Các nguyên lý sinh thái học vận dụng trong khoa học môi trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (431.07 KB, 8 trang )
Chương 2.
Các nguyên lý sinh thái học vận dụng trong khoa học môi trường
2.1. Những vấn đề cơ bản về sinh thái học
2.1.1. Khái niệm về sinh thái học
Ngay từ những thời kỳ lịch sử xa xưa, trong xã hội nguyên thuỷ của loài người,
mỗi cá thể cần có những hiểu biết nhất định về môi trường xung quanh; về sức
mạnh của thiên nhiên, về động vật và thực vật ở quanh mình. Nền văn minh thực sự
được hình thành khi con người biết s
ử dụng lửa và các công cụ khác, cho phép họ
làm biến đổi môi sinh. Và bây giờ con người muốn duy trì và nâng cao trình độ nền
văn minh của mình thì hơn lúc nào hết, họ cần có đầy đủ những kiến thức về môi
trường sinh sống của họ.
Những năm gần đây, sinh thái học đã trở thành khoa học toàn cầu. Rất nhiều
người cho rằng con người cũng như các loài sinh vật khác không thể sống tách rời
môi trường sống cụ thể của mình. Tuy nhiên, con người khác với các loài sinh vật
khác là có khả năng thay đổi điều kiện môi trường cho phù hợp với mục đích riêng.
Mặc dù thế, thiên tai, hạn hán, dịch bệnh, ô nhiễm môi trường luôn luôn nhắc nhở
chúng ta: loài người chúng ta không thể cho mình có sức mạnh vô song mà không
có sai lầm. Từ cổ xưa, thủng lũng Tigrer phồn vinh đã biến thành hoang mạc vì bị
xói mòn và hoá mặn do hệ thống tưới tiêu không hợ
p lý. Nguyên nhân sụp đổ của
nền Mozopotami vĩ đại cũng là một tai hoạ sinh thái. Trong những nguyên nhân làm
tan vỡ nền văn minh Maia ở Trung Mỹ và sự diệt vong của triều đại Khơme trên
lãnh thổ Campuchia là do khai thác quá mức rừng nhiệt đới. Rõ ràng khủng hoảng
sinh thái hiển nhiên không phải là phát kiến của thế kỷ 20, mà là bài học của quá
khứ bị lãng quên. Vì vậy nếu chúng ta muốn đấu tranh với thiên nhiên thì chúng ta
phải hiểu sâu sắc các đ
iều kiện tồn tại và quy luật hoạt động của tự nhiên. Những
điều kiện đó phản ánh thông qua những nguyên lý sinh thái cơ bản mà các sinh vật
phải phục tùng.
Sinh thái học (Ecology) là khoa học nghiên cứu về “nơi sinh sống” của sinh vật,
hay nói theo nghĩa rộng sinh thái học là môn học nghiên cứu về tất cả các mối quan
hệ giữa sinh vật và môi trường.
Tuỳ theo cấp độ nghiên cứu các mối quan hệ
của sinh vật trong môi trường mà
sinh thái học được chia thành các phân môn như:
– Sinh thái học cá thể (Autoecology): Nghiên cứu đặc điểm hình thái, phương
thức sống của sinh vật.
– Sinh thái học quần thể (Population ecology): Nghiên cứu về cấu trúc và sự
biến động số lượng của một nhóm cá thể thuộc một loài nhất định, cùng sống chung
với nhau ở một vùng lãnh thổ, theo một sinh cảnh địa lý.
– Sinh thái học quần xã (Synecology): Nghiên cứu các mối quan hệ giữa các
cá thể khác loài và sự hình thành các mố
i quan hệ sinh thái đó.
Sinh thái học là khoa học thực nghiệm nghiên cứu mối giữa sinh vật và môi
trường, nói cách khác sinh thái học là khoa học nghiên cứu về tổ chức của thế giới
sinh học. Nghiên cứu sinh thái học sẽ giúp cho chúng ta có cơ sở khoa học để khai
thác và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và BVMT.
