Sinh học đại cương NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2005. Tr 145 – 152. Từ khoá: Hệ sinh thái, chuỗi thức ăn, lưới thức ăn, tháp sinh thái, năng lượng sinh thái, năng suất của hệ sinh thái. Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. Mục lục Chương 5 NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC HỆ SINH THÁI 3 5.1 SINH THÁI HỌC VÀ CÁC HỆ SINH THÁI 3 5.2 CHUỖI THỨC ĂN, LƯỚI THỨC ĂN VÀ CÁC BẬC DINH DƯỠNG 3 5.3 CÁC THÁP SINH THÁI 6 5.4 NĂNG LƯỢNG HỌC SINH THÁI 8 Chương 5. Năng lượng và các hệ sinh thái PGS. TS. Nguyễn Như Hiền Phần 3 SINH THÁI HỌC 3 Chương 5 NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC HỆ SINH THÁI MỤC TIÊU: Sau khi học xong chương này, sinh viên sẽ có khả năng Trình bày được đặc điểm của chuỗi thức ăn, lưới thức ăn, các bậc dinh dưỡng, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ. Trình bày được các dạng tháp sinh thái: Trọng lượng, khối lượng và năng lượng. Trình bày được khái niệm về năng lượng sinh thái học và năng suất của các hệ sinh thái. 5.1 SINH THÁI HỌC VÀ CÁC HỆ SINH THÁI Sinh thái học là ngành khoa học nghiên cứu tương tác giữa các cơ thể sống và môi trường sống của chúng. Việc nghiên cứu ấy nếu áp dụng với các cá thể được gọi là sinh thái học cá thể và nó sẽ xem xét hoạt động, hành vi của những quần thể, cũng như các nguyên nhân gây ra sự phổ biến và phân bố của một loài cụ thể. Sinh thái học quần thể là việc nghiên cứu các hệ sinh thái một cách tổng thể, bao g ồm nhiều loài sống trong mối tương tác giữa chúng với nhau, cũng như giữa chúng với với môi trường vô sinh xung quanh. Một ví dụ về một hệ sinh thái là một cánh rừng. Nó bao gồm các cây lớn, các bụi cây nhỏ, chim, muông thú và cả các vi sinh vật trong đất, tất cả chúng sống tương tác với phần vô sinh như hạt đất đá, chất vô cơ và hữu cơ. Các hệ sinh thái chịu tác động của các yếu tố khí hậ u bao gồm ánh sáng mặt trời, mưa, gió cũng như độ ẩm không khí. Tất cả các thành phần, hữu sinh và vô sinh tạo nên một thể thống nhất và cân bằng trong tự nhiên tuy rằng nó luôn luôn biến động. Để giữ một hệ thống cân bằng như vậy phải có năng lượng. Năng lượng được cung cấp trực tiếp hay gián tiếp từ mặt trời và thường thâm nhập vào hệ sinh thái thông qua quá trình quang hợp được th ực hiện bởi thực vật xanh. Năng lượng truyền từ cơ thể sống này sang cơ thể sống khác dưới dạng thức ăn. Vì vậy, nghiên cứu mối quan hệ dinh dưỡng là điểm khởi đầu cần thiết để thảo luận về dòng năng lượng trong các hệ sinh thái. 5.2 CHUỖI THỨC ĂN, LƯỚI THỨC ĂN VÀ CÁC BẬC DINH DƯỠNG Một ví dụ về chuỗi thức ăn đơn giản là các sinh vật sống trong một chiếc ao được mô tả trên hình 1.1. Chuỗi thức ăn luôn luôn được bắt đầu bằng cá thể sống tự dưỡng được 4 gọi là sinh vật sản xuất, là tảo và các cây xanh, chúng chuyển một phần nhỏ năng lượng Mặt trời sang dạng năng lượng hoá học được lưu trữ lại ở dạng chất hữu cơ. Một phần năng lượng ấy được chuyển sang động vật ăn cỏ dưới dạng thức ăn, sau đó có thể được chuyển đến mộ t hay nhiều vật ăn thịt. Các động vật ăn cỏ tạo nên nhóm sinh vật tiêu thụ sơ cấp, tiếp theo dọc chuỗi thức ăn sẽ là nhóm tiêu thụ bậc 2, bậc 3…. Trong ví dụ chiếc ao nước như trên thì tảo lục là sinh vật sản