sinh thái học môi trường

Theo luật Bảo vệ môi trường Việt Nam năm 2005, “Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sảnxuất, sự tồn tại, phát triể

I MÔI TRƯỜNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG

1 Môi trường và các khái niệm về môi trường

Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa về môi trường nói chung và môi trường sốngcủa con người nói riêng (định nghĩa của Masn và Langenhim, 1957; của Joe Whiteney,1993; định nghĩa theo từ điển Larouse; định nghĩa theo Lê Huy Bá – Lâm Minh Triết,2002…)

Khái quát, môi trường của một vật thể hoặc một sự kiện là tổng hợp các điều kiệnbên ngoài có ảnh hưởng đên vật thể và sự kiện đó Bất cứ một vật thể, một sự kiện nàocũng tồn tại và diễn biến trong môi trường Nói đến môi trường là nói đến là nói đếnmôi trường của của vật thể, của sự kiện nhất định Khái niệm chung như vậy về môitrường được cụ thể hoá đối với từng đối tượng và mục đích nghiên cứu Khi nghiêncứu về các cơ thể sống, đặc biệt trong thời đại ngày nay, người ta quan tâm đến “môitrường sống của con người”

Hội nghị Liên hiệp quốc về môi trường nhân văn (Stockholm, 1972) định nghĩa:

“Môi trường là không gian vật chất nơi con người sinh sống”

Theo luật Bảo vệ môi trường Việt Nam năm 2005, “Môi trường bao gồm các yếu tố

tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sảnxuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật.”

Theo định nghĩa của UNESCO (1981) thì môi trường của con người bao gồm toàn

bộ các hệ thống tự nhiên và các hệ thống do con người tạo ra (kể cả tập quán, niềmtin…), trong đó con người sống và lao động, họ khai thác tài nguyên thiên nhiên vànhân tạo nhằm thoả mãn nhu cầu của mình Như vậy môi trường sống đối với conngười không chỉ là nơi tồn tại, sinh trưởng và phát triển cho một thực thể sinh vật vàcon người mà còn là “khung cảnh của cuộc sống, của lao động và sự vui chơi giải trícủa con người”(dẫn theo Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002)

Tổng quát có thể xem môi trường sống của con người là vũ trụ, mọi biến đổi trong

vũ trụ đều có thể ảnh hưởng đến con người Cụ thể, có thể xem xét môi trường sốngcủa con người là tổng hợp các điều kiện vật lý, hóa học, sinh học và xã hội bao quanh

và có ảnh hưởng đến đời sống và sự phát triển của các cá nhân và cộng đồng người Cũng có thể phân loại môi trường dựa theo nguồn gốc, bao gồm môi trường tự nhiên(Natural environment) và môi trường nhân tạo (Artificial environment) hoặc dựa theotính chất sống, bao gồm môi trường vật lý (Physical environment) và môi trường sinhhọc (Biological environment) (Lê Huy Bá, 2002)

Qua những trình bày ở trên, có thể thấy rằng “môi trường” là một khái niệm rộng,chứa đựng nôi dung phong phú và đa dạng Nếu không xác định rõ có thể gây nênnhững sự lầm lẫn hoặc nhận thức mơ hồ

Cấu trúc và các mối quan hệ giữa các thành phần môi trường

Trong môi trường luôn có sự tồn tại và tương tác giữa các hệ thống vô sinh và các hệthống hữu sinh Theo Lê Trình (2000) cấu trúc của môi trường tự nhiên gồm 2 thànhphần cơ bản: môi trường vật lý và môi trường sinh vật

- Môi trường vật lý (physical environment) là thành phần vô sinh của môi trường tựnhiên (bao gồm thạch quyển, thuỷ quyển và khí quyển)

- Môi trường sinh vật (biological environment) là thành phần hữu sinh của môi trường.Môi trường sinh vật bao gồm các hệ quần thể, quần xã sinh vật Môi trường sinh vật

tồn tại và phát triển phụ thuộc vào đặc điểm của các thành phần môi trường vật lý vàkhông thể tách rời môi trường vật lý.

Về mặt vật lý, môi trường gồm thạch quyển (litosphere) chỉ phần rắn của trái đất (từmặt đất xuống đến độ sâu 40 km), thuỷ quyển (hydrosphere) được tạo nên bởi các đạidương, ao hồ, sông suối và các thủy vực khác, khí quyển (atmosphere) với không khí

và các loại khí khác bao quanh trái đất Ba quyển này gồm các thành phần vô sinh(không có tính chất sống) cấu thành bởi các nguyên tố vật chất và chứa đựng nănglượng dưới các dạng khác nhau

Về mặt sinh học, trên trái đất có sinh quyển (biosphere) bao gồm các cơ thể sống vànhững bộ phận của thạch, thuỷ, khí quyển tạo nên môi trường cho các cơ thể sống này.Như vậy sinh quyển gồm các thành phần hữu sinh (có tính chất sống) và thành phần vôsinh quan hệ chặt chẽ với nhau và tương tác qua lại phức tạp Khác với quyển vật lý vôsinh, sinh quyển ngoài vật chất và năng lượng còn chứa các thông tin sinh học với tácdụng duy trì cấu trúc, cơ chế tồn tại và phát triển của các dạng vật chất sống Dạngthông tin phức tạp và phát tiển cao nhất là trí tuệ con người Chính trí tuệ tác độngngày càng mạnh mẽ đến sự tồn tại của trái đất Những biến đổi to lớn sâu rộng hiện naytrên hành tinh chúng ta đều do trí tuệ con người tạo ra, vì vậy ngày nay người ta đãthừa nhận sự tồn tại một quyển mới là trí quyển (noosphere), bao gồm các bộ phận trêntrái đất, tại đó có sự tác động của trí tuệ con người

a Môi trường toàn cầu

Nếu chúng ta xem hành tinh ta đang ở, trái đất, là một môi trường sinh thái thì đây làmột môi trường vĩ mô đúng nghĩa, bao gồm nhiều yếu tố trong một thể thống nhất Cácyếu tố này có quan hệ chặt chẽ với nhau trong lịch sử hình thành và phát triển củamình Sự phát triển và tiến hóa của hành tinh chúng ta thông qua các quy luật nhất địnhcủa địa chất thủy văn, khí hậu, thời tiết…để ngày một hoàn thiện hơn Mối liên hệ giữacác thành phần môi trường ngày càng trở nên chặt chẽ để tạo nên một cơ cấu nhất định,dần đi vào thế ổn định

Lịch sử phát triển trái đất được đánh dấu bởi hai mốc cơ bản: sự xuất hiện sự sống

và sự xuất hiện con người và xã hội loài người

- Trước khi sự sống xuất hiện: Giai đoạn này địa cầu tồn tại với các điều kiện hoạtđộng phi sinh vật Môi trường chỉ bao gồm “đất”, nước, các loại khí, bức xạ mặttrời…Qua quá trình tồn tại hàng tỷ năm, trái đất và môi trường bao quanh đã sản sinh

ra oxy với một lượng không lớn lắm Đây là kết quả của các quá trình hóa học hoặchóa lý đơn thuần Sau đó là quá trình hình thành ozone Dần dần lớp ozone dày lênngăn cản sự xâm nhập mạnh mẽ của tia tử ngoại (UV) tạo cơ hội cho sự sống xuất hiện

và tồn tại

- Từ khi sự sống xuất hiện: Môi trường toàn cầu chuyển sang một giai đoạn mới Môitrường đã có hai phần tuy chưa rõ ràng: phần vô sinh và phần hữu sinh Tuy nhiên quátrình hô hấp chưa hình thành và năng lượng được tạo ra qua con đường lên men Từnhững sinh vật này, thông qua chọn lọc tự nhiên, đã tạo ra những sinh vật đầu tiên cókhả năng quang hợp (là những thực vật đơn giản có khả năng hấp thụ CO2, H2O và tạo

ra O2nhờ diệp lục và năng lượng ánh sáng mặt trời) Điều này đã tạo nên sự biến đổisâu sắc về môi trường sinh thái trái đất Nhờ sự xuất hiện của thực vật có diệp lục màO2 gia tăng nhanh chóng Từ đó kéo theo sự xuất hiện hàng loạt sinh vật khác Lượng

O2 gia tăng nhanh chóng để tạo ra O3 và tầng ozone, nhờ đó tầng này xuất hiện dày lên

đủ để bảo vệ cho sự sống phát triển đa dạng về thành phần và phong phú về số lượng,

cả trên cạn lẫn dưới nước Trên cơ sở này các quyển được hình thành Sự xuất hiện củaloài người sau đó và qua quá trình tiến hóa đã làm cho môi trường sinh thái trái đất có

sự phong phú vượt bậc: bên cạnh chọn lọc tự nhiên đã xuất hiện hệ sinh vật phát triểntheo hướng chon lọc nhân tạo Từ đây thành phần môi trường không chỉ vô sinh và hữusinh mà còn cả con người với hoạt động sống của con người đến các dạng môi trườngnhân tạo (các môi trường này lấy con người làm trung tâm)

b Môi trường thành phần

Hiện nay có rất nhiều quan điểm khác nhau khi phân loại môi trường Các thànhphần môi trường có thể được xem xét dựa trên nguồn gốc, dựa trên tính chất sống, dựatheo tài nguyên…Theo các quyển cấu tạo, môi trường sống bao gồm:

- Thạch quyển: có thể xem một phần vỏ trái đất là thạch quyển (40 km từ trên bề mặtlục địa) Theo Lê Huy Bá (2000), thạch quyển khác với môi trường đất (soilenvironment) chỉ môi trường đất trong phạm vi vỏ phong hóa, nghĩa là từ lớp đá mẹ lênmặt đất và bề mặt của nó Môi trường đất thường xuống đến 2 –3 m, trừ vùng đấtbazalte có thể xuống đến 10 m

Thạch quyển là một môi trường nhưng biến động của môi trường này khó bị pháthiện Khi tác nhân đã xâm nhập, ô nhiễm vượt qua khả năng tự làm sạch của đất thì rấtkhó giải quyết Tuy nhiên, hiện nay con người vẫn xem thường hoặc ít quan tâm đếnmôi trường này

Hình 1: Sơ đồ các lớp vỏ ngoài của trái đất Hình 2: Sơ đồ các lớp từ vỏ đến nhân trái đất

(Nguồn:http://www.enchantedlearning.com)

- Thủy quyển: bao gồm tất cả các phần nước của trái đất Thủy quyển là một thànhphần không thể thiếu của môi trường sinh thái toàn cầu, nước duy trì sự sống cho conngười và sinh vật Môi trường nước cũng tuân theo những quy luật biến đổi, theo cácchu trình năng lượng Nước vừa là thành phần cấu tạo nên vật chất sống, vừa là môitrường cung cấp vật chất nuôi sống sinh vật và duy trì các hoạt động của sinh vật

- Khí quyển: còn gọi là môi trường không khí Khái niệm này được giới hạn trong lớpkhông khí bao quanh trái đất Khí quyển chia ra làm nhiều tầng:

• Tầng đối lưu (Troposhere): từ 0 –10÷12 km Trong tầng này nhiệt độ và áp suấtgiảm theo độ cao do không khí loãng dần

• Tầng bình lưu (Stratosphere): từ 10 – 50 km Trong tầng này nhiệt độ tăng dần Lớpozone nằm ở đỉnh tầng bình lưu.

• Tầng trung lưu (Mesosphere): từ 50 – 90 km Trong tầng này nhiệt độ giảm dầntheo độ cao và đạt đến điểm cực lạnh -90oC đến -100oC

• Tầng ngoài (Thermosphere): từ 90 km trở lên Trong tầng này không khí cực loãng

và nhiệt lại tăng dần theo độ cao

Hình 3: Cấu trúc khí quyển Hình 4: Cấu trúc thạch quyển

(Nguồn: http://encarta.msn.com/media_461517631/Divisions_of_the_Atmosphere.html ) Trong các tầng trên thì tầng đối lưu có tính quyết định đối với môi trường sinh tháitoàn cầu Không khí ở tầng đối lưu có thành phần hầu như không đổi: 78% nitơ,20,95% oxy, 0,93% argon, 0,03% dioxyt carbon, 0,02% neon, 0,005% heli Lượng hơinước bão hòa trong tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, ngoài ra còn có các vi sinhvật, các bào tử nấm Các quá trình biến đổi thời tiết – khí hậu diễn ra mạnh nhất trongtầng này

- Sinh quyển: còn gọi là môi trường sinh học Sinh quyển bao gồm những phần của sựsống từ núi cao đến đại dương, từ lớp không khí có oxy đến những vùng địa quyển(thạch quyển) Thật sự thì ranh giới giữa sinh quyển và các quyển vật lý không rõ ràng

và khó xác định, do vậy sự phân chia này chỉ có tinh chất tương đối và có tính kháiniệm

Đặc trưng cho hoạt động của sinh quyển là các chu trình trao đổi vật chất và trao đổinăng lượng Đó là các chu trình Sinh - Địa – Hóa (chu trình vật chất) và đi đôi với cácchu trình Sinh - Địa – Hóa là sự chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng mặt trời Dựa vàocác chu trình vật chất và sự chuyển hoá năng lượng này mà sự sống được ổn định vàphát triển tạo điều kiện cho môi trường sinh thái trái đất ở trạng thái cân bằng Tuynhiên, do sự ổn định và phát triển của sự sống mà cân bằng của môi trường sinh tháitrái đất là cân bằng động

