Cân bằng vật chất, năng lượng trong hệ sinh thái và vấn đề nông - lâm nghiệp

Làm rõ sự cân bằng vật chất, năng lượng trong hệ sinh thái và vấn đề nông, lâm nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

1.Khái niệm - Đặc điểm – chức năng hệ sinh thái 4

2 Cấu trúc hệ sinh thái 20

2.1 Yếu tố hữu sinh 20

2.2 Yếu tố vô sinh 21

3 Mối tương quan giữa các nhân tố cấu thành hệ sinh thái 22

3.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng và hoàn lưu vật chất trong hệ 22

3.1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng 22

3.1.2 Hoàn lưu vật chất 25

3.2 Các chu trình sinh địa hóa diễn ra trong hệ 27

3.3.Qúa trình tự điều chỉnh của hệ sinh thái: 33

4 Hệ sinh thái với vấn đề phát triển nông lâm nghiệp 35

4.1 Mối quan hệ tương tác nhau: 35

4.2 Mối quan hệ tương đương 37

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

1

Sinh thái học là môn khoa học nghiên cứu về sự phân bố và sinh sống củanhững sinh vật sống và các tác động qua lại của sinh vật với môi trường sống củachúng, việc nghiên cứu sinh thái học là cơ sở cho sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên,ngăn ngừa ô nhiễm môi trường, là cơ sở khoa học xây dựng mối quan hệ giữa khoa họcvới tự nhiên.

Để duy trì sự tồn tại phát triển thì vạn vật luôn biến đổi để đạt trạng thái cânbằng Hệ sinh thái là tổ hợp các quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà quần xã đósinh sống Trong hệ sinh thái luôn có sự vận động trao đổi tương tác giữa các thànhphần và giữa hệ sinh thái với môi trường bên ngoài Hệ sinh thái có vai trò đặc biệtquan trọng đối với mọi hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người nhất là đối vớiviệc phát triển nông – lâm nghiệp để có những định hướng phát triển và bảo vệ hợp lý

Chính vì vậy em trình bày vấn đề “ cân bằng vật chất và năng lượng trong

hệ sinh thái và vấn đề phát triển nông – lâm nghiệp” nhằm tìm hiểu các mối quan hệ,các chu trình vật chất và năng lượng trong hệ sinh thái cũng như việc vận dụng các mốiquan hệ ấy để có những biện pháp phát triển nông – lâm nghiệp bền vững Bài làm cònnhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự nhận xét, đóng góp của thầy để hoàn thiệnthêm

Em xin chân thành cảm ơn!

NỘI DUNG

1 Khái niệm - Đặc điểm – chức năng hệ sinh thái

Hệ sinh thái là một hệ thống bao gồm các sinh vật tác động qua lại với môitrường bằng các dòng năng lượng tạo nên cấu trúc dinh dưỡng nhất định đa dạng

về loài và các chu trình vật chất

Hay hệ sinh thái là một hệ thống của sinh vật và môi trường trong đó diễn ra các quátrình trao đổi năng lượng và vật chất giữa sinh vật với sinh vật; giữa sinh vật với môitrường

Hệ sinh thái có thể hiểu nó bao gồm quần xã sinh vật (động vật, thực vật,

vi sinh vật) và môi trường vô sinh (ánh sáng, nhiệt độ, chất vô cơ )

Tùy theo cấu trúc dinh dưỡng tạo nên sự đa dạng về loài, cao hay thấp, tạonên chu trình tuần hoàn vật chất (chu trình tuần hoàn vật chất hiện nay hầu nhưchưa được khép kín vì dòng vật chất lấy ra không đem trả lại cho môi trường đó)

Hệ sinh thái có kích thước to nhỏ khác nhau và cùng tồn tại độc lập(nghĩa là không nhận năng lượng từ hệ sinh thái khác)

Hệ sinh thái là đơn vị cơ bản của sinh thái học và được chia thành hệsinh thái nhân tạo và hệ sinh thái tự nhiên Đặc điểm của hệ sinh thái là một hệthống hở có 3 dòng (dòng vào, dòng ra và dòng nội lưu) vật chất, năng lượng,thông tin

Hệ sinh thái cũng có khả năng tự điều chỉnh để duy trì trạng thái cân bằng,nếu một thành phần thay đổi thi các thành phần khác cũng thay đổi theo ở mức độnào đó để duy trì cân bằng, nếu biến đổi quá nhiều thì sẽ bị phá vỡ cân bằng sinhthái

