Đa dạng trong hệ sinh thái rừng Rừng Việt Nam có hệ động thực vật đa dạng và phong phú. Độ che phủ của rừng 28,8% diện tích đất tự nhiên (đầu năm 1999). Khu hệ thực vật: 13.766 loài thực vật. Trong đó, 2.393 loài thực vật bậc thấp và 11.373 loài thực vật bậc cao (Nguyễn Nghĩa Thìn,1999). Theo đánh giá, có 10% số loài thực vật là đặc hữu và dự đoán số loài thực vật bậc cao có thể từ 15.000 đến 20.000 loài.
Trang 1Đa dạng trong hệ sinh thái rừng
Rừng Việt Nam có hệ động thực vật đa dạng và phong phú Độ che phủ của rừng 28,8% diện tích đất tự nhiên (đầu năm 1999)
Khu hệ thực vật: 13.766 loài thực vật Trong đó, 2.393 loài thực vật bậc thấp và 11.373 loài thực vật bậc cao (Nguyễn Nghĩa Thìn,1999) Theo đánh giá, có 10% số loài thực vật là đặc hữu và dự đoán số loài thực vật bậc cao có thể từ 15.000 đến 20.000 loài
khu hệ động vật: cho đến nay đã thống kê được 307 loài giun tròn (Nematoda); 161 loài giun sán ký sinh ở gia súc (Helminth); 200 loài giun đất (Oligochaeta); 145 loài ve giáp (Acarina); 144 loài chân khớp ( (arthropoda); 113 loài bọ nhảy (Collembila); 5,155 loài côn trùng (Insecta); 258 loài
bò sát (Reptilia); 82 loài ếch nhái (Amphibia); 828 loài chim (Aves); 275 loài và phân loài thú (Mammalia)
Trong hệ thống các khu bảo vệ vùng Đông Dương - Mã Lai của IUCN Việt Nam được xem là nơi giầu về thành phần loài và có mức độ đặc hữu cao so với các nước trong vùng phụ Đông Dương Trong số 21 loài thú linh trưởng có trong phân vùng phụ này thì ở Việt Nam có tới 15 loài, trong
đó có 7 loài và phân loài đặc hữu, số loài chim đặc hữu ước tính khoảng 100 loài
Nguồn: Võ Quý và Nguyễn Cử 1995 (Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường 2000)
HỆ SINH THÁI
PGS.TS Nguyễn Hoàng Trí
Đại học Sư phạm Hà Nội
1 Khái niệm chung
Hệ sinh thái bao gồm các quần xã sinh vật và môi trường sống của chúng Sinh quyển là hệ
sinh thái khổng lồ bao gồm tất cả các
hệ sinh thái trên trái đất, hay nói một
cách khác sinh quyển là phần bề mặt
trái đất, bao gồm cả đất, nước và
không khí có sự sống tồn tại Sự tồn
tại này phụ thuộc vào năng lượng mặt
trời, oxy, cácbon, nitơ và các chất
khác trong các chu trình sinh địa hoá
Tuy nhiên, việc xác định ranh giới rõ
ràng của hệ sinh thái là hết sức khó
khăn Người ta có thể xác định một
cách tương đối ranh giới của các quần
xã nhưng đối với hệ sinh thái thì rất
khó Chẳng hạn như khi xác định ranh
giới của một hệ sinh thái hồ người ta
có thể dựa vào nhiều tiêu chí như diện
tích hồ, diện tích mặt nước Nhưng
trên thực tế các loại bùn đất, chất dinh
dưỡng từ các vùng phụ cận đều có thể
chảy vào hồ,các loài chim, thú, côn
trùng ở nơi khác đều có thể đến kiếm
ăn ở đây…(Secretario F.T 1994)
Do tính chất phức tạp của sinh quyển
nói chung và các hệ sinh thái nói
riêng, người ta thường tập trung
nghiên cứu cấu trúc và chức năng một
hệ sinh thái đơn giản sau đó áp dụng
cho các hệ sinh thái phức tạp và rộng lớn hơn Trong nghiên cứu hệ sinh thái, tiếp cận hệ
Trang 2thống là cơ sở lý luận cơ bản giúp cho việc hiểu rõ các các quá trình chu trình năng lượng, dinh dưỡng, chuỗi và lưới thức ăn vận động trong hệ sinh thái Về mặt chức năng, mỗi cá thể sinh vật đều thực hiện việc chuyển đổi năng lượng và vật chất nhưng khi xét chức năng của toàn bộ hệ thống lại là điều hết sức phức tạp
