Môi trường & Con người - P2

CHƯƠNG 2.
CÁC NGUYÊN LÝ SINH THÁI HỌC ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
1. Các nhân tố sinh thái
1.1. Khái niệm về các nhân tố sinh thái
Những nhân tố cấu trúc nên môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, thức ăn, bệnh tật,... được gọi là các nhân tố môi trường. Nếu xét tác động của chúng lên đời sống một sinh vật cụ thể ta gọi đó là các nhân tố sinh thái.
Nhân tố sinh thái được phân chia theo bản chất thành nhân tố vô sinh và nhân tố hữu sinh.
Bản chất của nhân tố tác động.
Cường độ tác động.
Tần số tác động.
Thời gian tác động.
Có hai định luật liên quan đến tác động của nhân tố sinh thái tới sinh vật:
Định luật tối thiểu (Liebig): Một số nhân tố sinh thái cần phải có mặt ở mức tối thiểu để sinh vật có thể tồn tại.
Định luật giới hạn (Shelford): Một số nhân tố sinh thái cần phải có mặt với một giới hạn nhất định để sinh vật có thể tồn tại và phát triển trong đó.
Sinh vật phản ứng lại tác động của mỗi nhân tố sinh thái theo 4 đặc tính sau:
Mỗi một sinh vật có hai đặc trưng:
Nơi ở (habitat) là không gian cư trú của sinh vật hoặc là không gian mà ở đó sinh vật thường hay gặp.
Tổ sinh thái (ecological niche) là tất cả các yêu cầu về nhân tố sinh thái mà cá thể đó cần để tồn tại và phát triển. Đây là tổ sinh thái chung, còn tổ sinh thái thành phần là một không gian sinh thái, trong đó các nhân tố thiết yếu bảo đảm cho một chức năng nào đó của cơ thể, chẳng hạn, tổ sinh thái dinh dưỡng, tổ sinh thái sinh sản,...
1.2. Ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái vô sinh lên đời sống của sinh vật
1.2.1. Nhiệt độ
1.2.2. Nước và độ ẩm
1.2.3. Ánh sáng
1.2.4. Các chất khí
1.2.5. Các muối dinh dưỡng
Bảng 1. Các mối quan hệ chính giữa sinh vật với sinh vật
Hội sinh
Tiền hợp tác
Con mồi – Vật dữ
Cộng sinh
Sinh quyển
Hệ sinh thái
Quần xã
Quần thể
Cá thể
Các mức độ tổ chức trong sinh giới
2. Quần thể và các đặc trưng của quần thể
2.1. Khái niệm
Quần thể là nhóm cá thể của một loài hay dưới loài, khác nhau về giới tính về tuổi và về kích thước, phân bố trong vùng không gian nhất định, có khả năng giao phối với nhau để sản sinh ra các thế hệ mới hữu thụ.
2.2.1. Kích thước và mật độ
2.2. Các đặc trưng của quần thể
Kích thước: là số lượng (cá thể) hay khối lượng (g, kg...) hay năng lượng (kcal hay calo).
Kích thước của quần thể trong một không gian và một thời gian nào đấy được diễn tả theo công thức:
Nt = N0 + (B - D) + (I - E)
Mật độ: là số lượng cá thể trên một đơn vị diện tích (hay thể tích) của môi trường. Số lượng sinh vật có thể được tính bằng số lượng cá thể, khối lượng sinh vật, khối lượng khô hay calo.
2.2.2. Sự phân bố của các cá thể trong quần thể
Các cá thể phân bố trong không gian theo 3 cách sau:
Phân bố đều
Phân bố ngẫu nhiên
Phân bố theo nhóm

Người ta chia đời sống cá thể thành 3 giai đoạn: trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản, do đó trong quần thể hình thành 3 nhóm tuổi tương ứng. Khi chồng các nhóm tuổi lên nhau ta được tháp tuổi, qua đó ta có thể đánh giá được xu thế phát triển của quần thể.
Tỷ lệ giới tính là tỷ lệ số lượng giữa các cá thể đực và các cá thể cái. Trong tự nhiên, tỷ lệ này thường là 1:1, tuy vậy, tỷ lệ này thường khác nhau ở từng loài và từng giai đoạn khác nhau.
