Những kiến thức cơ bản về hệ sinh thái

Trong một hệ sinh thái luôn tồn tại mối quan hệ nhân quả giữa tính ổn định và tính phong phú về tình trạng, về chủng loại trong thành phần của hệ sinh thái với tính cân bằng của hệ sinh thái. Hệ sinh thái càng trưởng thành thì cân bằng môi trường càng lớn.

Khái niệm hệ sinh thái

Trước khi để cấp đến khái niệm Hệ sinh thái , cần làm rõ các khái niệm Quần thể, Quần xã và Quần xã sinh vật.

Quần thể (population) là một nhóm cá thể của một loài, sống trong một khoảng không gian xác định, có nhiều đặc điểm đặc trưng cho cả nhóm, chứ không phải cho từng cá thể của nhóm (E.P. Odium, 1971). Hoặc quần thể là một nhóm cá thể của cùng một loài sống trong cùng một khu vực (Alexi Sharov, 1996).

Quần xã (community) bao gồm cả quần xã của nhiều loài khác nhau, loài có vai trò quyết định sự tiến hóa của quần xã là loài ưu thế sinh thái.

Quần xã sinh vật (biome) là tập hợp các sinh vật thuộc các loài khác nhau cùng sinh sống trên một khu vực nhất định. Khu vực sinh sống của quần xã được gọi là sinh cảnh. Như vậy, sinh cảnh là môi trường vô sinh. Trên thực tế để dễ nhận biết và phân biệt, người ta dùng vật chỉ thị là thảm thực vật, vì yếu tố thực vật thường chiếm ưu thế trong một sinh cảnh và có ảnh hưởng rõ rệt lên sinh cảnh.

Tập hợp các sinh vật, cùng với các mối quan hệ khác nhau giữa các sinh vật đó và các mối tác động tương hỗ giữa chúng với môi trường, với các yếu tố vô sinh, tạo thành một hệ thống sinh thái, gọi tắt là hệ sinh thái (ecosystem). Hệ sinh thái là hệ chức năng gồm có quần xã, các cơ thể sống và môi trường của nó dưới tác động của năng lượng mặt trời.

Năm 1935, nhà sinh thái học người Anh, A. Tansley đề xuất khái niệm hệ sinh thái: “sinh vật và thế giới vô sinh (không sống) ở xung quanh có quan hệ khắng khít với nhau và thường xuyên có tác động qua lại”.

Hệ sinh thái là một hệ thống tác động qua lại giữa thực vật, động vật và con người với môi trường vật lý bao chung quanh chúng thể hiện qua dòng năng lượng từ đó tạo nên chu trình vật chất.

Thuật ngữ hệ sinh thái có thể áp dụng cho những quy mô khác nhau như hệ sinh thái nhỏ (gốc một cây gỗ), hệ sinh thái tương đối nhỏ (một cái ao), hệ sinh thái vừa (một khu rừng), hệ sinh thái lớn (đại dương), hệ sinh thái khổng lồ (trái đất). Hệ sinh thái không nhất thiết phải là một khu vực rộng lớn, nhưng phải có quần xã sinh sống.

Để khảo sát một hệ sinh thái cần xem hai mặt: Cấu trúc của hệ sinh thái (các vấn đề về số loài, số lượng các nhóm sinh vật và các đặc tính của môi trường); Chức năng của hệ sinh thái (các vấn đề liên quan đến tốc độ của quá trình chuyển hóa năng lượng và trao đổi chất).

Thành phần của hệ sinh thái

Hệ sinh thái hoàn chỉnh bao gồm các thành phần chủ yếu sau:

Các yếu tố vật lý (để tạo nguồn năng lượng): ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, dòng chảy…

Các yếu tố vô cơ: gồm những nguyên tố và hợp chất hóa học cần thiết cho tổng hợp chất sống. Các chất vô cơ có thể ở dạng khí (O2, CO2, N2), thể lỏng (nước), dạng chất khoáng (Ca, PO43-, Fe …) tham gia vào chu trình tuần hoàn vật chất.