Mối tương tác giữa sinh vật với nhau và với môi trường vô sinh trong hệ sinh thái được thể hiện ở hai đặc trưng cơ bản sau:
- Dòng năng lượng từ sinh vật tự dưỡng (sinh vật có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ và ánh sáng mặt trời như tảo, cây xanh, hoặc các phản ứng hoá học của vi khuẩn) tới sinh vật dị dưỡng (sinh vật ăn các sinh vật khác);
- Chu trình vật chất (C, N, P ) từ môi trường vô sinh đi vào các cơ thể sống rồi quay trở lại môi trường vô sinh thông qua các hoạt động trao đổi chất ở thực vật, động vật, nấm, vi sinh vật mà các chất hữu cơ được phân huỷ và sau đó tái tổng hợp
Dòng năng lượng và chu trình vật chất liên quan với nhau nhờ chuyển đổi vật chất qua các mối quan hệ dinh dưỡng trong hệ sinh thái Như vậy, cấu trúc các hệ sinh thái được thể hiện bằng các mối quan hệ dinh dưỡng, chức năng hệ sinh thái được thể hiện qua dòng năng lượng
và chu trình vật chất Hệ sinh thái thường xuyên được được nuôi dưỡng bằng một dòng năng lượng mới liên tục từ bên ngoài đó là năng lượng mặt trời
Bảng 9: Tóm tắt các quá trình cơ bản của sự sống trong sinh quyển
Các loại tự dưỡng
- Quang hợp hiếu khí (cơ thể có diệp lục) 6nCO2 + 6nH2O (C6H12O6)n + 6nO2
- Quang hợp yếm khí (vi khuẩn) nCO2 + 2nH2S (CH2O)n+2nS+nH2O
- Vi khuẩn ô xy hóa S H2S S SO4
2 Vi khuẩn đồng hóa CH4 CH4 CO2
- Vi khuẩn ô xy hóa Fe Fe 2+ Fe3+
- Quang hợp hóa
học
- Vi khuẩn Nitrit NH4+ NO2- NO3
-Các loại dị dưỡng
- Hô hấp hiếu khí (CH2O)n + nO2 nCO2 + nH2O
- Vi khuẩn phân hủy Fe Fe3+ Fe 2+
- Vi khuẩn phân hủy sulphát SO42- S H2S
- Vi khuẩn tạo CH4 CO2 CH4
- Hô hấp kỵ khí
- Vi khuẩn Denitrit NO3- NO2- N2
Trang 32 Năng lượng trong các hệ sinh thái
2.1 Nguồn năng lượng
Tất cả các sinh vật đều có nhu cầu năng lượng cho phát triển, duy trì sự sống và sinh sản cho
sự vận động ở các loài động vật Dòng năng lượng trong các hệ sinh thái bắt đầu từ sinh vật tự dưỡng với khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ C, N, H và năng lượng mặt trời Trong quá trình này năng lượng hoá học được lưu giữ trong các hợp chất cao phân tử phức tạp, sau đó bị bẻ gãy và giải phóng năng lượng ở các sinh vật dị dưỡng, cuối cùng bị phân hủy thành các chất
vô cơ khi các sinh vật chết đi
Như vậy, đầu tiên năng lượng được tích lũy nhờ qúa trình quang hợp, chỉ có trong một số rất
ít trường hợp cơ chế hoá tổng hợp do vi khuẩn là điểm khởi nguồn năng lượng cho hệ sinh thái Quá trình này thường xảy ra ở những
vùng không có ánh sáng mặt trời, dưới đáy
đại dương sâu thẳm Có thể nói rằng nguồn
năng lượng trong các hệ sinh thái trên trái đất
phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động quang hợp
của tảo và cây xanh
Hàng ngày trái đất nhận 1.022 jun năng
lượng mặt trời, tương đương với 100 triệu
quả bom nguyên tử ném xuống Hi-rô-sima
trong đại chiến thế giới lần thứ hai Rất may
là hầu hết nguồn năng lượng này bị phản xạ
và bức xạ trở lại không trung do trái đất có
bầu khí quyển bảo vệ Phần năng lượng hấp
thu trên bề mặt trái đất chỉ khoảng 10-20%
chủ yếu là bức xạ hồng ngoại và phân bố
không đồng đều trên bề mặt trái đất phụ
