöôøi gaây ra cho moâi tröôøng. • - Döïng laïi nhöõng ñaëc ñieåm cuûa moâi tröôøng trong quaù khöù, trong lòch söû hình thaønh vaø phaùt trieån cuûa traùi ñaát.. • - Giaûi quyeát nhöõng maâu thaãn giöõa con ngöôøi vaø moâi tröôøng Ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa STH • - Laø taát caû caùc moái quan heä giöõa cô theå sinh vaät vôùi moâi tröôøng, hay coøn goïi laø sinh hoïc moâi tröôøng (E.P.Odum, 1983). • - Ñoái töôïng NC coù thay ñoåi theo caùc giai ñoaïn: • + Töø TK 19 veà tröôùc: Chuû yeáu laø nghieân cöùu caù theå hay “ töï sinh thaùi” (Autoecologia); • - Nghieân cöùu quan heä caù theå vôùi moâi tröôøng soáng cuûa noù nhö: Hình thaùi, taäp tính thích nghi vôùi MT... (treân caên baûn hoïc thuyeát tieán hoaù cuûa Dawin baèng con ñöôøng choïn loïc töï nhieân) –> Sinh thaùi hoïc caù theå (Ontoecology) • + Cuoái TK 19 ñeán nay: Nghieân cöùu ôû möùc toå chöùc sinh vaät cao hôn nhö quaàn xaõ, heä sinh thaùi, (toång sinh thaùi – Synecologia) -> Sinh thaùi hoïc quaàn theå (Population, Community Ecology) Phöông phaùp nghieân cöùu: 1. Phương pháp luận - Nghiên cứu môi trường sinh thái là nghiên cứu sự tương tác giữa các thành phần môi trường. Môi trường sinh thái được tạo thành từ các thành phần có liên quan chặt chẽ rất hữu cơ với nhau. Một thành phần của môi trường lại là một môi trường hoàn chỉnh gọi là môi trường thành phần. - Khi một môi trường thành phần hoặc một mắt xích trong chuỗi thức ăn bị gây ảnh hưởng hoặc bị phá vỡ sẽ kéo theo hoạt động giải phóng năng lượng bị Phá vỡ và tiếp theo đó là hoạt động của toàn bộ hệ sinh thái cũng bị phá vỡ . - Các hoạt động trao đổi vật chất và năng lượng trong môi trường sinh thái luôn ở trạng thái cần bằng ''động'', trong đó các thành phần của môi trường có mối quan hệ qua lại và ràng buộc lẫn nhau. Vì vậy, cần phải có sự nghiên cúu chi tiết về các mối tương quan lẫn nhau cùng với sự tương tác giữa các thành phần và yếu tố môi trường. -Nghiên cứu mồi trường sinh thái không được coi nhẹ thành phần nào trong hệ sinh thái môi trường. Bởi vì hầu hết các chất ô nhiễm xuất hiện trong môi trường thành phần này có thể lan truyền sang các môi trường thành phần khác một cách dễ dàng. - Nghiên cứu môi trường sinh thái cũng chính là tìm hiểu các yếu tố trội và chủ đạo trong hệ tương tác môi trường. Xác định được tính đồng nhất và tính trội mới, xác định được chiều hướng phát triển của đối tượng cần nghiên cứu, thậm chí cả hệ sinh thái môi trường. - Phương pháp nghiên cứu môi trường sinh thái là môn khoa học đa chuyên ngành, đa liên ngành nhưng có giới hạn. Không phải tất cả các ngành học đều có thể là môi trường học mà chỉ giới hạn ở một số ngành liên quan; trong một hoàn cảnh nhất định có thể lấy một ngành học nhất định làm nền tảng chủ đạo còn các ngành khác phụ trợ. 2. Các phương pháp nghiên cứu a) Một số phương pháp nghiên cứu cổ điển - Xác định về tính chất của các động, thực vật hay về chất lượng của chuỗi năng lượng và các hướng khác của cộng đồng sinh thái. Gồm có : - Phương