Các chất hữu cơ (các chất mùn, acid amin, protein, lipid, glucid): đây là các chất có đóng vai trò làm cầu nối giữa thành phần vô sinh và hữu sinh, chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi vật chất giữa 2 thành phần vô sinh và hữu sinh của môi trường.

Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn

Trong thiên nhiên, các nhóm thực vật, động vật cũng như nấm, vi khuẩn (với vô vàn cá thể) sống chung với nhau, liên kết với nhau bởi những mối quan hệ chủ yếu là về dinh dưỡng và phân bố. Tức là mối quan hệ mà trong đó luôn diễn ra cuộc đấu tranh về không gian sống và thức ăn.

Mối quan hệ về thức ăn thể hiện bằng một chuỗi dinh dưỡng được bắt đầu bằng sinh vật tự dưỡng và sau đó là một số sinh vật này làm thức ăn cho một số sinh vật khác, rồi chính nhóm này lại làm thức ăn cho nhóm khác nữa. Điều đó tạo thành chuỗi liên tục từ mức thấp đến mức cao, bắt đầu bằng mức độ tổng hợp sản phẩm tiếp đến một số mức độ tiêu thụ, chuỗi này còn được gọi là chuỗi thức ăn. Nhiều chuỗi thức ăn tạo thành lưới thức ăn.

Chuỗi thức ăn là chuỗi mà các sinh vật sau ăn các sinh vật trước. Nếu chúng ta xếp các sinh vật trong chuỗi thức ăn theo các bậc dinh dưỡng, thường sẽ tạo thành tháp sinh thái. Quan sát tháp sinh thái sẽ cho ta một số thông tin như tổng năng lượng của một hệ sinh thái tuân theo nguyên tắc nhiệt động học: năng lượng cung cấp từ nguồn thức ăn của sinh vật cấp trên luôn luôn thấp hơn cấp dưới, vì:

– Một số thức ăn được sinh vật ăn không được hấp thu, không cung cấp nguồn năng lượng hữu ích.
– Phần lớn năng lượng được hấp thu, được dùng cho các quá trình sống hoặc mất đi dưới dạng nhiệt khi chuyển từ dạng này sang dạng khác và vì vậy cũng không được dự trữ trong cấp dinh dưỡng đã ăn chúng.
– Các con vật ăn mồi không bao giờ đạt hiệu quả 100%. Nếu có đủ con cáo để ăn hết tất cả con thỏ có trong mùa hè (lúc nguồn thức ăn phong phú) thì có quá nhiều cáo vào mùa đông nhưng lại khan hiếm thỏ. Theo nguyên tắc ngón tay cái, chỉ khoảng 10% năng lượng từ sinh vật tiêu thụ bậc 1 hiện diện ở bậc cao kế tiếp. Năng lượng này được tích lũy lại trong sinh quyển. Ví dụ cần 100 kg cỏ để tạo thành 10 kg thỏ và 10 kg thỏ thì tạo thành 1 kg cáo.

Các dạng tháp sinh thái.

Cấu trúc của hệ sinh thái

Về mặt chức năng có thể chia các loại sinh vật trong hệ sinh thái thành 3 nhóm:

Sinh vật sản xuất (hay tự dưỡng)

Chủ yếu là thực vật xanh, có khả năng chuyển hóa quang năng thành hóa năng nhờ quá trình quang hợp; năng lượng này tập trung vào các hợp chất hữu cơ-glucid, protid, lipid, tổng hợp từ các chất khoáng (các chất vô cơ có trong môi trường).

Sinh vật tiêu thụ (cấp 1, 2, 3)

Chủ yếu là động vật. Tiêu thụ các hợp chất hữu cơ phức tạp có sẵn trong môi trường sống.

Sinh vật tiêu thụ bậc 1: tiêu thụ trực tiếp các sinh vật sản xuất. Chủ yếu là động vật ăn thực vật (cỏ, cây, hoa, trái …). Các động vật, thực vật sống ký sinh trên cây xanh cũng thuộc loại này.
Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn các sinh vật tiêu thụ bậc 1. Gồm các động vật ăn thịt, ăn các động vật ăn thực vật.
Sinh vật tiêu thụ bậc 3: thức ăn chủ yếu là các sinh vật tiêu thụ bậc 2. Đó là động vật ăn thịt, ăn các động vật ăn thịt khác.