thuộc vào vĩ độ, cao nhất là vùng xích đạo
Hầu hết nguồn bức xạ mặt trời được khúc xạ,
phản xạ và hấp thu trở lại khí quyển nhờ các
lớp mây, không khí và bụi Chỉ có một lượng nhỏ ánh sáng mặt trời với bước sóng dài được
sử dụng trong quá trình quang hợp Chỉ có khoảng 1% năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng hoá học nhờ quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ tổng hợp của cây xanh và tảo Hàng năm các sinh vật tự dưỡng tạo ra 99% tất cả các chất hữu cơ trong sinh quyển, tức là khoảng 120 tỉ tấn chất hữu cơ mới được tổng hợp
Hiệu suất năng suất sơ cấp và thứ cấp
Hiệu suất quang hợp = GPP/bức xạ mặt trời Hiệu suất đồng hóa (thực vật) = GPP/lượng ánh sáng hấp thụ
Hô hấp = GPP – NPP Năng suất sơ cấp hiệu quả = NPP/GPP Hiệu suất đồng hóa (động vật) = A/I Hiệu suất tăng trưởng sinh thái = P/I Hiệu suất năng suất = P/A
GPP: Năng suất sơ cấp thô; NPP: Năng suất
sơ cấp thuần; R: Hô hấp; P: Năng suất thứ cấp (tăng trưởng mô cơ quan sinh sản thay đổi sinh khối); L: Tiêu thụ; W: Bài tiết (phân nước tiểu khí các chất khác); A: Đồng hóa (hấp thụ thức ăn năng lượng) Nguồn: Park C, 1997
Trang 42.2 Năng suất trong hệ sinh thái
Tỉ lệ năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển thành năng lượng hoá học trong thành phần các chất hữu cơ của sinh vật tự dưỡng được gọi là năng suất sơ cấp Tỉ lệ mà sinh vật dị dưỡng chuyển đổi năng lượng hoá học trong chuỗi thức ăn của chúng thành mô mới trong cơ thể chúng được gọi là năng suất thứ cấp Tổng năng suất sơ cấp và thứ cấp được gọi là năng suất tổng số Tuy nhiên, song song với quá trình tổng hợp thì một phần năng lượng được sử dụng trong hô hấp và vận động Do đó, năng suất thuần = năng suất tổng số - năng lượng đã dùng trong hô hấp và được đo bằng tỉ lệ tích luỹ sinh khối hoặc trọng lượng cơ thể/đơn vị diện tích/đơn vị thời gian Hai quá trình luôn song song tồn tại ở thực vật là quang hợp là tổng hợp các chất hữa cơ và thải O2, quá trình hô hấp là việc sử dụng năng lượng được tích luỹ trong các hợp chất hữu cơ và thải ra khí CO2 (Vũ Trung Tạng 2000; Trần Kiên, Hoàng Đức Nhuận, Mai Sỹ Tuấn 1990)
Như vậy, năng suất (productivity) là lượng chất hữu cơ được tạo ra trong quá trình quang hợp tạo nên các mô mới/đơn vị diện tích/đơn vị thời gian Sinh khối (standing crop biomass) là trọng lượng mô/đơn vị diện tích Năng suất phụ thuộc vào tỉ lệ luân chuyển vật chất và sinh khối chứ không cần liên quan đến sinh khối Trong một số trường hợp, hai hệ thống có cùng sinh khối nhưng tỉ lệ chu chuyển sinh khối khác nhau Một hệ thống có sinh khối thấp nhưng năng suất có thể bằng hoặc lớn hơn hệ thống có sinh khối cao hơn Điều này lý giải trong trường hợp các vi sinh vật, tảo có sinh khối thấp nhưng năng suất lại cao Tỉ lệ chu chuyển sinh khối hàng năm của động vật có xương sống là 1 trong khi của tảo và sinh vật nhỏ khác cao gấp 15-40 lần
Khi nghiên cứu sinh thái người ta thường quan tâm đến tỉ lệ P/R Trong đó (P) là quá trình tích luỹ năng lượng trong quang hợp và hô hấp (R) là quá trình tiêu phí hoặc đốt cháy năng lượng Trong trường hợp P/R > 1 là khi quang hợp lớn hơn hô hấp tức là các chất hữu cơ được tích luỹ trong hệ sinh thái, được gọi là hệ thống tự dưỡng, và ngược lại P/R < 1 là hệ thống dị dưỡng