3

2 Cấu trúc hệ sinh thái

2.1 Yếu tố hữu sinh

a Sinh vật sản xuất:

Vật sản xuất bao gồm vi khuẩn và cây xanh, tức là sinh vật có khả năngtổng hợp được tát cả các chất hữu cơ cần xây dựng cho cơ thể của mình Các sinhvật này còn gọi là sinh vật tự dưỡng Cơ chế để các sinh vật sản xuất tự quanghợp được các chất hữu cơ là do chúng có diệp lục để thực hiện phản ứng quanghợp sau:

6CO2 + 6H2O Năng lượng ánh sáng Mặt Trời + enzym của diệp lục C6H12O6 + 6O2

Một số vi khuẩn được xem là sinh vật sản xuất do chúng cũng có khả năngquang hợp hay hóa tổng hợp, đương nhiên tất cả các hoạt động sống có được làdựa vào khả năng sản xuất của sinh vật sản xuất

b Sinh vật tiêu thụ:

Vật tiêu thụ bao gồm các động vật Chúng sử dụng các chất hữu cơ trựctiếp hay gián tiếp từ vật sản xuất, chúng không có khả năng tự tổng hợp các chấthữu cơ cần thiết cho cơ thể chúng và gọi là sinh vật dị dưỡng Vật tiêu thụ cấp 1hay động vật ăn cỏ là là các động vặt chỉ ăn được thực vật Vật tiêu thụ cấp 2 làđộng vật ăn tạp hay ăn thịt, chúng ăn vật tiêu thụ cấp 1 Tương tự ta có động vặttiêu thụ cấp 3, cấp 4 Ví dụ trong hệ sinh thái hồ, tảo là SVSX; giáp xác thấp làvật tiêu thụ cấp 1; tôm tép là vật tiêu thụ cấp 2; cá rô, cá chuối là sinh vật tiêu thụcấp 3; rắn nước, rái cá là sinh vặt tiêu thụ cấp 4

c Sinh vật phân hủy:

Vật tiêu hủy là các vi khuẩn và nấm, chúng phân hủy các chất hữu cơ.Tính chất dinh dưỡng đó gọi là hoại sinh Chúng sống nhờ vào các sinh vật chết

Hầu hết các hệ sinh thái tự nhiên đều gồm đủ 4 thành phần trên Tuy vậy,trong một số trường hợp, hệ sinh thái không đủ cả 4 thành phần Ví dụ: hệ sinhthái dưới đáy biển sâu thiếu sinh vật sản xuất, do đó chúng không thể tồn tại nếukhông có hệ sinh thí tầng mặt cung cấp chất hữu cơ cho chúng Tương tự, hệsinh thái hang động không có sinh vật sản xuất; hệ sinh thái đô thị cũng được coi

là không có sinh vật sản xuất, muốn tồn tại hệ sinh thái này cần được cung cấplương thực, thực phẩm từ hệ sinh thái nông thôn

2.2 Yếu tố vô sinh.

- Nhiệt độ

Nhiệt độ có tác động trực tiếp và gián tiếp đến sinh trưởng, phát triển, phân

bố các sinh vật Khi nhiệt độ Tăng hay giảm vượt quá một giới hạn xác định nào

đó thì sinh vật bị chết Chính vì vậy, khi có sự khác nhau về nhiệt độ trongkhông gian và thời gian đã dẫn tới sự phân bố của sinh vật thành những nhómrất đặc trưng, thể hiện cho sự thích nghi của chúng với điều kiện cụ thể của môitrường

Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các chức năng sống của thực vật, nhưhình thái, sinh lý, sinh trưởng và khả năng sinh sản của sinh vật Đối với sinh vậtsống ở những nơi quá lạnh hoặc quá nóng (sa mạc) thường có những cơ chếriêng để thích nghi như: có lông dày (cừu, bò xạ, gấu bắc cực…) Hoặc có nhữnglớp mỡ dưới da rất dày (cá voi bắc cự mỡ dày tới 2m) Các côn trùng sa mạc đôikhi có các khoang rỗng dưới da chứa khí đê chống lại cái nóng từ môi trường xâmnhập cơ thể Đối với động vật đẳng nhiệt ở xứ lạnh thường có bộ phận phụ phíangoài cơ thể như tai, đuôi… ít phát triển hơn so với động vật xứ nóng