pháp xác định kiểu phân bố của cá thể trong quần cư. - Phương pháp đánh giá số lượng cá thể của quần thể trong hệ sinh thái. - Phương pháp khảo sát biến động quần thể trong hệ sinh thái. - Phương pháp xác định chuỗi thức ăn và năng lượng. b) Các phương pháp nghiên cứu sinh thái môi trường hiện đại: - Phương pháp GIS - viễn thám. - Phương pháp mô hình hóa. • Keát quaû 2 phöông phaùp treân laø cô sôû cho caùc phöông phaùp nghieân cöùu toång hôïp: • - Moâ hình hoaù döïa treân toaùn hoïc vaø thoâng tin ñöôïc xöû lyù treân maùy tính (phöông phaùp moâ phoûng - modelling) • - Phöông phaùp ñaùnh giaù taùc ñoäng moâi tröôøng EIA (Environmental Impact Assessement) • - Phöông phaùp phaân tích lôïi haïi CBA (Cost Benefit Analysis) • - Phöông phaùp ma traän phaân tích taùc ñoäng moâi tröôøng caùc döï aùn... • Quaàn theå (Population): Nhöõng caù theå cuûa cuøng moät loaøi soáng chung vôùi nhau ôû moät vuøng laõnh thoå. • Quaàn xaõ (Community): Taát caû nhöõng cô theå soáng ñöôïc tìm thaáy trong moät moâi tröôøng ñaëc tröng. Bao goàm taát caû nhöõng quaàn theå cuûa nhöõng loaøi khaùc nhau soáng chung vôùi nhau ôû moät vuøng laõnh thoå. • HST (Ecosystem): Moät quaàn xaõ vaø MT cuûa noù, bao goàm taát caû moái quan heä töông hoã giöõa sinh vaät vaø MT vaät lyù bao quanh giöõa chuùng vôùi nhau. • Sinh quyeån (Biosphere): Goàm taát caû nhöõng cô theå soáng treân traùi ñaát (TÑ)hoaëc taát caû caùc quaàn xaõ treân TÑ. • Sinh thaùi quyeån (Ecosphere): Goàm taát caû nhöõng cô theå soáng treân TÑ vaø caùc taùc ñoäng töông hoã cuûa chuùng vôùi nhau vaø vôùi ñaát ñai, nöôùc, khoâng khí. • Traùi ñaát laø heä sinh thaùi khoång loà. Caùc thuaät ngöõ sinh thaùi hoïc Quaàn xaõ thöïc vaät treân nuùi Quaàn theå Ñöôùc Quaàn theå Thoâng ba laù Heä sinh thaùi röøng Quaàn theå Voi (Taây Nguyeân) Quaàn theå Seáu ñaàu ñoû (Ñoàng Thaùp) • HỆ SINH THÁI • 1- Định nghĩa • - HST là đồng tổ hợp của một quần xã sinh vật với MT vật lý xung quanh nơi mà quần xã đó tồn tại, trong đó các sinh vật, MT tượng tác với nhau để tạo nên chu trình vật chất và sự chuyển hoá của năng lượng. • - Nói cách khác, HST bao gồm các sinh vật sống và các điều kiện tự nhiên (môi trường vật lý) như ánh sáng, nước, nhiệt độ, không khí,... Điều quan trọng là tất cả các điều kiện hữu sinh (Biotic component) và vô sinh (abiotic component) tác động tượng hỗ với nhau và giữa chúng luôn xảy ra quá trình trao đổi năng lượng, vật chất và thông tin. • - Có thể minh hoạ HST bằng công thức toán học: • Quần xã sinh vật + Môi trường xung quanh + Năng lượng mặt trời = Hệ sinh thái Quaàn xaõ sinh vaät Moâi tröôøng xung quanh Naêng löôïng maët trôøi Heä sinh thaùi NÑ, Muoái, Khí CO2ø, pH, O 2, , Khoaùng (N, P, Ka, Na), Vi löôïng Heä sinh thaùi röøng • 2- Độ lớn • Các HST có thể có những quy mô lớn nhỏ khác nhau. Theo A. Tanslay (l935) đưa ra các khái niệm về: • - HST cực bé (microecosystem) như một bể nuôi cá chẳng hạn ; • - HST vừa (middieecosystem) như một hồ chứa nước, một cánh rừng trồng • - HST lớn (macroecosystem) như một đại dượng, một châu lục. • - Tập hợp tất cả các HST có độ lớn khác nhau trên TĐ làm thành một HST khổng lồ và được gọi là sinh thái quyển (ecosphere). • 3- Tính hệ thống • - Trong HST, tính hệ thống được thể hiện chủ yếu là mối quan hệ tượng hỗ giữa sinh vật với MT. Có hai loại hệ thống cợ bản : • + Hệ thống kín trong đó vật chất, năng lượng và thông tin chỉ trao đổi trong ranh giới của hệ thống. • + Hệ thống hở : là hệ thống, trong đó năng lượng, vật chất và thông tin trao đổi qua ranh giới của hệ thống. • - Vật chất, năng lượng và thông tin đi vào được gọi là dòng vào (input), đi ra được gọi là dòng ra (output) và dòng vật chất, năng lượng, thông tin trao đổi giữa các thành phần trong hệ thống gọi là dòng nội lưu (inner flow). • - Trừ vũ trụ ra thì tất cả các hệ thống tự nhiên bao gồm tất cả các HST đều là những hệ thống hở. • 4- Tính phản hồi • - HST luôn là một hệ thống hở và tự điều chỉnh, bởi vì trong quá trình tồn tại và phát triển, HST thường xuyên phải tiếp nhận vật chất, năng lượng, thông tin và cả những sức ép, cú sốc (stress) từ MT. • => HST có hai tính chất đặc thù : • + Tính chất tự cân bằng (homestagis) nghĩa là khả năng HST phản kháng lại các thay đổi và giữ được trạng thái cân bằng. • + Năng lực chịu tải (carrying capicity), nghĩa là khả năng của các HST có thể gánh chịu những sức ép, những cú sốc trong những điều kiện khó khăn nhất. • - Tuy nhiên, các HST cũng chỉ có giới hạn xác định trong phản hồi và khả năng chịu tải => khi chịu một tác động vừa phải từ bên ngoài, các HST sẽ phản ứng lại một cách thích nghi bằng cách sắp xếp lại các mối quan hệ trong nội bộ và toàn thể hệ thống để duy trì sự ổn định của mình trong điều kiện MT biến động. • - Đối với những tác động quá lớn, quá mạnh, vượt khỏi sức chịu đựng của hệ, hệ không thể tự điều chỉnh được và cuối cùng bị suy thoái rồi bị huỷ diệt. • Các nhân tố sinh thái • Nhân tố sinh thái là nhân tố của MT có ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp lên sinh vật. Người ta chia thành 3 nhóm: • 1. Các nhân tố không sống bao gồm các yếu tố tự nhiên như: • - Địa hình : độ cao, độ trũng, độ dốc, hướng phơi địa hình • - Khí hậu : nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, gió,... • - Nước : nước mặn, nước ngọt, mưa,... • - Các chất khí : CO2, O2, N2,... • - Các chất dinh dưỡng khoáng, hữu cơ. • 2. Các nhân tố sống • Bao gồm những cơ thể sống khác như thực vật, động vật và vi sinh vật. Các cơ thể sống này có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến cơ thể sinh vật trong mối quan hệ cùng loài hay khác loài. • 3- Nhân tố con người • - Về thực chất, con người và động vật đều có những tác động tương tự đến MT như lấy thức ăn, thải bỏ chất thải vào MT. • - Nhưng do sự phát triển cao về trí tuệ nên con người còn tác động vào MT bởi các nhân tố xã hội và thể chế. • - Các nhân tố sinh thái không phải có tác động giống nhau đến sinh vật, mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng loài và hoàn cảnh MT cụ thể. • - Một