2.3 Hiệu suất sinh thái
Hiệu suất sinh thái bao gồm các đặc trưng cơ bản là hiệu suất đồng hóa, hiệu suất tăng trưởng, hiệu suất năng suất và hiệu suất tiêu thụ
Hiệu suất đồng hóa (trong một bậc dinh dưỡng) = Đồng hóa (A)/Tiêu thụ (L)
Hiệu suất tăng trưởng = Năng suất (P)/Tiêu thụ (L)
Hiệu suất năng suất = Năng suất (P)/ Đồng hóa (A)
Hiệu suất tiêu thụ = Tiêu thụ ở bậc dinh dưỡng n (Ln)/Năng suất ở bậc dinh dưỡng n-1 (Pn-1)
Trang 5Năng suất sơ cấp rừng nội địa
NPP = f (NPP max, PAR, LAI, T, CO2, H2O, NA)
- NPP: Năng suất sơ cấp
- NPP max: năng suất tối đa đối với loại thực vật/ hệ sinh thái
- PAR: Bức xạ mặt trời hoạt tính quang hợp
- LAI: Chỉ số diện tích lá
- T: Nhiệt độ
- CO2: Hàm lượng CO2 trong khí quyển
- H2O: độ ẩm của đất
- NA: chỉ số nguồn dinh dưỡng vốn có
Nếu nhiệt độ và CO2 trên trái đất tăng thì năng suất
sơ cấp có tăng không?
Bảng 10: Năng suất và hiệu suất tiêu thụ của một số loại đồng cỏ điển hình
Sinh vật sản xuất Động vật ăn cỏ Động vật ăn thịt Loại đồng
cỏ
Vụ
(ngày) Năng suất
(Kcal/m2)
Hiệu suất (%)
Năng suất (Kcal/m2)
Hiệu suất (%)
Năng suất (Kcal/m2)
Hiệu suất (%) Đồng cỏ
thấp
Đồng cỏ
trung bình
Đồng cỏ
cao
Nguồn: Park C, 1997
2.3 Các nhân tố giới hạn
Năng suất của hệ sinh thái chủ yếu phụ
thuộc vào sinh vật sản xuất Các nhân tố
chính tác động tới sinh vật tự dưỡng bao
gồm: ánh sáng, nhiệt độ, nước, CO2., O2 ,
N, P và một số nguyên tố vi lượng
Trong trường hợp dinh dưỡng nhiều
nhưng ánh sáng ít thì lại hạn chế năng
suất Trong phần lớn các hệ sinh thái nội
địa và thuỷ vực thì tăng trưởng của thực
vật bị giới hạn bởi các nhân tố N và P
Chẳng hạn như khi hồ bị ưu dưỡng N, P
thì hiện tượng ‘nở hoa’ của tảo luôn xảy
ra
Các nhân tố giới hạn tác động lên các hệ
sinh thái tuỳ thuộc vào không gian và
thời gian hết sức phức tạp Một nhân tố
được gọi là nhân tố giới hạn đối với sinh vật này nhưng lại không tác động nhiều tới các sinh
vật khác và ngược lại Nếu nhiệt độ là nhân tố hạn chế đối với các hệ sinh thái ôn đới thì đối
với các hệ sinh thái nhiệt đới lại là lượng mưa Rừng mưa nhiệt đới có đóng góp lớn vào năng suất trên trái đất do năng suất cao và diện tích lớn
3 Cấu trúc và chức năng hệ sinh thái: lưới thức ăn và dòng năng lượng
3.1 Cấu trúc dinh dưỡng của các hệ sinh thái
Trang 6Mỗi hệ sinh thái đều thể hiện các mối dinh dưỡng đặc trưng được gọi là cấu trúc dinh dưỡng, dựa vào đây chúng ta có thể xác định được các con đường đi của dòng năng lượng và kiểu chu trình vật chất của hệ sinh thái Dựa trên cơ sở nhu cầu và nguồn dinh dưỡng chính của mỗi loài, người ta sắp xếp chúng vào các bậc dinh dưỡng Bậc dinh dưỡng đầu tiên là sinh vật tự dưỡng hay sinh vật sản xuất là cơ sở cho tất cả các hệ sinh thái (cây xanh, tảo ) Sinh vật ăn thực vật được gọi là sinh vật tiêu thụ bậc 1 Động vật ăn thịt ở các bậc dinh dưỡng tiếp theo được gọi là sinh vật tiêu thụ bậc 2, 3 và 4 Nhìn chung các hệ sinh thái chỉ có 3 hoặc 4 bậc dinh dưỡng
Con đường mà thức ăn (ở dạng năng lượng và vật chất) được chuyển qua các bậc dinh dưõng được gọi là chuỗi hoặc xích thức ăn Các chuỗi lại nối kết với nhau tạo thành lưới thức ăn Sinh vật tiêu thụ có thể ăn một hoặc nhiều loại con mồi Một loại con mồi có thể là nguồn thức ăn cho một hoặc nhiều loài ăn thịt Như vậy, mỗi loài có thể được đặt ở một hoặc nhiều bậc dinh dưỡng khác nhau