- Nước

Nước là thành phần không thể thiếu của cơ thể sống, và thường chiếm từ 98% khối lượng cơ thể sinh vật Nước là nguyên liêu cho cây quang hợp, làphương tiện vẩn chuyển dinh dưỡng trong cây, vận chuyển dinh dưỡng và máutrong cơ thể động vật Nước tham gia vào quá trình ntrao đổi năng lượng và điềuhòa nhiệt độ cơ thể Nước còn tham gia tích cực vào quá trình phát tán nói giống

50-và là nơi sinh sống của nhiều loài sinh vật

- Không khí

Không có không khí thí không có sự sống Không khí cung cấp O2 cho các sinhvật hô hấp sản sinh ra năng lượng Cây xanh lấy CO2 từ không khí để tiếnhành quang hợp Dòng không khí chuyển động có ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ,

độ ẩm Dòng không khí đối lưu thẳng đứng và gió nhẹ có vai trò quan trọngtrong phát tán vi sinh vật, bào tử, phấn hoa… Tuy nhiên khi thành phần khôngkhí bị thay đổi (do ô nhiễm) hoặc gió mạnh cũng gây tổn hại cho cơ thể sinh vật

- Đất

Tuy các điều kiện sinh thái trong đất không đồng nhất nhưng đất vẫn là môitrường khá ổn định Do đó mà trong đất có một hệ sinh thái rất phong phú.Ngoài hệ rễ chằng chịt của các loài cây, trong đất còn có rất nhiều sinh vật Trungbình trên 1m2 lớp đất có hơn 100 tỷ tế bào động vật nguyên sinh, hàng triệutrùng bánh xe, hàng triệu giun tròn, nhiều ấu trùng sâu bọ, giun đất, thân mềm, vàcác động vật không xương sống khác

Chế độ ẩm, độ thoáng khí và nhiệt độ cùng với cấu trúc lớp đất mặt đã ảnhhưởng sâu sắc đến sự phân bố các loài thực vật và hệ rễ của chúng Hệ rễ của cácloài cây gỗ vùng bằng giá thường phân bố nông nhưng rộng Vùng sa mạc có loàicây rễ ăn lan sát mặt đất hút sương đêm, nhưng cũng có loài rễ ăn sâu tới 20m,lấy nước ngầm trong khi bộ phận trên mặt đất cũng giảm tối thiểu việc sử dụngdất tới mức tối đa như cỏ lạc đà (Allagi camelorum) Ở vùng đầm lầy, phần lớncác loài cây gỗ đều có rễ cọc chết sớm hoặc không phát triển, nhưng hình thànhnhiều rễ bên xuất phát từ gốc thân

3 Mối tương quan giữa các nhân tố cấu thành hệ sinh thái

3.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng và hoàn lưu vật chất trong hệ.

3.1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

Năng lượng là một phương thức sinh ra công, năng lượng không tự nhiênsinh ra mà cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sangdạng khác (Định luật bảo toàn năng lượng)

Dựa vào nguồn năng lượng hệ sinh thái được chia thành:

Hệ sinh thái nhận năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời: rừng, biển, đồng cỏ tự nhiênv.v

Hệ sinh thái nhận năng lượng môi trường và năng lượng tự nhiên khác bổ

sung: như hệ sinh thái cửa sông được bổ sung từ nhiều nguồn nước Hệ sinh tháivùng trũng cũng vậy.

Hệ sinh thái nhận năng lượng ánh sáng môi trường và nguồn năng lượng do conngười bổ sung: như hệ sinh thái nông nghiệp, đồng cỏ chăn nuôi, vườn cây lâunăm: cây ăn quả, cây công nghiệp: chè, cao su, cà phê, dâu tằm

Hệ sinh thái nhận năng lượng chủ yếu là năng lượng công nghiệp như: điện,nguyên liệu

Năng lượng trong hệ sinh thái gồm các dạng:

Quang năng chiếu vào không gian hệ sinh thái

Hóa năng là các chất hóa sinh học của động vật và thực vật

Động năng là năng lượng làm cho hệ sinh thái vận động như: gió, vận động củađộng vật, thực vật, nhựa nguyên, nhựa luyện,