2.2.3. Thành phần tuổi và tỷ lệ giới tính
Sự thay đổi về số lượng cá thể phụ thuộc vào hai yếu tố: tỷ lệ sinh, là số cá thể sinh ra và tỷ lệ tử, là số cá thể chết đi. Ngoài ra, còn có hai yếu tố khác là số cá thể di cư và số cá thể nhập cư vào quần thể.
Thông thường, để tính toán sự tăng trưởng của quần thể, người ta chỉ tính tỷ lệ sinh và tử, còn bỏ qua các thành phần nhập cư và di cư.
Ta có: Nt = N0 + (B - D)
Năm 1854, nhà toán học Verhulst nêu lên công thức:
=r.N
2.2.4. Sự tăng trưởng của quần thể
Đường cong biểu diễn sự tăng trưởng của quần thể trong điều kiện không giới hạn
Số lượng cá thể
Thời gian
Trong thực tế, sự tăng số lượng của quần thể luôn chịu sự chi phối bởi sức tải của môi trường. Do vậy, số lượng của quần thể chỉ đạt được giá trị tối đa mà môi trường cho phép. Với giới hạn đó, quần thể không thể tăng vô hạn mà tuân theo một qui luật mới, được thể hiện dưới dạng phương trình sau:
= rN ( )
Đường cong tăng trưởng quần thể trong điều kiện giới hạn
Số lượng cá thể của một quần thể thường không ổn định mà thay đổi theo mùa, theo năm, phụ thuộc vào những yếu tố nội tại của quần thể và các yếu tố môi trường. Có hai dạng:
Biến động số lượng cá thể theo chu kỳ
Biến động số lượng cá thể không theo chu kỳ
2.2.5. Sự biến động số lượng cá thể trong quần thể:
3. Quần xã và các đặc trưng của quần xã
3.1. Khái niệm
Quần xã sinh vật là tập hợp của các quần thể cùng sống trong một không gian nhất định, ở đó xảy ra sự tương tác giữa các sinh vật với nhau.
3.2. Các đặc trưng của quần xã
3.2.1. Cấu trúc về thành phần loài và số lượng cá thể của từng loài: đặc trưng này xác định tính đa dạng sinh học của quần xã.
3.2.2. Cấu trúc về không gian: tức là sự phân bố không gian của các sinh vật trong quần xã.
3.2.3. Cấu trúc về dinh dưỡng:
Sinh vật tự dưỡng: có khả năng tổng hợp chất hữu cơ cho cơ thể.
Sinh vật dị dưỡng và sinh vật phân hủy: phải sống nhờ vào chất hữu cơ của sinh vật khác ta gọi là vật tiêu thụ.
Trong quần xã, mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài hình thành nên chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn.
Chuỗi thức ăn (food chain)
Một chuỗi thức ăn chỉ ra sự di chuyển của năng lượng qua thức ăn (nói cách khác, “cái gì bị cái gì ăn”):
Tháp sinh khối
Trong chuỗi thức ăn này chúng ta có thể thấy là khối lượng sinh vật trong mỗi bậc ít hơn so với bậc trước nó:
Chúng ta có thể đưa ra “Tháp sinh khối ” để minh hoạ hình ảnh này:
Tháp năng lượng
Gia tăng tính hiệu quả của chuỗi thức ăn
Chuỗi thức ăn không phải luôn có hiệu quả cao. Làm thế nào để gia tăng tính hiệu quả của chuỗi thức ăn?
1) Giảm số mắt xích trong chuỗi:
2) Hạn chế sự di chuyển của sinh vật:
3) Sử dụng các chất kích thích tố thực vật để điều hoà độ chín của trái cây
Lưới thức ăn (food web)
4. Hệ sinh thái và các đặc trưng
4.1. Khái niệm
Hệ sinh thái là một khái niệm chỉ sự thống nhất của một phức hợp các loài động vật, thực vật và vi sinh vật với các nhân tố môi trường vật lý của một vùng xác định mà ở đó có sự tương tác giữa các sinh vật với nhau và giữa sinh vật với môi trường thông qua chu trình vật chất và dòng năng lượng.

Cấu trúc của hệ sinh thái
Cấu trúc của hệ sinh thái bao gồm 4 phần:
Môi trường: Chất vô cơ, chất hữu cơ và các yếu tố vật lý như nhiệt độ, ánh sáng,...