Sinh vật sản xuất có thể là cây xanh, tảo, cỏ biển…Ở những vùng nước sâu ánh sáng không tới được, các chất dinh dưỡng và năng lượng được phân huỷ từ các chất lắng đọng từ bề mặt đại dương xuống đáy, đó cũng là sản phẩm nguồn gốc từ quang hợp Một số loài vi khuẩn ở đáy đại dương, vi khuẩn chemoautotrophic sống trong các suối nước nóng hoặc núi lửa sử dụng năng lượng từ ô xy hoá H2S cho phép chúng chiết xuất C từ CO2 Sinh vật sản xuất ra năng lượng này không phải trực tiếp từ quá trình quang hợp sử dụng ánh sáng mặt trời nên được gọi là sinh vật sản xuất tự dưỡng và hệ sinh thái bắt đầu từ vi khuẩn dị dưỡng được gọi
là hệ sinh thái dị dưỡng để phân biệt với hệ sinh thái tự dưỡng bắt đầu từ cây xanh hoặc tảo
Sinh vật tiêu thụ bậc 2 hay còn gọi là động vật ăn thịt bậc 1 khác nhau thuỳ thuộc vào các hệ sinh thái chẳng hạn như nhện, ếch nhái, chuột, chim ăn sâu bọ trong các hệ sinh thái nội địa; mực., tôm, cua, cá trong các hệ sinh thái thuỷ vực Cuối cùng là các sinh vật phân huỷ, bao gồm vi sinh vật, vi khuẩn, nấm tiết ra men phân huỷ chất hữu cơ và phân giải các sản phẩm phân huỷ đó Trong một số hệ sinh thái có các sinh vật nhỏ ăn các chất hữu cơ phân huỷ từ lá cây, ăn phân của các loài sinh vật khác được gọi là chuỗi thức ăn phân huỷ, như trong các hệ sinh thái rừng ngập mặn, cỏ biển…Các chất hữu cơ xác thực vật phân huỷ, các sinh vật ăn mùn bã phân huỷ (chân bụng, hai mảnh vỏ, giáp xác, giun tròn, vi khuẩn, nấm) có vai trò rất quan trọng trong mối liên kết giữa sinh vật sản xuất, tiêu thụ và phân huỷ trong việc hoàn thiện các chu trình sinh địa hoá trong tự nhiên
3.2 Dòng năng lượng
Sự vận động của một hệ sinh thái được duy trì nhờ dòng năng lượng từ bậc dinh dưỡng này sang bậc dinh dưỡng kế tiếp Tuy nhiên, nó giảm dần giữa các bậc dinh dưỡng do sinh vật không tiêu thụ hết tất cả các chất hữu cơ ở bậc kế tiếp (30-60% còn lại) và không phải tất cả
Trang 7năng lượng đều được chuyển đổi cho tăng trưởng sinh khối 25-70% năng lượng được sử dụng cho quá trình hô hấp để cung cấp năng lượng cho vận động, tiêu hoá, giữ nhiệt cho cơ thể Phần lớn năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt
Chỉ có khoảng 2-15% năng lượng ở bậc dinh dưỡng trước được sử dụng để tăng sinh khối ở bậc tiếp theo Hiệu quả sinh thái trong chuyển tải năng lượng thấp khá thấp 0.1-15% trung bình khoảng 10% tuỳ thuộc vào loại sinh vật tiêu thụ và kiểu ăn Thông thường hiệu quả sinh thái ở động vật ăn thịt cao hơn động vật ăn cỏ Như vậy, khoảng 90% năng lượng bị mất, điều này lý giải chuổi thức ăn thông thường chỉ có 3-4 bậc dinh dưỡng Trong hệ sinh thái ao hồ, chuổi thức ăn từ tảo-cá con-cá vược chỉ chuyển đổi được 0.05% năng lượng tích luỹ được trong quá trình quang hợp
3.3 Tháp năng lượng, số lượng và sinh khối
Do khối lượng dinh dưỡng và năng lượng trong hệ sinh thái dần dần mất đi qua chuỗi thức ăn (chỉ khoảng 10 % năng lượng được sử dụng cho bậc tiếp) nên các tháp thức ăn và dinh dưỡng
