Chương 7 MỐI QUAN HỆ QUA LẠI CỦA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VỚI RỪNG
7.1. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đối với đời sống thực vật rừng
Nhờ năng lượng của các tia bức xạ mặt trời cây xanh tổng hợp được các chất hữu cơ từ các chất vô cơ, xây dựng nên các cơ quan của thực vật, tạo ra một mắt xích đầu tiên của tuần hoàn sinh học vô cùng đa dạng và phức tạp trong tự nhiên.
Ti-mi-ri-a-dep đã phát hiện ra vai trò của chất diệp lục trong phản ứng quang hợp của cây xanh. Đó là vật chất thường xuyên hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời chuyển thành năng lượng sinh học chứa đựng trong các hợp chất hữu cơ. Dạng cơ bản của phản ứng quang hợp được viết như sau:
6 CO2 +6 H2O C6H12O6 +6O2
Nhờ quá trình quang hợp năng lượng mặt trời đã được “đóng hộp” trong các hợp chất hữu cơ. Đây là năng lượng tự do trong sinh quyển. Nó có thể chuyển từ cơ quan này sang cơ quan khác của một cơ thể, từ cơ thể này sang cơ thể khác trong chuỗi thức ăn, lưới thức ăn, từ năng lượng sinh học thành năng lượng hóa học, năng lượng nhiệt học v.v... Không có ánh sáng mặt trời sẽ không có quang hợp và không có sự sống trên trái đất.
Tuy nhiên, vai trò của các tia bức xạ không giống nhau ảnh hưởng của các tia sáng có bước sóng dưới 0.4 ( còn ít được nghiên cứu. Khả năng gây hiệu ứng quang hợp và hiệu ứng nhiệt của chúng là không rõ rệt. Trong một số trường hợp người ta nhận thấy bức xạ cực tím có tác dụng kích thích sự nảy mầm, sinh chồi của thực vật và nói chung rút ngắn thời gian sinh trưởng của chúng. Bức xạ cực tím thường chiếm một vài phần trăm bức xạ tổng cộng. Nó bị hấp thụ và khuếch tán mạnh trong khí quyển. Vì vậy, vào những ngày trời quang mây hoặc khi lên vùng núi, cao nguyên hàm lượng các tia cực tím tăng lên rõ rệt.
Các tia bức xạ có khả năng gây phản ứng quang hợp nằm trong miền bước sóng từ 0.4 - 0.71. Các bước sóng có hiệu quả nhất với quang hợp thuộc dải 0.41- 0.48 và 0.63 - 0.68 ứng với các dải hấp thụ cực đại của diệp lục a và diệp lục b.
Các tia bức xạ có khả năng gây phản ứng quang hợp được gọi chung là bức xạ quang hợp. Chúng chiếm chừng 40 - 48% năng lượng bức xạ tổng cộng.
tuy nhiên, tỷ lệ của bức xạ quang hợp trong bức xạ khuếch tán luôn cao hơn trong bức xạ trực tiếp. Khi độ cao mặt trời tăng từ 10 – 300, thì tỷ lệ bức xạ quang hợp trong bức xạ trực tiếp tăng từ 20 - 40%. Sau đó tỷ lệ này tăng chậm dần và đạt
88
45- 46 % khi mặt trời ở thiên đỉnh, còn trong bức xạ khuếch tán tỷ lệ này dao động trong khoảng từ 50 đến 80%.