2.1.2. Các nhân tố sinh thái
Các sinh vật sống trong hệ sinh thái luôn chịu tác động của nhiều yếu tố khác
nhau, các nhân tố đó được gọi là các nhân tố sinh thái. Nhân tố
sinh thái là nhân tố
của môi trường có ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp lên sinh vật, được chia thành 3
nhóm:
– Các nhân tố vô sinh: bao gồm: Địa hình (độ cao, độ dốc, hướng phơi địa
hình,…); Khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, gió,…); Nước (nước mặn, nước ngọt, mưa,…);
Các chất khí (CO2, O2, N2,…); Các chất dinh dưỡng khoáng, hữu cơ.
– Các nhân tố hữu sinh: Bao gồm những cơ thể sống khác nhau: thực vật,
động vật, vi sinh v
ật,… Các cơ thể sống này có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp
đến cơ thể sinh vật trong mối quan hệ cùng loài hay khác loài. Nhóm nhân tố này
trong thế giới hữu cơ rất quan trọng.
– Nhân tố con người: Con người và động vật đều có những tác động tương tự
đến môi trường như lấy thức ăn, chất thải vào môi trường. Nhưng do sự phát triển
cao về trí tuệ nên con người còn tác độ
ng đến môi trường bởi các nhân tố xã hội và
thể chế. Tác động của con người vào tự nhiên là tác động có ý thức và có quy mô
rộng lớn. Do đó, ở nhiều nơi tác động của con người đã làm thay đổi hẳn môi
trường và sinh giới.
Như vậy, các nhân tố sinh thái có vai trò vô cùng quan trọng đối với sinh vật
sống trong môi trường. Do đó để nghiên cứu một hệ sinh thái cần thiết phải phân
tích tất cả các nhân tố sinh thái tác
động đến sinh vật cũng như mối quan hệ của các
nhân tố trên.
2.1.3. Cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái
H ệ sinh thái là một hệ thống bao gồm quần xã sinh vật và môi trường sống xung
quanh và một hệ sinh thái điển hình được cấu trúc bởi các thành phần sau đây:
– Sinh vật sản xuất (Producer)
– Sinh vật tiêu thụ (Consumer)
– Sinh vật phân huỷ (Decomposer)
– Các chất hữu cơ (Prôtêin, lipit, gluxit, vitamin, enzym, hoocmon,…)
– Các chất vô cơ (CO2, O2, H2O, các chất dinh dưỡng khoáng).
– Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, giáng thuỷ,…)
Hình 2.1. Cấu trúc hệ sinh thái
Thực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành phần sau là
môi trường vật lý mà quần xã đó sử dụng để tồn tại và phát triển.
Ngoài cấu trúc theo thành phần, HST còn có kiểu cấu trúc theo chức năng. Theo
E. D. Odum (1983), cấu trúc của hệ gồm các phạm trù sau:
– Quá trình chuyển hoá năng lượng của hệ.
– Xích thức ăn trong hệ.
– Các chu trình sinh địa hoá diễn ra trong hệ.
– Sự phân hoá trong không gian và theo thời gian.
– Các quá trình phát triển và tiế
n hoá của hệ.
– Các quá trình tự điều chỉnh.
Hình 2.2. Cấu trúc và chức năng của Sinh thái học
M ột HST cân bằng là một hệ trong đó 4 quá trình đầu tiên đạt được trạng thái
cân bằng động tương đối với nhau (Vũ Trung Tạng, 2000).
Nghiên cứu cấu trúc và chức năng của HST sẽ giúp cho chúng ta có những biện
pháp tác động thích hợp để đảm bảo cho HST tự nhiên cũng như nhân tạo luôn đạt
trạng thái ổn định.