Nhiệt năng làm cho các thành phần hệ sinh thái có nhiệt độ nhất định: nhiệt

độ môi trường, nhiệt độ cơ thể

Để tiến hành các quá trình sinh tổng hợp cũng như để duy trì các hoạt độngsống khác của cơ thể, sinh vật cần được cung cấp năng lượng Quá trình thunhận và chuyển hóa năng lượng bao giờ cũng gắn liền với quá trình hấp thu vàchuyển hóa chất dinh dưỡng

- Các sinh vật tự dưỡng

Thực vật xanh và vi khuẩn quang hợp đều chuyển hóa năng lượng mặt trờithành năng lượng hóa học nhờ có diệp lục tố theo phản ứng sau:

2H2A + CO2 ‹ (CH2O) + H2O +2A

Trong đó H2A là chất đo điện tử Ở cây xanh đó là H2O Ở vi khuẩnquang hợp, H2A có thể là hợp chất khử của lưu huỳnh (H2S, S, sulfit haythiosulfat…), hydrogen phân tử hay các hợp chất hữu cơ khác (propanol,isopropanol…)

- Các vi sinh vật tự dưỡng (chemoautotroph)

Các vi sinh vật này cũng có khả năng oxi hóa các chất cho điện tử có thể là NH3,NO2-, Fe3+, H2, H2S và một số hợp chất lưu huỳnh 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 ngoài Trong cơ thể sinh vật, các chất này đượcphân giải bằng các con đường khác nhau

Tuy nhiên không phải toàn bộ năng lượng sinh ra trong hô hấp đều đượctích lũy để sử dụng trong quá trình đồng hóa, mà phần lớn được tỏa ra ở dạng nhiệt(ở hầu hết các sinh vật), hay phát sáng (như ở đom đóm, một số nấm mốc, độngvật nguyên sinh hay vi khuẩn )

- Năng lượng sinh khối

Ngoài lợi ích cho gỗ, che phủ giữ đất,chống xóa mòn, hấp thụ CO2 làmkhí hậu mát mẻ trong lành,…cây xanh còn cho một sinh khối Sinh khối đóđược xem như là nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch.Dạng năng lượng này gọi là “năng lượng sinh khối”

Loại năng lượng này chứa rất ít lưu huỳnh nên là nguồn năng lượng sạch

Năng lượng sinh khối cũng có thể chuyển thành năng lượng điện, nhiệt,nhiên liệu lỏng và nhiên liệu dạng hơi

Khi gieo trồng để tái tạo và bổ sung cho nguồn sinh khối thực vật, nó sẽkéo theo sự phát triển một hệ sinh thái, do đó làm gia tăng đa dạng sinh học ởtầng sát mặt đất Đồng thời, thảm thực vật tạo ra cũng hấp thụ một lượng CO2đáng kể trong khí quyển, góp phần làm giảm ô nhiễm không khí

3.1.2 Hoàn lưu vật chất.

Trong hệ sinh thái luôn xảy ra sự trao đổi chất và năng lượng trong nội bộquần xã, giữa quần xã và môi trường bên ngoài của nó (sinh cảnh) Trong chutrình trao đổi vật chất, luôn có các nguyên tố hóa học, muối hòa tan, khí CO2 vàO2 từ sinh cảnh tham gia tạo thành cơ thể sinh vật (quần xã), đồng thời lại có bộphận của quần xã lại chuyển hóa thành sinh cảnh thông qua quá trình phân hủy xácsinh vật thành những chất vô cơ

Chuỗi thức ăn là một dãy bao gồm nhiều loài sinh vật, mỗi loài là một mắtxích thức ăn, mỗi mắt xích thức ăn tiêu thụ mắt xích trước nó và lại bị măt xíchphía sau tiêu thụ.