xuất, Daphnia là vật tiêu thụ bậc 1. Hydra- bậc 2 và thiếu trùng chuồn chuồn là bậc 3. Các mức cung cấp thức ăn như vậy được gọi là các b ậc dinh dưỡng. Trong tự nhiên rất ít khi gặp chuỗi thức ăn có nhiều hơn 6 bậc cơ thể sống bởi vì rằng năng lượng ban đầu được dự trữ ở các cơ thể tự dưỡng sẽ được sử dụng và tiêu hao đi nhiều khi đi qua các bậc dinh dưỡng trên. Hình 1.1. Chuỗi thức ăn của hệ sinh thái ao Chuỗi thức ăn tuyến tính dọc như trên là sự đơn giản hoá mối tương quan ăn lẫn nhau trong một hệ sinh thái. Trở lại ví dụ chiếc ao nước trên đây có thể thấy rõ rằng thiếu trùng chuồn chuồn không phụ thuộc hoàn toàn vào Hydra vì mục đích dinh dưỡng của mình. Chúng ăn nhiều cá nhỏ kể cả các con đỉa và cất vó trong nước. Một mạng phức tạp các chuỗi thức ăn v ới mối quan hệ tương hỗ lẫn nhau tồn tại trong chiếc ao nói trên tạo nên lưới thức ăn. Một dạng đơn giản hoá của lưới thức ăn trong ao nước được trình bày trên hình 1.2. Vì rằng nó có cơ sở trực tiếp vào thực vật cây xanh nên nó được gọi là lưới thức ăn cỏ. 5 Sinh vật tiêu thụ bậc hai (động vật ăn thịt) thiếu trùng chuồn chuồn thuỷ tức Tảo lục Daphnia Hỡnh 1.2. Li thc n ca h sinh thỏi ao Tham gia li thc n ta cn k thờm cỏc cỏ th sng rt quan trng khỏc c gi l sinh vt phõn hu. Chỳng l cỏc vi khun, nm cú rt nhiu mi ni tr ni cú axit quỏ cao. Chỳng sng trờn xỏc cht cỏc sinh vt cú trong h sinh thỏi khụng phõn bit th bc dinh dng. Cỏc sinh vt phõn hu cú mt li thc n riờng mang tờn li thc n mnh vn. Mt nhúm khỏc cỏc cỏ th cú mt mi h sinh thỏi l sinh vt ký sinh n bỏm. Chỳng sng trờn cỏc c th sng tt c cỏc bc dinh dng nhng nng lng thu nhn c thng khụng chuyn n bc dinh dng tip theo. Thay vo ú nú c chuyn n li thc n th ba cú tờn gi l li thc n n bỏm. Mt bc tranh ton cnh s nuụi sng nhau bao gm ba li thc n liờn kt ú l: Li th c n n c, mnh vn v n bỏm (hỡnh 1.3). 6 Hình 1.3. Mối quan hệ thức ăn của hệ sinh thái điển hình 5.3 CÁC THÁP SINH THÁI Hình 1.4. Tháp số lượng Trong phạm vi lưới thức ăn ăn cỏ người ta quan tâm đến mối quan hệ giữa các bậc. Đó là vấn đề về số cá thể chiếm giữ ở mỗi bậc dinh dưỡng. Loài ăn cỏ có xu hướng ít ỏi hơn về số lượng so với thực vật mà chúng ăn, trong khi đó vật ăn thịt có xu hướng ít hơn về số lượng nhưng to hơn về kích thước so v ới con mồi và tiêu thụ nhiều con trong chu kỳ sống của chúng. Như vậy, có một trật tự giảm dần về số lượng từ thực vật đến loài ăn 7 cỏ và đến loài ăn thịt qua bậc dinh dưỡng được biểu diễn bằng hình tháp, được gọi là tháp dinh dưỡng hay là tháp sinh thái. Người ta phân biệt ba loại tháp là tháp số lượng, tháp khối lượng và tháp năng lượng. Một tháp số lượng tồn tại với đáy là thực vật và vật tiêu thụ cuối cùng ở trên đỉnh (hình 1.4). Số lượng cá thể qua các bậc giảm dần từ đáy tới đỉnh. Tháp sinh khối (hay tháp khối lượng) của hệ sinh thái – ở đó sinh khối là thước đo lượng vật chất hữu cơ có trong hệ sinh thái. Như vậy, thay thế cho số các cá thể trên mỗi mét vuông, khối lượng của chúng (đo được bằng gam chất khô) trên mỗi mét vuông được dùng. Thường thường đó là một hình tháp nhưng như đã trình bày trên hình 1.5B không phải nó luôn luôn như vậy. Nguyên nhân của sự đặc dị này là do sinh khối được đ o tại một thời điểm cụ thể và chưa xem