số nhân tố có tác động định hướng hoặc điều khiển sự tồn tại và phát triển của sinh vật, những nhân tố này được gọi là những nhân tố đíều khiển. Một số quy luật cơ bản của sinh thái học • Các nhân tố sinh thái tác động đến MT theo một số quy luật nhất định. Đó là : • 1. Quy luật giới hạn sinh thái • - Mỗi loải có một giới hạn đặc trưng về mỗi nhân tố sinh thái nhất định. • - Nhân tố sinh thái giới hạn là nhân tố tác động đến sinh vật đi từ điểm cực tiểu qua điểm cực thuận và đến điểm cực đại. • - Cường độ của một nhân tố sinh thái mà ở đó cơ thể chịu đựng được gọi là ''Biên độ sinh thái'' của sinh vật đó. • - Những loài khác nhau có giới hạn sinh thái và điểm cực thuận khác nhau. • - Giới hạn sinh thái và điểm cực thuận còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi của cá thể, trạng thái cơ thể,... • 2- Quy luật tác động tổng hợp các nhân tố sinh thái • - Tất cả các nhân tố sinh thái đều gắn bó chặt chẽ với nhau thành tổ hợp sinh thái. • - Tác động đồng thời của nhiều nhân tố tạo nên một tác động tổng hợp lên cơ thể sinh vật. Đồng thời mỗi nhân tố sinh thái của MT chỉ có thể biểu hiện hoàn toàn tác động của nó đến đời sống sinh vật khi mà các nhân tố sinh thái khác cũng ở trong điều kiện thích hợp. • - Ví dụ, trong đất có nhiều chất dinh dưỡng, nhưng cây trồng chỉ hút thu được các chất này khi đất có độ ẩm thích hợp, hoặc khi cây sống ở điều kiện có đầy đủ ASMT, nhưng khả năng quang hợp của nó sẽ kém đi khi trong đất thiếu độ ẩm, thiếu các chất dinh dưỡng khoáng. • 3- Quy luật tác động không đồng đều của nhân tố sinh thái lên chức năng sống của cơ thể • - Các nhân tố sinh thái có ảnh hưởng khác nhau lên các chức năng của cơ thể sống, có nhân tố cực thuận lợi đối với quá trình này, nhưng đại có hại hoặc nguy hiểm cho quá trình khác. • - Ví dụ, nhiệt không khí tăng lên 40-50 độ C làm tăng quá trình trao đổi chất ở động vật máu lạnh, nhưng lại kìm hảm sự di chuyển, con vật rơi vào tình trạng đờ đẫn vì nóng. • 4- Quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường • - Môi trường tác động thường xuyên lên cơ thể sinh vật làm chúng không ngừng biến đổi, ngược lại sinh vật cũng tác động qua lại làm cải biến MT và có thể làm thay đổi cả tính chất của một nhân tố sinh thái nào đó. • - Ví dụ, trồng mới và bảo vệ rừng cải thiện đáng kể những điều kiện sinh thái, làm giảm sâu hại, cải thiện nguồn nước, độ phì nhiêu đất và làm giàu khu hệ động thực vật của vùng. • CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI • Sinh thái học hiện đại phải nghiên cứu cấu trúc và chức năng của HST theo nhiều yếu tố quan hệ: •Bộ phận trung tâm là dòng năng lượng và chu trình thức ăn, qua bộ phận này thực hiện mọi chức năng của hệ. • Một HST điển hình được cấu trúc bởi các thành phần sau đây: • - Sinh vật sản xuất (producer) • - Sinh vật tiêu thụ (consumer) • - Sinh vật phân huỷ (decomposer) • - Các chất hữu cơ (prôtêin, lipit, gluxit, vitamin, enzym, hoocmon,...) • - Các chất vô cơ (CO2, O2, H2O, các chất dinh dưỡng