Báo cáo bài tập lớn môn sinh thái học Đề tài sự thích nghi của thực vật với Điều kiện môi trường khắc nghiệt Ở sa mạc nhiệt Đới

Lí do chọn đề tài: Bài tập lớn môn Sinh thái học với đề tài "Sự thích nghi của thực vật với điềukiện môi trường khắc nghiệt ở sa mạc nhiệt đới" là một đề tài hấp dẫn và giàu giá trịhọc t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

6 Huỳnh Ngọc Thảo Nguyên 231234

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài: -1

2 Đối tượng nghiên cứu: -1

3 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: -2

4 Kết cấu của đề tài: -2

NỘI DUNG 3

1 Sa mạc nhiệt đới -3

1.1 Khí hậu 4

1.2 Nhiệt độ và biên độ nhiệt 5

1.3 Bức xạ mặt trời và sự hấp thụ nhiệt 6

1.4 Lượng mưa và độ ẩm 7

1.5 Các dạng địa hình 8

1.6 Sự đa dạng về thực vật 9

2 Sự thích nghi của thực vật trong điều kiện khắc nghiệt ở môi trường sống này 12 2.1 Cơ chế dự trữ và hạn chế mất nước 12

2.1.1 Dự trữ nước 12

2.1.2 Hạn chế mất nước 14

2.2 Chịu nhiệt 16

2.3 Cơ chế rút ngắn thời gian sinh trưởng và phân bố rộng 17

2.4 Quang hợp thích nghi 18

2.5 Cơ chế chuyển hoá axit Crassulacean 20

2.6 Các dặc điểm khác 21

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sự phân bố của các sa mạc nhiệt đới 4

Hình 1.2: Thung lũng Mặt trăng ở Atacama, Chile 4

Hình 1.3: Sa mạc đỏ Namib ở Nambia 5

Hình 1.4: Sa mạc Thar 5

Hình 1.5: Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ trung bình tháng của Cairo, Ai Cập (1970-2000) (Nguồn: NASA Earth Observatory) 6

Hình 1.6: Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ trung bình tháng của Calama, Chile (Nguồn: NASA Earth Observatory) 6

Hình 1.7: Biểu đồ chiếu xạ trực tiếp bình thường (Nguồn: Solar resource map © 2021 Solargis) 8

Hình 1.8: Sự xuất hiện của các hồ nước giữa những cồn cát ở Sahara 9

Hình 1.9: Cồn cất Lala Lallia trên sa mạc Sahara ở Erg Chebbi 10

Hình 2.1: Thảm thực vật ở sa mạc Kalahari 11

Hình 2.2: Hoa tím nở rộ trên sa mạc Atacama ngày 6/7/2024 11

Hình 2.3: Một cây bách lan có tuổi thọ khoảng 1.500 tuổi ở sa mạc Namib 12

Hình 2.4: Gai của cây xương rồng và sự ngụy trang của cây xương rồng nở hoa đêm 13

Hình 2.5: Cây chamise ( Adenostoma fasciculatum ) và xương rồng octillo 14

Hình 2.6: Cây thùa (agave) với lớp sáp phủ trên lá ngăn ngừa mất nước 15

Hình 2.7: Cây xương rồng saguaro 16

Hình 2.8: Gel của cây lô hội 16

Hình 2.9: Quả và cây mesquite 17

Hình 3.1: Lá của cây Encelia farinosa được phủ một lớp lông tơ màu trắng 18

Hình 3.2: Hoa Cinchweed 19

Hình 3.3: Chu trình Canvin 20

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài:

Bài tập lớn môn Sinh thái học với đề tài "Sự thích nghi của thực vật với điềukiện môi trường khắc nghiệt ở sa mạc nhiệt đới" là một đề tài hấp dẫn và giàu giá trịhọc thuật, giúp chúng em khám phá sâu hơn về thế giới thực vật Sa mạc nhiệt đới, vớiđiều kiện nhiệt độ cực cao và lượng mưa hiếm hoi, là một trong những môi trườngkhắc nghiệt nhất trên Trái Đất Tuy nhiên, chính trong điều kiện khắc nghiệt này,nhiều loài thực vật đã phát triển những chiến lược thích nghi độc đáo để sinh tồn Việcnghiên cứu những cơ chế này mở ra cơ hội để chúng em hiểu rõ hơn về khả năng sinhtồn của thực vật trong môi trường thách thức

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc nghiên cứu sựthích nghi của thực vật với môi trường sa mạc trở nên càng quan trọng Những kiếnthức này có thể giúp chúng ta ứng phó với những biến đổi khí hậu tương lai, đặc biệttrong việc phát triển các mô hình nông nghiệp bền vững ở những khu vực chịu hạnhán

Ngoài ra, đề tài này không chỉ mở rộng hiểu biết về sinh thái học, mà còn giúpchúng em nhận thức sâu sắc hơn về vai trò của thực vật trong hệ sinh thái sa mạc.Thực vật ở đây không chỉ đặc biệt ở khả năng sinh tồn mà còn có vai trò quan trọngtrong việc duy trì cân bằng sinh thái và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên Hiểu biết sâuhơn về sự thích nghi này giúp chúng em có thêm kiến thức thực tiễn để bảo tồn những

hệ sinh thái quý giá

Cuối cùng, đề tài này thực sự hấp dẫn bởi nó vừa mang lại những khám phá thú

vị, vừa giúp chúng em thỏa mãn niềm đam mê nghiên cứu khoa học Việc tìm hiểu vềcách thực vật đối mặt và tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt không chỉ mở rộngtri thức về sinh học và sinh thái, mà còn truyền cảm hứng để chúng em tiếp tục theođuổi lĩnh vực nghiên cứu này

2 Đối tượng nghiên cứu:

Sự thích nghi của thực vật với yếu tố môi trường khắc nghiệt trong sa mạc nhiệt đới.

3 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:

Tìm hiểu, phân tích, trình bày về những đặc trưng khắc nghiệt của môi trường;khả năng thích ứng của động thực vật với môi trường khác nghiệt của sa mạc vùngnhiệt đới

4 Kết cấu của đề tài:

NỘI DUNG

1 Sa mạc nhiệt đới

Sa mạc là một khu vực hoang mạc rộng, bằng phẳng được bao phủ bởi cát cuốntheo gió, có khí hậu và điều kiện sống khắc nghiệt với lượng mưa rất thấp và có rất íthoặc không có thảm thực vật Dựa theo vĩ độ, sa mạc nhiệt đới, là sa mạc phân bốtrong vùng áp cao nhiệt đới, giữa vĩ tuyến 15 đến vĩ tuyến 30 ở cả Nam và Bắc báncầu

Hình 1.1: Sự phân bố của các sa mạc nhiệt đới

Một số sa mạc nhiệt đới trên thế giới: Sa mạc Sahara Bắc Phi, sa mạc Ả RậpTây Nam Á, sa mạc Atacama ở Chile, sa mạc Kalahari và sa mạc Namib ở Nam Phi,…Trong đó, sa mạc Sahara là sa mạc nóng lớn nhất thế giới với diện tích hơn 9.000.000

km2 trải dài qua lãnh thổ của hơn 10 quốc gia ở Bắc Phi

Hình 1.2: Thung lũng Mặt trăng ở Atacama, Chile

Yếu tố quan trọng tác động đến việc hình thành kiểu khí hậu ở sa mạc nhiệt đới là

sự hiện diện quanh năm của áp cao cận nhiệt đới và tính lục địa Điều này đã khiến khíhậu nơi đây trở nên khắc nghiệt và là thách thức cho các sinh vật để tồn tại

Hình 1.5: Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ trung bình tháng của Cairo, Ai Cập

(1970-2000) (Nguồn: NASA Earth Observatory)

Hình 1.6: Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ trung bình tháng của Calama, Chile

(Nguồn: NASA Earth Observatory)

1.2 Nhiệt độ và biên độ nhiệt

Sa mạc nhiệt đới có nhiệt độ trung bình hàng ngày cao nhất trên Trái Đất Banngày, phạm vi nhiệt độ trung bình vào khoảng từ 30℃ đến 40℃ Ở những vùng có vĩ

độ thấp, nhiệt độ trung bình có thể lên tới từ 40℃ đến trên 50℃ vào ban ngày và giảmxuống khoảng 5℃ vào ban đêm Nhiệt độ cao nhất từng đo được ở sa mạc Sahara là

57.7℃ (136℉) vào năm 1922 Nhiệt độ trung bình hàng năm của sa mạc nhiệt đớithường dao động từ 20°C đến 30°C

Sự thay đổi giữa nhiệt độ ban ngày và nhiệt độ ban đêm rất lớn Điều này dẫn đếnbiên độ nhiệt dao động mạnh Để giải thích cho hiện tượng này là do cát và độ ẩmkhông khí Cát không giữ nhiệt tốt Khi ánh sáng mặt trời chiếu xuống sa mạc, các hạtcát ở lớp trên cùng hấp thụ năng lượng bức xạ, đồng thời giải phóng nhiệt trở lạikhông khí, khiến nhiệt độ tăng cao vào ban ngày Khi đêm xuống, hầu hết nhiệt lượngtrong cát nhanh chóng tỏa ra môi trường xung quanh Vì ban đêm không có nhiệtlượng từ ánh sáng Mặt Trời khiến cho nhiệt độ nơi đây giảm xuống vào ban đêm Tuynhiên, nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ nghiêm trọng là không khí ở samạc rất khô Ở các sa mạc khô cằn như sa mạc Sahara và sa mạc Atacama ở Chile, độ

ẩm - lượng hơi nước trong không khí - thực tế là bằng không, và không giống như cát,nước có khả năng lưu trữ nhiệt rất lớn Hơi nước trong không khí giữ nhiệt sát mặt đấtgiống như một tấm chăn khổng lồ vô hình và ngăn nó tản ra khí quyển Không khí có

độ ẩm cao cũng cần nhiều năng lượng hơn để nóng lên, có nghĩa là cũng cần nhiềuthời gian hơn để năng lượng đó tiêu tán và môi trường xung quanh hạ nhiệt Do

đó, tình trạng thiếu độ ẩm ở các sa mạc cho phép những nơi khô cằn này nhanh chóngnóng lên nhưng cũng nhanh chóng nguội lạnh

1.3 Bức xạ mặt trời và sự hấp thụ nhiệt

Sa mạc nhiệt đới là một trong những khu vực có cường độ bức xạ Mặt Trời caonhất trên thế giới Sa mạc nhiệt đới phân bố xung quanh đường chí tuyến và gần xíchđạo, do cấu trúc hình cầu và độ nghiêng nhẹ của Trái Đất so với trục thẳng đứng, đãtạo điều kiện giúp nơi đây nhận được lượng lớn ánh sáng từ Mặt Trời Sa mạc Sahara

có khoảng từ 3800 đến 4000 giờ nắng mỗi năm Theo một nghiên cứu được công bốvào ngày 3/7/2023 trên tạp chí Hiệp hội Khí tượng Mỹ, điểm nắng nhất trên Trái đất làcao nguyên Altiplano của sa mạc Atacama, một cao nguyên khô cằn gần dãy núi

Andes ở Chile Các nhà khoa học đã đo được kỷ lục thế giới về bức xạ Mặt trời tại caonguyên này là 2.177 watt trên một mét vuông, so với bức xạ ở đỉnh bầu khí quyển củaTrái đất xấp xỉ 1.360 watt trên một mét vuông Việc không có mây và thảm thực vậtche phủ khiến bề mặt đất ở các vùng sa mạc hấp thụ nhiều năng lượng mặt trời hơn,làm cho nhiệt độ bề mặt tăng cao vào ban ngày và giảm rất nhanh vào ban đêm.

Hình 1.7: Biểu đồ chiếu xạ trực tiếp bình thường (Nguồn: Solar resource map © 2021

Solargis)

1.4 Lượng mưa và độ ẩm

Ở vùng sa mạc nhiệt đới có lượng mưa rất ít và thất thường Các sa mạc ở vĩ độthấp có lượng mưa trung bình thấp hơn 250mm/năm Một số sa mạc nhiều năm không

có mưa vì chúng nằm cách xa đại dương và nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng mạnh

mẽ của khối khí áp suất cao Độ ẩm nơi đây tương đối thấp - chưa tới 40 càng làmtăng thêm tính khô cằn của sa mạc

Với vị trí địa lý nằm trong vùng áp cao cận nhiệt đới Áp suất khí quyển rất cao ởnhững khu vực này khiến gió bị đẩy xuống bề mặt Trái Đất làm nước không thể bốchơi để hình thành mây Việc không có mây nên không thể tạo mưa khiến cho các samạc càng trở nên khô cằn

Sa mạc Atacama được ghi nhận là sa mạc khô cằn nhất trên thế giới với lượngmưa ước tính không quá 1mm/năm Theo phân tích của các nhà khoa học, từ năm

1570 đến năm 1971, sa mạc Atacama không có mưa nhiều Thậm chí một số khu vựctại đây chưa từng xuất hiện một giọt mưa