xét đến sự thay đổi số lượng cá thể trong một khoảng thời gian dài hơn, ví dụ vào tháng 1 sinh khối động vật ở eo biển Măng – sơ phần thuộc nước Anh nhiều hơn thực vật. Tuy nhiên đây chỉ là hiện tượng tạm thời của mùa đông. Nhìn chung toàn cảnh cho cả năm thì sinh khối trung bình của vật tự d ưỡng luôn lớn hơn của sinh vật tiêu thụ trong hệ sinh thái. Hình 1.5. Các tháp sinh khối Để đưa ra một trình bày chính xác về sự chuyển đổi vật chất từ bậc dinh dưỡng này sang bậc tiếp theo cần phải kể đến yếu tố thời gian cần cho tích luỹ vật chất mới. Sự so sánh có tính thực tế giữa các cơ thể sống khác nhau và các bậc dinh dưỡng khác nhau có thể thực hiện trên cơ sở năng suất. Tức là lượng vật chất hữu cơ được t ạo ra tính bằng gam chất khô trên mỗi m 2 hàng năm. Bởi vì giá trị năng lượng của vật chất như chất bột, chất đạm, chất béo khác nhau vì vậy để quy định đơn vị đo lường chung cho năng suất người ta chuyển “khối lượng khô” thành đương lượng năng lượng đo bằng KJ/m 2 /năm. Sử dụng những đơn vị đo ấy ta có được tháp năng lượng cho tất cả mọi lưới thức ăn ăn cỏ. Hình 1.6 là một ví dụ về tháp năng lượng của chuỗi thức ăn trong một cơ sở chăn nuôi bò. Nó thể hiện phương thức chuyển đổi năng lượng cũng như thải năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng. 8 Hình 1.6. Tháp năng lượng cho chuỗi thức ăn liên quan đến nuôi bò thịt 5.4 NĂNG LƯỢNG HỌC SINH THÁI Sự chuyển đổi vật chất được thể hiện qua các tháp sinh thái là liên tục; dòng năng lượng đi qua các bậc dinh dưỡng được bù đắp bằng năng lượng từ mặt trời, và nó mất đi chủ yếu do hô hấp và bức xạ nhiệt. Việc nghiên cứu động học của một hệ thống dòng năng lượng như vậy được gọi là năng lượng học sinh thái. L ượng năng lượng bức xạ mặt trời đến được một hệ sinh thái thay đổi tuỳ theo vĩ độ, khí hậu và thời gian trong năm. Hiệu qủa chuyển đổi từ năng lượng bức xạ Mặt trời ấy sang dạng năng lượng tiềm ẩn được cất giữ ở dạng hoá học do sinh vật sản xuất thực hiện có ý nghĩa quan trọng với m ọi thành viên của hệ sinh thái. Nó có thể được xác định bằng thu nhập và cân trọng lượng thực vật được sản sinh một khoảng thời gian ấn định. Năng lượng chứa trong lượng vật chất này có thể xác định bằng việc đốt nó trong bom nhiệt lượng. Các so sánh với tổng năng lượng bức xạ Mặt Trời thu được trong khoảng thời gian ấy cho thấy rằng chỉ có khoảng 0.5% nguồn n ăng lượng Mặt trời đầu vào được chuyển đổi sang dạng hoá học được lưu trữ để đáp ứng cho nhu cầu của sinh vật tiêu thụ mà thôi. Thật ra thì thực vật tiếp nhận năng lượng nhiều hơn con số đó, nhưng bản thân thực vật cũng phải tiêu dùng một phần năng lượng ấy vào sự hô hấp của chính mình. Năng suất riêng của m ột hệ sinh thái là thước đo phần năng lượng được cố định bởi thực vật dưới dạng hoá học có thể sử dụng cho sinh vật tiêu thụ. Năng suất biến thiên rộng tuỳ theo các hệ sinh thái khác nhau như hình 1.7 đã trình bày. 9 Hình 1.7. So sánh sức sản xuất nguyên ở các hệ sinh thái khác nhau Hình 1.8 trình bày dòng năng lượng động học tổng quát trong một hệ sinh thái điển hình. Trước tiên hãy xem xét những gì xảy ra với vật chất có tính quyết định năng suất riêng. Một phần năng lượng mà nó chứa đựng tiếp tục được lưu giữ trong các cấu