khoáng) • - Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, giáng thuỷ,...) • - Thực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành phần sau là MT vật lý mà quần xã đó sử dụng để tồn tại và phát tnển. • - Ngoài cấu trúc theo thành phần, HST còn có kiểu cấu trúc theo chức năng. Theo E.D.Odum (1983), cấu trúc của hệ gồm các phạm trù sau : • + Quá trình chuyển hoá năng lượng của hệ • + Chuỗi thức ăn trong hệ • + Các chu trình sinh địa hoá diễn ra trong hệ • + Sự phân hoá trong không gian và theo thời gian • + Các quá trình phát triển và tiến hoá của hệ • + Các quá trình tự điều chỉnh • - Một HST cân bằng là một hệ trong đó 4 quá trình đầu tiên đạt được trạng thái cân bằng động tương đối với nhau.(Vũ Trung Tạng, 2000). Caân baèng sinh thaùi • - Caân baèng sinh thaùi coøn goïi laø caân baèng thieân nhieân laø: • (1) traïng thaùi maø ôû ñoù soá löôïng töông ñoái cuûa caùc caù theå cuûa caùc quaàn theå sinh vaät trong heä sinh thaùi moâi tröôøng vaãn giöõ ñöôïc möùc oån ñònh töôøng ñoái. • (2) Caân ñoái giöõa cung vaø caàu, giöõa thaønh phaàn vaät lyù vaø thaønh phaàn sinh hoïc. • => toaøn heä coù moái quan heä oån ñònh. • Caùc kieåu caân baèng ST: • - Caân baèng sinh thaùi ñoäng töï nhieân: Do caùc taùc ñoäng töï nhieân cuûa caùc nhaân toá sinh thaùi khoâng coù söï ñieàu kieån cuûa con ngöôøi. • - Caân baèng sinh thaùi ñoäng nhaân taïo: Coù söï ñieàu kieån cuûa con ngöôøi. • Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán caân baèng ST. • Tieâu chuaån (TC) ñeå ñaùnh giaù söï caân baèng ST: • - Moãi HST coù caùc TC rieâng ñeå ñaùnh giaù: • + HSTMT noâng nghieäp: Söï caân baèng giöõa ñieàu kieän MT vôùi caây troàng, vaät nuoâi ñeå coù söï ña daïng SH, naêng suaát cao nhaát, MT khoâng bò suy thoaùi • + HSTMT ñoâ thò-coâng nghieäp: Söï caân baèng giöõa MT soáng vaø con ngöôøi ñeå coù söï phaùt trieån caân ñoái, haøi hoaø, ñaït caùc quy ñònh veà tieâu chuaån moâi tröôøng an toaøn (voâ cô, höõu cô trong MT khoâng khí, nöôùc, chu trình thöïc phaåm, veä sinh coäng ñoàng Các nhóm yếu tố làm ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái SỰ CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT TRONG HỆ SINH THÁI Các thành phần của quần xã liên hệ với nhau bằng quan hệ dinh dưỡng. Quan hệ dinh dưỡng của các loài trong quần xã được thực hiện bằng chuỗi và lưới thức ăn. 1- Chuỗi và lưới thức ăn • a) Chuỗi thức ăn (foodchain) • - Chuỗi thức ăn được coi là một dãy bao gồm nhiều loài sinh vật, mỗi loài là một ''mắt xích'' thức ăn; mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích ở phía trước và nó lại bị mắt xích thức ăn phía sau tiêu thụ • 1) Sinh vật sản xuất hay tự dưỡng (autotrophs) : bao gồm cây xanh có khả năng tổng hợp và tích tụ năng lượng tiềm tàng dưới dạng hoá năng trong các chất hữu cơ tổng hợp được như gluxit,... • 2) Sinh vật tiêu thụ hay dị dưỡng (Heterotrophs) : bao gồm nhiều chuỗi thức án tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ của chúng : * Sinh vật tiêu thụ bậc 1 : bao gồm những động