Vật sản xuất
Vật tiêu thụ
Vật phân hủy
Ta phân biệt hệ sinh thái tự nhiên và hệ sinh thái nhân tạo.
Cấu trúc của Hệ sinh thái
4.2. Đặc trưng cơ bản của hệ sinh thái
4.2.1. Chu trình vật chất
Thường xuyên có các vòng tuần hoàn của vật chất đi từ môi trường ngoài vào cơ thể các sinh vật, rồi từ sinh vật này sang sinh vật kia theo chuỗi thức ăn, rồi lại từ các sinh vật phân hủy thành các chất vô cơ ra môi trường. Vòng tuần hoàn này còn gọi là vòng tuần hoàn sinh, địa, hoá.
Chu trình vật chất
Thực vật
Động vật ăn cỏ
Vi sinh vật
Động vật ăn thịt
Ánh sáng mặt trời
Xác chết động, thực vật
Môi trường đất, nước không khí
Các chất vô cơ
(carbon dioxide,
oxygen, nitrogen,
khoáng)
Sinh vật sản xuất
(Thực vật)
Sinh vật phân hủy
(vi khuẩn,
nấm hoại sinh)
Sinh vật tiêu thụ
(Động vật ăn cỏ,
đv. ăn thịt)
Năng lượng
MT
Bậc dinh dưỡng
Bậc dinh dưỡng
Bậc dinh dưỡng
Chu trình carbon
1. CO2 được thực vật hấp thụ qua quang hợp và chyển vào trong chất hữu cơ
2. Thực vật nhả CO2trong hô hấp
3. Động vật sử dụng chất hữu cơ trong thực vật
5. Động, thực vật chết, được các vi sinh vật tiêu thụ
6. Các vi sinh vật này thải CO2 qua hô hấp
4. Động vật thải CO2 qua hô hấp
4.2.2. Dòng năng lượng

Hệ sinh thái là một hệ thống lớn và hở, có khả năng tự điều chỉnh. Hệ tồn tại được là nhờ vào nguồn năng lượng vô tận của mặt trời. Năng lượng này khi đến được trái đất chỉ có 50% rơi vào hệ sinh thái, số còn lại chuyển thành nhiệt năng. Hệ sinh thái cũng chỉ tiếp nhận được 0,1% của tổng năng lượng bức xạ này để chuyển hóa sang dạng hóa năng được lưu trữ dưới dạng chất hữu cơ hình thành nhờ quá trình quang hợp của thực vật:
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
Bức xạ mặt trời
Diệp lục
Chất hữu cơ tổng hợp được, một phần (15 - 20%) được thực vật sử dụng cho sự tồn tại của mình.
Các động vật ăn thực vật cũng chỉ đồng hóa, sử dụng được một phần (10%) còn đại bộ phận không sử dụng được, hoặc không đồng hóa được lại thải ra ngoài và phần lớn chuyển thành nhiệt trong quá trình hô hấp.
Động vật ăn thực vật cũng chỉ cung cấp cho động vật ăn thịt một lượng nhỏ “thịt” (năng lượng dưới dạng thịt cho động vật) cho chúng ăn. Cứ tiếp tục ở các mắc xích tiếp theo, năng lượng tồn tại dưới dạng chất hữu cơ ở cơ thể động vật cứ giảm dần.
Khi động, thực vật chết, phần năng lượng dưới dạng chất hữu cơ ở cơ thể chúng được phân hủy tức là được vi sinh vật và nấm hoại sinh sử dụng.
Dòng năng lượng trong chuỗi thức ăn
Hãy xem dòng năng lượng trong chuổi thức ăn này:
100%
10%
1%
0.1%
Không phải tất cả năng lượng mặt trời tích tụ trong cải bắp sẽ chuyển hết cho thỏ. Chỉ có khoảng 10% năng lượng được chuyển cho bậc kế tiếp trong chuỗi thức ăn.
Năng lượng bị mất trong mỗi mắt xích thức ăn vì:
Mỗi sinh vật cần phải di chuyển, sưởi ấm,...
Năng lượng mất qua chất thải. Tiep
Theo thời gian, hệ sinh thái có quá trình phát sinh và phát triển để đạt được trạng thái ổn định lâu dài. Lúc này ta có quần xã ở trạng thái đỉnh cực (climax).