Ở việt nam, phòng nghiên cứu khí tượng nông nghiệp thuộc viện nghiên cứu khí hậu (Lê Quang Huỳnh, 1989) đã tính lượng bức xạ quang hợp cho một số địa phương (bảng 1-Lê Quang Huỳnh, 1989)
Bảng 7.1 Năng lượng bức xạ quang hợp ở việt nam (kcal/Cm2 tháng) Tháng
Năm
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Cả năm Hà Nội 2.8 2.6 3.1 4.3 7.1 7.0 7.6 6.9 6.3 5.4 4.3 3.9 61.3 Phủ Liển 2.8 2.1 2.2 3.6 6.4 6.4 7.3 6.4 5.7 5.4 4.7 4.0 57.0 Vinh 2.3 1.8 2.6 4.3 6.8 6.8 7.6 6.3 5.1 4.1 2.6 2.6 52.9 Đà Nẵng 4.1 5.2 6.9 7.4 7.5 7.6 7.6 7.6 5.6 5.6 3.9 3.3 72.3 Sài Gòn 6.8 7.6 8.8 7.4 6.7 6.3 6.3 6.6 6.2 6.0 5.6 6.2 80.5 Hậu Giang 6.4 6.6 7.8 7.2 6.0 5.4 6.2 5.6 5.4 5.2 5.4 5.5 72.7
Nếu so sánh số liệu ở bảng trên với điểm bù bức xạ quang hợp của các loài thực vật (0.02 - 0.03cal/cm2phút) thì có thể kết luận rằng nguồn bức xạ quang hợp ở việt nam rất dồi dào, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của thực vật.
Đến nay, người ta xác nhận rằng chỉ một vài phần trăm bức xạ quang hợp được sử dụng để thực hiện phản ứng quang hợp. Còn lại phần lớn năng lượng này cùng với năng lượng của các tia hồng ngoại được chuyển thành năng lượng nhiệt.
- Ảnh hưởng gián tiếp của bức xạ đến đời sống thực vật rừng
bức xạ mặt trời ảnh hưởng gián tiếp đến thực vật thông qua ảnh hưởng đến các nhân tố khác của môi trường, đặc biệt là điều kiện khí hậu.
Sự phân bố không đều của lượng bức xạ mặt trời theo vĩ độ là nguyên nhân phân hóa khí hậu trái đất thành các vùng nhiệt đới, ôn đới, hàn đới v.v... Sự phân hóa mạnh mẽ của điều kiện khí hậu kéo theo sự phân hóa của điều kiện thổ nhưỡng, của thảm thực vật, hệ động vật và toàn bộ cảnh quan nói chung.
Sự khác biệt về lượng bức xạ nhận được giữa sườn bắc và sườn nam của các dãy núi cao đã dẫn đến sự khác biệt sâu sắc của điều kiện tiểu khí hậu. Có thể thấy rõ sự khác biệt về cường độ chiếu sáng, thời gian chiếu sáng, nhiệt độ đất, độ ẩm, tốc độ bốc hơi v.v... Sự khác biệt của điều kiện tiểu khí hậu đã dẫn đến sự khác biệt về điều kiện thổ nhưỡng, điều kiện lập địa nó chung. quần lạc thực vật của hai sườn nam và bắc khác nhau cả về tổ thành loài, cả về năng suất quần thụ. Có thể nhận thấy tính chất á nhiệt đới rất rõ của hệ thưc vật bắc yên -tử và tính chất nhiệt đới của hệ thưc vật nam yên tử, hay sự phân bố điển hình của rừng khộp điển hình của sườn nam, rừng thường xanh điển hình ở sườn bắc các dãy núi ở easúp Đaklak.
89
Ở những vùng núi cao mây che phủ thường xuyên, sự giảm yếu của lượng bức xạ cùng với nhiệt độ thấp và độ ẩm cao đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến tổ thành thực vật, sinh trưởng và phát triển của chúng.
Khi tỉa thưa rừng, lượng bức xạ lọt xuống mặt đất tăng lên, hoàn cảnh tiểu khí hậu rừng đựơc thay đổi. Trước hết nhiệt độ đất và nhiệt độ không khí tăng lên, độ ẩm đất giảm đi, các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi thành phần không khí giữa đất và khí quyển đựơc tăng cường. Toàn bộ những biến đổi đó có ảnh hưởng sâu sắc tới sự sống dưới tán rừng (từ động vật, thực vật đến vi sinh vật đất) và hệ sinh thái rừng nói chung.
- Yêu cầu về ánh sáng của thực vật rừng
Ánh sáng là nhân tố sinh tồn của mọi thực vật. Song yêu cầu của chúng không giống nhau. Trong khi một số loài này chỉ só thể mọc được ở điều kiện chiếu sáng hoàn toàn như bạch đàn, phi lao, sau sau, bồ đề v.v..., thì một số loài khác lại chỉ có thể sinh trưởng bình thường trong điều kiện được che bóng ở mức độ nhất định, chẳng hạn, táu, nanh chuột, côm, chẩn, sa nhân v.v...