vật ăn thực vật, sử đụng sinh vật sản xuất làm thức ăn. Sinh vật tiêu thụ bậc 1 có thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên thực vật xanh ở MT cạn, động vật ăn thực vật. * Sinh vật tiêu thụ bậc 2 : bao gồm động vật ăn thịt, sử đụng sinh vật tiêu thụ bậc l làm thức ăn cho loài chuột . * Sỉnh vật tiêu thụ bậc 3 và bậc 4 : có thể là sinh vật ăn thịt (bắt, giết và ăn móc) cũng có thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc l hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn xác chết. 3) Sinh vật phân huỷ : là thành phân cuối cùng của chuỗi thức ăn bao gồm chủ yếu những vi sinh vật (vi khuẩn, nấm hoại sinh) ăn xác chết và phân huỷ chúng dần dần từ các chất hữu cơ thành các chất vô cơ. Lưới thức ăn (foodweb) -Là phức hợp các chuỗi thức ăn có quan hệ với nhau trong HST. Vì mỗi loài trong quần xã không phải chi liên hệ với một chuỗi thức ăn mà có thể liên hệ với nhiều chuỗi thức ăn. -Tất cả các chuỗi thức ăn trong quần xã hợp thành lưới thức ăn. • Ý nghiã của việc nghiên cứu chuổi thức ăn: • 1) Lây lan ô nhiễm, độc chất và gây bệnh qua đường thức ăn • - Hiện tượng “tích tụ sinh học” qua các bậc dinh dưỡng ( qua thức ăn, thức uống, ) • - Tác động tại chổ nhất thời và có thể gia tăng thời gian (lâu dài) và không gian (lan rộng quy mô lớn). • 2) Cân bằng ST và BV ST thông qua chuổi thức ăn và năng lượng. • - Thông qua tháp sinh thái để đánh giá cân bằng sinh thái. • - Lợi dụng những chức năng của cấp dinh dưỡng để BVMT (dùng cây xanh để giảm CO2 nhằm giảm hiệu ứng nhà kính làm ấm lên trái đất). Năng lượng học sinh thái: • - Nghiên cứu về dòng năng lượng (NL) bên trong một HST từ lúc NL đi vào hệ thống cho đến lúc cuối cùng nó bị biến đổi thành nhiệt và mất đi khỏi HT. • - Năng lượng sinh thái còn được xem là “năng suất sinh thái” – eco-productivities, do vì nó được mô tả như một tiến trình của đầu vào năng lượng và sự tích lũy của năng lượng trong HST. Nhiệt Nguồn năng lượng của HST: • 1) Nguồn, thành phần cơ bản và Vai trò của năng lượng • - Nguồn năng lượng chủ yếu: Do mặt trời cung cấp. • - Thành phần cơ bản của ASMT: Tia có bức sóng 0,15-4 µm, năng lượng tập trung chủ yếu ở bức sóng 0,4-1µm. • - Hằng số NLMT xuống mặt đất là 1,946 cal/cm2/phút. • 2) Năng lượng hữu dụng • - Tuỳ thuộc vào mùa, vị trí địa lý, khí hậu địa phương, • - Chiếm tỷ lệ nhỏ so với năng lượng trên mặt đất (khoảng 0,1-3%), vì khi QH chỉ sử dụng 2 tia xanh(0,4-0,5 µm) và đỏ (0,6-0,7µm). Chuyễn hoá năng lượng trong HST: • 1) Chuyển hoá NL trong cơ thể sinh vật • - Các sinh vật tự dưỡng • + Các thực vật xanh và vi khuẩn quang hợp chuyển hoá năng lượng mặt trời thành năng lượng hoá học: • - Các vi sinh vật tự dưỡng • + Oxyt hoá các chất cho điện tử để lây năng lượng khủ CO2 không khí (không cần năng lượng mặt trời). • + Chất cho điện tử có thể là NH3, NÒ, Fe 2+, H2S và một số hợp chất lưu hùynh khác. • - Các sinh vật dị dưỡng • + Thu nhận năng lượng từ các hợp chất hữu cơ (đường, đạm, chất béo, cellulose, ..) hấp thu từ môi trường bên