2.1.4. Sự chuyển hóa vật chất trong hệ
sinh thái
Trong HST luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng lượng trong nội bộ quần xã,
giữa quần xã và môi trường bên ngoài của nó (sinh cảnh).
Trong chu trình trao đổi vật chất, luôn có các nguyên tố hoá học, muối hoà tan,
khí CO2 và O2 từ sinh cảnh tham gia tạo thành cơ thể sinh vật (Quần xã), đồng thời
lại có bộ phận của quần xã lại chuyển hoá thành sinh cảnh thông qua quá trình phân
huỷ xác sinh vật thành những chất vô cơ.
Các thành phần của quần xã liên hệ
với nhau bằng quan hệ dinh dưỡng. Quan
hệ dinh dưỡng của các loài trong quần xã được thực hiện bằng chuỗi và lưới thức
ăn.
+ Chuỗi thức ăn (Foodchain): là một dãy bao gồm nhiều loài sinh vật, mỗi
loài là một “mắt xích” thức ăn; mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích thức ăn
phía dưới và nó lại bị mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ.
+ Lưới thức ăn (Foodweb): là phức h
ợp các chuỗi thức ăn có quan hệ với nhau
trong HST. Vì mỗi loài trong quần xã không phải chỉ liên hệ với một chuỗi thức ăn
mà có thể liên hệ với nhiều chuỗi thức ăn. Tất cả các chuỗi thức ăn trong quần xã
hợp thành lưới thức ăn.
Hỡnh 2.3. Li thc n in hỡnh trờn cn
Nhng mt xớch thc n thuc mt nhúm sp xp theo cỏc thnh phn ca
chui thc n nh: Sinh vt sn xut, sinh vt tiờu th bc 1, bc 2,… c gi l
cỏc bt dinh dng.
Các bậc dinh dỡng
Loài ăn thịt
Sinh vật tiêu thụ bậc 3
Loài ăn thịt
Sinh vật tiêu thụ bậc 2
Loài ăn cỏ
Sinh vật tiêu thụ bậc 1
Thực vật
Sinh vật sản xuất
Hỡnh 2.4. Cỏc bc dinh dng trong mt h sinh thỏi
Nh võy, vt cht trong h sinh thỏi c chuyn húa, trao i thụng qua
cỏc cỏc quan h dinh dng. Li thc n cng phc tp thỡ mc liờn h gia cỏc
sinh vt trong HST cng cht ch. iu ú cho thy rng m bo cho 1 HST
c cõn bng v bn vng cn duy trỡ HST ú mc a dng sinh hc cao.
2.1.5. S phỏt trin v tin húa c
a h sinh thỏi
S phỏt trin ca h sinh thỏi hay cũn gi l “din th sinh thỏi” (ecological
succession). Din th sinh thỏi l quỏ trỡnh bin i ca h sinh thỏi t trng thỏi
điều kiện kèm theo đó phản ánh trải qua những nguyên lý sinh thái cơ bản mà các sinh vậtphải phục tùng. Sinh thái học ( Ecology ) là khoa học nghiên cứu và điều tra về “ nơi sinh sống ” của sinh vật, hay nói theo nghĩa rộng sinh thái học là môn học nghiên cứu và điều tra về toàn bộ các mối quanhệ giữa sinh vật và thiên nhiên và môi trường. Tùy theo Lever nghiên cứu và điều tra các mối quan hệcủa sinh vật trong môi trường tự nhiên màsinh thái học được chia thành các phân môn như : – Sinh thái học thành viên ( Autoecology ) : Nghiên cứu đặc thù hình thái, phươngthức sống của sinh vật. – Sinh thái học quần thể ( Population ecology ) : Nghiên cứu về cấu trúc và sựbiến động số lượng của một nhóm thành viên thuộc một loài nhất định, cùng sống chungvới nhau ở một vùng chủ quyền lãnh thổ, theo một sinh cảnh địa lý. – Sinh thái học quần xã ( Synecology ) : Nghiên cứu các mối quan hệ giữa cáccá thể khác loài và sự hình thành các mối quan hệ sinh thái đó. Sinh thái học là khoa học thực nghiệm nghiên cứu và điều tra mối giữa sinh vật và môitrường, nói cách khác sinh thái học là khoa học nghiên cứu và điều tra về tổ chức triển khai của thế giớisinh học. Nghiên cứu sinh thái học sẽ giúp cho tất cả chúng ta có cơ sở khoa học để khaithác và sử dụng hài hòa và hợp lý tài nguyên vạn vật thiên nhiên và BVMT. 2.1.2. Các tác nhân sinh tháiCác sinh vật sống trong hệ sinh thái luôn chịu tác động ảnh hưởng của nhiều yếu tố khácnhau, các tác nhân đó được gọi là các tác nhân sinh thái. Nhân tốsinh thái là nhân tốcủa thiên nhiên và môi trường có tác động ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp lên sinh vật, được chia thành 3 nhóm : – Các tác nhân vô sinh : gồm có : Địa hình ( độ cao, độ dốc, hướng phơi địahình, … ) ; Khí hậu ( nhiệt độ, nhiệt độ, gió, … ) ; Nước ( nước mặn, nước ngọt, mưa, … ) ; Các chất khí ( CO2, O2, N2, … ) ; Các chất dinh dưỡng khoáng, hữu cơ. – Các tác nhân hữu sinh : Bao gồm những khung hình sống khác nhau : thực vật, động vật hoang dã, vi sinh vật, … Các khung hình sống này có tác động ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếpđến khung hình sinh vật trong mối quan hệ cùng loài hay khác loài. Nhóm tác nhân nàytrong quốc tế hữu cơ rất quan trọng. – Nhân tố con người : Con người và động vật hoang dã đều có những tác động ảnh hưởng tương tựđến môi trường tự nhiên như lấy thức ăn, chất thải vào thiên nhiên và môi trường. Nhưng do sự phát triểncao về trí tuệ nên con người còn ảnh hưởng tác động đến môi trường tự nhiên bởi các tác nhân xã hội vàthể chế. Tác động của con người vào tự nhiên là ảnh hưởng tác động có ý thức và có quy môrộng lớn. Do đó, ở nhiều nơi tác động ảnh hưởng của con người đã làm đổi khác hẳn môitrường và sinh giới. Như vậy, các tác nhân sinh thái có vai trò vô cùng quan trọng so với sinh vậtsống trong thiên nhiên và môi trường. Do đó để điều tra và nghiên cứu một hệ sinh thái thiết yếu phải phântích tổng thể các tác nhân sinh thái tácđộng đến sinh vật cũng như mối quan hệ của cácnhân tố trên. 2.1.3. Cấu trúc và công dụng của hệ sinh tháiH ệ sinh thái là một mạng lưới hệ thống gồm có quần xã sinh vật và thiên nhiên và môi trường sống xungquanh và một hệ sinh thái nổi bật được cấu trúc bởi các thành phần sau đây : – Sinh vật sản xuất ( Producer ) – Sinh vật tiêu thụ ( Consumer ) – Sinh vật phân hủy ( Decomposer ) – Các chất hữu cơ ( Prôtêin, lipit, gluxit, vitamin, enzym, hoocmon, … ) – Các chất vô cơ ( CO2, O2, H2O, các chất dinh dưỡng khoáng ). – Các yếu tố khí hậu ( nhiệt độ, ánh sáng, nhiệt độ, giáng thủy, … ) Hình 2.1. Cấu trúc hệ sinh tháiThực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành phần sau làmôi trường vật