có cấu trúc hình chóp đỉnh (dạng kim tự tháp) Một số hệ sinh thái khác, như đại dương chẳng hạn, sinh khối sinh vật sản xuất (tảo) ít hơn động vật ăn thực vật (phù du động vật, cá voi…)
do đó hình tháp sinh khối lại theo hướng ngược lại Nhưng tháp năng lượng lại vẫn theo chiều hướng lên trên do sinh vật sản xuất là các loài tảo đơn bào có tỉ lệ năng suất cao do tỉ lệ chu chuyển cao
Trong bảo tồn và phát triển bền vững các hệ sinh thái trong sinh quyển, những kiến thức về tháp năng lượng, số lượng và sinh khối là cực kỳ quan trọng Chẳng hạn như, những sinh vật tiêu thụ ở bậc đỉnh tháp thường là những cá thể lớn, số lượng nhỏ, thường phải di chuyển nhiều để tìm kiếm thức ăn và dễ bị tuyệt chủng do con người săn bắn và môi trường bị phá hủy
Nếu trong các hệ sinh thái tự nhiên, năng lượng đầu vào là ánh sáng mặt trời và các chất dinh dưỡng, nước thì hệ sinh thái nông nghiệp hiện đại dựa trên năng lượng đầu vào là năng lượng hoá thạch dùng cho sản xuất như thuốc trừ sâu, phân hoá học, cơ khí Các nguồn năng lượng này ở ngoài hệ sinh thái mà duy trì năng suất nên không bền vững Trong các hệ sinh thái nông nghiệp, con người có thể sử dụng trực tiếp các sản phẩm cây lương thực hoặc chuyển đổi qua chăn nuôi các loại gia súc Nếu con người chỉ ăn những sản phẩm thực vật sẽ đảm bảo cho hệ sinh thái bền vững hơn nhiều so với việc tiêu thụ quá nhiều thịt như hiện nay
4 Chu trình vật chất trong hệ sinh thái
Các chu trình vật chất từ môi trường vô sinh thông qua các thành phần hữu sinh trong hệ sinh thái (sinh vật sản xuất, tiêu thụ, phân huỷ) rồi lại quay trở lại môi trường vô sinh được gọi là
Trang 8chu trình dinh dưỡng hay chu trình sinh địa hoá Có 2 loại chu trình sinh địa hoá, chu trình tổng thể liên quan đến các chất khí như C, N, P, nước… vận động trong các quyển của trái đất (khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển, sinh quyển) và chu trình mang tính cục bộ liên quan đến các nguyên tố ít di động như K, Ca và các nguyên tố vi lượng trong đất
Thông thường, các chất dinh dưỡng được tích luỹ ở hai dạng vô cơ và hữu cơ Dạng hữu cơ nằm trong cơ thể sinh vật sống và trong các trầm tích hoá thạch (than đá, dầu mỏ, than bùn) khi sinh vật chết Dạng vô cơ bao gồm các ion, phân tử hoà tan trong nước, đất và không khí Các chất vô cơ trong đá chỉ được sinh vật sử dụng khi bị xói mòn hoặc phong hoá
Các chu trình sinh địa hoá liên quan đến quá trình huy động các chất dinh dưỡng từ dạng vô
cơ sau đó đi vào mô cơ thể các sinh vật (dạng hữa cơ) qua các hoạt động của sinh vật sản xuất, tiêu thụ và sau đó bị phân huỷ Các chất hữu cơ của sinh vật phân bị huỷ thành các dạng
vô cơ cuối cùng được hấp thu trở lại vào sinh vật sản xuất
Sự phức tạp của các chu trình sinh địa hoá tăng lên theo sự thay đổi theo mùa và qua sự phân
bố chất dinh dưỡng, chẳng hạn như vào mùa đông ở ao hồ các chất dinh dưỡng phần lớn ở dạng hoà tan nhưng vào mùa hè lại chủ yếu nằm trong các cơ thể sinh vật (tảo, phù du động vật ) khi các sinh vật này chết đi nó lại quay trở lại dạng vô cơ Các nhân tố ánh sáng, nhiệt
độ và dinh dưỡng đều là yếu tố giới hạn tăng trưởng nên năng suất trong hồ phụ thuộc theo mùa
4.1 Chu trình Cácbon (C)