ngoài. • + Trong cơ thể các chất được phân giải bằng nhiều cách khác nhau để tổng hợp chất hữu cơ đặc trưng cho cơ thể mình (quá trính dị hoá và đồng hoá). • + Chỉ một phần được sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp, phần lớn mất đi do toả nhiệt trong quá trình xảy ra các phản ứng. • 2) Chuyển hoá vật chất và năng lượng trong các quần xã. • Hiệu suất chuyển hoá (AE- Assimilation efficiency), hiệu suất sản xuất (PE- Production efficiency) • + Hiệu suất chuyển hoá (AE) là số phần trăm năng lượng thực phẩm được vận chuyển vào ruột của sinh vật tiêu thụ trong khoang dinh dưỡng (In), được chuyển hoá qua thành ruột và được tích trữ sẵn để tham gia vào sự phát triển hay được dùng để hoạt động (An). Phần còn lại bị mất đi theo chất thải (phân) và chuyển vào khoang của hệ sinh vật phân giải (phân hủy). • AE= An/In x 100 • + AE của loài ăn cỏ, gặm nhấm: 25-50% ; Loài ăn thịt khoảng 80%. • + Hiệu suất sản xuất (PE) là số % của năng lượng đã được chuyển hoá (An) được liên kết vào sinh khối mới (Pn). Phần còn lại hoàn toàn mất đi trong quần xã như lượng nhiệt hô hấp. • PE= Pn/An x 100 • Các định luật năng lượng liên quan HST • 1) ĐL bảo toàn năng lượng • Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác • 2) ĐL tiêu hao năng lượng qua các cấp dinh dưỡng. • Năng lượng chuyển từ cấp này sang cấp khác không bao giờ có hiệu suất 100% mà thấp hơn • (Hình minh họa) • Đơn vị năng lượng: Calo (cal); Joule (J)=0,238 cal. Sự tương tác (quan hệ) giữa chuổi thức ăn và dòng năng lượng: • 1) Cấu trúc dinh dưỡng (trophic structure) và tháp sinh thái. • - Ñeå moâ taû cô caáu chöùc naêng dinh döôõng cuûa heä sinh thaùi ngöôøi ta ñöa ra khaùi nieäm thaùp sinh thaùi hoïc. • - Coù 3 kieåu thaùp: • + Thaùp soá löôïng (Pyramlid of number): Caù theå ôû baäc dinh döôõng thaáp lôùn, ñænh nhoïn bieåu thò baäc dinh döôõng cao. Nhöõng sinh vaät bieåu thò baäc dinh döôõng cao thöôøng coù kích thöôùc lôùn hôn (thöôøng laø con lôùn aên con beù). • + Thaùp sinh khoái (Biomass): Coù tröôøng hôïp sinh vaät ôû baäc thaáp hôn laïi ôû baäc cao hôn, thaùp coù hình loän ngöôïc. • - Ví duï trong thuûy vöïc, taûo phuø du coù sinh khoái nhoû hôn caùc ñoäng vaät nhöng noù laïi sinh saûn raát nhanh. • - Nhöôïc ñieåm cuûa hình thaùp sinh khoái laø khoâng ñeà caäp ñeán caùc vi khuaån laø thaønh phaàn quan troïng cuûa heä sinh thaùi. • + Thaùp naêng löôïng (Pyramids of energy): Ñaõ khaéc phuïc ñöôïc nhöôïc ñieåm cuûa 2 kieåu thaùp treân: • Cách biểu thị cấu trúc dinh dưỡng bằng các loại tháp sinh thái cho phép dễ dàng nhận định tỷ lệ tương quan của các bậc dinh dưỡng trong chuổi thức ăn, từ đó đánh giá được phần nào tình trạng của HST • 2) Quan hệ giữa chuồi thức ăn và dòng năng lượng • Năng lượng chuyển từ cấp này sang cấp khác không bao giờ có hiệu suất 100% mà thấp hơn Năng suất HST (năng suất sinh học của HST) - Là khối lượng chất hữu cơ được sản sinh trong hệ qua chu trình vật chất trong một khoảng thời gian nhất định và ở diện tích đã cho - Đơn vị tính bằng kg vật chất khô hoặc gam Carbon tồn trữ hoặc số năng lượng tương đương Calo. Năng suất HST gồm: - Naêng suaát sô caáp cuûa heä sinh thaùi, cuûa quaàn xaõ, v.v... ñöôïc xaùc ñònh bôûi toác ñoä ñoàng hoùa naêng löôïng aùnh saùng cuûa sinh vaät saûn xuaát (chuû yeáu caây xanh) trong quaù trình quang hôïp hoaëc hoùa toång hôïp. - Toång chaát höõu cô saûn xuaát ñöôïc chia thaønh 4 phaàn: + Toång naêng suaát sô caáp nguyeân laø toång chaát höõu cô ñoàng hoùa ñöôïc keå caû nhöõng phaàn do chính sinh vaät saûn xuaát aáy tieâu duøng (hô hấp) ñeå duy trì söï toàn taïi cuûa chính mình. + Naêng suaát sô caáp nguyeân laø toång chaát höõu cô tröø ñi löôïng do chính sinh vaät ñoù tieâu duøng. + Naêng suaát nguyeân laø naêng suaát sô caáp nguyeân tröø ñi löôïng caùc sinh vaät dò döôõng khaùc ñaõ tieâu duøng. + Naêng suaát thöù caáp: Naêng löôïng tích luõy ôû caùc sinh vaät tieâu thuï. T = NST + HH + t • T : Lượng thực phẩm được hấp thu. • NST: Năng lượng thứ cấp dưới dạng tăng trưởng • HH: Hô hấp • t: Lượng chất bài tiết Caùc phöông phaùp xaùc ñònh saûn löôïng 1) Phöông phaùp thu löôïm: Thu taát caû caùc sinh khoái cho vaøo bom nhieät löôïng keá ñoát leân (Phöông phaùp naøychæ aùp duïng ñöôïc vôùi caùc loaïi caây moät naêm, vaø laïi khoâng bieát löôïng sinh khoái ñaõ bò caùc ñoäng vaät aên ñi laø bao nhieâu) (E.P.Odum, 1978). 2) Phöông phaùp bình toái bình saùng: Trong phöông phaùp naøy coù theå ño löôïng O 2 phoùng thích hoaëc ño löôïng CO 2 bò haáp thuï. • 3)Phöông phaùp ñoàng vò phoùng xaï: Duøng cacbon naêng C 14 ñöa vaøo nöôùc bieån döôùi daïng natri cacbonat (ñeå ño saûn löôïng sinh hoïc cuûa nöôùc bieån nhieät ñôùi). • -Thöïc vaät (taûo) haáp thuï C14. • - Ngöôøi ta loïc laáy caùc taûo naøy ñem saáy khoâ vaø ño löôïng böùc xaï, döïa vaøo soá löôïng xung phaùt ra töø caùc phaàn töû ñeám ñöôïc löôïng CO 2 - haáp thuï. • - Ñoù laø phöông phaùp cuûa Stelman vaø Neilon, veà sau Rythe vaø caùc coäng vieân ñaõ chæ ra raèng ñaây khoâng phaûi laø naêng suaát toång soá maø laø naêng suaát nguyeân. • 4) Phöông phaùp pH: pH cuûa nöôùc phuï thuoäc vaøo noàng ñoä CO 2 hoøa tan. • - Muoán duøng pH laøm chæ soá naêng suaát thì tröôùc heát phaûi laäp ñöôøng cong tieâu chuaån cho thuûy vöïc muoán nghieân cöùu (Phöông phaùp naøy thöôøng duøng trong vi heä sinh thaùi phoøng thí nghieäm). • 5)Phöông phaùp xaùc ñònh tieâu hao nguyeân lieäu: • + Döïa vaøo toác ñoä tieâu hao nguyeân lieäu khoaùng ñeå tính. • + AÙp duïng ôû caùc vuøng bieån oân ñôùi moät naêm chæ coù 1 laàn caùc chaát khoaùng ñöôïc boå sung. Các tài liệu tham khảo chính cho các chương 1,2,3: • Lê Huy Bá , 2005. Sinh thái môi trường học cơ bản. NXB ĐHQG TP HCM. • Lê Văn Khoa, 2004. Khoa học môi trường. NXB Giáo dục Hà Nội. • Nguyễn văn Tuyên, 1998. Sinh thái và môi trường. NXB Giáo dục Hà Nội. • AS Mather & K. Chapman, 1997. Environmental resources. Longman publishcation. • Michael Atchia, 1995. Environmental Management, Issues and solutions. John Wileyson, London. • Các trang WEB: (cập nhật sau).