lý mà quần xã đó sử dụng để sống sót và tăng trưởng. Ngoài cấu trúc theo thành phần, HST còn có kiểu cấu trúc theo công dụng. TheoE. D. Odum ( 1983 ), cấu trúc của hệ gồm các phạm trù sau : – Quá trình chuyển hóa nguồn năng lượng của hệ. – Xích thức ăn trong hệ. – Các quy trình sinh địa hóa diễn ra trong hệ. – Sự phân hóa trong khoảng trống và theo thời hạn. – Các quy trình tăng trưởng và tiến hóa của hệ. – Các quy trình tự kiểm soát và điều chỉnh. Hình 2.2. Cấu trúc và tính năng của Sinh thái họcM ột HST cân đối là một hệ trong đó 4 quy trình tiên phong đạt được trạng tháicân bằng động tương đối với nhau ( Vũ Trung Tạng, 2000 ). Nghiên cứu cấu trúc và tính năng của HST sẽ giúp cho tất cả chúng ta có những biệnpháp tác động ảnh hưởng thích hợp để bảo vệ cho HST tự nhiên cũng như tự tạo luôn đạttrạng thái không thay đổi. 2.1.4. Sự chuyển hóa vật chất trong hệsinh tháiTrong HST luôn xảy ra sự trao đổi vật chất và nguồn năng lượng trong nội bộ quần xã, giữa quần xã và thiên nhiên và môi trường bên ngoài của nó ( sinh cảnh ). Trong quy trình trao đổi vật chất, luôn có các nguyên tố hóa học, muối hòa tan, khí CO2 và O2 từ sinh cảnh tham gia tạo thành khung hình sinh vật ( Quần xã ), đồng thờilại có bộ phận của quần xã lại chuyển hóa thành sinh cảnh trải qua quy trình phânhuỷ xác sinh vật thành những chất vô cơ. Các thành phần của quần xã liên hệvới nhau bằng quan hệ dinh dưỡng. Quanhệ dinh dưỡng của các loài trong quần xã được thực thi bằng chuỗi và lưới thứcăn. + Chuỗi thức ăn ( Foodchain ) : là một dãy gồm có nhiều loài sinh vật, mỗiloài là một ” mắt xích ” thức ăn ; mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ mắt xích thức ănphía dưới và nó lại bị mắt xích thức ăn phía trên tiêu thụ. + Lưới thức ăn ( Foodweb ) : là phức tạp các chuỗi thức ăn có quan hệ với nhautrong HST. Vì mỗi loài trong quần xã không phải chỉ liên hệ với một chuỗi thức ănmà hoàn toàn có thể liên hệ với nhiều chuỗi thức ăn. Tất cả các chuỗi thức ăn trong quần xãhợp thành lưới thức ăn. Hỡnh 2.3. Li thc n in hỡnh trờn cnNhng mt xớch thc n thuc mt nhúm sp xp theo cỏc thnh phn cachui thc n nh : Sinh vt sn xut, sinh vt tiờu th bc 1, bc 2, … c gi lcỏc bt dinh dng. Các bậc dinh dỡngLoài ăn thịtSinh vật tiêu thụ bậc 3L oài ăn thịtSinh vật tiêu thụ bậc 2L oài ăn cỏSinh vật tiêu thụ bậc 1T hực vậtSinh vật sản xuấtHỡnh 2.4. Cỏc bc dinh dng trong mt h sinh thỏiNh võy, vt cht trong h sinh thỏi c chuyn húa, trao i thụng quacỏc cỏc quan h dinh dng. Li thc n cng phc tp thỡ mc liờn h gia cỏcsinh vt trong HST cng cht ch. iu ú cho thy rng m bo cho 1 HSTc cõn bng v bn vng cn duy trỡ HST ú mc a dng sinh hc cao. 2.1.5. S phỏt trin v tin húa ca h sinh thỏiS phỏt trin ca h sinh thỏi hay cũn gi l ” din th sinh thỏi ” ( ecologicalsuccession ). Din th sinh thỏi l quỏ trỡnh bin i ca h sinh thỏi t trng thỏi