Môi trường đất, nước và không khí được liên kết thông qua chu trình C nhờ quá trình quang hợp, làm giảm hàm lượng CO2 trong khí quyển Các sinh vật tự dưỡng đều tổng hợp C02 trong mô của chúng sau khi đi vào sinh vật tiêu thụ chúng quay trở lại không khí qua quá trình hô hấp hoặc phân huỷ sau khi chết Trong sinh quyển, phần bắc bán cầu hàm lượng CO2 thấp nhất vào mùa hè, cao nhất vào mùa đông do sinh khối thực vật tăng Ở nam bán cầu hoạt động quang hợp cao nhất vào mùa hè làm giảm lượng CO2 toàn cầu và ngược lại hàm lượng
CO2 tăng lên vào mùa đông
Quá trình phong hoá đá và phân huỷ chất hữu cơ tạo ra cácbon trong đất và chảy vào các sông suối khi mưa xuống tạo nên chu trình C trong nước Quá trình diễn ra khá phức tạp do tương tác giữa CO2 với đá CaCO3 và nước, CO2 hoà tan phản ứng với CaCO3 và nước thông qua một loạt các phản ứng được tóm tắt như sau:
H2O + CO2 ↔H2CO3
H2CO3 + CaCO3 ↔ Ca(HCO3)2 ↔ Ca2+ = 2 HCO3–
2 HCO-3 ↔ 2H+ + 2CO2-3
Trang 9(bicarbonate) (carbonate)
Nếu CO2 được sử dụng cho các quá trình hô hấp của thực vật thuỷ sinh thì phản ứng theo chiều hình thành carbonate từ trái sang phải, nếu CO2 được sử dụng trong quang hợp thì phản ứng theo chiều hình thành bicarbonate Quá trình này được gọi là ‘đệm’ hoặc ‘dự phòng’
CO2 trong nước Các nghiên cứu cho thấy, các hệ sinh thái thuỷ vực kể cả sông suối, ao hồ, biển cả và đại dương có vai trò rất lớn trong chu trình C toản cầu
Các hoạt động kinh tế của con người đang làm đảo lộn chu trình C, gây ra sự quá tải hàm lượng CO2 trong tự nhiên gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên Đó
là việc sử dụng quá nhiều nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt trong giao thông vận tải, phát triển công nghiệp, sinh hoạt đời sống làm tăng CO2 trong khí quyển, việc chặt phá rừng cũng làm tăng hàn lượng cácbon do không còn thực vật hấp thụ CO2 trong khí quyển nữa
4.2 Chu trình Nitơ (N)
Khoảng 78% N trong tự nhiên ở dạng NO2 Tuy nhiên, thực vật lại không đồng hoá trực tiếp được trong tự nhiên mà phải thông qua các hiện tượng sấm chớp và đặc biệt là vi sinh vật cố định đạm trong nốt sần các cây họ đậu qua sự cung cấp N ở dạng ammonia NO3 hoặc NH+
4 Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng ammonia này tạo ra các nitrite NO2- và nitrate NO3- qua quá trình nitrite hoá Thực vật đồng hoá nitrate chuyển thành các hợp chất N hữu cơ như axít amin
và protein Khi sinh vật sản xuất chết đi được các vi sinh vật yếm khí phân huỷ các phân tử N phức tạp thành ammonia qua quá trình ammoni hoá Các vi khuẩn sử dụng NO3- trong quá trình phản nitrit hoá thành dạng N2 trở lại khí quyển
Chu trình N trong tự nhiên liên quan chủ yếu tới môi trường đất và nước Hầu hết các dạng N hữu cơ và vô cơ được đưa vào các thuỷ vực theo nước mưa Các loài tảo và vi khuẩn tự do có khả năng hấp thu N dạng khí cũng có ở trong nước N trong đất và nước được tái chu trình do quá trình phân huỷ chất hữu cơ Con người đã chặt phá rừng làm cho xói mòn đất và lớp đất mặt bị rửa trôi Quá trình này được gọi là quá trình tái chu trình không hoàn thiện Lượng N này tích luỹ trong không khí ở dạng N2 Đây chính là nguyên nhân gây ra các hiện tượng đất canh tác bị thoái hoá, sa mạc hoá
4.3 Chu trình Phốt pho (P)