Nếu không có những tác động ngẫu nhiên thì diễn thế sinh thái là một quá trình định hướng, có thể dự báo được.
Dựa trên những tiêu chuẩn xác định (như động lực, giá thể,...) diễn thế sinh thái được xếp thành các dạng sau:
Nếu dựa vào động lực của quá trình thì diễn thế được chia thành hai dạng: nội diễn thế và ngoại diễn thế.
Nếu dựa vào giá thể thì diễn thế gồm ba dạng: diễn thế sơ cấp, diễn thế thứ cấp và diễn thế phân hủy.
4.2.3. Diễn thế sinh thái
Diễn thế nguyên sinh
lichens and moss
on bare rock
bluebell, yarrow
blueberry,
juniper
jack pine, black spruce,
aspen
balsam fir,
paper birch,
white spruce,
climax forest
Thời gian (năm)
Diễn thế thứ sinh
4.2.4. Sự tự điều chỉnh, tự lập lại cân bằng của hệ sinh thái
Các hệ sinh thái tự nhiên đều có khả năng tự điều chỉnh, tức là khả năng tự lập lại cân bằng mỗi khi bị ảnh hưởng bởi một nguyên nhân nào đấy, tự phục hồi để trở về trạng thái ban đầu. Đặc trưng này được coi là khả năng thích nghi của hệ sinh thái. Có hai cơ chế chính:
Điều chỉnh đa dạng sinh học của quần xã.
Chu trình sinh địa hóa giữa các quần xã.
Mỗi hệ sinh thái chỉ có một giới hạn tự lập lại cân bằng nhất định và khi chịu tác động vượt ra ngoài giới hạn này, hệ sinh thái sẽ bị hủy diệt.
4.2.5. Những tác động của con người lên hệ sinh thái
1 - Tác động vào cơ chế tự ổn định, tự cân bằng của hệ sinh thái
Cơ chế của hệ sinh thái tự nhiên là tiến tới tỷ lệ P/R = 1 (P: sức sản xuất; R: sự hô hấp). Cơ chế này không có lợi cho con người, vì con người cần tạo ra năng lượng cần thiết cho mình bằng cách tạo ra hệ sinh thái có P/R > 1. Do vậy, con người thường tạo ra các hệ sinh thái nhân tạo. Để duy trì các hệ sinh thái nhân tạo, con người phải bổ sung thêm năng lượng.
Ngoài ra, con người tác động vào cân bằng sinh thái thông qua việc:
Săn bắn, đánh bắt quá mức các loài động, thực vật quý hiếm
Chặt phá rừng tự nhiên, làm mất nơi cư trú của động thực vật
Lai tạo các loài sinh vật mới làm thay đổi cân bằng sinh thái
Đưa vào các hệ sinh thái tự nhiên các hợp chất nhân tạo mà sinh vật không có khả năng phân huỷ
Phá rừng
Con người sử dụng năng lượng hoá thạch, tạo thêm một lượng lớn khí CO2, SO2,... làm thay đổi cân bằng sinh thái tự nhiên của trái đất, dẫn tới việc thay đổi chất lượng và quan hệ của các thành phần môi trường tự nhiên.
Các hoạt động của con người ngăn cản chu trình tuần hoàn nước,... Việc này có thể gây ra úng ngập hoặc khô hạn nhiều khu vực, thay đổi điều kiện sống bình thường của các sinh vật nước,...
2 - Tác động vào các chu trình sinh địa hoá
Chuyển đất rừng thành đất nông nghiệp làm mất đi nhiều loại động, thực vật quý hiếm, tăng xói mòn đất, thay đổi khả năng điều hoà nước,...
Cải tạo đầm lầy thành đất canh tác làm mất đi các vùng đất ngập nước có tầm quan trọng.
Chuyển đất rừng, đất nông nghiệp thành các khu công nghiệp, khu đô thị, tạo nên sự mất cân bằng sinh thái khu vực và ô nhiễm cục bộ.
Gây ô nhiễm môi trường ở nhiều dạng hoạt động kinh tế xã hội khác nhau.
3 - Tác động vào các điều kiện môi trường của hệ sinh thái