Sinh vật phân hủy

Sinh vật phân hủy là những loại vi sinh vật hoặc động vật nhỏ bé hoặc các sinh vật hoại sinh có khả năng phân hủy các chất hữu cơ thành vô cơ. Ngoài ra còn có những nhóm sinh vật chuyển hóa chất vô cơ từ dạng này sang dạng khác (như nhóm vi khuẩn nitrat hóa chuyển NH4+ thành NO3-). Nhờ quá trình phân hủy, sự khoáng hóa dần dần mà các chất hữu cơ được thực hiện và chuyển hóa chúng thành chất vô cơ.

Cấu trúc tóm tắt của hệ sinh thái.

Để duy trì chất lượng môi trường hay nói đúng hơn duy trì được cân bằng tự nhiên, cũng như để tất cả các hoạt động của con người đạt hiệu quả tốt nhất, vừa phát triển kinh tế vừa hài hòa với tự nhiên thì việc quy hoạch và quản lý lãnh thổ trên quan điểm sinh thái sẽ là giải pháp hữu hiệu nhất. Theo yêu cầu của con người, các hệ sinh thái tự nhiên có thể được phân thành Hệ sinh thái sản xuất; Hệ sinh thái bảo vệ; Hệ sinh thái đô thị; Hệ sinh thái với mục đích khác (du lịch, giải trí, khai thác mỏ …).

Quy hoạch sinh thái cũng có nghĩa là sắp xếp và quản lý cân đối hài hòa cả 4 loại sinh thái này.

Các quá trình chính trong hệ sinh thái

Trong hệ sinh thái luôn diễn ra các quá trình chính, đó là quá trình trao đổi năng lượng, tuần hoàn các chất và sự tương tác giữa các loài.

Nguồn năng lượng trong hệ sinh thái có nguồn gốc chủ yếu từ ánh sáng mặt trời (thông qua quang hợp) và năng lượng hóa học (thông qua chuỗi thức ăn). Thông qua chuỗi thức ăn, bậc dinh dưỡng trên sẽ nhận được khoảng 10% năng lượng từ bậc dinh dưỡng thấp. Một số trường hợp ngoại lệ như bò ăn cỏ 7% (7 kg ngũ cốc tạo ½ kg thịt bò); ốc sên 33%; thỏ 20%.

Mọi sinh vật sống chính là nguồn thực phẩm quan trọng cho các sinh vật khác. Như vậy, có thể hiểu chuỗi thức ăn là một chuỗi sinh vật mà sinh vật sau ăn sinh vật trước, lưới thức ăn (food web) gồm nhiều chuỗi thức ăn.

Ví dụ: sâu ăn lá; chim sâu ăn sâu; diều hâu ăn chim sâu. Khi cây, sâu, chim sâu, diều hâu chết thì chúng sẽ bị các vi sinh vật phân hủy.

Lưới thức ăn,

Đặc trưng của hệ sinh thái

Đặc trưng cơ bản của hệ sinh thái tự nhiên là khả năng tự lập lại cân bằng, nghĩa là mỗi khi bị ảnh hưởng bởi một nguyên nhân nào đó thì lại có thể phục hồi để trở về trạng thái ban đầu. Đặc trưng này được coi là khả năng thích nghi của hệ sinh thái. Khả năng tự thích nghi này phụ thuộc vào cơ chế cấu trúc-chức năng của hệ, thể chế này biểu hiện chức năng của hệ trong mỗi giai đoạn phát triển. Những hệ sinh thái trẻ nói chung là ít ổn định hơn một hệ sinh thái đã trưởng thành. Cấu trúc của hệ sinh thái trẻ bao giờ cũng giản đơn, số lượng các loại ít và số lượng cá thể trong mỗi loài cũng không nhiều lắm. Do vậy quan hệ tương tác giữa các yếu tố trong thành phần không phức tạp. Ở hệ sinh thái phát triển và trưởng thành, số lượng thể loại và cá thể tăng lên, quan hệ tương tác cũng phức tạp hơn. Do số lượng lớn và tính đa dạng của các mối liên hệ, các tương quan tác động và ảnh hưởng lẫn nhau nên dù xãy ra một sự tắc nghẽn nào hay sự mất cân bằng ở một khu vực nào đó cũng không dẫn đến sự rối loạn chung của toàn bộ hệ sinh thái.