Yêu cầu về ánh sáng được xem là một trong những đặc điểm di truyền quan trọng của thực vật. Nó là kết quả của đấu tranh sinh tồn diễn ra trong lịch sử lâu dài của qúa trình tiến hóa. Nhờ sự khác biệt về yêu cầu chiếu sáng các loài có thể chung sống với nhau trong cùng một không gian nhất định. Căn cứ vào yêu cầu về cường độ chiếu sáng, thực vật được chia thành 3 nhóm:
+ thực vật ưa sáng
Thực vật ưa sáng bao gồm các lòai chỉ có thể sinh trưởng bình thường trong điều kiện được chiếu sáng hoàn toàn.
+ thực vật chịu bóng
Thực vật chịu bóng bao gồm các loài chỉ có thể sinh trưởng và phát triển bình thường trong điều kiện được che bóng ở mức độ nào đó. Trước đây thực vật nhóm này còn được gọi là thực vật ưa bóng. Thuật ngữ “ưa bóng” tỏ ra không hợp lý. Vì thực tế, không có loài nào cần bóng tối, chúng chỉ chịu đựng được sự che bóng ở mức độ nào đó mà thôi.
+ thực vật trung tính
Thực vật trung tính bao gồm các loài có thể thích ứng rộng rãi với điều kiện chiếu sáng. Chúng sinh trưởng, phát triển được trong cả điều kiện chiếu sáng hoàn toàn cũng như khi bị che bóng ở mức độ nhất định.
Cách phân chia trên đây mang tính tương đối. Nó chưa phản ánh được tính đa dạng về yêu cầu chiếu sáng của thực vật. Ngay trong một nhóm, yêu cầu về chế độ chiếu sáng cũng không giống nhau. Ngoài ra, yêu cầu về ánh sáng của thực vật
90
cũng không ổn đinh. Nhiều loài chịu bóng ở tuổi non, nhưng lại ưa sáng ở tuổi trung niên hoặc thành thục. Một số loài khác có yêu cầu che bóng ở một giai đoạn nào đó, nhưng không phải vì chúng không chịu được cường độ chiếu sáng hoàn toàn mà là vì không chịu được điều kiện bốc thoát hơi mạnh của nơi trống. Khi cung cấp đủ nước thì ngay ở điều kiện nơi trống, chúng lại sinh trưởng, phát triển bình thường.
Yêu cầu về ánh sáng của thực vật cũng thay đổi theo hoàn cảnh sống. Khi được bón phân và cung cấp nước đầy đủ, tính chịu bóng của thực vật tăng lên. Điều này giải thích một phần tại sao trong rừng mưa nhiệt đới tổ thành thực vật thường phức tạp, gồm nhiều loài cây với nhu cầu về ánh sáng khác nhau tạo nên cấu trúc nhiều tầng thứ, còn trong rừng ôn đới lạnh hoặc rừng ở nơi khô hạn thường có tổ thành đơn giản, chủ yếu là cây ưa sáng tạo nên cấu trúc 1 tầng.
Đánh giá yêu cầu ánh sáng của thực vật có ý nghiã quan trọng trong sản xuất lâm nghiệp, đây là cơ sở để xây dựng những hệ sinh thái hỗn loài, có năng suất cao, ổn định và bền vững.
Ở liên xô và nhiều nước trên thế giới người ta đã sử dụng những phương pháp khác nhau để xác định yêu cầu ánh sáng của cây rừng, sắp xếp chúng thành dãy theo mức độ ưa sáng.
Ở nước ta bằng cách phân tích phân bố các loài cây trong cấu trúc tầng thứ của rừng các tác giả đã tiến hành đánh giá mức độ ưa sáng của chúng. Tuy nhiên, các nghiên cứu còn tản mạn chưa có tính hệ thống. Nghiên cứu định lượng yêu cầu ánh sáng của loài là nhiệm vụ quan trọng, đòi hỏi sự phối hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như sinh lý thực vật rừng, sinh thái rừng, khí tượng thủy văn rừng, lâm sinh học v.v...