Tuy nhiên hiện nay có sự biến động khí hậu của các sa mạc như lượng mưa caobất thường của Sahara Từ tháng 9/2024, các khu vực rộng lớn của sa mạc Sahara ởMorocco, Algeria, Tunisia và Libya đã đón nhận lượng mưa kỷ lục Vài nơi ở Saharađược dự đoán có lượng mưa cao gấp 5 lần mức trung bình so với tháng 9 hàng năm.Mưa nặng hạt đến mức một số vùng khô hạn gặp gió mùa và ngập lụt

Hình 1.8: Sự xuất hiện của các hồ nước giữa những cồn cát ở Sahara

1.5 Các dạng địa hình

Đặc điểm độc đáo của sa mạc chính là sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêmlớn Sự thay đổi nhiệt độ đột ngột này gây áp lực lên các kiến trúc đá của khu vực,khiến chúng nứt vỡ ra Quá trình này kết hợp với những cơn gió khô thường trực trong

sa mạc tiếp tục gây nên sự xói mòn Điều này lặp đi lặp lại trong nhiều thiên niên kỷhình thành nên rất nhiều cát trong sa mạc Do sự tương tác của các yếu tố địa chất vàkhí hậu, cũng như các quá trình lắng đọng và phong hóa, sa mạc đã hình thành nên cácdạng địa hình độc đáo như: đụn cát, cồn cát, cao nguyên đá,…Các cồn cát có thể caohàng chục, hàng trăm mét và liên tục thay đổi hình dáng do gió

Hình 1.9: Cồn cất Lala Lallia trên sa mạc Sahara ở Erg Chebbi

1.6 Sự đa dạng về thực vật

Sa mạc nhiệt đới là vùng có khí hậu khô cằn và nóng nhất trên hành tinh Điều này

đã tạo nên thách thức đối với các loài thực vật để có thể thích nghi và tồn tại ở khu vựcnày Thực vật ở sa mạc đã phát triển nhiều cơ chế để có thể sống sót ở điều kiện môitrường khô hạn và cực đoan, ví dụ như các cơ chế lưu trữ và giảm thiểu mất nước, pháttriển hệ rễ sâu, thực hiện các quá trình chuyển hoá năng lượng hiệu quả,…Chính vìthế, dù có các điều kiện khắc nghiệt, sa mạc nhiệt đới cũng có sự đa dạng về các loàithực vật đáng kinh ngạc Ví dụ như sa mạc Sahara là nơi sinh sống của hơn 500 loàithực vật, bao gồm các loài xương rồng, cây bụi, và cây cỏ, hay sa mạc Kalahari có trên

400 loài thực vật; ở sa mạc Namib có khoảng 1.000 loài thực vật, với nhiều loài độcđáo như Welwitschia mirabilis (Bách lan).

Hình 2.1: Thảm thực vật ở sa mạc Kalahari

Hình 2.2: Hoa tím nở rộ trên sa mạc Atacama ngày 6/7/2024

Hình 2.3: Một cây bách lan có tuổi thọ khoảng 1.500 tuổi ở sa mạc Namib

2 Sự thích nghi của thực vật trong điều kiện khắc nghiệt ở môi trường sống này

Với môi trường vô cùng khắc nghiệt như nhiệt độ cao, khí hậu khô hạn quanh năm,thiếu nguồn nước, đất nghèo dinh dưỡng, ở các nhóm thực vật vùng sâ mạc nhiệtđới đã hình thành một số các đặc điểm và cơ chế thích nghi với điều kiện môitrường khắc nghiệt ở đó,từ đó nó có thể sống sót và phát triển

2.1 Cơ chế dự trữ và hạn chế mất nước

2.1.1 Dự trữ nước

Để bảo vệ lượng nước dự trữ trong cây ở môi trường khô cằn khỏi các loài độngvật ăn thực vật thì hầu hết các loài thực vật sẽ có gai hoặc có độc, thông thường cácloài thực vật sẽ có cả hai đặc tính này Ngoài ra, một số loài sẽ tự bảo về bằng cách chỉmọc ở những nơi không thể tiếp cận, một số loài khác lại dựa vào khả năng ngụytrang Ví dụ điển hình là loài cây xương rồng nở hoa đêm Arizona rất giống với thâncây khô của các cây bụi mà nó mọc trên