Như vậy, trong một hệ sinh thái luôn tồn tại mối quan hệ nhân quả giữa tính ổn định và tính phong phú về tình trạng, về chủng loại trong thành phần của hệ sinh thái với tính cân bằng của hệ sinh thái. Hệ sinh thái càng trưởng thành thì cân bằng môi trường càng lớn.

Hệ sinh thái nào đó nếu còn tồn tại thì có nghĩa là đều đặc trưng bởi một sự cân bằng sinh thái nhất định. Thế ổn định biểu hiện sự tương quan về số lượng các loài, về chất lượng, về quá trình chuyển hóa năng lượng, về thức ăn của toàn hệ … Nhưng nếu cân bằng bị phá vỡ thì toàn hệ sẽ phải thay đổi. Cân bằng mới sẽ phải lập lại, có thể tốt cũng có thể không tốt cho xu thế tiến hóa.

Hệ sinh thái thực hiện chức năng tự lập lại cân bằng thông qua hai quá trình chính, đó là sự tăng số lượng cá thể và sự tự lập cân bằng thông qua các chu trình sinh địa hóa học, giúp phục hồi hàm lượng các chất dinh dưỡng có ở hệ sinh thái trở về mức độ ban đầu sau mỗi lần bị ảnh hưởng.

Hai cơ chế trên chỉ có thể thực hiện được trong một thời gian nhất định. Nếu cường độ tác động vượt quá khả năng tự lập cân bằng thì sẽ dẫn đến hậu quả cuối cùng là hệ sinh thái bị hủy diệt.

Một số nguyên nhân của sự phá vỡ sự cân bằng sinh thái

Sự cân bằng của hệ sinh thái bị phá vỡ do quá trình tự nhiên và nhân tạo. Các quá trình tự nhiên như núi lửa, động đất …. Các quá trình nhân tạo chính là các hoạt động sống của con người như tiêu diệt một loại thực vật hay động vật, hoặc đưa vào hệ sinh thái một hay nhiều loại sinh vật mới lạ; hoặc phá vỡ nơi cư trú vốn đã ổn định từ trước tới nay của các loài; hoặc quá trình gây ô nhiễm, độc hại; hoặc sự tăng nhanh số lượng và chất lượng một cách đột ngột của một loài nào đó trong hệ sinh thái làm phá vỡ sự cân bằng. Ví dụ:

Ở Châu phi, có thời kỳ chuột quá nhiều, người ta đã tìm cách tiêu diệt không còn một con. Tưởng rằng có lợi, nhưng sau đó mèo cũng bị tiêu diệt và chết vì đói và bệnh tật. Từ đó lại sinh ra một điều rất tai hại như mèo điên và bệnh dịch.

Sinh vật ngoại lai chính là mối lo toàn cầu. Đánh dấu ngày đa dạng sinh học thế giới 22/5, Hiệp hội Bảo tồn Thiên nhiên thế giới (WCU) đã công bố danh sách 100 loài sinh vật du nhập nguy hiểm nhất. Chúng tàn phá thế giới sau khi “xổng” khỏi nơi cư trú bản địa, mà lại thường có sự trợ giúp của con người. Trong số 100 loài, có những loài rất quyến rũ như lan dạ hương nước và sên sói đỏ, loài rắn cây màu nâu và lợn rừng. Nguyên nhân chính là con người đã mở đường cho nhiều loài sinh vật nguy hại bành trướng. Chẳng hạn loài cầy mangut nhỏ được đưa từ châu Á tới Tây Ấn Độ để kiểm soát nạn chuột. Nhưng rất mau chóng, nó đã triệt hại một số loài chim, bò sát và lưỡng cư ở vùng này. Loài kiến “mất trí” đã tiêu diệt 3 triệu con cua trong 18 tháng trên đảo Giáng sinh, ngoài khơi Ấn Độ Dương.
Sinh vật ngoại lai cũng đã xâm nhập Việt Nam như:

Ở vùng Đồng Tháp Mười và rừng Tràm U Minh hiện đang phát triển tràn lan một loài cây có tên là cây mai dương (cây xấu hổ). Cây mai dương có nguồn gốc từ Trung Mỹ, chúng sinh sản rất nhanh nhờ gió lẫn sinh sản vô tính từ thân cây. Bằng nhiều cách, chúng đã du nhập vào châu Phi, châu Á, Úc và đặc biệt thích hợp phát triển ở vùng đất ngập nước thuộc vùng nhiệt đới. Tại rừng Tràm U Minh, cây mai dương đã bành trướng trên một diện tích rộng lớn. Nếu tình trạng này tiếp diễn vài năm nữa, rừng tràm U Minh sẽ hóa thành rừng trinh nữ. Do tốc độ sinh trưởng nhanh của loài cây này, đã lấn áp cỏ – nguồn thức ăn chính cho sếu, cá, vì vậy ảnh hưởng đến sếu, cá ở Tràm Chim.

Ốc bươu vàng (pilasisnensis) được nhập khẩu vào nước ta khoảng hơn 10 năm nay. Ban đầu chúng được coi như một loại thực phẩm giàu đạm, dễ nuôi trồng, mang lại lợi ích kinh tế cao. Nhưng do sinh sản quá nhanh mà thức ăn chủ yếu là lá lúa, ốc bươi vàng đã phá hoại nghiêm trọng mùa màng ở nhiều tỉnh phía Nam. Hiện nay, đại dịch này đang phát triển dần ra các tỉnh miền Trung và miền Bắc.

Cá hổ pirama (còn gọi là cá kim cương, cá răng, tên khoa học là Serralmus nattereri) xuất hiện trên thị trường cá cảnh nước ta vào khoảng thời gian 1996-1998. Đây là loài cá có nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon, Nam Mỹ, thuộc loại ăn thịt, hung dữ. Nhiều nước đã có quy định nghiêm ngặt khi nhập loài này, vì khi chúng có mặt trong sông, động vật thủy sinh sẽ bị tiêu diệt toàn bộ, tác hại khó mà lường hết được. Trước nguy cơ này, Bộ Thủy sản sau đó đã có chỉ thị nghiêm cấm nhập khẩu và phát triển loại cá này.

Như vậy, khi một mắc xích quan trọng trong toàn hệ sinh thái bị phá vỡ nghiêm trọng thì hệ sinh thái đó dễ dàng bị phá vỡ.

Sinh thái học

Năm 1869, nhà sinh học Đức Ernst Haeckel đã đặt ra thuật ngữ Ecology từ hai chữ Hy lạp là “Okois” có nghĩa là nhà hoặc nơi ở và “logos” có nghĩa là nghiên cứu về. Do đó, có thể hiểu “sinh thái học là môn học nghiên cứu những tác động qua lại giữa các cá thể, giữa những cá thể và những yếu tố vật lý, hóa học tạo nên môi trường sống của chúng”.

Sinh thái học là khoa học nghiên cứu về nơi ở, nơi sinh sống của sinh vật, nghiên cứu về mối quan hệ giữa sinh vật và điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của sinh vật.

Đối tượng nghiên cứu của sinh thái học chính là các hệ sinh thái. Nghiên cứu hệ sinh thái bao gồm các hệ sinh thái tự nhiên như ao, đại dương, rừng, sa mạc, hệ thực vật, hệ động vật … ngoài ra còn có các hệ sinh thái nhân tạo như ruộng rẫy, vườn cây ăn trái và một số các hệ khác.

Theo VOER.EDU.VN

Tags: