Chương 3: sinh thái học môi trường

Chương 3 . CÁC NGUYÊN LÝ SINH THÁI HỌC ỨNG DỤNG
TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Mục tiêu:
Học xong chương này, bạn có thể:
- hiểu được nguyên lý sự bảo toàn vật chất và năng lượng cũng như hiểu được cách mà các quy luật
của nhiệt động lực học ảnh hưởng đến hệ thống đời sống.
- định nghĩa được loài, dân số, cộng đồng, hệ sinh thái cũng như hiểu được tầm quan trọng của hệ
sinh thái học trong các cấp độ tổ chức này.
- hiểu được dây chuyền thức ăn, mạng lưới thức ăn và các mức dinh dưỡng trong cộng đồng sinh
học và giải thích vì sao có các tháp năng lượng, sinh khối và số lượng các các thể trong mức dinh dưỡng
của một hệ sinh thái;
- so sánh những cách mà cacbon, nito, lưu huỳnh cũng như photpho vận động theo chu trình trong
phạm vi hệ sinh thái.

3.1. Sự sống và sự tiến hóa của sinh vật
Theo các tư liệu khoa học được biết hiện nay, Trái đất là nơi duy nhất có sự sống
phát triển cao và con người. Sự hình thành và phát triển sự sống trên Trái đất liên quan
chặt chẽ với quá trình hình thành Trái đất nói riêng và toàn bộ Thái Dương hệ và cũng
như vũ trụ nói chung. Bảng 3.1, minh họa cho sự sống trên Trái đất.
Sự sống có 5 đặc thù cơ bản sau:
•

Khả năng tái sinh - tạo ra các vật thể giống mình;

• Khả

năng trao đổi chất - tiếp nhận, phân giải và tổng hợp vật chất mới và nguồn năng

lượng cần thiết cho vật sống;
•

Khả năng tăng trưởng theo thời gian;

•

Khả năng thích nghi để phù hợp với điều kiện MT sống;

Nhiều loại vi khuẩn có khả năng thích nghi nhanh chóng với các loại thuốc và kháng
sinh (sự nhờn thuốc)

Sự thích nghi của sinh vật đối với môi trường
9:16 AM
Võ Văn Đạt
Sinh vật phản ứng lên những tác động của điều kiện môi trường xảy ra bằng hai phương thức: hoặc là chạy
trốn để tránh những tai họa của môi trường ngoài (phương thức này chủ yếu ở động vật) hoặc là tạo khả năng
thích nghi. Thích nghi là khả năng của các sinh hệ, các cơ thể sống phản ứng hợp lý lên những tác động thay
đổi của các yếu tố môi trường bên ngoài để tồn tại và phát triển.
1


Sự thích nghi của các cơ thể sinh vật đến tác động của các yếu tố môi trường có thể có hai khả năng: thích
nghi hình thái và thích nghi sinh lý.
Phản ứng thích nghi xảy ra trong suốt thời gian sống của cơ thể sinh vật dưới tác động thay đổi của các yếu
tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ ... Ví dụ như sự di chuyển của lục lạp trong tế bào thực vật ra thành tế
bào khi có tác động của sự chiếu sáng mạnh, hay tăng quá trình thoát hơi nước bằng cách tăng số lượng và
hoạt động của khe khí khổng dưới tác động của nhiệt độ cao. Cá thờn bơn có màu sắc bên ngoài như màu sắc
của đất nơi chúng cư trú, đất trắng chúng có màu trắng, sang chỗ đất lốm đốm bởi những hòn đá cuội đen,
trắng thì cá thờn bơn thay đổi màu sắc thành lốm đốm. Sự thay đổi màu da là một phản ứng phản xạ phức
tạp, bắt đầu bằng thị giác của cá và sau cùng sự phân phối lại các hạt màu trong tế bào da. Những con cá thờn
bơn mù không có khả năng này.
Như vậy thích nghi hình thái xảy ra do sự thay đổi của các yếu tố môi trường tác động, các sinh vật phải phản

ứng một cách nhanh chóng lên các tác động đó.
Sự thích nghi di truyền, ngược lại được xuất hiện trong quá trình phát triển cá thể của các cơ thể không phụ
thuộc vào sự có mặt hay vắng mặt của các trạng thái môi trường mà trong môi trường đó có thể có ích cho
chúng. Những thích nghi đó được củng cố di truyền, vì thế gọi là thích nghi di truyền. Màu sắc của động vật
cố định, không thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của môi trường xung quanh. Chúng thích hợp trong trường
hợp khi màu sắc nơi ở phù hợp với màu sắc bản thân.
• Sự

tiến hóa của các cá thể và quần thể sinh vật.
Sự tiến hóa của sinh vật được hình thành theo 2 cơ chế: Biến dị di truyền và chọn

lọc tự nhiên.
Trong sinh học, tiến hóa là sự thay đổi đặc tính di truyền của một quần thể sinh học qua những thế hệ nối
tiếp nhau. Các quá trình tiến hóa làm nảy sinh sự đa dạng ở mọi mức độ tổ chức sinh học bao gồm loài, các
cá thể sinh vật và cả các phân tử như ADN và protein[
Theo mức độ tiến hóa sinh vật trên Trái đất có thể chia thành 5 giới :
- Giới đơn bào (Monera) xuất hiện khoảng 3 tỷ năm trước đây như tảo lam, vi khuẩn;
Giới Khởi sinh (Monera) là một giới đã lỗi thời trong hệ thống năm giới của phân loại sinh học. Nó là
những sinh vật nhỏ bé có kích thước hiển vi (từ 1-3μm) cấu tạo bởi các tế bào nhân sơ, là những sinh vật cổ
sơ nhất xuất hiện khoảng 3,5 tỷ năm trước đây. Chúng sống khắp nơi, trong đất, nước, không khí; phương
thức dinh dưỡng rất đa dạng: hoá tự dưỡng, hoá dị dưỡng, quang tự dưỡng và quang dị dưỡng. Nhiều vi
khuẩn sống kí sinh trong các cơ thể khác. Vi khuẩn có chứa nhiều sắc tố quang hợp trong đó có diệp lục như
vi khuẩn lam có khả năng tự dưỡng quang hợp như thực vật.
Giới Khởi sinh bao gồm phần lớn các sinh vật với cấu trúc tế bào nhân sơ. Vì lý do này nên giới Monera đôi
khi cũng được gọi là Prokaryota hay Prokaryotae. Trước khi có sự tạo ra giới này thì nhóm sinh vật trong
giới đã được coi như là thuộc về hai ngành tách rời của thực vật: Schizomycetes (vi khuẩn) đã được coi là
nấm, và Cyanophyta được coi là tảo lục-lam. Nhóm cuối cùng này hiện nay được coi là một nhóm trong vi
khuẩn, thông thường gọi là vi khuẩn lam và hiện tại đã biết là không có quan hệ họ hàng gần với thực vật,
nấm hay động vật.
Các phân tích chuỗi gen ADN và ARN gần đây đã chứng minh rằng có hai nhóm chính của sinh vật nhân sơ

là vi khuẩn (Bacteria) và vi khuẩn cổ (Archaea), chúng dường như không có mối quan hệ gần gũi hơn với
nhau khi so với mối quan hệ của từng nhóm đối với sinh vật nhân chuẩn (Eukaryota/Eukarya). Vì thế,
2


Monera kể từ đó đã bị chia ra thành Archaea và Bacteria, tạo thành hệ thống sáu giới và hệ thống ba vực gần
đây. Tất cả các sơ đồ mới đều loại bỏ Monera và hiện nay coi Bacteria, Archaea, Eukarya như là ba vực (hay
giới) tách rời.
/>- Giới đơn bào (Protista) như lỵ, amip;
Sinh vật nguyên sinh hay Nguyên sinh vật là một nhóm vi sinh vật nhân chuẩn có kích thước hiển vi.
Trong lịch sử, sinh vật nguyên sinh được cho là giới Protista nhưng nhóm này đã không được thừa nhận
trong nguyên tắc phân loại hiện đại.[1] Thay vào đó nó tốt hơn được coi là một nhóm lỏng lẻo gồm 30 hoặc 40
ngành riêng rẽ với sự kết hợp đa dạng của kiểu dinh dưỡng, đặc điểm, cơ chế vận động, bề mặt tế bào và
vòng đời."[2]
Cấp đầu tiên của sinh vật nguyên sinh từ các sinh vật khác trong thập niên 1830, khi nhà sinh học Đức Georg
August Goldfuss đưa ra từ protozoa để chỉ các sinh vật như ciliate và san hô.[3] Nhóm này được mở rộng vào
năm 1845 bao gồm tất cả các động vật đơn bào như foraminifera và amoebae. Thể loại phân loại chính thức
Protoctista được đề xuất đầu tiên vào đầu thập niên 1860 bởi John Hogg, ông cho rằng protist nên bao gồm
những loại mà ông thấy chúng có dạng đơn bào nguyên thủy ở cả động và thực vật. Ông định nghĩa
Protoctista là "Giới thứ 4 của tự nhiên", thêm vào cùng với các giới truyền thống khác nhu thực vật, động vật,
và mineral.[3] Giới mineral sau đó bị Ernst Haeckel loại khỏi hệ thống phân loại, nên chỉ còn lại thực vật,
động vật, và protist là “giới của các dạng sống nguyên thủy”.[4]
Herbert Copeland lấy lại tên gọi của Hogg gần một thế kỷ sau đó, ông cho rằng "Protoctista" theo nghĩa đen
là "dạng được thành tạo đầu tiên", Copeland đã so sánh với thuật ngữ protista của Haeckel nó bao gồm cả vi
sinh vật như vi khuẩn. Thuật ngữ protoctista của Copeland thì không ba gồm. Ngược lại, thuật ngữ của
Copeland bao gồm các sinh vật nhân chuẩn có nhân như tảo cát, tảo lục và nấm.[5] Phân loại này là nền tảng
cho việc định nghĩa sau đó của Whittaker về Nấn, Động vật, Thực vật và Protista là 4 giới của sự sống.[6]
Giới Protista sau đó được điều chỉnh để tách prokaryote ra thành một giới riêng biệt Monera, các protist còn
lại là một nhóm vi sinh vật nhân chuẩn.[7] Năm giới này vẫn là hệ thống phân loại được chấp nhận cho đến
khi phát triển phát sinh loài phân tử vào cuối thế kỷ 20, khi nó thể hiện rõ ràng rằng không phải protist cũng

không phải là các nhóm riêng biệt của các sinh vật có quan hệ với nhau (chúng không phải là nhóm đơn
ngành).[8]

Phân loại hiện đại
Mặc dù hệ thống phân loại học ngày nay không xem sinh vật nguyên sinh là một cấp phân loại chính thức,
thuật ngữ protist hiện được hiểu theo 2 cách. Định nghĩa hiện đại phổ biến nhất theo phát sinh loài là một
nhóm cận ngành: protist là bất kỳ loài nào có nhân chuẩn nhưng không phải là động vật, thực vật trên cạn,
hoặc nấm. Cách hiểu thứ hai miêu tả protist chủ yếu theo tiêu chí chức năng hoặc sinh học: protist động vật
nguyên sinh cơ bản là những sinh vật nhân chuẩn chứ không phải đa bào,[9] mà chú tồn tại ở dạng những tế
bài độc lập hoặc chúng tập hợp thành tập đoàn, mà không cho thấy sự khác biệt về mô.[10]
Phân loại học động vật nguyên sinh vẫn đang thay đổi. Các hệ thống phân loại mới hơn cố gắng thể hiện các
nhóm đơn ngành dựa trên siêu cấu trúc, sinh hóa, và gene. Bởi các sinh vật nguyên sinh nhìn tổng thể là cận
ngành, các hệ thống như thế này thường tách hoặc loại bỏ cấp giới, thay vì xếp các nhóm sinh vật đơn bào
như dòng riêng biệt của sinh vật nhân chuẩn. Cơ chế gần gây của Adl et al. (2005)[10] thì ví dụ rằng không
quan tâm đế cấp bậc phân loại chính thức (ngành, lớp,...) và thay vào đó chỉ liệt kê các sinh vật theo trật tự
thứ bậc. Điều này có khuynh hướng làm cho việc phân loại trở nên ổn định hơn trong khoảng thời gian dài và
3


dễ cập nhật hơn. Một số nhóm chính của động vật nguyên sinh, có thể được xếp vào ngành (phyla), được liệt
kê trong hộp phân loại ở đúng vị trí của nó.[11] Nhiều nhóm được cho là đơn ngành, dù rằng chúng vẫn chưa
chắc chắn. Ví dụ, excavata có thể không phải đơn ngành và chromalveolata có thể là đơn ngành nếu không
tính haptophyta và cryptomonad.

- Giới nấm như nấm, men, mốc có chức năng phân hủy xác chết, biến chúng thành
chất dinh dưỡng;
- Giới thực vật có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ ánh sáng mặt trời và các chất chất
vô cơ, tích lũy năng lượng mặt trời;
- Giới động vật có chức năng tiêu thụ năng lượng sinh khối và khả năng tự di chuyển
trong môi trường.

3.2. Cấu trúc sự sống trên Trái đất
Các sinh vật trên Trái đất liên quan chặt chẽ với nhau, gắn bó với nhau trong một
hệ thống phức tạp và nhiều bậc. Mức độ cao nhất là sinh quyển => sinh đới => Hệ sinh
thái => quần xã quần thể sinh vật => cá thể sinh vật.
Sinh quyển đuợc chia thành những vùng đặc thù về khí hậu, hệ động thực vật và
kiểu đất gọi là sinh đới. Mỗi kiểu sinh đới có diện tích rộng hàng triệu km2.
Trên Trái đất có khoảng 12 sinh đới (biom). Không gian của các sinh đới được xác
định bởi nhiệt độ, lượng mưa và sự phong phú các loài động thực vật. Trong mỗi sinh
đới, tồn tại các hệ sinh thái ổn định tương tác phức tạp với nhau.
Bảng 3.1: Sự hình thành và phát triển vật chất và sự sống trên Trái đất
Thời điểm
Hiện tượng địa chất và sự sống
cách hiện tại
Khí quyển
Thủy quyển
Thạch quyển
(triệu năm)
15.000
-Vụ nổ lớn trong vũ trụ
-Hình thành các tinh vân
4.800
-Hình thành ngân hà
4.600
-Hình thành Thái Dương hệ
-Hình thành Trái đất
-Xuất hiện khí quyển CH4, NH3
-Hình thành các
4.400
đại dương
-Xuất hiện các

tế
bào sống đơn sơ

3.500
2000
1.000

Xuất hiện oxy
do quang hợp
Hình thành khí
quyển chứa
O2,CO2,N
Xuất hiện cơ

Đặc điểm của giai
đoạn
Tiến hóa vật lý

Tiến
hóa
sinh
học
Quang hợp
4


thể sống dạng
đơn bào
600

Và dinh dưỡng
dùng oxy

Xuất hiện các
đa bào,
nhuyễn
thể, sâu bọ

450

Xuất hiện &
phát triển thực
vật cạn

400
60

Động vật biển

3,5

Cá voi cá heo
trở lại đại
dương

Động vật phát
triển trên mặt
đất

2,0

Xuất
hiện
thực vật

Xuất
hiện
người

-Xuất
hiện
vượn người
-Xuất
hiện
người nguyên
thủy

Đặc điểm chủ yếu của các sinh đới trên Trái đất như sau:
• Sinh

đới tundra (đồng rêu vùng cực hay vùng lãnh nguyên) có các đặc điểm sau:

- Phân bố ở vùng cực thuộc Bắc cực và Nam cực;
- Nhiệt độ sinh đới thường lạnh quanh năm;
- Thực vật nghèo nàn, gồm rêu, địa y và cây bụi thấp hỗn hợp;
- Động vật nghèo nàn gồm cáo xanh, hươu, tuần lộc, hươu kéo xe, chim cánh cụt, gấu
trắng, chim vãng lai, bò sát và ếch nhái rất hiếm;
• Sinh

đới đỉnh núi cao có đặc điểm sau:

- Phân bố trên các đỉnh núi cao, lạnh và áp suất thấp;
- Thực vật phân bố thành đai thẳng đứng, theo độ cao và hướng về phía ánh sáng mặt
trời;
- Động vật đa dạng, phân bố theo các đai thảm thực vật và độ cao. Chim thú hiếm gặp,
các loàii động vật khác rất phong phú, được phân bố theo sự phân bố của thực vật.
• Sinh

đới rừng có đặc điểm sau:

- Có cấu trúc phân tầng với ba tầng chính là cây bụi, cây gỗ và cỏ;
- Động vật rất đa dạng, đặc biệt là động vật sống trong đất. Sinh đới rừng có hai kiểu
chính là rừng ôn đới và rừng rậm nhiệt đới;

5


- Rừng ôn đới: phân bố ở vùng có khí hậu ôn đới, thực vật khá đa dạng, động vật rừng
sinh đới rất đa dạng, gồm các loài thú ăn cỏ, thú ăn thịt, thú sống trên cây, thú gậm
nhấm, chim các loại, côn trùng.
- Rừng nhiệt đới: phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới, động thực vật rất phong phú và đa
dạng, tổng sinh khối rất lớn.
• Sinh

đới thảo nguyên thường phân bố ở vùng có mùa khô kéo dài, lượng mưa nhỏ,

thực vật gồm các loài có kích thước bé, động vật chủ yếu là loài ăn cỏ, tổng sinh khối
nhỏ.
• Sinh

đới savan phát triển chủ yếu ở vùng nhiệt đới có lượng mưa nhỏ, thực vật tương

đối phong phú, động vật khá phong phú với các loài ăn cỏ và ăn thịt.
• Sinh

đới sa mạc phát triển và phân bố ở các vùng có khí hậu khô hạn, động thực vật

rất nghèo nàn.
• Các

sinh đới vùng nước và các sinh đới thủy bao gồm sinh đới thủy vực nước ngọt,

thềm lục địa, đáy biển… thường có những đặc trưng riêng, nhân tố sinh thái chủ yếu
quyết định đặc điểm của sinh đới là tốc độ dòng chảy, thành phần trầm tích đáy, hàm
lượng khí O2 hòa tan, áp suất, hàm lượng chất dinh dưỡng và độ mặn.
3.3. Cơ chế hoạt động của hệ sinh thái
HST là hệ thống các quần thể sinh vật và các thành phần của MT sống bao
quanh, trong một quan hệ chặt chẽ và tương tác với nhau.

Sự tiến hóa của hệ sinh thái:
- Phát sinh và phát triển để đạt được trạng thái ổn định lâu dài - tức trạng thái đỉnh cực
(climax). Quá trình này gọi là sự diễn thế sinh thái.
Trong HST có 2 loại nhân tố: nhân tố vô sinh và nhân tố hữu sinh. Xét về mặt cấu
trúc, HST có 4 thành phần cơ bản: các yếu tố MT, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ
và sinh vật phân hủy.
Sinh vật sản xuất là thực vật và các vi khuẩn có khả năng tổng hợp chất dinh
dưỡng từ các chất vô cơ và ánh sáng mặt Trời. Sinh vật tiêu thụ lấy chất dinh dưỡng từ
sinh vật sản xuất thông qua tiêu hóa thức ăn. Sinh vật tiêu thụ bậc 1 là động vật ăn cỏ;
sinh vật tiêu thụ bậc 2 là động vật ăn thịt bậc 1; sinh vật tiêu thụ bậc 3 là động vật ăn
thịt bậc 2... Sinh vật phân hủy gồm vi khuẩn và nấm có chức năng phân hủy xác chết

và thức ăn thừa, chuyển chúng thành các yếu tố MT. Giữa các thành phần trên luôn có
sự trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin.
6


Sinh vật sản xuất → Sinh vật tiêu thụ → Sinh vật phân hủy
Sinh vật sản xuất hay sinh vật tự dưỡng là những sinh vật mà thông qua phản ứng quang hợp
có thể chuyển hoá các thành phần vô cơ thành các dạng vật chất hữu cơ. Năng lượng Mặt
Trời thông qua quang hợp đã liên kết các phần tử vô cơ thành các phần tử hữu cơ.
6CO2 + 12H2O

hν, diệp lục tố

C6H12O6 + 6H2O + 6O2

Sinh vật tiêu thụ hay sinh vật dị dưỡng là những sinh vật không có khả năng quang hợp.
Những sinh vật này tồn tại dựa vào nguồn thức ăn ban đầu do sinh vật tự dưỡng tạo ra.
Sinh vật phân huỷ là sinh vật dị dưỡng sống hoại sinh bao gồm các loại nấm, vi khuẩn.
Chúng tiếp nhận nguồn năng lượng hoá học khi sinh vật khác phân huỷ và bẻ gãy các phân tử
hữu cơ để tồn tại và phát triển. Sinh vật phân huỷ thải vào môi trường những chất đơn giản
hoặc những nguyên tố hoá học mà lúc đầu các vật sản xuất sử dụng để tổng hợp các chất hữu
cơ.
Môi trường: các chất vô cơ (bao gồm cả các nguyên tố sinh học: N, C, H, O, Cu, Zn,.. các
nguyên tố vi lượng tham gia vào enzim), chất khí (N2, O2, CO2...), nước.
Tiến hóa
Quan hệ dinh dưỡng giữa các thành phần trên trong HST được thực hiện thông
qua chuỗi thức ăn. Có 2 chuỗi thức ăn: chuỗi thức ăn thực vật và chuỗi thức ăn phân
hủy. Tập hợp các chuỗi thức ăn cùng tồn tại trong một HST tạo thành mạng hoặc lưới
thức ăn.

Chuỗi thức ăn
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

7


Ví dụ của chuỗi thức ăn trong một hồ nước ở Thụy Điển. Ó cá ăn cá chó, cá chó ăn cá vược, cá vược ăn cá
mương Âu, cá mương Âu ăn tôm. Tuy không được đưa ra, gốc của chuỗi thức ăn trong hồ nước tại Thụy
Điển là các loại thực vật tự dưỡng nổi.
Chuỗi thức ăn (quan hệ thức ăn) là một dãy gồm nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau, loài
đứng trước là thức ăn của loài đứng sau. Mỗi loài được coi là một mắt xích trong chuỗi thức ăn, vừa là sinh
vật tiêu thụ mắt xích phía trước nhưng cũng bị sinh vật mắt xích phía sau tiêu thụ. Các chuỗi thức ăn dày đặc
tạo nên các mạng lưới thức ăn.
Ví dụ:
•
•
•

cỏ → thỏ → sói → xác chết → vi khuẩn → cỏ;
lá ngô → châu chấu → ếch → xác chết → vi khuẩn → lá ngô;
cỏ → bò → người → phân → vi khuẩn → cỏ.

Chuỗi và lưới thức ăn biểu hiện mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài sinh vật trong quần xã sinh vật.
Chuỗi thức ăn :
–Là một dãy nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau. Mỗi loài trong chuỗi thức ăn vừa là sinh vật
tiêu thụ mắt xích phía trước, vừa là sinh vật bị mắt xích phía sau tiêu thụ.
–Ví dụ : Cây cỏ → Sâu → Chuột.
Lưới thức ăn :
8

–Trong tự nhiên, một loài sinh vật không chỉ tham gia vào một chuỗi thức ăn mà đồng thời còn tham gia vào
chuỗi thức ăn khác. Các chuỗi thức ăn có nhiều mắt xích chung tạo thành một lưới thức ăn.
–Một lưới thức ăn hoàn chỉnh bao gồm 3 thành phần chủ yếu : sinh vật sản xuất (thực vật), sinh vật tiêu thụ
(động vật ăn thực vật và động vật ăn thịt) và sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm...).
Cây ngô là thức ăn của châu chấu, châu chấu là thức ăn của ếch. ...
HST có khả năng tự duy trì và tự điều chỉnh để giữ nguyên tính ổn định của mình.
HST không tĩnh, nhưng luôn luôn duy trì tính ổn định. Chúng duy trì và tự điều chỉnh
tính ổn định của mình nhờ 3 cơ chế: điều chỉnh tốc độ dòng năng lượng đi qua hệ; điều
chỉnh tốc độ chuyển hóa vật chất bên trong hệ và điều chỉnh bằng tính đa dạng sinh
học của hệ. Tốc độ chuyển hóa vật chất bên trong HST được điều chỉnh bằng tốc độ
phân hủy xác động thực vật, tốc độ của vòng tuần hoàn sinh địa hóa. Nhờ các cơ chế
trên, các HST tự nhiên duy trì tính ổn định trong suốt một quá trình lâu dài trước các
thay đổi của MT và tự nhiên.
Cân bằng sinh thái:
- Là sự ổn định về số lượng cá thể của quần thể ở trạng thái ổn định, hướng tới sự thích nghi cao nhất với
điều kiện môi trường. - Các hệ sinh thái tự nhiên đều có cơ chế tự điều chỉnh để đạt trạng thái cân bằng. Cân
bằng sinh thái dưới sự tác động bởi yếu tố bên ngoài là cân bằng mới. -Con người co tác động lớn đến quá
trình cân bằng của hệ sinh thái tự nhiên, nhưng tác động chủ yếu theo mặt tiêu cực đến sự cân bằng của hệ
sinh thái.
3.4. Dòng năng lượng và năng suất sinh học của hệ sinh thái
3.4.1. Dòng năng lượng

Các dòng năng lượng
Năng lượng là một phương thức sinh ra công, năng lượng không tự nhiên sinh ra mà cũng
không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng 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 nhiên v.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 thái vùng trũng cũng vậy.

9


Hệ sinh thái nhận năng lượng ánh sáng mặt trời và nguồn năng lượng do con người bổ
sung: như hệ sinh thái nông nghiệp, đồng cỏ chăn nuôi, vườn cây lâu năm: 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 của động 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.
Các HST ở cạn tồn tại và phát triển chủ yếu nhờ nguồn năng lượng vô tận của mặt trời.
Sự biến đổi của năng lượng mặt trời thành hóa năng trong quá trình quang hợp là điểm
khởi đầu của dòng năng lượng trong các HST. Bức xạ mặt trời gồm gần như toàn bộ các
bước sóng ngắn và 98% là các bước sóng từ 0,15-3,0 m. Khi bức xạ mặt trời tới mặt
đất, được mặt đất hấp thụ một phần, còn một phần bị phản xạ trở lại khí quyển ở dạng
bức xạ sóng ngắn và được định lượng bằng chỉ số Albedo.
Nguồn năng lượng từ bức xạ mặt trời đến được Trái Đất thì chỉ khoảng 50% đi vào hệ sinh thái, số còn lại
chuyển thành nhiệt năng (phản xạ). -Sinh vật sản xuất chỉ sử dụng 1% tổng năng lượng tiếp nhận này để
chuyển sang dạng hóa năng dự trữ dưới dạng chất hữu cơ nhờ quá trình quang hợp. -Cứ qua mỗi bậc dinh
dưỡng thì chỉ 10% năng lượng được tích lũy và chuyễn lên bậc tiếp theo, còn 90% thất thoát dưới dạng nhiệt,
như vậy càng lên cao năng lượng tích lũy càng giảm. - Khi sinh vật chết đi, phần năng lượng dưới dạng chất
hữu cơ ở cơ thể được vi sinh vật phân hủy và sử dụng, 90% thất thoát dạng nhiệt. => Dòng năng lượng trong
hệ sinh thái không tuần hoàn.

/>
1 Albedo: definition.
Albedo is the fraction of solar energy (shortwave radiation) reflected from the Earth back into space.
It is a measure of the reflectivity of the earth's surface. Ice, especially with snow on top of it, has a
high albedo: most sunlight hitting the surface bounces back towards space. Water is much more
absorbent and less reflective. So, if there is a lot of water, more solar radiation is absorbed by the
ocean than when ice dominates.
Albedo is not important at high latitudes in winter: there is hardly any incoming sunlight to worry
about. It becomes important in spring and summer when the radiation entering through leads can
greatly increase the melt rate of the sea ice.
10


/>
Suất phản chiếu
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Suất phản chiếu của ánh sáng Mặt Trời với nhiều điều kiện bề mặt khác nhau.
Suất phản chiếu hay hệ số phản xạ, là khái niệm liên quan đến hiện tượng "phản xạ tản mạn" (diffuse
reflection) hoặc công suất phản xạ của bề mặt. Nó được định nghĩa bằng tỷ số bức xạ tản phát ra từ bề mặt so
với bức xạ chiếu đến bề mặt đó. Là tỷ số không có đơn vị, hệ số này cũng được biểu diễn theo tỉ lệ phần
trăm, và giá trị của nó trong đoạn [0, 1] với giá trị 0 thể hiện bề mặt đen tuyệt đối và giá trị 1 thể hiện bề mặt
phản xạ hoàn toàn bức xạ chiếu đến.[1][2] Suất phản chiếu cũng phụ thuộc vào tần số của bức xạ chiếu tới. Khi
không nói cụ thể, thường người ta ngầm chỉ ánh sáng khả kiến. Nói chung, suất phản chiếu phụ thuộc vào
góc tới của tia bức xạ. Ngoại trừ hiện tượng phản xạ từ bề mặt Lambert, mà nó tán xạ chùm tia tới theo mọi
hướng tuân theo hàm cosin, do vậy suất phản chiếu không phụ thuộc vào sự phân bố của chùm tia tới.[3]
Trong thực hành, để sử dụng hàm phân bố phản xạ lưỡng hướng (BRDF) cần phải biết được đặc trưng tán xạ
của bề mặt một cách chính xác, mặc dù có thể sử dụng một cách xấp xỉ tốt.
Suất phản chiếu là một khái niệm quan trọng trong khí hậu học và thiên văn học, cũng như trong quá trình

tính toán độ phản xạ của bề mặt trong hệ thống đánh giá chất lượng tòa nhà. Độ phản chiếu trung bình của
toàn Trái Đất, hay suất phản chiếu hành tinh, bằng 30 đến 35%, bởi vì do ảnh hưởng của mây bao phủ,
nhưng chúng luôn biến đổi, và phụ thuộc vào điều kiện địa chất, môi trường hay mặt đại dương.[4]
Thuật ngữ này do nhà vật lý Johann Heinrich Lambert giới thiệu trong cuốn Photometria năm 1760 của ông.

11


Hình 3.1: Dòng năng lượng đi qua HST.
3.4.2. Năng suất sinh học của hệ sinh thái
Nguồn năng lượng duy trì các hoạt động bình thường của các HST là năng lượng Mặt
trời và năng lượng bên trong lòng Trái đất. Sự phân bố năng lượng Mặt Trời tới Trái đất
được trình bày ở sơ đồ hình 3.2.
Theo sơ đồ này chỉ có một phần rất nhỏ _< 1% năng lượng Mặt trời tạo nên nguồn
năng lượng cho sự hoạt động của HST.
Phân bố của dòng năng lượng sinh thái trong một bậc của chuỗi thức ăn có dạng hình
như sau:

Hình 3.2: Sơ đồ dòng năng lượng sinh thái trong một bậc thức ăn.
I - Năng lượng đầu vào;

ND - Năng lượng không tiêu hóa;

P - Năng lượng được

tiêu hóa
R - Năng lượng dùng cho hô hấp;

E - Năng lượng bị bài tiết;

G - Năng lượng tăng

trưởng

I = ND + R + E + G  G/I <_ 10% năng lượng đầu vào

12


Theo sơ đồ, dòng năng lượng sinh thái theo chuỗi thức ăn ngày càng bé đi do bị
phát tán vào MT xung quanh. Sự thu nhỏ của dòng năng lượng sinh thái theo sự phát
triển của chuổi thức ăn, tạo nên tháp sinh thái hoặc tháp năng lượng sinh thái. Mô hình
về tháp năng lượng sinh thái có thể lấy theo ví dụ tháp sinh thái của ao, hồ VN của Tác
giả Vũ Trung Tạng:

Hình 3.3: Tháp sinh thái của ao hồ Việt Nam.
Năng suất sinh học của HST là khả năng chuyển hóa năng lượng Mặt trời hoặc
năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu thành sinh khối.

Năng suất
Các hệ sinh thái có 2 loại năng suất:
Năng suất sơ cấp: đó là năng suất của sinh vật sản xuất
13


Năng suất thứ cấp: đó là năng suất của sinh vật tiêu thụ
Năng suất được tính là: Gam chất khô/m²/ngày.
3.5. Chu trình tuần hoàn sinh địa hóa
Dòng năng lượng đi qua HST chỉ theo một chiều, không hoàn nguyên. Ngược lại,
vật chất tham gia tạo thành các cơ thể sống luôn vận động, biến đổi trong nhiều chu

trình từ các cơ thể sống vào MT vật lý không sống và ngược lại. Chu trình này được gọi
là chu trình sinh địa hóa (xem hình 3.4).
-Trong hệ sinh thái, chu trình của vật chất đi từ môi trường bên ngoài vào cơ thể sinh vật, rồi từ sinh vật này
sang sinh vật kia theo chuỗi thức ăn, rồi lại phân hủy thành các chất vô cơ đi ra môi trường được gọi là vòng
tuần hoàn sinh-địa-hóa.
Như vậy, chu trình sinh địa hóa là chu trình vận động có tính chất tuần hoàn của
vật chất trong sinh quyển từ môi trường bên ngoài chuyển vào trong cơ thể sinh vật,
rồi từ cơ thể sinh vật lại chuyển trở lại MT.
Chu trình tuần hoàn sinh địa hóa là vòng tuần hoàn khép kín về vật chất và vòng
tuần hoàn hở về năng lượng, được biểu diễn bằng sơ đồ tổng quát ở hình 3.4.

Hình 3.4: Sơ đồ tổng quát chu trình sinh địa hóa tự nhiên của Trái đất.
Chu trình sinh địa hóa của các nguyên tố hóa học được chia làm 2 loại:
- Chu trình sinh địa hóa chủ yếu : C,P,N,S, nước;
- Các chu trình còn lại là chu trình thứ yếu.
14


•

Chu trình cacbon:
Chu trình cacbon bắt đầu từ phản ứng quang hợp của thực vật, thực hiện dưới

tác động của ánh sáng Mặt trời với chất xúc tác là các hạt diệp lục (clorophyll) và kết
thúc bằng việc tạo ra các hợp chất hữu cơ theo phản ứng:

Ánh sáng Mặt Trời
6CO2 + 12H2O ------------------------ C6H12O6 + O2 +

Q

Clorophyll

Trong phản ứng quang hợp trên, Q là năng lượng sơ cấp thô chứa trong sinh khối
thực vật, có giá trị bằng 674 kcal/kg, tồn tại dưới dạng năng lượng liên kết H-C-O của
cacbuahydro C6H12O6. Cùng với việc tổng hợp C 6H12O6, quá trình quang hợp còn tạo ra
oxy cần thiết để duy trì sự sống trên Trái đất (xem hình 3.5).

Hình 3.5: Chu trình cacbon hữu cơ của Trái Đất.
Bảng 3.2: Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn) (Bolin et al, 1979)

15


•

Chu trình Nitơ:
Chu trình Nitơ có vai trò quan trọng trong đời sống của Trái đất, vì N là nguyên tố

cấu thành nên các prôtit, axit amin, AND,ARN (xem hình 3.6).

2 Nitrogen-fixing ability
Many legumes (alfalfa, clover, peas, beans, lentils, soybeans, peanuts and others) contain symbiotic bacteria
called Rhizobia within root nodules of their root systems. (Plants belonging to the genus Styphnolobium is
one exception to this rule). These bacteria have the special ability of fixing nitrogen from atmospheric,
molecular nitrogen (N2) into ammonia (NH3).[2] The chemical reaction is:

Ammonia is then converted to another form, ammonium (NH4+), usable by (some) plants by the following
reaction:

Nitrogen-fixing nodules on a clover (cỏ ba lá) root.

16


Hình 3.6: Chu trình Nitơ tự nhiên trên Trái Đất.
•

Chu trình P:
Photpho là thành phần quan trọng của chất nguyên sinh. Hàm lượng photpho

trong cơ thể thường lớn so với MT bên ngoài. Trong tự nhiên phtopho chứa nhiều trong
các loại đá, đặc biệt là apatit.
Chu trình P thường bắt đầu từ việc khai thác các muối photpho trong thạch
quyển dưới dạng photphat (apatit và photphorit), sau khi tham gia vào sự chuyển hóa
trong sinh quyển cuối cùng quay trở về thủy quyển và thạch quyển.

17


18


•

Chu trình nước:
Chu trình nước bao gồm việc bốc hơi nước từ các đại dương, tạo ra mưa, các

dòng chảy mặt, ngầm và kết thúc ở các đại dương. Chu trình nước có vai trò cực kỳ
quan trọng trong đời sống của Trái đất ở các khía cạnh: tạo ra nguồn nước ngọt cho
động thực vật và con người, thực hiện sự tái phân bố nhiệt độ bề mặt Trái đất, vận

động dòng chuyển dịch của không khí và nước trên Trái đất.
3.6. Sự tăng trưởng và tự điều chỉnh của sinh vật
Các quần thể sinh vật luôn biến động về số lượng cá thể.
Gọi N là lượng cá thể của quần thể tại thời điểm t
Nn là số lượng cá thể sinh trong khoảng thời gian ∆t
Nm là số lượng cá thể cheest trong khoảng thời gian ∆t
Ta có : dN/dt là tốc độ thay đổi số lượng cá thể đối với một cá thể

dN/N.dt là tốc độ thay đổi số lượng cá thể đối với một quần thể
Ba = ∆Nn/∆t là tỷ lệ sinh tuyệt đối của quần thể
Ba = ∆Nn/N. ∆t là tỷ lệ sinh tương đối của quần thể
Tương tự ta có : Mn là tỷ lệ chết tuyệt đối,
Ms là tỷ lệ chết tương đối của quần thể:

Mn = ∆Nm/∆t ; Ms = ∆Nm/N∆t
3.7. Tương tác giữa các quần thể sinh vật
19


Tương tác giữa các quần thể sinh vật trong HST về nguyên tắc là tổ hợp tương
tác của các cặp quần thể. Xét tương tác giữa 2 quần thể trên một ma trận tương tác,
có thể đưa ra 8 loại quan hệ tương tác sau:
Bảng 3.3 : Ma trận tương tác giữa 2 quần thể sinh vật

Dấu ký hiệu:

0: không có dấu hiệu tác động tới sự tăng trưởng.
+ : tác động tích cực tới sự tăng trưởng
-- : tác động tiêu cực tới sự tăng trưởng

Quan hệ trung lập : xác lập mối quan hệ của các loài sinh vật sống bên cạnh nhau,
nhưng loài này không làm lợi hoặc gây hại cho sự phát triển số lượng loài kia.
Quan hệ lợi một bên : hai loài sinh vật sống chung trên 1 địa bàn, loài thứ nhất lợi dụng
điều kiện do loài thứ hai đem lại nhưng không gây hại cho loài thứ nhất.
Quan hệ ký sinh: quan hệ của loài sinh vật sống dựa vào cơ thể sinh vật chủ với vật
chủ, có thể gây hại và giết chết vật chủ như giun, sán trong cơ thể động vật và người.
Quan hệ thú dữ con mồi : quan hệ giữa một loài là thú ăn thịt và loài kia là con mồi của
nó, như giữa sư tử, hổ và các loài động vật ăn cỏ sống trên đồng cỏ.
Quan hệ cộng sinh : quan hệ của 2 loài sinh vật sống dựa vào nhau, loài này đem lại lợi
ích cho loài kia và ngược lại. Ví dụ tảo và địa y,...
Quan hệ cạnh tranh: quan hệ giữa 2 hay nhiều loài sinh vật, cạnh tranh với nhau về
nguồn thức ăn và không gian sống. Sự cạnh tranh mạnh mẽ của chúng có thể dẫn tới
việc loài này tiêu diệt loài kia.
Quan hệ hạn chế: quan hệ giữa 2 loài sinh vật, loài thứ nhất đem lại lợi ích cho loài kia
và loài thứ hai khi phát triển lại hạn chế sự phát triển của loài thứ nhất.
3.8. Sự phát triển và tiến hóa của hệ sinh thái

20


Sự phát triển của các quá trình tự nhiên thông thường được xem xét theo nguyên
lý nhiệt động 2. Trong các hệ tự nhiên, các quá trình tự diễn biến là quá trình tăng
entropi (dS ≥ 0), hay nói cách khác là quá trình tăng trạng thái vô trật tự, phân bố đều
năng lượng và vật chất, ngược lại với quá trình trật tự hóa và hình thành các cấu trúc
trật tự ( dS < 0).
Sự phát triển của hệ sinh thái tự nhiên tiến triển theo quy luật chung là duy trì và
gia tăng độ trật tự cấu trúc của HST. Từ HST có rất ít các loài tiến tới HST có nhiều các
nhóm loài sinh vật, sắp xếp theo một cấu trúc nhiều tầng. HST tự nhiên có mức độ
phát triển và cấu trúc trật tự cao ứng với điều kiện cụ thể của MT, thường được gọi là
HST đỉnh cực.

Như vậy, sự phát triển của HST tự nhiên có một số khác biệt so với các quá trình
tự nhiên khác. Để duy trì cấu trúc trật tự và sự phát triển trên, HST tự nhiên luôn luôn
cần có nguồn năng lượng từ bên ngoài. Do vậy, HST tự nhiên không thể tồn tại nếu
thiếu nguồn năng lượng Mặt Trời.
Sự phát triển của HST và các quần xã sinh vật từ mức này sang mức khác gọi là
diễn thế sinh thái. Có 2 loại diễn thế sinh thái : diễn thế nguyên sinh và diễn thế thứ
sinh.
Diễn thế nguyên sinh:
Thí dụ 1 : Hồ cạn => đầm lầy => thực vật cạn => Rừng
Thí dụ 2 : Bãi triều lầy => cây mắm, cây trang => cây đước, cây tràm => rừng cây nhiệt
đới
Diễn thế thứ sinh:
Vườn hoang => cỏ dại => cỏ, lau lách, cây bụi => rừng cây thứ sinh
3.9. Tác động của con người lên hệ sinh thái
Con người là một sinh vật của HST, có số lượng lớn và khả năng hoạt động được
nâng cao nhờ KHKT. Trong thời đại ngày nay, tác động của con người lên HST là hết sức
lớn và có thể chia ra như sau:
• Tác
•

động vào cơ chế tự ổn định, tự cân bằng của hệ sinh thái.

Tác động vào sự cân bằng của các chu trình sinh địa hóa tự nhiên:

Con người sử dụng năng lượng hóa thạch, tạo thêm một lượng lớn khí CO 2, SO2,... Thí
dụ , mỗi năm con người tạo thêm 550 tỷ tấn CO 2 do đốt các loại nhiên liệu hóa thạch.
Nguồn chất thải bổ sung vào khí quyển trên đang 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 MT
tự nhiên.
21

Con người thay đổi và cải tạo các HST tự nhiên:
- Chuyển đất rừng thành đất nông nghiệp làm mất đi nhiều loài động thực vật quý
hiếm, tăng xói mòn đất, thay đổi khả năng điều hòa nước và biến đổi khí hậu...
- Cải tạo đầm lầy thành đất canh tác, làm mất đi các vùng đất ngập nước có tầm quan
trọng đối với MT sống của nhiều loài sinh vật và con người;
- 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 MT ở nhiều dạng hoạt động kinh tế xã hội khác nhau.
•

Tác động vào cân bằng sinh thái
Tác động của con người vào cân bằng sinh thái thể hiện trong một số thí dụ như

sau:
- Săn bắn quá mức, đánh bắt quá mức, gây ra sự suy giảm thậm chí làm biến mất một
số loài và gia tăng sự mất cân bằng sinh thái;
- Săn bắt các loài động vật quý hiếm như : hổ, tê giác, voi... có thể dẫn đến sự tiệt
chủng nhiều loại động vật quý hiếm;
- Chặt phá rừng tự nhiên lấy gỗ, làm mất nơi cư trú của động thực vật;
- Lai tạo các loài sinh vật mới làm thay đổi cân bằng sinh thái tự nhiên;
- Đưa vào các HST tự nhiên các hợp chất nhân tạo mà sinh vật không có khả năng
phân hủy.
•

Các biện pháp hạn chế tác động tiêu cực của con người.

- Đầu tư nghiên cứu và đánh giá đầy đủ các đặc điểm của HST;
- Điều tra và đánh giá điều kiện tự nhiên, hiện trạng và xu hướng phát triển KTXH của

khu vực;
- Xây dựng mô hình phát triển dựa trên việc bảo vệ và phát triển hợp lý 4 loại HST (HST
bảo vệ, HST sản xuất, HST đô thị và KCN, HST phụ trợ);
- Xây dựng các chiến lược, chính sách, kế hoạch và các biện pháp quản lý và BVMT
quốc tế, quốc gia khu vực và vùng lãnh thổ thực hiện mục tiêu PTBV.

22