Trong một hệ sinh thái luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng trongnội bộ quần xã, giữa các quần xã với các thành phần bên ngoài của nó

Chuỗi thức ăn tổng quát có dạng: SVSX → SVTT bậc 1 → SVTT bậc 2 → SVTTbậc 3 → → SV phân huỷ

Chu trình sinh – địa – hoá: Trong hệ sinh thái vật chất luôn vận chuyển,biến đổi trong các chu trình từ cơ thể sống vào trong môi trường và ngược lại Chutrình này gọi là chu trình sinh – địa – hoá

Lưới thức ăn:

Lưới thức ăn gồm nhiều chuỗi thức ăn có những mắc xích chung Cácchuỗi thức ăn trong một hệ sinh thái thường đan xen nhau, liên kết với nhau mộtcách chặt chẽ tạo thành mạng lưới thức ăn

Trong môi trường, mỗi sinh vật thường ăn các loại thức ăn khác nhau, đếnphiên chúng lại làm thức ăn cho nhiều nhóm sinh vật khác Chính vì thế mạnglưới thức ăn trong một môi trường thường rất phức tạp và góp phần tạo nên sự

ổn định của hệ sinh thái

Quần xã càng đa dạng về thành phần thì lưới thức ăn càng phức tạp thì khảnăng tự cân bằng càng cao

- Ví dụ:

Các chu trình sinh địa hóa diễn ra trong hệ.

Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái chỉ theo một chiều, không hoànnguyên Ngược lại, vật chất tham gia tạo thành cơ thể sống luôn vận động, biếnđổi trong nhiều chu trình từ các cơ thể sống vào môi trường vật lý không sống vàngược lại Chu trình này được gọi là chu trình sinh địa hóa

Như vậy, chu trình sinh địa hóa là chu trình vận động có tính chất tuầnhoàn của vật chất trong sinh quyển từ môi trường bên ngoài chuyển vào trong cơthể sinh vật, rồi từ cơ thể sinh vật lại chuyển trở lại môi trường Vật chất đều đượcbảo toàn

Một số chu trình sinh địa hóa:

- Chu trình nước

Vòng tuần nước không có điểm bắt đầu nhưng chúng ta có thể bắt đầu từ cácđại dương Mặt Trời điều khiển vòng tuần hoàn nước bằng việc làm nóng nướctrên những đại dương, làm bốc hơi nước vào trong không khí Những dòng khí bốclên đem theo hơi nước vào trong khí quyển, gặp nơi có nhiệt độ thấp hơn hơi nước

bị ngưng tụ thành những đám mây Những dòng không khí di chuyển những đámmây khắp toàn cầu, những phân tử mây va chạm vào nhau, kết hợp với nhau, giatăng kích cỡ và rơi xuống thành giáng thủy (mưa) Giáng thuỷ dưới dạng tuyếtđược tích lại thành những núi tuyết và băng hà có thể giữ nước đóng băng hàngnghìn năm Trong những vùng khí hậu ấm áp hơn, khi mùa xuân đến, tuyết tan vàchảy thành dòng trên mặt đất, đôi khi tạo thành lũ Phần lớn lượng giáng thuỷ rơitrên các đại dương; hoặc rơi trên mặt đất và nhờ trọng lực trở thành dòng chảymặt Một phần dòng chảy mặt chảy vào trong sông theo những thung lũng sôngtrong khu vực, với dòng chảy chính trong sông chảy ra đại dương Dòng chảymặt, và nước thấm được tích luỹ và được trữ trong những hồ nước ngọt Mặc dùvậy, không phải tất cả dòng chảy mặt đều chảy vào các sông Một lượng lớn nướcthấm xuống dưới đất Một lượng nhỏ nước được giữ lại ở lớp đất sát mặt và đượcthấm ngược trở lại vào nước mặt (và đại đương) dưới dạng dòng chảy ngầm Mộtphần nước ngầm chảy ra thành các dòng suối nước ngọt Nước ngầm tầng nôngđược rễ cây hấp thụ rồi thoát hơi qua lá cây Một lượng nước tiếp tục thấm vào lớpđất dưới sâu hơn và bổ sung cho tầng nước ngầm sâu để tái tạo nước ngầm (đá sátmặt bảo hoà), nơi mà một lượng nước ngọt khổng lồ được trữ lại trong một thờigian dài Tuy nhiên, lượng nước này vẫn luân chuyển theo thời gian, có thể quay trởlại đại dương, nơi mà vòng tuần hoàn nước “kết thúc” và lại bắt đầu

Vòng tuần hoàn nước

- Chu trình carbon (Carbon cycle)

Vòng tuần hoàn cacbon diễn tả điều kiện cơ bản đối với sự xuất hiện vàphát triển của sự sống trên trái đất, các hợp chất của cacbon tạo nên nền tảng chomọi loại hình sự sống