2 Các chức năng của môi trường và các thách thức môi trường hiện nay và ở quy

mô toàn cầu

2.1 Các chức năng chủ yếu của môi trường

Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), đối với sinh vật nói chung và con ngườinói riêng thì môi trường sống có các chức năng chủ yếu sau: (hình 5)

Hình 5: Các chức năng chủ yếu của môi trường (Nguồn: Lê Văn Khoa và các tác giả,2002)

a Môi trường là không gian sinh sống cho con người và sinh vật (habitat)

Trong cuộc sống hàng ngày mỗi người đều cần một không gian nhất định để phục vụcho các hoạt động sống như: nhà ở, đất để sản xuất nông nghiệp, không gian cho xâydựng các công trình…Trung bình mỗi ngày mỗi người cần khoảng 4 m3 không khí sạch

để thở; 2,5 l nước để uống; một lượng thực phẩm tướng ứng 2.000 – 2.400 kcal Cácyêu cầu này đòi hỏi môi trường phải có một phạm vi không gian thích hợp cho mỗi conngười Đồng thời không gian này phải đạt những tiêu chuẩn nhất định về các yếu tố vật

lý, hóa học, sinh học, cảnh quan và xã hội Yêu cầu về không gian sống của con ngườithay đổi theo trình độ khoa học và công nghệ Trình độ phát triển càng cao thì nhu cầu

về không gian sản xuất càng giảm Trên thực tế diện tích không gian sinh sống bình quân của con người trên trái đất ngày càng bị thu hẹp Tuy nhiên, trong việc sử dụng

không gian sống và quan hệ với thế giới tự nhiên, có một tính chất mà con người cần

chú ý là tính chất tự cân bằng, nghĩa là khả năng của các hệ sinh thái có thể gánh chịu

trong điều kiện khó khăn nhất Theo Lê Huy Bá (2000), để xem xét tải lượng mà môitrường phải gánh chịu, đã xuất hiện những chỉ thị cho tính bền vững liên quan đếnkhông gian sống của con người:

Khoảng sử dụng môi trường (environmental use space): tổng các nguồn tài nguyên

thiên nhiên có thể được sử dụng hoặc những ô nhiễm có thể phát sinh để đảm bảo mộtmôi trường lành mạnh cho các thế hệ hôm nay và mai sau

Dấu chân sinh thái (ecological footprint): được phân tích dựa trên định lượng tỷ lệ

giữa tải lượng của con người lên một vùng nhất định và khả năng của vùng để duy trìtải lượng đó mà không làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên thiên nhiên Giá trị này đượctính bằng diện tích đất sản xuất hữu hiệu (đất trồng trọt, đồng cỏ, rừng, ao hồ, đạidương…) và cộng thêm 12% đất cần được dự trữ để bảo vệ đa dạng sinh học

Như vậy, môi trường là không gian sinh sống của con người và có thể phân loạichức năng không gian sống của con người thành các dạng cụ thể sau:

Môi trường

Không gian sống của

con người và sinh vật

Nơi lưu trữ và cung

cấp các nguồn thông

tin

Nơi chứa đựng các phế thải do con người

tạo ra Nơi chứa đựng các nguồn tài nguyên

- Chức năng xây dựng: cung cấp mặt bằng.

- Chức năng vận tải: cung cấp mặt bằng và khoảng không gian cần thiết cho hoạt độnggiao thông

- Chức năng sản xuất: cung cấp mặt bằng và phông (nền) tự nhiên cho sản xuất lâm-ngư nghiệp

nông Chức năng cung cấp năng lượng và thông tin

- Chức năng giải trí: cung cấp mặt bằng và phông tự nhiên cho hoạt động giải trí ngoàitrời của con người (trượt tuyết, đua ngựa, đua thuyền, bóng đá…)

b Môi trường là nơi chứa đựng các nguồn tài nguyên cần thiết cho đời sống và sản xuất của con người

Xét về bản chất thì mọi hoạt động của con người để duy trì cuộc sống đều nhằm vàoviệc khai thác các hệ thống sinh thái của tự nhiên thông qua lao động, vật tư công cụ vàtrí tuệ

Hình 6: Tác động của con người đến tự nhiên (các hệ sinh thái)

Với sự hỗ trợ của các hệ thống sinh thái, con người đã lấy từ tự nhiên những nguồntài nguyên cần thiết phục vụ cho việc sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu Điều này cónghĩa thiên nhiên là nguồn cung cấp mọi vật liệu, năng lượng, thông tin (kể cả thôngtin di truyền) cần thiết cho hoạt động của con người Nhu cầu của con người về cácnguồn tài nguyên không ngừng tăng lên cả về số lượng, chất lượng và độ phức tạp theo

sự phát triển của trình độ xã hội Chức năng này của môi trường, vì vậy còn được gọi làchức năng sản xuất tự nhiên; gồm có:

- Rừng tự nhiên: có chức năng cung cấp nước, bảo tồn tính đa dạng sinh học và độ phìnhiêu của đất, nguồn gỗ củi, dược liệu, cải thiện điều kiện sinh thái và nơi vui chơi giảitrí (không gian sinh hoạt)

- Thủy vực: cung cấp nước, nguồn thủy sản và nơi vui chơi giải trí (không gian sinhhoạt)

- Động thực vật: cung cấp lương thực-thực phẩm và nguồn géne

- Các quặng mỏ: cung cấp nguyên liệu và cả năng lượng cho các hoạt động sản xuất…

c Môi trường là nơi chứa đựng các chất phế thải do con người tạo ra trong sinh hoạt và hoạt động sản xuất

Trong quá trình sản xuất và tiêu dùng, con người luôn đào thải các chất thải vào môitrường Tại đây, các chất thải dưới tác động của các vi sinh vật và các yếu tố môitrường sẽ bị phân huỷ, biến đổi từ dạng phức tạp thành dạng đơn giản và tham gia vàocác quá trình sinh - địa – hóa khác nhau…Trong thời kỳ sơ khai, khi chất thải còn đơngiản và với lượng nhỏ, chất thải chủ yếu do các quá trình phân hủy tự nhiên biến đổitrở lại trạng thái nguyên liệu của tự nhiên Khi dân số thế giới gia tăng, đồng thời vớinhững tiến bộ của khoa học kỹ thuật và việc thỏa mãn nhu cầu, công nghiệp hóa và đôthị hóa làm số lượng và mức độ phức tạp của chất thải tăng lên không ngừng Điều này

Lao động sống

Trí tuệ

Vật tư – Công cụ Tự nhiên (các hệ

sinh thái) Con người

dẫn đến sự quá tải của môi trường Khả năng tiếp nhận và phân huỷ chất thải trong mộtkhu vực nhất định được gọi là khả năng đệm (buffer capacity) của khu vực đó Khilượng chất thải lớn hơn khả năng đệm hoặc thành phần chất thải phức tạp, có nhiềuchất độc, vi sinh vật gặp nhiều khó khăn trong quá trình phân hủy thì môi trường sẽ bị

ô nhiễm, chất lượng môi trường giảm xuống Chức năng này của môi trường có thểphân loại như sau:

- Chức năng biến đổi lý-hóa học: pha loãng, sa lắng, phân huỷ hoá học nhờ ánh sáng,hấp thụ và tách chiết các chất thải và độc tố

- Chức năng biến đổi sinh hóa: thực hiện qua các chu trình sinh-địa-hóa

d Chức năng lưu trữ và cung cấp thông tin

Môi trường trái đất được coi như là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người.Bởi vì, môi trường chính là nơi:

- Cung cấp sự “ghi chép” và lưu trữ lịch sử địa chất, lịch sử tiến hóa của các dạng vậtchất và sinh vật, lịch sử xuất hiện và phát triển văn hóa của loài người (các hóa thạch,các di chỉ khảo cổ)

- Cung cấp các chỉ thị không gian và có thể mang tính chất tín hiệu-báo động về cáchiểm họa đối với con người và sinh vật thông qua dấu hiệu của các tai biến tự nhiênhoặc qua các phản ứng sinh lý của cơ thể sinh vật trước khi xảy ra các tai biến tự nhiên(động đất, núi lửa, sóng thần, bão…)

- Lưu trữ và cung cấp cho con người sự đa dạng về nguồn géne, về các loài sinh vật,

về các hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo, các cảnh quan có giá trị thầm mỹ, các côngtrình văn hóa…

2.2 Các thách thức môi trường hiện nay và ở quy mô toàn cầu

Môi trường là tổng hợp các điều kiện sống của con người, phát triển là quá trình sửdụng và cải thiện các điều kiện đó Giữa môi trường và phát triển có mối quan hệ hếtsức chặt chẽ Môi trường là địa bàn và đối tượng của phát triển Phát triển là nguyênnhân tạo nên mọi biến đổi tích cực và tiêu cực đối với môi trường

Trong phạm vi một quốc gia cũng như trên toàn thế giới luôn tồn tại hai hệ thống: hệthống KINH TẾ - XÃ HỘI và hệ thống MÔI TRƯỜNG Hệ thống kinh tế cấu thànhbởi các khâu sản xuất, lưu thông, phân phối, tiêu dùng Các khâu này tạo nên dòng luânchuyển nguyên liệu, năng lượng, hàng hóa, phế thải giữa các thành phần của hệ thống

Hệ thống môi trường với các thành phần thiên nhiên và xã hội cùng tồn tại trên một địabàn với hệ thống kinh tế - xã hội Khu vực giao nhau giữa hai hệ thống là khu vực “môitrường nhân tạo” Tác động tích cực hoặc tiêu cực của con người đối với môi trườngchủ yếu được thể hiện tại đây (Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002)

Hệ thống kinh tế lấy nguyên liệu, năng lượng từ hệ thống môi trường Nếu khai tháccạn kiệt tài nguyên không tái tạo hoặc khai thác quá khả năng hồi phục của tài nguyêntái tạo thì sẽ dẫn đến chỗ không còn nguyên liệu và năng lượng; từ đó phải đình chỉ sảnxuất, giảm sút hoặc triệt tiêu hệ thống kinh tế Hệ thống kinh tế đưa ra môi trường cácphế thải, trong đó có những phế thải độc hại với con người, tác động xấu đến các nhân

tố môi trường (không khí, nước, đất…) và tài nguyên thiên nhiên Sự suy giảm chấtlượng môi trường làm hệ thống kinh tế không thể hoạt động bình thường Các quốcgia, các vùng có nền kinh tế càng phụ thuộc vào tài nguyên thiên nhiên thì càng dễ bịtác động do suy thoái về mặt môi trường

Đối với môi trường các hoạt động phát triển luôn có hai mặt: lợi và hại Tương tựnhư vậy, đối với xã hội loài người môi trường tự nhiên cũng luôn có hai mặt: nguồn tàinguyên đồng thời cũng là nguồn thiên tai, thảm họa đối với đời sống và hoạt động sảnxuất của con người.

Khoa học hiện nay quan niệm có hai loại ô nhiễm môi trường Ô nhiễm do thừa thảicủa các nước phát triển hoặc của các tầng lớp giàu có Việc sử dụng quá nhiều nguyênliệu và năng lượng vào sản xuất, sự tiêu dùng quá mức trong đời sống gây nên sự lãngphí về tài nguyên và suy thoái chất lượng môi trường Bên cạnh đó là sự ô nhiễm donghèo đói đang xảy ra một cách phổ biến Việc khai thác với các kỹ thuật thô sơ nguồntài nguyên thiên nhiên đã làm suy thoái chất lượng môi trường một cách nhanh chóng.Kèm theo đó là thiếu lương thực và nước sạch, dịch bệnh, mù chữ và tệ nạn xã hội Khoa học và công nghệ hiện nay mặc dù đã có được những những thành tựu to lớn

nhưng vẫn chưa thể giải quyết một cách triệt để các vấn đề về môi trường Một số

nhà khoa học đã đề ra lý thuyết “đình chỉ phát triển” hoặc “chủ nghĩa bảo vệ”(conservationism) tuy nhiên những điều này không thể thực hiện được

Báo cáo tổng quan môi trường toàn cầu năm 2000 của Chương trình Môi trườngLiên hiệp quốc (UNEP) (GEO – 2000 do hơn 850 tác giả trên khắp thề giới và trên 30

cơ quan môi trường cùng các tổ chức khác thuộc Liên hiệp quốc phối hợp tham giabiên soạn) đã tổng kết những gì mà chúng ta đã đạt được với tư cách là những người sửdụng và gìn giữ các hàng hóa và dịch vụ môi trường mà hành tinh cung cấp Báo cáo

đã phân tích hai xu hướng bao trùm khi loài người bước vào thiên niên kỷ thứ ba (dẫntheo Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002)

- Thứ nhất: các hệ sinh thái và sinh thái nhân văn toàn cầu bị đe doạ bởi sự mất cânbằng sâu sắc trong năng suất và trong phân bố hàng hóa và dịch vụ Một tỷ lệ đáng kểnhân loại hiện nay vẫn đang sống trong sự nghèo khó và xu hướng được dự báo là sựkhác biệt sẽ ngày càng tăng giữa những người thu được lợi ích từ sự phát triển kinh tế

và công nghệ, và những người không hoặc ít thu lợi theo hai thái cực: sự phồn thịnh và

sự cùng cực đang đe doạ sự ổn định của toàn bộ hệ thống nhân văn và cùng với nó làmôi trường toàn cầu

- Thứ hai: thế giới đang ngày càng biến đổi, trong đó sự phối hợp quản lý môi trường ởquy mô quốc tế luôn bị tụt hậu so với sự phát triển kinh tế - xã hội Nhữnh thành quả

về môi trường thu được nhờ công nghệ và những chính sách mới không theo kịp nhịp

độ và quy mô gia tăng dân số và phát triển kinh tế

Tổng quát, môi trường toàn cầu đang đối mặt với những thách thức:

a Khí hậu toàn cầu biến đổi và tần suất thiên tai gia tăng

Vào cuối những năm 1990 mức phát tán dioxyt carbon (CO2) hàng năm xấp xỉ 4 lầnmức phát tán năm 1950 và hàm lượng CO2 đã đạt đến mức cao nhất trong những nămgần đây Theo đánh giá của Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu thì con người đã

có tác động rõ rệt đến khí hậu toàn cầu Những kết quả dự báo gồm việc dịch chuyểncủa các đới khí hậu, những thay đổi trong thành phần loài và năng suất của các hệ sinhthái, sự gia tăng các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt và những tác động đến sức khỏecon người Các nhà khoa học cho biết, trong vòng 100 năm trở lại đây, trái đất đã nónglên khoảng 0,5 oC và trong thế kỷ này sẽ tăng từ 1,5 – 4,5 oC so với nhiệt độ ở thế kỷ

XX Trái đất nóng lên có thể mang đến những bất lợi:

- Mực nước biển có thể dâng cao từ 25 đến 140 cm do sự tan băng và điều này sẽ làmtràn ngập nhiều vùng rộng lớn ven biển, làm mất đi nhiều vùng đất sản xuất nôngnghiệp (Kết quả cuối cùng là nghèo đói, đặc biệt các nước đang phát triển)

- Thời tiết thay đổi dẫn đến gia tăng tần suất thiên tai (gió bão, lũ lụt và hỏa hoạn).Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sự sống của loài người một cách trực tiếp và gây ranhững thiệt hại về kinh tế mà còn gây ra nhiều vấn đề môi trường khác (cháy rừng vàsuy giảm đa dạng sinh học…) Ví dụ: các trận hoả hoạn tự nhiên từ năm 1996 – 1998

đã thiêu hủy nhiều khu rừng ở Brazin, Canada, Khu tự trị Nội Mông ở Đông Bắc TrungQuốc, Indonesia, Italia, Mexco, Liên bang Nga và Mỹ; ước tính thiệt hại do cháy rừngriêng cho Đông Nam Á là 1,4 tỷ USD Các vụ cháy rừng còn đe doạ nghiêm trọng đadạng sinh học

Trái đất nóng lên chủ yếu do hoạt động của con người mà cụ thể là:

- Do sử dụng ngày càng tăng lượng than đá, dầu mỏ và phát triển công nghiệp làm giatăng lượng CO2 và SO2 trong khí quyển

- Khai thác triệt để dẫn đến làm suy thoái các nguồn tài nguyên tái tạo mà đặc biệt làtài nguyên rừng - bộ máy khổng lồ điều hòa khí hậu

- Nhiều hệ sinh thái trên khắp thế giới bị mất cân bằng nghiêm trọng

Tất cả các điều này làm thiên nhiên mất đi khả năng tự điều chỉnh vốn có của mình Việt Nam tuy chưa phải là một nước công nghiệp nhưng xu thế đóng góp “khí nhàkính” (green-house effect gases) cũng ngày càng gia tăng

Bảng 1: Kết quả kiểm kê “khí nhà kính” ở Việt Nam giai đoạn 1990 – 1993 (đơn vịtriệu tấn)

Năm

Nguồn phát thải

- Khu vực năng lượng thương mại (CO2)

- Khu vực năng lượng phi thương mại

24,04552,5652,4170,3943,19234,516 (Nguồn: Dẫn theo Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002)

CH4 và CO2 là hai loại khí nhà kính chủ yếu ở nước ta hiện nay Tính đến năm 1993,lượng phát thải CO2 ở Việt Nam vào khoảng 27 – 28 triệu tấn do tiêu thụ nhiên liệuhóa thạch từ các hoạt động năng lượng và phát thải CH4 là 3,4 triệu tấn do sản xuất lúanước Nhìn chung, lượng phát thải trong các lĩnh vực chính của những năm gần đây có

xu hướng tăng lên, đó là hệ quả của tốc độ phát triển và tỷ lệ tăng dân số ở nước ta hiệnnay

Với những nguyên nhân trên, thiên tai không chỉ xuất hiện với tần suất ngày cànggia tăng mà quy mô tác động gây thiệt hại cho loài người ngày càng lớn Ví dụ: hai trậnmưa lớn tháng 12/1999 ở Venezuela đã làm 50.000 người chết và hơn 200.000 không

có nhà ở; hay tính đến ngày 6/10/2000, tổng thiệt hại do lũ lụt gây ra tại các tỉnh đồng

bằng sông Cửu Long ước tính lên đến 3.125 tỷ đồng và 309 người chết trong đó có 232trẻ em (dẫn theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết, 2002).

b Sự suy giảm tầng ozon

Vấn đề gìn giữ tầng ozon có vai trò sống còn đối với nhân loại Tầng ozon có vai tròbảo vệ, chặn đứng các tia cực tím có ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống con người vàcác loài sinh vật trên trái đất Bức xạ cực tím có nhiều tác động, hầu hết mang tính chấtphá hủy đối với con người, động vật và thực vật cũng như các loại vật liệu khác Khitầng ozon tiếp tục bị suy thoái, các tác động này càng trở nên tồi tệ Bức xạ cực tím cóthể gây hủy hoại mắt, làm đục thủy tinh thể và phá hủy võng mạc, gây ung thư da vàlàm tăng các bệnh đường hô hấp Đồng thời, bức xạ cực tím tăng lên được coi lànguyên nhân làm suy yếu hệ miễn dịch của người và động vật, đe dọa đến đời sống củađộng thực vật thủy sinh

Ozon là loại khí hiếm trong không khí nằm ở tầng bình lưu gần bề mặt trái đất và tậptrung thành lớp dày ở độ cao từ 16 – 40 km phụ thuộc vĩ độ Các chất phá hủy tầngozon (ODS – Ozon Depletion Substances) cao gồm: CFC’s (Chlorofluorocarbon),metan (CH4), các khí oxyt Nitơ (NOx) có khả năng hóa hợp với O3và biến nó thành O2.Các chất làm suy giảm tầng ozon ở trong tầng bình lưu đạt mức cao nhất năm 1994 vàhiện đang giảm dần Theo Nghị định thư Montreal (Montreal protocol) và các văn bảnsửa đổi của nghị định thư, dự đoán tầng ozon sẽ được hồi phục so với trước những năm

1980 vào năm 2050

c Tài nguyên bị suy thoái

Rừng, đất rừng và đồng cỏ hiện vẫn đang bị suy thoái mạnh mẽ, đất hoang bị biếnthành sa mạc Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), sa mạc Sahara (8 triệu km2)mỗi năm bành trướng thêm 5 – 7 km2 Cùng với việc giảm nhanh diện tích rừng (đặcbiệt là rừng mưa nhiệt đới), sự biến đổi khí hậu cũng là nguyên nhân gây thêm tìnhtrạng xói mòn đất ở nhiều khu vực Theo ý kiến của nhiều nhà khoa học, khoảng 305triệu ha đất màu mỡ (gần bằng diện tích của Tây Âu) đã bị suy thoái mất tính năng sảnxuất nông nghiệp, khoảng 910 triệu ha đất tốt (tương đương diện tích Australia) sẽ bịsuy thoái ở mức trung bình, giảm tính năng sản xuất và nếu không có biện pháp cải tạothì diện tích này sẽ bị suy thoái ở mức độ mạnh trong tương lai gần Theo FAO (Foodand Agriculture Organization - Tổ chức Lương Nông thế giới), thì trong vòng 20 nămđến, hơn 140 triệu ha đất sẽ bị mất đi giá trị trồng trọt và chăn nuôi Đất đai ở hơn 100quốc gia đang chuyển dần thành hoang mạc, có nghĩa 900 triệu người đang bị đe doạ.Trên phạm vi toàn cầu, khoảng 25 tỷ tấn đất bị cuốn trôi hàng năm vào các sông ngòi

và đại dương

Sự phá rừng vẫn đang diễn ra với tốc độ cao Diện tích rừng thế giới khoảng 40 triệu

km2 nhưng đến nay diện tích này đã giảm đi một nửa Sự phá hủy rừng xảy ra mạnh ởcác nước đang phát triển chủ yếu do nhu cầu lấy đất làm nông nghiệp, lấy gỗ và củiđun Bên cạnh đó chất lượng rừng còn đang bị đe dọa bởi sức ép của sự gia tăng dân

số, chăn nuôi gia súc, mưa acid và cháy rừng Việc giảm diện tích rừng làm thu hẹp nơi

cư trú của các loài sinh vật, đe dọa tính đa dạng sinh học ở mức độ gene, loài và hệsinh thái

Sự gia tăng nhanh dân số cùng với quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa, thâm canhnông nghiệp và thói quen tiêu thụ nước quá mức đang gây khủng hoảng nước trênphạm vi toàn cầu Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), gần 20% dân số thế giới

thiếu cơ hội tiếp cận nước sạch và 50% thiếu các hệ thống vệ sinh an toàn Sự suy giảmnước ngọt ngày càng lan rộng và gây nhiều vấn đề nghiêm trọng là thiếu hụt nước ngọt,xâm nhập mặn và khan hiếm nước sạch Ô nhiễm nước sinh hoạt đã trở nên phổ biến ởcác siêu đô thị, ô nhiễm nitrat (NO3-) và kim loại nặng gây tác động đến chất lượngnước hầu như ở khắp mọi nơi

Mất rừng, mất đất, cạn kiệt nguồn nước làm hàng chục triệu người buộc phải di cư

và gây xuống cấp điều kiện môi trường Thế giới ngày nay trung bình có 20 triệu ngườichết mỗi năm vì nguyên nhân môi trường (so sánh với 20 triệu người chết vì các cuộcxung đột vũ trang từ sau 1945 đến nay) (Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002)

d Ô nhiễm môi trường đang xảy ra ở quy mô rộng

Việc xây dựng các đô thị, khu công nghiệp và du lịch cùng với việc đổ bỏ các chấtthải vào đất và các thủy vực (kể cả biển) đã gây ô nhiễm môi trường ở quy mô ngàycàng rộng, đặc biệt ở các khu đô thị Nhiều vấn đề môi trường tác động qua lại vớinhau ở các các khu vực nhỏ, mật độ dân số cao Ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, rácthải (bao gồm chất thải nguy hại) và ô nhiễm tiếng ồn đang biến những khu vực nàythành các điểm nóng về môi trường Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), khoảng

30 – 60% dân số đô thị ở các nước có thu nhập thấp vẫn còn thiếu nhà ở và các điềukiện vệ sinh Tỷ lệ và tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng đã làm trầm trọng thêm các vấnnạn về môi trường Đầu thế kỷ XX, 1/7 dân số thế giới sống tại các đô thị nhưng đếncuối thế kỷ XX tỷ lệ này là 1/2 Đặc biệt, ở nhiều quốc gia đang phát triển, đô thị pháttriển nhanh hơn mức tăng dân số Ví dụ ở Châu Phi với mức đô thị hóa 4% so với mứctăng dân số 3% Đầu thế kỷ XX, thế giới chỉ có 11 đô thị loại 1 triệu dân, phần lớn tậptrung ở châu Âu và Bắc Mỹ nhưng đến cuối thế kỷ đã có khoảng 24 đô thị với tổng dân

số trên 24 triệu người

Đứng trước những thách thức trên con người mà đại điện là các tổ chức quốc tế, các

tổ chức phi chính phủ, các quốc gia… đã có những chương trình và kế hoạch hànhđộng như cắt giảm khí nhà kính, hạn chế khí thải phá hủy tầng ozon, bảo vệ sinh vậthoang dã, phục hồi tài nguyên rừng, chống tràn dầu, phòng chống ô nhiễm biển, pháttriển công nghệ xử lý và tái sử dụng rác thải… nhằm bảo vệ trái đất - ngôi nhà chungcủa nhân loại

3 Các phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu và giải quyết các vấn đề môi trường

Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), để duy trì chất lượng môi trường (duy trìđược cân bằng của tự nhiên), đưa tất cả các hoạt động của con người đạt hiệu quả tốtnhất, vừa phát triển kinh tế, vừa hài hòa với tự nhiên thì việc quy hoạch và quản lý lãnhthổ trên quan điểm sinh thái – môi trường là giải pháp hữu hiệu nhất

Theo yếu cầu của con người, các hệ sinh thái được phân thành 4 loại: hệ sinh tháisản xuất, hệ sinh thái bảo vệ, hệ sinh thái đô thị và hệ sinh thái với các mục đích khácnhư giải trí, du lích, khai thác mỏ…(Lê Văn Khoa và các tác giả, 2002) Quy hoạchsinh thái học cũng có nghĩa là sắp xếp và quản lý hài hòa cả 4 loại hệ sinh thái này Trên thực tế, con người có thể làm nhiều việc để cải thiện tình trạng môi trườngđang đối mặt với chúng ta hiện nay SINH THÁI MÔI TRƯỜNG không chỉ dừng lại ởviệc xác định các vấn đề bức xúc mà phải đề nghị và đánh giá các phương án giảiquyết SINH THÁI MÔI TRƯỜNG nên đóng vai trò chủ chốt trong giáo dục cả hai đối

tượng là “quan chức” và “cộng đồng” Theo Lê Văn Khoa và các tác giả (2002), việcgiải quyết thành công những vấn đề môi trường bao gồm 5 bước căn bản sau:

Bước 1: Đánh giá khoa học

Thu thập thông tin, số liệu; triển khai các thực nghiệm để xây dựng mô hình mà nó cóthể khái quát hóa được tình trạng Mô hình như vậy cần được sử dụng để đưa ra những

dự báo về tiến trình tương lai của sự kiện

Bước 2: Phân tích rủi ro

Sử dụng các kết quả nghiên cứu khoa học như một công cụ, nếu có thể tiến hành phântích hiệu ứng tiềm ẩn của những can thiệp Điều gì trông đợi sẽ xảy ra nếu hành độngđược kế tiếp, kể cả hiệu ứng ngược thì hành động vẫn được xúc tiến

Bước 5: Hoàn thiện

Các kết quả của bất kỳ hoạt động nào phải được quan trắc một cách cẩn thận và xemxét cả hai khía cạnh:

- Liệu các vấn đề môi trường đã được giải quyết?

- Đánh giá và hoàn thiện việc lượng hóa ban đầu và tiến hành mô hình hóa vấn đề

II CÁC NGUYÊN LÝ SINH THÁI VÀ ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

1 Sinh vật với môi trường

1.1 Yếu tố sinh thái và yếu tố môi trường

Môi trường là tập hợp tất cả các điều kiện và hiện tượng bên ngoài tác động lên cáthể (Nguyễn Thị Kim Thái và Lê Hiền Thảo, 1999) Khí quyển, thủy quyển, thạchquyển tồn tại trước khi sự sống xuất hiện trên hành tinh chúng ta nhưng chỉ khi sự sống

xuất hiện mới gọi chung là môi trường Điều này có nghĩa chỉ có sinh vật sống mới cómôi trường (sinh vật sống trong môi trường) Môi trường không chỉ gồm các điều kiện

vô sinh mà còn bao gồm các sinh vật sống Theo Nguyễn Trọng Nho (1999), môitrường sống của sinh vật là tập hợp tất cả các điều kiện tự nhiên tác động trực tiếp hoặcgián tiếp đến đời sống và sự phát triển của sinh vật Các nhân tố có mặt trong môitrường tác đông lên các sinh vật không như nhau Một số nhân tố không thể hiện ảnhhưởng rõ rệt đối với sinh vật, ví dụ: các khí trơ trong khí quyển Ngược lại nhiều nhân

tố có ảnh hưởng quyết định đối với đời sống sinh vật, ví dụ: ánh sáng, nhiệt độ, nước,các chất khoáng, chuyển động của không khí, áp suất, pH….Một số tác giả gọi cácnhân tố này là nhân tố sinh thái Theo Nguyễn Trọng Nho (1999), Vũ Trung Tạng(2001) có thể phân chia các nhân tố này 2 nhóm:

- Yếu tố môi trường: là những yếu tố cấu trúc nên môi trường (thực thể hoặc hiệntượng tự nhiên), ví dụ: ánh sáng, nhiệt độ, thức ăn, kẻ thù, tác động của con người…

- Yếu tố sinh thái: là những yếu tố môi trường tác động lên đời sống của một sinh vật

cụ thể Nói cách khác khi các yếu tố môi trường tác động lên đời sống của sinh vật gây

ra các phản ứng đáp trả thì các yếu tố môi trường được gọi là yếu tố sinh thái

Tác động của các yếu tố sinh thái có thể:

- Yếu tố hữu sinh: bao gồm tất cả các sinh vật sống và các mối tương tác giữa chúngvới nhau

- Yếu tố con người: các hoạt động sống và sản xuất của con người gây tác động đếnthiên nhiên, làm biến đổi môi trường sống của sinh vật và cả con người Có thể nóirằng cùng với nền văn minh, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà nhất là sự lạm dụngkhoa học kỹ thuật, con người đã tác động mạnh mẽ đến môi trường (có định hướng vớiquy mô và cường độ lớn), thậm chí làm thay đổi hẳn môi trường và gây biến đổi sinhgiới

Theo Vũ Trung Tạng (2001), các yếu tố sinh thái được chia thành hai nhóm tùy theoảnh hưởng của tác động đối với sinh vật:

- Yếu tố không phụ thuộc mật độ: là các yếu tố mà khi tác động lên sinh vật, ảnhhưởng của nó không phụ thuộc vào mật độ quần thể bị tác động Các yếu tố vật lýthường là các yếu tố không phụ thuộc mật độ

- Yếu tố phụ thuộc mật độ: là các yếu tố khi tác động lên sinh vật thì ảnh hưởng của tácđộng phụ thuộc vào mật độ quần thể bị tác động Các yếu tố hữu sinh thường thuộcnhóm này, ví dụ: ảnh hưởng của dịch bệnh sẽ yếu ở nơi thưa dân so với vùng đông dân,hiệu suất bắt mồi của vật dữ kém khi mật độ con mồi quá thấp hoặc quá cao…

Theo Nguyễn Văn Tuyên (2000) yếu tố sinh thái quan trọng có ảnh hưởng quyếtđịnh đến đời sống và xu hướng phát triển của sinh vật được xem là yếu tố điều khiển

Đối với sinh vật ở cạn, ánh sáng, nhiệt độ và nước là các yếu tố điều khiển Đối vớisinh vật thủy sinh, ánh sáng, nhiệt độ và độ muối là các yếu tố điều khiển.

Nhìn chung, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường lên sinh vật tùy thuộc vào 4 đặctính:

- Bản chất của yếu tố tác động

- Độ lớn (cường độ hoặc liều lượng) tác động

- Tần số (chu kỳ) hay phương thức tác động

- Thời gian tác động

Khi xem xét ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái lên sinh vật, các nhà nghiên cứu điđến một số quy luật tác động:

a Quy tác động đồng thời: các yếu tố sinh thái tác động đồng thời lên sinh vật Trong

nhiều trường hợp sự tác động tổ hợp gây những ảnh hưởng khác so với tác động riêng

lẻ của từng yếu tố Tác động của một yếu tố sinh thái phụ thuộc vào “nền” sinh thái-cónghĩa là biểu hiện sự có mặt của các yếu tố sinh thái khác

b Quy luật tác động qua lại: sự tác động của các yếu tố sinh thái lên sinh vật và phản

ứng “đáp trả” của sinh vật là một quá trình tương hỗ (qua lại) Điều này có nghĩa môitrường thường xuyên tác động lên sinh vật và làm cho chúng không ngừng biến đổi.Đồng thời sinh vật cũng có tác động trở lại làm biến đổi (cải biến) môi trường

c Định luật lượng tối thiểu (Định luật Liebig, 1840): để tồn tại và phát triển trong

môi trường sinh vật đồi hỏi các điều kiện cần thiết, đặc biệt là nhu cầu về vật chất Nhucầu này sẽ thay đổi tùy theo loài sinh vật

Lần đầu tiên vào năm 1840, Jutus Von Liebig (nhà khoa học Đức) cho rằng tínhchống chịu là khâu yếu nhất trong dây chuyền các nhu cầu sinh thái của sinh vật (LêHuy Bá và Lâm Minh Triết, 2002) Qua nghiên cứu, Liebig đưa ra nguyên tắc: “Chất

có hàm lượng tối thiểu điều khiển năng suất, xác định sản lượng và tính ổn định của vụmùa theo thời gian” (Nguyên tắc này được xem là “định luật lượng tối thiểu”)

Khi áp dụng định luật này cần lưu ý hai nguyên tắc bổ trợ:

- Nguyên tắc hạn chế: định luật trên chỉ đúng khi áp dụng cho hệ ở trạng thái tĩnh,nghĩa là khi dòng năng lượng và vật chất đi vào cân bằng với dòng đi ra

- Nguyên tắc bổ sung: khi áp dụng định luật này cần lưu ý đến tác dụng tương hỗ củacác yếu tố sinh thái Sinh vật có thể thay thế một phần yếu tố tối thiểu bằng các yếu tố

khác có tính chất tương đương; ví dụ: nhuyễn thể có thể sử dụng stronti (có nhiều trong môi trường) thay cho calcium khi không có đủ calcium, các loài thực vật sống trong

bóng râm cần một lượng kẽm (Zn) ít hơn khi mọc ở nơi có nhiều ánh sáng và trongtrường hợp này kẽm trong đất không còn là yếu tố hạn chế

d Định luật về sự chống chịu (Quy luật về giới hạn sinh thái - Định luật Shelford, 1911):

Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2002), sự có mặt và phát triển phong phú củacác sinh vật ở một nơi nào đó phụ thuộc vào tổ hợp các điều kiện Sự vắng mặt hoặckém phong phú có thể do thiếu thốn (với nghĩa về định lượng và định tính) hoặc sự dưthừa một yếu tố nào đó ở mức gần với giới hạn mà sinh vật có thể chịu đựng được Khinghiên cứu định luật lượng tối thiểu, Victor E Shelford (nhà khoa học Mỹ) thấy rằngảnh hưởng giới hạn không chỉ là sự thiếu thốn mà cả sự dư thừa các yếu tố Ảnh hưởnggiới hạn thiếu tạo ra tối thiểu sinh thái, ngược lại ảnh hưởng giới hạn thừa tạo nên tối

đa sinh thái Biến thiên giữa tối thiểu sinh thái và tối đa sinh thái là giới hạn của sự

chống chịu Kết hợp đặc tính sinh lý sinh thái của cơ thể và môi trường địa lý, Shelford

đưa ra định luật về sự chống chịu: “Một yếu tố sinh thái chỉ tác động trong một giới hạn nhất định mà ở đó sinh vật có thể tồn tại” Đây là giới hạn sống hay giới hạn

sinh thái của từng loài sinh vật, và nó hình thành qua suốt quá trình tiến hóa của loài.Theo định luật Shelford, mỗi cá thể, quần thể, loài…chỉ có thể tồn tại trong mộtkhoảng giá trị xác định của một yếu tố bất kỳ; ví dụ: cá rô phi sống được ở biên độnhiệt từ 5,6oC – 41,5oC, các loài thủy sinh vật thường sống ở giá trị pH: 6,5 – 8,5 (VũTrung Tạng, 2001) Khoảng xác định đó gọi là “khoảng chống chịu” hay “trị số sinhthái” (giới hạn sinh thái) Trong khoảng giá trị này có 2 điểm giới hạn: giới hạn dưới(minimum) và giới hạn trên (maximum) và khoảng cực thuận (optimum) mà ở đó sinhvật phát triển bình thường với mức tiêu phí năng lượng thấp nhất Nếu một loài sinhvật có giới hạn sinh thái lớn đối với yếu tố nào đó thì ta nói loài đó “rộng“ với yếu tố

đó, ví dụ: loài rộng muối, còn nếu có giá trị sinh thái thấp thì ta nói loài đó “hẹp” vớiyếu tố, ví dụ: loài hẹp nhiệt…

Hình 7 Mô tả giới hạn sinh thái của các loài A, B, C đối với nhiệt độ (Nguồn: VũTrung Tạng, 2001)

Khi áp dụng định luật chống chịu đối với sự phân bố địa lý của sinh vật, Shelford chỉ

ra rằng “Các trung tâm phân bố thường là những vùng mà ở đó các điều kiện tối ưu(optimum) dành cho một số lượng tương đối lớn các loài”

Về sau, khi xem xét mối quan hệ giữa cơ thể với môi trường, các nhà nghiên cứuphát hiện một số nguyên tắc được xem như các luận đề bổ sung cho định luật Shelford:

- Một sinh vật có giới hạn sinh thái rộng đối với nhiều yếu tố thường có vùng phân bốrộng, ví dụ: loài người - phân bố toàn cầu (Cosmopolis)

- Một sinh vật có thể có phạm vi chống chịu rộng đối với yếu tố này nhưng hẹp đối vớiyếu tố khác, loài đó sẽ có vùng phân bố hạn chế

- Nếu một yếu tố không tối ưu cho loài thì phạm vi chống chịu đối với các yếu tố kháccũng bị thu hẹp

- Trong thiên nhiên, các sinh vật thường rơi vào điều kiện sống không phù hợp vớivùng tối ưu như đã xác định được trong phòng thí nghiệm; ví dụ: một số loài phong lannhiệt đới phát triển tốt trong điều kiện ánh sáng mạnh nhưng nhiệt độ thấp của phòngthí nghiệm nhưng trong thiên nhiên chung chỉ mọc trong bóng râm

- Khi cơ thể thay đổi trạng thái sinh lý (mang thai, sinh sản, ốm đau, bệnh tật…) vànhững cơ thể còn ở giai đoạn phát triển sớm (trứng, ấu trùng, con non…) thì nhiều yếu

tố của môi trường trở thành yếu tố giới hạn Ngay đối với môt cơ thể, mỗi hoạt độngchức năng cũng có giới hạn sinh thái nhất định, ví dụ: sinh sản là thời điểm có sứcchống chịu thấp nhất so với các thời điểm khác, ngược lại hô hấp có giới hạn sinh tháirộng nhất

Định luật Shelford có ý nghĩa quan trọng, cho phép chúng ta nhận biết được sự phân

bố có quy luật của sinh vật (động thực vật) trên trái đất cũng như sự hiểu biết về cácnguyên lý sinh thái cơ bản khác trong mối quan hệ giữa cơ thể với môi trường Môitrường sống tối ưu của sinh vật là tập hợp sự thích ứng nhất của nhiều yếu tố tại vùngphân bố nào đó Các sinh vật có phạm vi chống chịu lớn đối với nhiều yếu tố thườngphân bố rộng theo không gian và thời gian Ngược lại, một số sinh vật bị giới hạn đốivới một số yếu tố, vùng phân bố của chúng sẽ bị thu hẹp Tuy nhiên, sinh vật có khảnăng thích nghi và chính sinh vật đã làm thay đổi điều kiện môi trường để giảm bớtảnh hưởng giới hạn của các yếu tố đối với chúng, đặc biệt ở mức độ quần thể và quầnxã

Sinh vật phản ứng lại với những tác động của điều kiện môi trường theo hai phươngthức, hoặc chạy trốn (di trú hoặc di cư) để tránh những ảnh hưởng bất lợi từ môi trườngbên ngoài (phương thức này chủ yếu ở động vật), hoặc thích nghi Thích nghi có nghĩacác sinh vật phải phản ứng hợp lý trước những tác động của yếu tố môi trường để tồntại và phát triển Hiệu ứng thích nghi là khả năng khắc phục điều kiện không thuận lợibằng cách nâng cao hệ số tác động có ích của các hoạt động sống ở sinh vật Về bảnchất đây là quá trình tiến hóa theo hướng chọn lọc tự nhiên Điều này có thể thể hiệntheo 3 khả năng:

- Thích nghi về sinh lý: Sinh vật phải hình thành các quá trình sinh lý chức năng phùhợp với điều kiện môi trường Ví dụ: cây rụng lá vào mùa đông để tránh gãy đổ

- Thích nghi về hình thái: Sinh vật phải có những đặc điểm hình thái phù hợp với môitrường Ví dụ: sự thay đổi màu sắc ở tắc kè để lẩn trốn kẻ thù

- Thích nghi về tập tính: Sinh vật hình thành tập tính sống phù hợp với điều kiện môitrường Ví dụ: tập tính sống bầy đàn của ngựa để giảm thiểu khả năng chú ý của thú ănthịt

1.2 Ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái lên sinh vật và lên con người

1.2.1 Ảnh của các yêu tố sinh thái vô sinh

a Ảnh hưởng của ánh sáng

Ánh sáng trên trái đất có nguồn gốc từ mặt trời Ánh sáng đóng góp vai trò là nguồncung cấp năng lượng ban đầu và duy nhất cho toàn bộ sự sống trên hành tinh chúng ta Bức xạ mặt trời gồm một phổ rộng các sóng điện từ, từ các sóng cực ngắn đến cáctia có bước sóng dài Ánh sáng từ mặt trời chiếu xuống trái đất gồm phức hợp các tiađơn sắc có bước sóng (λ) khác nhau: tia tử ngoại (cực tím – ultra violet-UV): 40,3 –3.900 A0, tia hồng ngoại: 7.600 – 340.000 A0 Ánh sáng khả kiến có bước sóng trongkhoảng: 3.900 – 7.600 A0 (0,39 – 0,76 µm)

Phụ thuộc vị trí tương đối của trái đất (quay quanh mặt trời) và điều kiện thời tiết màchế độ chiếu sáng thay đổi (thông thường theo quy luật) tạo ra chu kỳ ngày đêm, chu

kỳ mùa, thay đổi theo vùng địa lý Trong môi trường nước ánh sáng bị thay đổi rất lớn

về cường độ chiếu sáng Trong điều kiện nước thật sạch, cường độ bức xạ của tia đỏgiảm còn 1% ở độ sâu 4m, ánh sáng lam (blue) chỉ giảm 70% ở độ sâu 70m.

● Ảnh hưởng của ánh sáng lên thực vật

Quang hợp của thực vật chỉ xảy ra ở phổ ánh sáng khả kiến đối với con người Ánhsáng này được gọi là “bức xạ quang hợp tích cực” và chiếm 44% tổng bức xạ mặt trờichiếu xuống trái đất (Vũ Trung Tạng, 2000) Mỗi loài thực vật có cường độ quang hợpcực đại ở cường độ chiếu sáng khác nhau Theo đó người ta phân thực vật ra làm hainhóm:

+ Cây ưa sáng (Heliophyte): bao gồm các loài thực vật có khả năng quang hợp tăng khicường độ chiếu sáng tăng lên (tuy nhiên nói chung sản phẩm quang hợp đạt cực đạikhông phải ở cường độ chiếu sáng cực đại mà ở cường độ vừa phải-optimum) Ví dụ:các cây gỗ ở rừng thưa, cây bụi ở savan (Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết, 2002)

+ Cây ưa bóng (Sciaphyte): bao gồm các loài thực vật có khả năng quang hợp cực đạikhi điều kiện ánh sáng yếu hoặc tán xạ, Ví dụ: các loài thực vật dưới tán rừng

Đối với một số loài thực vật, đặc tính này thay đổi theo giai đoạn Thông thường ởgiai đoạn non ưa bóng nhưng khi trưởng thành lại ưa sáng, ví dụ: cây chè và một số cây

họ hòa thảo

Trong vòng đời của thực vật, ảnh hưởng của ánh sáng còn thể hiện qua chu kỳquang Chu kỳ quang tác động lên mọi quá trình sinh trưởng của thực vật đặc biệt ởgiai đoạn ra hoa Tùy theo yêu cầu về chu kỳ chiếu sáng, thực vật được phân làm 2nhóm: cây ngày ngắn và cây ngày dài Cây ngày dài khi ra hoa cần pha sáng nhiều hơnpha tối, ngược lại đối với cây ngày ngắn Ví dụ: tảo đỏ (Rhodophyta) sống ở thềm lụcđịa thích nghi với cường độ chiếu sáng thấp và thời gian chiếu sáng ngắn do có nhómsắc tố phụ Phycoerythrin

● Ảnh hưởng của ánh sáng lên động vật

Động vật cũng được chia làm hai nhóm: nhóm ưa hoạt động về đêm và nhóm ưahoạt động ban ngày Nhóm hoạt động ban ngày thường có cơ quan tiếp nhận ánh sáng

Ở động vật bậc thấp, cơ quan này là các tế bào cảm quang (thường phân bố khắp cơthể) Ở động vật bậc cao, các tế bào này tập trung thành cơ quan thị giác Thị giác rấtphát triển ở một số nhóm sinh vật như côn trùng, chân đầu, đông vật có xương sống(nhất là chim và thú) Do vậy, động vật thường có màu sắc, đôi khi rất sặc sỡ đóng vaitrò là những tín hiệu sinh học Nhóm ưa hoạt động ban đêm có màu sắc không pháttriển và thân thường có màu tối

Nơi thiếu ánh sáng, cơ quan thị giác có khuynh hướng mở to hoặc đính trên cáccuống thịt để mở rộng thị trường Ở những vùng không có ánh sáng, cơ quan thị giáctiêu biến hoàn toàn mà thay vào đó là sự phát triển của cơ quan xúc giác và cơ quanphát sáng (để nhận biết đồng loại hoặc để bắt mồi…)

Ánh sáng thay đổi có chu kỳ: chu kỳ ngày đêm, chu kỳ tuần trăng, chu kỳ mùa Tínhchu kỳ của ánh sáng tạo nên ở sinh vật một nhịp điệu sinh học gọi là “đồng hồ sinhhọc” (Biotime)

* Ngoài phổ ánh sáng khả kiến còn có ánh sáng bước sóng ngắn và ánh sáng bước sóngdài cũng có tác động lên sinh vật Tia cực tím (λ< 0,39 µm) ở một cường độ nhất địnhkích thích tạo ra sinh tố D nhưng ở cường độ lớn lại gây phá hủy nguyên sinh chất, cótác dụng diệt trùng hoặc gây đục thủy tinh thể và ung thư da, nhất là đối với người da

trắng Tia hồng ngoại (λ> 0,76 µm) tác động mạnh lên quá trình oxy hóa của cơ thể dokhả năng tạo nhiệt.

b Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ trên trái đất chủ yếu thu nhận từ mặt trời Theo Vũ Trung Tạng (2000),khoảng dao động nhiệt độ trên bề mặt hành tinh đạt đến trên 1.000oC nhưng sự sốngchỉ có thể tồn tại trong giới hạn từ -200o C đến + 100o C Đa số các loài sống trongpham vi nhiệt độ 0-50oC hoặc bé hơn Trong các suối nước nóng một số vi khuẩn sống

ở 80-88oC, cá sóc (Cyprinodon macularis) sống ở nhiệt độ 52o C Ngược lại, nhiều loài

lại có mặt ở nhiệt độ rất thấp như ấu trùng sâu ngô (Pyrausta nubilaris) chịụ được –

27oC khi chuẩn bị qua mùa đông, cá tuyết (Boregonus saida) hoạt đông tích cực ở

-2oC Một số loài có giới hạn nhiệt độ rất lớn như loài chân bụng (Hydrobia aponensis)

chịu được nhiệt độ từ -1 đến + 60oC

Sự phân bố nhiệt trên bề mặt trái đất không đều, phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, vào thờigian ngày đêm, mùa khí hậu, đặc tính của bề mặt hấp thụ nhiệt (đất, nước, rừng, hoangmạc…), độ cao hay độ sâu (trong nước, trong đất)

Theo Nguyễn Văn Tuyên (2001), xét theo vĩ độ, về phía Bắc 1 độ (110 km) nhiệt độgiảm 0,5 – 0,6oC Trên cơ sở này người ta chia trái đất thành các vùng:

+ Vùng Xích đạo (5o Bắc – 5o Nam Xích đạo): tích nhiệt khoảng 9.500oC, trung bìnhnăm trên 26oC

+ Vùng nhiệt đới (5o – 23o Bắc và Nam Xích đạo): tích nhiệt khoảng 8.000 – 9.500oC,trung bình tháng lạnh nhất đạt trên 16oC

+ Vùng Á nhiệt đới (Cận nhiệt đới): trong năm có từ 1-4 tháng nhiệt độ thấp Tíchnhiệt khoảng 4.000 – 8.000oC, tháng lạnh nhất 0-16oC

+ Vùng Ôn đới: nhiệt độ trung bình năm dưới 10oC Tích nhiệt khoảng 3.400 –4.500oC, nhiệt độ tháng lạnh nhất 0 – 8oC

+ Vùng Hàn đới: tháng 7 là tháng nóng nhất với nhiệt độ khoảng 10oC, trung bình cảnăm dưới 0oC

Khi xem xét quan hệ giữa các sinh vật với nhiệt độ môi trường người ta phân sinhvật thành nhóm theo hai cách:

● Sinh vật đẳng nhiệt (Homeotherms) và sinh vật biến nhiệt (Poikilotherms)

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, sinh vật đẳng nhiệt duy trì một thân nhiệt hầu nhưkhông đổi trong khi sinh vật biến nhiệt có thân nhiệt thay đổi Theo Lê Huy Bá và LâmMinh Triết (2002), vấn đề với kiểu phân loại này là các sinh vật đẳng nhiệt điển hìnhnhư chim hay thú biển thường giảm thân nhiệt trong giai đoạn nghỉ đông hoặc khi mỏimệt trong khi một số sinh vật biến nhiệt (các loài cá ở Nam cực) lại có thân nhiệt thayđổi rất ít (vì nhiệt độ môi trường gần như không đổi)

● Sinh vật nội nhiệt (Endotherms) và sinh vật ngoại nhiệt (Ectotherms)

Các sinh vật nội nhiệt (chim, thú…) điều chỉnh nhiệt độ của mình bằng cách sản sinh

ra nhiệt từ bên trong cơ thể Các loài sinh vật ngoại nhiệt (các loài động vật khác, thựcvật, nấm và Protista) thì điều chỉnh thân nhiệt nhờ nguồn nhiệt bên ngoài Sự phân chianày cũng chỉ tương đối vì nhiều loài bò sát, cá và côn trùng (ong, bướm, chuồn chuồn)

là động vật ngoại nhiệt nhưng vẫn sử dụng nguồn nhiệt sản sinh từ bên trong cơ thể đểđiều chỉnh thân nhiệt trong những giai đoạn sống nhất định

Một quan điểm khác phân chia sinh vật thành 2 nhóm: rộng nhiệt (Eutherm) như cá

rô phi (5 – 42oC) và hẹp nhiệt (Stenotherm) như côn trùng núi cao Collemboles (-10o

-0oC) (Devis và cộng sự; Mayers, 1964; dẫn theo Nguyễn Văn Tuyên, 2001); sinh vậthẹp nhiệt còn được phân thành hai nhóm phụ là ưa lạnh (Criophiles) và ưa nóng(Thermophiles).