-Tính quang chu kỳ của thực vật
Thực vật không chỉ chịu ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng, mà còn chịu ảnh hưởng của độ dài ngày (thời gian chiếu sáng hàng ngày). Những biến đổi trong nhịp điệu sống của một số thực vật như nảy chồi, ra lá, ra hoa quả, rụng lá v.v...
luôn phù hợp chặt chẽ với biến đổi của độ dài ngày. Đặc điểm sinh học này đã giúp thực vật điều chỉnh được các hoạt động sống phù hợp với nhịp điệu biến đổi của điều kiện khí hậu, thời tiết, vừa tận dụng đựơc thời gian sinh trưởng vừa tránh được thời tiết bất lợi.
Đặc tính thay đổi hoạt động sống theo nhịp điệu biến đổi của độ dài ngày được gọi là tính quang chu kỳ của thực vật. lịch sử đấu tranh sinh tồn đã giữ lại những thực vật có khả năng biến đổi nhịp điệu sống để tránh được tác động của thời tiết bất lợi, tức là có khả năng biến đổi nhịp điệu sống phù hợp với nhịp điệu biến đổi của độ dài ngày. Vì những biến đổi của độ dài ngày và biến đổi của điều kiện
91
thời tiết đều được quy định bởi chuyển động biểu kiến nhịp nhàng và cực kỳ chính xác của mặt trời theo hướng bắc - nam. Những cá thể có khả năng thay đổi hoạt động sống phù hợp với nhịp điệu biến đổi của độ dài ngày sẽ tránh được tác động của thời tiết bất lợi, có khả năng sống sót cao và truyền đặc điểm sinh học này cho hậu thế. Khả năng biến đổi hoạt động sống phù hợp với độ dài ngày được củng cố không ngừng trong cả lịch sử lâu dài của quá trình tiến hóa và trở thành một nhân tố di truyền.
Càng lên vĩ độ cao, biến đổi của thời tiết trong năm càng rõ rệt, tính khắc nghiệt của thời tiết mùa đông càng gay gắt. Vì vậy, tính quang chu kỳ của thực vật có nguồn gốc nhiệt đới không thể hiện rõ tính quang chu kỳ. Chúng dễ dàng bị chết khi đưa lên trồng ở các vùng vĩ độ cao vì chúng không kịp thay đổi những hoạt động sống cho phù hợp với nhịp điệu của thời tiết.
Trong nông nghiệp, căn cứ vào yêu cầu về độ dài ngày thực vật được chia thành 3 nhóm:
+ thực vật ngày ngắn là những loài có thể sinh trưởng, phát triển bình thường với thời gian chiếu sáng hàng ngày dưới 13 giờ. phần lớn thực vật ngày ngắn có nguồn gốc nhiệt đới.
+ thực vật ngày dài là thực vật chỉ sinh trưởng, phát triển bình thường với thời gian chiếu sáng hàng ngày không dưới 13 giờ. Nguồn gốc vĩ độ của loài càng cao thì độ dài thời gian chiếu sáng cần thiết càng lớn.
+ thực vật trung tính là những thực vật mà sinh trưởng và phát triển của chúng không phụ thuộc vào độ dài ngày.
Người ta lợi dụng tính quang chu kỳ để điều khiển sự phát triển của thực vật.
Chẳng hạn để cây dài ngày ra hoa quả trái vụ hay kéo dài thời kỳ sinh trưởng của một loài cây nào đó. Người ta tăng độ dài ngày bằng cách sử dụng ánh sáng nhân tạo. Cũng có thể làm ngừng sinh trưởng của cây dài ngày (trồng nhân hom, cành v.v...) bằng cách che bóng để giảm thời gian chiếu sáng.
- Nhịp điệu sống của thực vật
Ánh sáng là nhân tố sinh thái quan trọng. Những biến đổi có tính chu kỳ của ánh sáng kéo theo những biến đổi có tính chu kỳ trong đời sống thực vật. Có thể nhận thấy ba loại chu kỳ sau đây.