trúc thực vật trên hoặc dưới đất. Phần còn lại sẽ tham gia vào lưới thức ăn thông qua việc ăn trực tiếp bởi loài ăn c ỏ. Cũng có thể nó được chuyển vào lưới thức ăn mảnh vụn hay ăn bám. Hình 1.8. Tóm tắt các dòng năng lượng chính của hệ sinh thái điển hình 10 Một dòng năng lượng đầu vào bổ sung có thể được đáp ứng cho vật tiêu thụ do sự di chuyển các cơ thể sống hay các hạt hữu cơ bị đẩy vào (hay thải vào) hệ sinh thái tuy vậy nguồn thu nhận năng lượng này nói chung cân bằng với phần thải năng lượng từ hệ sinh thái ra ngoài cũng theo cách tương tự. Một phần lớn năng lượng thâm nhập vào mỗi bậc dinh d ưỡng sẽ được dùng để duy trì hoạt động hô hấp và nó suy giảm giá trị nhanh chóng khi chuyển sang dạng nhiệt năng sẽ thất thoát khỏi hệ sinh thái. Như vậy cần nhấn mạnh là tồn tại một sự mất mát năng lượng lớn khi chuyển đổi giữa các bậc dinh dưỡng kế tiếp nhau. Sự mất mát năng lượng ấy có ý nghĩa về mặt kinh tế. Chẳng hạn như xét về mặt năng lượng thì thu hoạch trồng trọt cho một năng suất lớn hơn là chăn nuôi trâu bò trên cùng một đơn vị diện tích đất sử dụng. Nếu có các cố gắng làm giảm tối đa lượng thực vật cho trâu bò ăn sẽ làm tăng sản lượng trâu bò lên tới 7 lần trong một số trường hợp. Bằng một cách tương tự, một thực tiễn trái ngược là nên chă n giữ đàn gia súc trong một phạm vi nhỏ hẹp, không cho chúng tự do chạy nhảy để tiết kiệm một phần năng lượng, mà nếu không hao phí vào hô hấp và hoạt động. Đối với người nông dân một khía cạnh quan trọng còn là ở chỗ hiệu suất tăng trưởng. Sự lựa chọn giống cây và vật nuôi trong từng vùng sinh thái thích hợp theo hướng tuyển chọn các loài lớn nhanh và cho năng suất cao hơn. Ví dụ ở châu Á c ũng như ở Việt Nam người ta đã tìm ra giống lúa có thể trồng 3 vụ trong một năm thay vì chỉ có một vụ thôi. Các phương pháp canh tác hiện đại mang lại một năng suất cao hơn hẳn các hệ sinh thái tự nhiên. Tuy nhiên, lợi thu được giảm bớt mất mát vì sâu bệnh là ảo tưởng vì khoản năng lượng cần thiết đã được bổ sung thông qua phân bón và thuốc trừ sâu cũng như năng lượng b ơm nước làm thuỷ lợi và sưởi ấm gia súc. Năng lượng cũng cần thiết cho cày bừa cải tạo đất và cả khi thu hoạch nữa. Nguồn năng lượng chính để đáp ứng các nhu cầu trên chủ yếu là nhiên liệu lòng đất, cái mà đã được lưu trữ từ các hệ sinh thái trước đây. Thực tế tính toán cho thấy rằng canh tác hiện đại yêu cầu 9J nhiên liệu lòng đất để sản xuất ra 1J th ức ăn trong bữa ăn tối của chúng ta. Điều đó cho thấy rằng sản lượng tối đa thu được từ việc sử dụng đất không thể so sánh với việc dùng năng lượng một cách hiệu quả nhất. . tháp sinh thái: Trọng lượng, khối lượng và năng lượng. Trình bày được khái niệm về năng lượng sinh thái học và năng suất của các hệ sinh thái. 5. 1 SINH THÁI HỌC VÀ CÁC HỆ SINH THÁI Sinh thái. 6 5. 4 NĂNG LƯỢNG HỌC SINH THÁI 8 Chương 5. Năng lượng và các hệ sinh thái PGS. TS. Nguyễn Như Hiền Phần 3 SINH THÁI HỌC 3 Chương 5 NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC HỆ SINH THÁI. bản và tác giả. Mục lục Chương 5 NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC HỆ SINH THÁI 3 5. 1 SINH THÁI HỌC VÀ CÁC HỆ SINH THÁI 3 5. 2 CHUỖI THỨC ĂN, LƯỚI THỨC ĂN VÀ CÁC BẬC DINH DƯỠNG 3 5. 3 CÁC THÁP SINH THÁI