* Tất cả các sinh vật trong quá trình sống đều thu nhiệt và tỏa nhiệt ra môi trường, bảnthân sinh vật cũng tự sản sinh ra nhiệt (như là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổichất) Xem xét khả năng thích nghi của sinh vật với nhiệt độ người ta thấy rằng ở một

số loài có đặc tính cố định (như thực vật sa mạc có lá óng ánh, nhẵn bóng, phản xạ ánhsáng); một số chỉ đơn giản phản ứng bằng tập tính (như nhiều loài bò sát tìm chỗ ẩnnấp trong bóng râm khi nhiệt độ cao) (Vũ Trung Tạng, 2000)

Đối với động vật ngoại nhiệt, quá trình hình thành nhiệt hay tích tụ nhiệt và thảinhiệt rất giới hạn do vậy ảnh hưởng của nhiệt độ lên nhóm sinh vật này rất khác nhau.Nhiệt độ cơ thể của nhóm động vật này thay đổi lớn theo nhiệt độ môi trường Tronggiới hạn sinh thái, tốc độ trao đổi chất của sinh vật tăng khi nhiệt độ tăng, ngược lại,giảm khi nhiệt độ giảm Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ và sinh trưởng-pháttriển của sinh vật, các nhà khoa học (Vant’ Hoff, Davidson) thấy rằng, động vật biếnnhiệt đòi hỏi sự kết hợp giữa thời gian và nhiệt độ

* Con người cũng rất nhạy cảm với nhiệt độ Nếu trời nắng thì bức xạ ngoại vi tănglên, nếu trời lạnh thì bức xạ đó lại giảm nhờ sự điều tiết của da làm co giãn mạch máudưới da dẫn đến tăng hoặc giảm sự thải nhiệt Sự thích ứng của con người đối với nhiệt

độ bên ngoài biểu hiện ở sự tăng hay giảm diện tích tương đối và “tầm vóc” của cơ thể Trong những trường hợp chưa có khả năng thích nghi, cơ thể sẽ bị mất nước do nóngdẫn đến mất muối NaCl Khi vận động ở nhiệt độ cao, nhịp tim phải tăng lên; nếu quánóng sẽ dẫn đến rối loạn như mất nước, “chuột rút” do mất muối, kiệt sức, trụytim…Trong trường hợp nhiệt độ môi trường thấp, chịu đựng trong thời gian kéo dàilàm cơ thể bị tê cóng làm giảm đề kháng,” cảm lạnh”…

c Ảnh hưởng của nước và độ ẩm

Sự sống tồn tại là nhờ có nước Nước chiếm 50 – 70% khối lượng cơ thể, thậm chíđến 99% như ở sứa Nước là môi trường sống của sinh vật thủy sinh, là môi trường chocác phản ứng hóa sinh diễn ra trong tế bào đồng thời nước còn là nguyên liệu cho quátrình quang hợp

Dưới tác động của nhiệt độ, nước luôn bốc hơi từ mọi bề mặt, kể cả từ sinh vật, tạonên độ ẩm không khí Độ ẩm ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất qua bề mặt tiếpxúc giữa cơ thể và môi trường và khả năng trao đổi nước nhằm duy trì nhiệt độ thíchhợp cho cơ thể Dựa trên nhu cầu của sinh vật về nước và độ ẩm không khí, có thểphân chia sinh vật thành 2 nhóm:

● Sinh vật thủy sinh: đời sống gắn liền với môi trường nước do vậy nhóm sinh vật thủysinh có những đặc điểm cấu tạo và sinh lý thích nghi với đời sống trong nước Ví dụ:rong, tảo có thân dài, lá mãnh, mô xốp phát triển; các loài cá có dạng hình thích nghivới đời sống bơi lội, cấu trúc cơ quan hô hấp có thể lấy oxy trong nước…

● Sinh vật ở cạn: dựa trên nhu cầu về độ ẩm, nhóm sinh vật này có thể phân thành 3nhóm nhỏ:

+ Sinh vật ưa ẩm cao (Hydrophil): sống ở môi trường có độ ẩm cao, có nước nhưngkhông ngập hoàn toàn như vùng đầm lầy, ruộng lúa, bờ sông… Ví dụ: nhóm sinh vậtlưỡng cư, lau sậy…; nhóm động vật thường hoạt động về đêm hoặc trong bóng râm + Sinh vật ưa ẩm vừa (sinh vật trung sinh - Mesophil): đa số sinh vật thuộc nhóm này

+ Sinh vật ưa khô (sinh vật hạn sinh – Xerophil): nhóm sinh vật này có 3 hướng thíchnghi:

• Tích nước trong cơ thể (thân, củ, lá): như nhóm xương rồng hay lạc đà “trữ nước”trong các bướu (sử dụng nước nội bào)…

• Tăng khả năng giữ nước chống thoát hơi nước: như sừng hoá lớp bảo vệ, tuyến mồhôi kém phát triển, giảm bài tiết nước tiểu và thải phân khô như các loài bò sát, gậmnhấm sống vùng sa mạc, núi đá hay các trảng cát ven biển;

• Tăng khả năng tìm nguồn nước: thực vật có rễ dài để chui sâu hoặc trãi rộng trên bềmặt đất để “hút” sương đêm hoặc hình thành các rễ phụ trên cây nhằm tăng khả nănghấp thụ nước như ở cây si, cây đa; động vật phải có khả năng lấy nước từ thức ăn…

* Con người cũng thích ứng với một độ ẩm không khí nhất định Nếu độ ẩm vượt quámức cho phép (khoảng 90% ở vùng ôn đới) thì khả năng điều tiết của niêm mạc mũi sẽ

bị hạn chế gây cảm giác ngột ngạt, khó thở Đồng thời, độ ẩm cao còn tạo cơ hội chonhiều vi khuẩn gây bệnh phát triển, gián tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe Độ ẩm quá thấp(dưới 30%) gây khô màng nhầy, dễ chảy máu mũi

d Đất và địa hình

Đất là vỏ ngoài rất mỏng của thạch quyển (Lithosphere) nên có thể tách thành quyểnriêng gọi là địa quyển (Pedosphere) Cũng như các quyển khác, những đặc trưng củađất được quy định bởi các quá trình sinh thái và mối tương tác giữa các sinh vật cũngnhư giữa các thành phần của hệ sinh thái Tất cả các thành phần trong đất đều liên quanchặt chẽ với nhau Đất bao gồm lớp vỏ phong hóa với các sinh vật và sản phẩm phânhủy của chúng

Đất không chỉ là “yếu tố” của môi trường mà còn là sản phẩm hoạt động sống củasinh vật; đất là kết quả tổng hợp của các tác động khí hậu và sinh vật Không gian giữacác phần tử đất, không khí và nước với các muối hòa tan là nơi sống, nguồn dinhdưỡng cho các loài động thực vật

Các thành phần khoáng và chất hữu cơ của đất được phân hóa thành các lớp vớichiều sâu khác nhau Mỗi lớp được đặc trưng bởi hình thái, cấu trúc vật lý, sinh học vàhóa học Các lớp đất được xếp theo vị trí xác định Các vật liệu khoáng, chất hữu cơ,không khí và nước là 4 thành phần chính của đất Ngoài ra trong đất còn có phức keo(Colloidal complex) là một liên kết chặt chẽ của mùn và chất khoáng (đặc biệt là sét).Phức keo ảnh hưởng đến khả năng giữ nước và sự luân chuyển các chất qua đất đồngthời còn là nguồn dinh dưỡng của thực vật Do các vấn đề nêu trên, trên trái đất cónhiều vùng đất với tính chất khác nhau quy định sự khác nhau về tính đa dạng vàphong phú của sự sống

Bên cạnh đó địa hình là điều kiện ảnh hưởng đến khả năng thu nhận ánh sáng và khảnăng giữ nước của đất, do đó ảnh hưởng đến đời sống sinh vật

e Muối khoáng

Muối tham gia vào thành phần cấu trúc của nguyên sinh chất và các thành phần kháccủa cơ thể Đến nay người ta đã biết khoảng 40 nguyên tố hóa học có trong thành phầnnguyên sinh chất (Vũ Trung Tạng, 2000), một số tác giả khác cho rằng có khoảng 74nguyên tố được tìm thấy trong cơ thể thực vật (Nguyễn Văn Tuyên, 2001) Các nguyên

tố có trong cơ thể thực vật được chia thành hai nhóm:

+ Đa lượng: chiếm 10-4– 10-1 khối lượng khô của thực vật, gồm C, N, P, Ca…

+ Vi lượng: chiếm 10-7– 10-6 khối lượng khô của thực vật

15 trong số các nguyên tố này đóng vai trò thiết yếu đối với mọi sinh vật Nhữngnguyên tố chủ yếu tham gia vào thành phần cấu tạo của Protein, Glucid, Lipid gồm O,

N, H, C và P; thành phần trung bình của các hợp chất trên rất phức tạp, có thể biểu diễntheo công thức tổng quát: H2960 01480 C1480 N16 P1,8 S Na và Chlo rất quan trọng đốiđộng vật; Bo, Cr, Co, F, I, Se, Si và Va cần thiết cho một số nhóm (Vũ Trung Tạng,2000)

Các muối khoáng được sinh vật lấy từ đất hay từ môi trường nước (đối với sinh vậtthủy sinh) để cấu tạo nên cơ thể và tham gia vào các quá trình trao đổi chất; qua đó, khisinh vật chết, chúng lại được trả lại cho môi trường

Trong môi trường nước, muối khoáng không chỉ là là nguồn dinh dưỡng mà còn cóvai trò điều hoà áp suất thẩm thấu và ion của cơ thể nhằm duy trì sự ổn định đời sốngtrong môi trường có hàm lượng muối và ion (nhất là cation) thường xuyên biến động Cần chú ý rằng nước và muối đều là nguồn vật chất cung cấp cho đời sống sinh vật,đồng thời nước còn là dung môi hoà tan các loại muối khoáng giúp cho thực vật có khảnăng tiếp nhận muối khoáng Với tính chất là nguồn dinh dưỡng, nơi nào giàu muốikhoáng ở đó sinh vật phát triển phong phú; ngược lại nơi nào thiếu muối khoáng, sựsống trở nên nghèo nàn Tuy nhiên, cần nhấn mạnh muối vừa là yếu tố điều chỉnh vừa

là yếu tố giới hạn cả trong trường hợp thiếu hoặc quá thừa, một số loại muối trongnhững điều kiện xác định còn gây độc đối với đời sống

Trong môi trường nước, tỷ lệ các loại muối khoáng khá ổn định duy trì sự sống bìnhthường của các thủy sinh vật theo 2 khía cạnh: chất dinh dưỡng và điều hoà áp suấtthẩm thấu cùng với tỷ lệ các ion trong cơ thể Ở nước ngọt, thành phần muối chủ yếu làcarbonat còn ở nước mặn là chlorua natri Chlorua natri được xem là yếu tố giới hạn sựphân bố đối 2 nhóm sinh vật nước ngọt và nước mặn

Liên quan đến nồng độ muối hay áp suất thẩm thấu gây ra bởi sự chênh lệch nồng độmuối giữa cơ thể với nồng độ muối của nước, sinh vật biển được chia ra làm 3 nhóm:

● Sinh vật biến thẩm thấu (Poikiloiosmotic): bao gồm những sinh vật có áp suất thẩmthấu của cơ thể biến thiên theo sự thay đổi áp suất thẩm thấu của môi trường

● Sinh vật đồng thẩm thấu (Homoiosmotic): bao gồm những sinh vật có áp suất cơ thể

ổn định độc lập với sự biến động áp suất thẩm thấu của môi trường và chúng có cơ chếriêng để chống lại sự biến động đó

● Sinh vật giả đồng thẩm thấu (Pseudohomoiosmotic): bao gồm các sinh vật biến thẩmthấu nhưng sống trong môi trường có độ muối ổn định

Những sinh vật sống ở nước ngọt và nước mặn đều là loài hẹp muối so với nhữngsinh vật nước lợ Giữa nước ngọt và nước mặn chúng ta còn bắt gặp các loài di cư hoặc

từ sông ra biển (Katadromy) hoặc từ biển vào sông (Anadromy) Chúng có cơ chếriêng để điều chỉnh áp suất thẩm thấu cả hai chiều khi di cư từ môi trường này đến môitrường khác

* Đối với con người, thành phần và tính chất địa hóa ảnh hưởng rõ lên thành phần hóasinh và cấu tạo cơ thể, đặc biệt là Ca và P có vai trò hết sức quan trọng Các nghiên cứucho thấy rằng thành phần Ca, P, Al, Fe, Si, Sr ở trong đất có mối tương quan rõ rệt vớicác chi tiết của cấu trúc bộ xương (Lê Huy Bá, 2002)

f Các chất khí

Thành phần các khí của khí quyển từ lâu đã ổn định tuy nhiên con người đang hủyhoại sự ổn định này thông qua các hoạt động của mình

Bảng 2 Thành phần (%) các loại khí của khí quyển theo độ cao

Độ cao

(km)

(mm Hg)0

78,0977,8978,0282,242,97

0,930,930,940,59-

-0,56

-0,010,010,010,0496,31

760405168410,0067 (Nguồn: dẫn theo Vũ Trung Tạng, 2000)

Trong khí quyển (Atmosphere), trữ lượng khí chính nằm trong một lớp mỏng gầnmặt đất gọi là tầng đối lưu (Troposphere) với bề dày 15 km ở xích đạo và 9 km ở cáccực Tầng này gồm 2 lớp:

● Lớp dưới: dày 3 km, chịu tác động của các yếu tố địa lý (vĩ độ, địa hình, đạidương…) và chứa chủ yếu là hơi nước và bụi

● Lớp trên: khí quyển tự do (Tropopause)

+ Khí carbonic (CO2): Khí carbon dioxit chiếm một lượng nhỏ trong khí quyển,khoảng 0,03% về thể tích Hàm lượng này trong khí quyển hiện tại đã trở nên quá giớihạn đối với nhiều loài thực vật bậc cao (Vũ Trung Tạng, 2000) Trong những lớp đấtsâu, khi hàm lượng CO2 tăng lên còn O2 giảm thì quá trình phân hủy các chất bởi visinh vật sẽ chậm lại hoặc sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy sẽ khác đi so với điềukiện thoáng khí