+ Chu kỳ hàng ngày
Phù hợp với biến đổi hàng ngày của lượng bức xạ mặt trời, hoạt động quang hợp được bắt đầu vào lúc mặt trời mọc, đạt giá trị cực đại vào khoảng 10 đến 14 giờ tùy thuộc vào điều kiện cung cấp nước và chế độ nhiệt của địa phương, quang hợp giảm dần và ngừng hẳn khi mặt trời lặn. Cường độ hô hấp cũng tăng lên vào các giờ
92
ban ngày, giảm đi vào các giờ ban đêm. Các hoạt động sinh lý và sinh hóa khác cũng có nhịp điệu ngày đêm, chẳng hạn, hút nước và vận chuyển các chất trong cây, đóng mở khí khổng và thoát hơi nước, nở hoa, nảy chồi, phát tán hạt giống v.v...
+ Chu kỳ hàng năm
Sự biến đổi của lượng bức xạ theo mùa trong năm vừa trực tiếp vừa gián tiếp ảnh hưởng đến đời sống thực vật, dẫn đến những biến đổi theo mùa của chúng.
Những hiện tượng ở thực vật, chẳng hạn ra lá, ra hoa, quả chín, rụng lá, v.v. Xuất hiện vào những thời điểm nhất định, phù hợp với các biến đổi thời tiết được gọi là các hiện tượng vật hậu. Nghiên cứu vật hậu là nghiên cứu các quy luật xuất hiện của các hiện tượng ở thực vật trong mối liên hệ với các hiện tượng thời tiết, khí hậu.
Dựa vào kết quả nghiên cứu vật hậu có thể dự báo sự biến đổi các hoạt động sống ở thực vật trên cơ sở dự báo thời tiết, dự báo khí hậu. Chẳng hạn dự báo thời kỳ nảy mầm của hạt giống, thời kỳ ra hoa, quả v.v.... Ngược lại, trong một số trường hợp các hiện tượng vật hậu lại được sử dụng để dự báo thời tiết.
Sự biến đổi theo mùa của bức xạ và của thời tiết, khí hậu nói chung là nguyên nhân của nhiều hiện tượng ở thực vật, trong đó có vòng năm. Vào những mùa có điều kiện thời tiết thuận lợi, tượng tầng hoạt động mạnh sinh ra những tế bào có kích thứơc lớn, thành mỏng, hàm lượng lic nhin thấp, màu sáng. Còn trong những mùa có điều kiện thời tiết không thuận lợi, hoạt động của tượng tầng yếu đi.
Nó hình thành những tế bào gỗ có kích thước nhỏ, thành dày, hàm lượng lingin cao, màu xẫm. Như vậy, trong một năm, tượng tầng tạo ra những lớp gỗ khác hẳn nhau về nhiều tính chất. Tập hợp các lớp gỗ hình thành trong 1 năm được gọi là vòng năm (tree - ring).
Ở những vùng ôn đới, do các yếu tố khí tượng có biến trình tuần hoàn một cực đại, một cực tiểu, nghĩa là có một mùa thuận lợi và một mùa không thuận lợi, vòng năm thường gồm 2 lớp phân bỉệt rõ ràng. lớp gỗ sáng màu, nằm trong hình thành vào mùa xuân và mùa hè được gọi là gỗ sớm, lớp gỗ xẫm màu, nằm ngoài, hình thành vào mùa thu được gọi là lớp gỗ muộn.
Ở vùng nhiệt đới và xích đạo trong biến trình của các yếu tố khí tượng thường có hai cực đại và hai cực tiểu. Có nghĩa là trong một năm có hai mùa thuận lợi hơn và hai mùa kém thuận lợi. Vì vậy, vòng năm có thể gồm 4 lớp, trong đó hai lớp sáng màu hơn xen kẽ với 2 lớp xẫm màu hơn. Càng gần chí tuyến, xu hướng hình thành cực đaị kép trong biến trình của các yếu tố khí tượng càng rõ. Vì vậy, trong vòng năm cũng có xu hướng tạo thành hai lớp. Những đợt hạn hoặc lạnh kéo dài thường để lại những hậu quả mà biểu hiện là giảm yếu của sinh trưởng trong