Trong sinh quyển sinh vật sản xuất chỉ sử dụng phốt pho ở dạng vô cơ gọi là phosphat (PO4 3-) Quá trình phong hoá đá thường xuyên bổ sung lượng phosphate trong đất sau đó được thực vật hấp thụ qua quá trình hấp thu dinh dưỡng và quang hợp hình thành các hợp chất hữu cơ tạo ra các thành phần của mô cơ thể Sau đó chúng tiếp tục đi vào các bậc dinh dưỡng là sinh
Trang 10vật tiêu thụ và cuối cùng bị phân huỷ trả lại P vô cơ cho đất Trong các hệ sinh thái thuỷ vực,
P được tích luỹ trong bùn đất dưới đáy ao hồ, sông suối, đại dương trong thời gian khá dài
4.4 Thời gian và các chu trình dinh dưỡng
Trong tự nhiên, các chu trình dinh dưỡng xảy ra có thể nhanh hoặc chậm tuỳ thuộc vào tốc độ các quá trình phân huỷ, sinh khối, thành phần hoá học đất, nước Các nhân tố này tác động đến chu trình luân chuyển dinh dưỡng Điều này cũng phụ thuộc vào tác động của con người
Ở những vùng rừng nhiệt đới lượng dinh dưỡng tích luỹ ít hơn ôn đới do tốc độ phân huỷ nhanh, chu trình luân chuyển nhanh Chẳng hạn như tầng thảm mục rừng nhiệt đới mỏng hơn rất nhiều so với rừng ôn đới do quá trình phân huỷ xảy ra nhanh hơn Xác thực vật tích luỹ ở sàn rừng ôn đới có thể lên tới 20% tổng các chất hữu cơ trong hệ sinh thái Điều này lý giải hậu quả của việc phá rừng nhiệt đới cho nông nghiệp sẽ bị bạc màu rất nhanh chỉ sau 2-3 vụ, mang lại hậu quả cả về kinh tế và sinh thái đôi khi rất nghiêm trọng trong một thời gian ngắn
4.5 Tích luỹ sinh học
Không phải tất cả các hợp chất trong sinh quyển đều có thể được phân huỷ sinh học thành các chất đơn giản đi vào tái chu trình Đó là trường hợp của các hợp chất khó phân huỷ, đặc biệt
là các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân, kẽm, DDT Các hợp chất này đi vào các chuỗi thức
ăn và được tích luỹ ở những bậc cao hơn Có hai cách lý giải hiện tượng tích lũy sinh học Thứ nhất là sinh vật có nhu cầu tích luỹ hàm lượng các chất này trong cơ thể từ không khí, nước và đất thông qua sự hấp thu có chọn lọc qua màng tế bào Thứ hai là sinh khối sinh vật ở các bậc thấp hơn trong tháp sinh thái về sinh khối thường cao hơn bậc tiếp theo Do đó, mặc
dù một chất có hàm lượng nhỏ trong cơ thể sinh vật ở bậc dinh dưỡng thấp chúng sẽ được tích luỹ nhiều hơn ở sinh vật bậc dinh dưỡng cao Động vật càng ở bậc cao, sống lâu thì hàm lượng tích luỹ càng cao Mặt khác, một số chất không thể phân huỷ hoặc đồng hoá vào cơ thể
sẽ được tích luỹ và gây chết cho sinh vật (Nguyễn Văn Tuyên 1997; Nguyễn Văn Thêm 2002; Nguyễn Hoàng Trí 2000; Mai Đình Yên 1994)
Chẳng hạn như, nếu hàm lượng chì trong các tế bào phù du thực vật ở vùng cửa sông có thể thấp và chấp nhận được thì lượng chì được tích lũy trong cơ thể cá và đặc biệt là các loài động vật đáy đôi khi rất cao và có thể gây ra một số bệnh nguy hiểm khi con người sử dụng chúng làm thực phẩm Tương tự như vậy, nếu hàm lượng DDT trong các tế bào tảo nước ngọt chỉ chiếm vài phần triệu thì trong cơ thể các loài động vật ở bậc cao hơn như sâu bọ, rồi đến cá và chim có thể lên tới vài phần trăm gây hiện tượng vỏ trứng mỏng ở một số loài chim, trứng dễ dàng bị vỡ trong giai đoạn ấp và đảo trứng Hiện tượng này còn được gọi là ‘Sự tuyệt chủng
từ giai đoạn trứng’
5 Vai trò của con người trong động thái các hệ sinh thái