Mặc dù hàm lượng CO2 trong khí quyển thấp nhưng CO2 hoà tan tốt trong nước.Hơn nữa, CO2 còn được bổ sung từ hoạt động hô hấp của sinh vật và từ sự phân hủycác chất hữu cơ, từ nền đáy…do vậy giới hạn cuối cùng (minimum) của CO2 không cógiá trị so với O2 Hàm lượng CO2 cũng biến động theo không gian và thời gian Sự dưthừa hoặc quá cao của CO2 trong nước thường bất lợi cho đời sống động vật nhất là khiO2 bị thiếu hụt Tuy nhiên, cũng nên cần biết, CO2 hòa tan trong nước đã tạo nên một

hệ đệm, duy trì sự ổn định giá trị pH ở mức trung bình, thuận lợi cho đời sống sinh vật.CO2 khí quyển ↔ CO2 hoà tan + H2O ↔ H2CO3↔ H+ + HCO3-↔ 2H+ + CO32- Nguồn dự trữ CO2 quan trọng trong nước hay trong khí quyển tồn tại dưới dạngCaCO3 và các hợp chất hữu cơ chứa carbon (các nhiên liệu hóa thạch)

+ Khí Oxy (O2): Khí Oxy xuất hiện đánh dấu một giai đoạn quan trọng trong sự pháttriển của sinh quyển, chuyển từ tiến hoá dị dưỡng sang tiến hóa tự dưỡng

Oxy tham gia vào quá trình oxy hóa hóa học và oxy hóa sinh học Đối với hô hấphiếu khí, sinh vật sử dụng oxy tự do; còn các dạng hô hấp khác sinh vật sử dụng oxythứ cấp (oxy được tách ra từ các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ)

Đối với khí quyển, oxy ít khi trở thành yếu tố giới hạn nhưng trong môi trườngnước, ở nhiều trường hợp lại rất thiếu, đe doạ sự sống đối với nhiều loài, đặc biệt ởnhững khu vực nông (cạn) hoặc trong các thủy vực phú dưỡng (Eutrophication) Hàmlượng oxy trong nước rất biến động do hô hấp của sinh vật, do sự phân hủy hiếu khícác hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật và do các quá trình oxy hóa hóa học hay cácyếu tố vật lý khác (ví dụ: nhiệt độ nước và hàm lượng muối tăng thì hàm lượng oxygiảm, nhất là khi nước bị phủ váng dầu)

Sinh vật thủy sinh có nhiều hình thức thích nghi với những biến đổi của hàm lượngoxy như vỏ mỏng, dễ thấm oxy, có các cơ quan hô hấp phụ bên cạnh cơ quan hô hấpchính, mở rộng lá mang, tăng bề mặt tiếp xúc với môi trường nước, tăng lượngHemoglobin trong huyết tương khi hàm lượng oxy giảm, nhiều loài có khả năng tiếp

nhận oxy tự do từ không khí qua da (Amphibia) hay qua các cơ quan trên mang (các loài cá họ Trê- Claridae, Lóc - Ophiocephalidae)…; thực vật phát triển hệ thống rễ thở như các loài thuộc họ Mắm (Avicenniaceae), họ Bần (Sonneratiaceae)…(Vũ Trung

Tạng, 2000) Tuy nhiên, trong hoàn cảnh quá khắc nghiệt như thời kỳ băng giá kéo dài

ở vùng ôn đới hay sự “nở hoa” của thực vật nổi vào mùa hè ở vùng nhiệt đới thườnggây ra nạn chết hàng loạt các loài thủy sinh vật mà trước hết là các loài cá ăn thực vật

và sau đó là chim biển ăn cá

+ Khí Nitơ (N2): Khí nitơ là một khí trơ, chiếm tỷ lệ lớn trong khí quyển Niơ là thànhphần quan trọng của vật chất sống, tham gia vào thành phần cấu tạo protein Quá trìnhđiện hóa và quang hóa hằng năm tạo cho sinh quyển khoảng 40 triệu tấn nitơ liên kết;ngoài ra do sự số định sinh học, hằng năm trong khí quyển hình thành 92 triệu tấn nitơliên kết và cũng mất đi 93 triệu tấn do do các phản ứng phản nitrit (C Delwiche, 1970-dẫn theo Vũ Trung Tang, 2000)

Hiện nay, do sự phát triển công nghiệp, con người đã thải vào khí quyển 70 triệu tấnoxyt nitơ (NOx) mỗi năm Đây là chất tiền sinh của peroxyaxetyl nitrat (PAN) rất độcđối với thực vật PAN thâm nhập vào lá qua khí khổng gây tổn thương chlorophyl, kìmhãm việc chuyển các điện tử và rối loạn hệ enzym liên quan đến quang hợp làm hạnchế cường độ quang hợp

Vấn đề đáng quan tâm đối với con người là sự ô nhiễm không khí cục bộ bởi NH3,

Cl2, CH4, NOx, CO… gây ra do sự rò rỉ hóa chất, nổ các thiết bị lạnh, khí thải của độngcơ…Nói chung, thông qua hô hấp các thành phần này ảnh hưởng bất lợi đến sức khỏethậm chí có thể gây tử vong

g Dòng và áp suất

Trong khí quyển và trong nước đều tồn tại các hệ thống dòng gây ra bởi sự chênhlệch áp suất giữa các vùng cũng như do các yếu tố động lực khác Dòng trên cạn làdòng khí, chuyển động theo chiều thẳng đứng (khí thăng và khí giáng) và chiều ngang(gió), ở biển là các dòng hải lưu, dòng nước trồi, nước lặn, trong lục địa các dòng sông

là dòng nước điển hình

Dòng vận động với tốc độ khác nhau trở thành yếu tố điều chỉnh và giới hạn đối vớiđời sống của sinh vật Ảnh hưởng của dòng lên đời sống sinh vật không chỉ trực tiếp

mà còn gián tiếp khi làm biến đổi các yếu tố môi trường

Nhìn chung dòng phân bố lại các yếu tố oxy, carbonic, nitơ…cả trong không khí vàtrong nước Nhờ sự vận động thẳng đứng của nước mà tất cả nguồn muối dinh dưỡng,nhiệt độ…ở những vực nước sâu được xáo trộn đồng đều trong khối nước và xóa bỏ sựphân tầng nhiệt trong các thủy vực ở vùng vĩ độ cao hay trên các núi cao thuộc vùng vĩ

độ thấp (Vũ Trung Tạng, 2000)

Ở biển nơi có hoạt động của thủy triều thì dòng triều làm biến đổi bộ mặt của vùngcửa sông và ven bờ, làm xáo trộn khối nước và phân bố lại sinh vật và các yếu tố dinhdưỡng khác Khi triều rút, dòng nước cuốn ra biển các cặn bã và sản phẩm trao đổi chấtcủa khối nước cạn ven bờ làm sạch môi trường Những dòng hải lưu trong các đạidương giúp cho sinh vật chuyển từ vùng này đến vùng khác tạo nên phức hệ động thực

vật có nguồn gốc khác nhau tồn tại trong một không gian xác định (Vũ Trung tạng,2000)

Gió là sự chuyển dịch của khối không khí từ nơi áp suất cao đến nơi áp suất thấp kéotheo sự di chuyển của hơi nước (mây) gây mưa trên những vùng rộng lớn này nhưnglàm khô hạn những vùng khác nơi mà gió đi qua chưa bão hòa hơi nước Đai hoangmạc phân bố từ vĩ độ 5 đến các chí tuyến Bắc và Nam bán cầu là những trường hợpđiển hình về sự mất nước do gió Tốc độ gió lớn xâm nhập vào vùng áp thấp thườnghình thành các trận bão mạnh kèm theo mưa lớn gây ngập lụt Nếu lốc (gió xoáy) trênđất liền cũng rất nguy hiểm do có sức công phá mạnh, lốc trên biển thường tạo ra vòirồng

Áp suất cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố và đời sống của sinh vật, nhất là

áp suât cao trong khối nước biển Càng lên cao áp suất càng giảm; ngược lại đối vớimôi trường nước, xuống sâu 10 m áp suất tăng thêm 1 atm (80% diện tích đáy đạidương có độ sâu trên 1000 m có nghĩa áp suất cột nước đạt trên 100 atm) Nói chung,

áp suất khí quyển và áp suất của nước đều là yếu tố giới hạn rất lớn đối với sự phân bố

và đời sống của hầu hết sinh vật Do vậy, càng lên cao hay càng xuống sâu thành phầnloài và sự phát triển sinh vật càng giảm

1.2.2 Ảnh của các yếu tố sinh thái hữu sinh

Các yếu tố sinh thái hữu sinh đề cập đến mối quan hệ giữa sinh vật với các sinh vậtkhác (yếu tố sinh học), từ đó đưa đến sự chu chuyển của vật chất và sự phát tán nănglượng trong các hệ sinh thái

Quan hệ giữa sinh vật với sinh vật rất đa dạng và phức tạp Trong quan hệ giữa sinhvật với sinh vật, mối quan hệ về dinh dưỡng và nơi cư trú thể hiện vai trò quan trọnghàng đầu Các quan hệ này được xếp trong tám nhóm chính sau:

Bảng 3 Các mối quan hệ chính giữa sinh vật với sinh vật

STT Các kiểu quan hệ

(tương tác)

Tính chất ảnhhưởng

Đặc trưng của kiểuquan hệ

Ví dụ

Loài1

1 Trung tính (Bàng

quan - Neutralism)

0 0 Hai loài không gây

ảnh hưởng lên nhau

khỉ,hổ

chồn,bướm

nấm,tảolam

vikhuẩn,độngvật

3 Cạnh tranh

(Competion)

- - Hai loài gây ảnh

hưởng lên nhau

lúa,

sư tử

cỏ dại,báo

mèo,hổ

chuột,nai

giasúc,

đông, vật chủ có kíchthước lớn

người

(Commensalism)

+ 0 Loài sống hội sinh có

lợi, loài được hộisinh không có lợicũng không có hại

phonglan,

câyrừng

7 Tiền hợp tác

(Protocooperation)

+ + Cả hai đều có lợi

nhưng không bắtbuộc phải sống với

nhau

cásấu,trâu

nấm,tảo, visinhvật

tảo,san

hô, bò (Nguồn: phỏng theo Vũ Trung Tạng, 2000)

Tám nhóm quan hệ trên có thể gộp lại thành ba nhóm chính: mối quan hệ trung tính(bàng quan), các mối tương tác âm (hãm sinh, cạnh tranh, ký sinh-vật chủ, vật dữ-conmồi) và các mối tương tác dương (hội sinh, tiền hợp tác và cộng sinh)

Bảng 4: Thành phần loài sinh vật trên trái đất

23,0019,9053.901,370,651,04 (Nguồn: Solbrig, 1993, dẫn theo G Tyler, 1988)

Các số liệu trên cho thấy sự sống rất phong phú và đa dạng Về mặt cấu trúc, có thểphân chia và xem xét sự sống theo các mức độ tổ chức có tính hệ thống như sau:

Hệ sinh học Hệ ADN Hệ tế bào Hệ cơ Hệ cá Hệ quần Hệ sinh

quan thể thể thái Hình 8 Sơ đồ mức độ tổ chức sinh giới

(Nguồn: phỏng theo E.ODUM, 1978; dẫn theo Vũ Trung Tạng, 2000)

Các mức độ tổ chức khác nhau của sự sống có sự liên hệ chặt chẽ với nhau và có khảnăng tồn tại độc lập tương đối Có thể nói những hệ thống sinh học mà cá thể của cácloài tồn tại và phát triển đều là các hệ cấu trúc chức năng và có khả năng tự điều chỉnh

Do vậy, những thành phần cấu trúc và những hoạt động chức năng của hệ thống đượcxem như là những thông số của hệ, có khả năng biến đổi một cách thích nghi với sựthay đổi của môi trường, duy trì sự ổn định cho toàn hệ thống

2.1.2 Đa dạng sinh học (Biological diversity)

Trong quá trình tồn tại, sinh vật luôn phát triển và tiến hóa Điều này được xác địnhbởi ba cơ chế chủ yếu: chọn lọc, đột biến và tính ngẫu nhiên (Lê Văn Khoa và các tácgiả, 2002) Điều này dẫn đến sự đa dạng của các tổ chức sống Sự đa dạng của các tổchức sống thể hiện không chỉ đơn thuần bởi các loài khác nhau (đa dạng về loài), màcòn đa dạng về di truyền (đa dạng về gene) và đa dạng về hệ sinh thái Đa dạng hệ sinhthái là đa dạng về các mối tương tác giữa quần xã sinh vật với thành phần vô sinh (môitrường) Do vậy, trên trái đất hình thành nên nhiều hệ sinh thái khác nhau như đàinguyên, rừng lá kim, rừng rậm, rừng ngập mặn, đồng cỏ, hồ ao, cửa sông, đầm lầy, rạnsan hô, …

Đa dạng sinh học là khái niệm nói lên sự đa dạng và phong phú về nguồn géne, loàisinh vật trong hệ sinh thái và trong tự nhiên Cũng có thể hiểu đa dạng sinh học đượcbiểu hiện qua sự phong phú về số lượng những nguồn sống trên hành tinh bao gồmtoàn bộ các loài động, thực vật và vi sinh vật (phỏng theo Lê Huy Bá và Lâm MinhTriết, 2002)

Nhờ có sự đa dạng của các tổ chức sống mà sự sống thích nghi được với sự đa dạng

về môi trường trên hành tinh chúng ta Trên cở sở này, sự sống có thể duy trì sự tồn tại

2.2 Khái quát về quần thể (Chủng quần - Population)

2.2.1 Khái niệm

Quần thể là một nhóm cá thể của môt loài (hay dưới loài), khác nhau về giới tính, về tuổi và về kích thước, cùng sống trong một điều kiện sống nhất định, có khả năng giao phối tự do với nhau để tái sản xuất số lượng cá thể nhằm bảo đảm

sự tồn tại lâu dài của quần thể Nói một cách đơn giản, “Quần thể là tập hợp các cá

thể sinh vật cùng loài cùng tồn tại trong một khu vực sống tại một thời gian nhất định.”(Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết, 2002)

Quần thể là một tổ chức ở mức cao hơn mức cá thể, được đặc trưng bởi:

+ Kích thước quần thể

+ Cấu trúc tuổi

+ Cấu trúc giới tính

+ Sự biến động số lượng cá thể của quần thể

Do là một nhóm cá thể cùng loài nên những loài nào có vùng phân bố hẹp, điềukiện môi trường khá đồng nhất thường hình thành một quần thể - Người ta gọi đó lànhững loài đơn hình (Monomorphis) Ngược lại, những loài có vùng phân bố rộng,điều kiện môi trường không đồng nhất ở những khu vực khác nhau của vùng phân bốthường tạo nên nhiều quần thể - Người ta gọi đó là những loài đa hình (Polymorphis)

Điều này có nghĩa, tùy thuộc vào loài có thể hình thành nên nhiều loài phụ (dưới loài).Tính đa hình càng lớn loài càng dễ thích nghi với sự biến động của các yếu tố môitrường trong vùng phân bố rộng của mình.