Một trong những loài thực vật đặc trưng ở sa mạc mà ta dễ bắt gặp nhất đó chính làloài cây xương rồng Hình dạng của cây xương rồng đóng vai trò trong khả năng tiếtkiệm nước của nó Hầu hết các cây xương rồng đều có hình trụ, có nghĩa là chúng cóphần gốc hẹp và phần ngọn rộng Hình dạng này giúp cây giảm thiểu diện tích bề mặt

để lượng nước ít bị mất đi trong quá trình bốc hơi

Hình 2.4: Gai của cây xương rồng và sự ngụy trang của cây xương rồng nở hoa đêm

Các loại cây khác chẳng hạn như cây chamise ( Adenostoma fasciculatum ), có lánhỏ, dày và cứng So với lá mỏng, rộng, hình dạng này của lá giúp làm giảm tỷ lệ diệntích bề mặt trên thể tích của lá và do đó giảm khả năng mất nước Lá của cây xươngrồng Ocotillo không được tạo ra hoặc chỉ được tạo ra vào những thời điểm ẩm ướttrong năm khi lượng nước mất đi ít hơn thời điểm khô hạn Ocotillo thường sẽ tạo ranhững chiếc lá mảnh dài một hoặc hai inch khoảng bốn hoặc năm lần một năm sau mộttrận mưa lớn, sau đó rụng ngay sau hai hoặc ba tuần khi điều kiện khô hạn trở lại.

Hình 2.5: Cây chamise ( Adenostoma fasciculatum ) và xương rồng octillo

Ở một số loài thực vật sa mạc, lớp biểu bì của chúng được phủ một chất sáp gọi

là lớp cutin Lớp cutin này được tiết ra bởi lớp biểu bì ở mặt trên của lá vì đây là mặthướng về Mặt trời nên có nhiều khả năng bị nóng và thất thoát nước hơn Nếu nhiệt độhoặc gió quá cao, thì cây sẽ bắt đầu mất nước qua lớp biểu bì trên và lớp cutin làmgiảm sự mất nước này nhờ vào cutin polyme và các loại sáp thực vật khác được tổnghợp bởi các tế bào biểu bì Các chất này giúp ngăn ngừa sự mất nước không mongmuốn và sự xâm nhập của các chất hòa tan không cần thiết Thành phần và độ dày cụthể của lớp biểu bì thay đổi tùy theo loài thực vật và môi trường Một ví dụ cho loàithực vật có chức năng này, đó là cây thùa (agave) - một trong những loại cây có lớpsáp này trên lá giúp ngăn ngừa sự mất nước

Hình 2.6: Cây thùa (agave) với lớp sáp phủ trên lá ngăn ngừa mất nước

2.1.2 Hạn chế mất nước

Thực vật CAM là một trong những nhóm thực vật có cơ chế quang hợp đặc biệtgiúp chúng có khả năng thích nghi với môi trường khắc nghiệt như sa mạc Nhóm thựcvật này có một đặc tính quan trọng, là khả năng giảm tải quá trình trao đổi chất trongthời gian hạn hán Khi thực vật CAM bị thiếu nước, khí khổng đóng cả ngày lẫn đêm;quá trình trao đổi khí và nước gần như ngừng hẳn Tuy nhiên, thực vật vẫn duy trì mứcchuyển hóa thấp trong khi vẫn giữ được độ ẩm trong các mô của chúng (giúp cây tiếtkiệm năng lượng và nước, đồng thới ngăn ngừa hiện hiện tượng thoát hơi nước quámức) Sau khi mưa, nước sẽ tập trung ở bề mặt đất và lá cây, thực vật CAM với khảnăng hấp thụ nước hiệu quả để cung cấp độ ẩm cho các mô giúp cây có thể phục hồitiếp tục tăng trưởng hoàn toàn trong vòng 24 đến 48 giờ

Ngoài đặc tính về quang hợp, giới thực vật ở sa mạc nhiệt đới còn có một số cáchkhác để giúp để tích trữ lượng nước ở thực vật như lấy nước rất nhiều ở một thời điểmsau đó tích trữ ở trong thân thể

Cây xương rồng saguaro có khả năng dự trữ nước trong thân cây dày của nó Thâncây đóng vai trò như một nguồn dự trữ nước và có thể chứa một lượng lớn nước.Trong thời gian hạn hán, saguaro sử dụng nguồn dự trữ này và do đó, có thể tồn tạitrong thời gian dài mà không có nước Một cây xương rồng saguaro trưởng thành cóthể trữ được 5000 lít nước nhờ có cấu trúc nếp gấp chạy dọc thân và các nhánh Khi có