Đối với con người, ý nghĩa quan trọng của quần thể là khả năng hình thành sinhkhối của quần thể hay khả năng tạo nên chất hữu cơ dưới dạng các cơ thể sinh vật(productivity) mà con người có thể lựa chọn cho mục đích sử dụng của mình

2.2.2 Các đặc trưng cơ bản của quần thể

Quần thể không đồng nhất về các thành phần cấu trúc của mình và không đồng nhất

về sự phân bố của các cá thể trong không gian Đặc tính cấu trúc của quần thể thể hiệntheo nhiều khía cạnh, có thể xem xét theo các khía cạnh cơ bản sau:

a Kích thước và mật độ của quần thể

● Kích thước của quần thể

Trong giới hạn vùng phân bố của loài, kích thước của quần thể là số lượng (số cáthể) hay khối lượng (g, kg…) hay năng lượng (calo, kcal…) tuyệt đối quần thể (phùhợp với nguồn sống và không gian mà quần thể chiếm cứ) Những quần thể phân bốtrong không gian rộng, nguồn sống dồi dào có số lượng lớn hơn những quần thể cóvùng phân bố hẹp và nguồn sống bị hạn chế

Trong điều kiện nguồn sống có giới hạn, những loài có kích thước cá thể nhỏthường tồn tại trong quần thể đông nhưng sinh khối (sinh vật lượng) lại thấp (vikhuẩn, vi tảo, côn trùng…) Ngược lại, những loài có kích thước cá thể lớn, kíchthước quần thể lại nhỏ nhưng sinh khối lại cao (thân mềm, cá, chim…)

Mỗi quần thể đều có một kích thước xác định với 2 cực trị: tố thiểu (Nmin) và tối đa(Nmax) Kích thước tối thiểu đặc trưng cho loài, bảo đảm cho quần thể đủ khả năngduy trì số lượng cũng như vai trò của nó trong tự nhiên Nếu số lượng của quần thểdưới mức cho phép quần thể bị diệt vong Trong thực tế, nhiều quần thể động thực vật

bị khai thác quá mức đã và đang bị biến mất khỏi sinh quyển; hàng loạt loài động thựcvật khác do bị mất nơi ở hoặc môi trường nơi chúng kiếm ăn và sinh sản bị thu hẹp,xáo động mạnh hoặc bị ô nhiễm …đang có nguy cơ bị diệt vong (được ghi vào “sáchđỏ”) Kích thước tối đa của quần thể được quy định bởi nguồn sống và các yếu tố sinhthái khác (cạnh tranh, bệnh tật…) Quy luật chung của các loài sinh vật là sự pháttriển số lượng đến vô cùng nhưng không gian, nguồn sống có giới hạn và bị chia sẻcho nhiều loài khác cùng tồn tại nên kích thước quần thể chỉ có thể đat đến mức tối đacho phép Trong điều kiện môi trường ổn định kích thước của quần thể cũng ổn địnhcân bằng với khả năng dung nạp của môi trường và sự biến động trên thực tế luôn có

xu hướng đạt đến kích thước này

Kích thước của quần thể trong một không gian và thời gian nào đó được khái quáttheo công thức sau:

Nt = N0 + B – D + I – E

Trong đó: ∙Nt: số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t

∙N0: số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t = 0

∙B: số lượng cá thể của quần thể sinh ra trong khoảng thời gian từ t0 đến t

∙D: số lượng cá thể của quần thể bị chết trong khoảng thời gian từ t0 đến t

∙I: số lượng cá thể nhập cư trong khoảng thời gian từ t0 đến t

∙E: số lượng cá thể di cư khỏi quần thể trong khoảng thời gian từ t0 đến t

● Mật độ của quần thể

Mật độ của quần thể là số lượng cá thể (hay khối lượng hoặc năng lượng) tính trênmột đơn vị diện tích hay thể tích mà quần thể đó sinh sống (Vũ Trung Tạng, 2000) Vídụ: mật độ một loài sâu hại lúa được dự báo là 8 cá thể/m2, mật độ một loài tảo nuôicấy là 98,1x103 tb/ml, mật độ dân số thành phố Hồ Chí Minh năm 2000 là 2.410người/km2…

Mật độ của quần thể thể hiện sự cân bằng giữa tiềm năng sinh sản và sức tải củamôi trường

Mật độ của quần thể có tính chất như một chỉ số sinh học quan trọng báo động vềtrạng thái số lượng của quần thể cần phải tăng hay giảm Khi mật độ quá cao, điềukiện sống suy giảm, trong quần thể xuât hiện những tín hiệu dẫn đến sự giảm số lượngnhư thực hiện di cư của một bộ phận quần thể, giảm khả năng sinh sản và độ mắn đẻcủa các cá thể cái, giảm sức sống sót của các cá thể non và già…Khi mật độ thấp,quần thể có cơ chế điều chỉnh số lượng theo hướng ngược lại Tuy nhiên, nếu mật độquá thấp thì điều kiện gặp gỡ giữa các cá thể khác giới trong sinh sản trở nên khókhăn, do đó khả năng sinh sản, mức độ thụ tinh, sức sống của con non giảm và khảnăng bảo vệ con non chống kẻ thù cũng như sức chống chọi với sự biến động của cácyếu tố môi trường cũng giảm

Như vậy mỗi loài-mỗi quần thể của loài trong những điều kiện sống cụ thể củamình đều có một mật độ xác định-một chỉ số đóng vai trò quan trọng trong cơ chếđiều chỉnh số lượng cá thể của quần thể

● Phân bố cá thể của quần thể

Cấu trúc không gian của quần thể được biểu hiện là sự chiếm cứ không gian củacác cá thể Các cá thể phân bố trong không gian theo 3 cách sau đây: phân bố đều,phân bố theo nhóm (phân bố điểm) và phân bố ngẫu nhiên

Hình 9: Ba dạng phân bố chủ yếu của cá thể trong quần thể

A B C

Phân bố đều Phân bố theo nhóm Phân bố ngẫu nhiên Phân bố đều gặp ở những nơi môi trường đồng nhất và sự cạnh tranh về không giangiữa các cá thể mạnh hoặc tính lãnh thổ cao

Phân bố theo nhóm thường gặp trong thiên nhiên khi môi trường không đồng nhất vàcác cá thể có khuynh hướng tập hợp lại với nhau thành nhóm hay thành điểm

Phân bố ngẫu nhiên quan sát được trong trường hợp khi môi trường đồng nhấtnhưng các cá thể không có tính lãnh thổ cao, cũng không có xu hướng sống tập hợp lạithành nhóm

Sự phân bố cá thể của quần thể dẫn đến sự tập hợp hoặc sự cách ly, tính lãnh thổ vàvùng cư trú an toàn đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu (Elliot Howard, 1920;W.C Allee, 1951; Darling, 1983…)

b Cấu trúc tuổi của quần thể

Quần thể gồm nhiều nhóm tuổi, chúng có quan hệ với nhau rất mật thiết về mặt sinhhọc, tạo nên cấu trúc tuổi của quần thể Tỷ lệ số lượng cá thể thuộc các nhóm tuổitrong quần thể tạo nên cấu trúc tuổi Nếu xếp chồng số lượng của các nhóm tuổi theocác thế hệ từ non đến già ta có tháp tuổi

Hệ thống các nhóm tuổi cũng là hệ thống các yếu tố cấu trúc nội tại của quần thể,phản ứng khác nhau với những biến động của điều kiện sống nhằm duy trì sự ổn địnhcho toàn bộ quần thể Ví dụ, khi nguồn dinh dưỡng suy giảm, điều kiện khí hậu xấu đi,

tỷ lệ cá thể non và già đều giảm đi nhanh chóng, kích thước của quần thể giảm xuống.Nhóm tuổi trung bình còn lại thừa hưởng nguồn dinh dưỡng (và nơi cư trú) đã vượt quagiai đoạn khó khăn để khôi phục lại số lượng các thể, quần thể được duy trì Ngược lại,trong điều kiện thuận lợi, nguồn dinh dưỡng phong phú, tỷ lệ số cá thể thuộc nhómchưa trưởng thành tăng lên, khả năng bổ sung cho nhóm tuổi sinh sản lớn, kích thướccủa quần thể, do vậy, tăng lên

Những quần thể hoặc loài có tuổi thọ thấp thường có cấu trúc tuổi đơn giản và ngượclại những quần thể hoặc loài có thuổi thọ cao thường có cấu trúc tuổi phức tạp

Trong điều kiện môi trường không ổn định, số lượng cá thể thuộc các nhóm tuổikhác nhau thường biến đổi khác nhau do chúng phản ứng khác nhau với cùng cường độtác động của các yếu tố môi trường Khi điều kiện môi trường ổn định, cấu trúc tuổicủa quần thể mới được xác lập ổn định mang tính đặc trưng Như vậy, cấu trúc tuổi củaquần thể đóng vai trò như là một hệ thống tự điều chỉnh, có khả năng tái lập một cáchthích nghi thông qua sự thay đổi nhịp điệu tăng trưởng, mức độ thành thục và tuổi thọcủa các cá thể trong quần thể

Trong nghiên cứu sinh thái người ta chia đời sống của các cá thể thành 3 giai đoạn:trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản Do vậy, trong quần xã hình thành nên 3nhóm tuổi tương ứng Mỗi nhóm tuổi có một ý nghĩa sinh thái khác nhau, tham gia vào

cơ chế điều chỉnh số lượng cá thể của quần thể

∙Nhóm trước sinh sản: bao gồm những cá thể chưa có khả năng sinh sản Sự tăngtrưởng của các cá thể chủ yếu là tăng kích thước và khối lượng Nhóm này là nhóm bổsung cho nhóm đang sinh sản của quần thể

∙Nhóm đang sinh sản: là lực lượng tái sản xuất của quần thể Khả năng sinh sản củanhóm này tùy theo đặc điểm của loài

∙Nhóm sau sinh sản: gồm những cá thể không còn khả năng sinh sản

c c c

b b b

a b a

Hình 10 Các trạng thái cấu trúc tuổi của quần thể

a: Nhóm tuổi trước sinh sản b: Nhóm tuổi đang sinh sản c: Nhóm tuổi sau sinh sản

I: Quần thể đang phát triển (còn trẻ) II: Quần thể ổn định (trưởng thành) III: Quần thể

suy thoái (già hay lão hóa)

Khi các nhóm tuổi kế tiếp nhau (tương tự như khi xếp các thế hệ) chúng ta có tháptuổi Trên cơ sở tháp tuổi chúng ta có thể đánh giá xu thế phá triển của quần thể trongtương lai

Trong khai thác, nếu tỷ lệ các cá thể già chiếm ưu thế còn con non rất ít trong mộtđợt đánh bắt, chúng ta có thể nghĩ rằng chúng ta chưa khai thác hết tiềm năng chophép Ngược lại, tỷ lệ các cá thể chưa sinh sản quá cao trong một đợt khai thác nói lênrằng việc khai thác đã vượt quá giới hạn cho phép Tuy nhiên, không phải tất cả các

loài đều có 3 nhóm tuổi, ví dụ: cá chình (Anguilla sp.), cá hồi (Salmo sp.) không có

nhóm sau sinh sản Ngoài ra, tuổi của mỗi nhóm sinh thái ở các loài khác nhau hoàntoàn khác nhau, thậm chí còn thay đổi ngay trong một loài, ví dụ: ve sầu, chuồn chuồn,thiêu thân… có giai đoạn trước sinh sản rất dài, thời kỳ sinh sản và sau sinh sản rấtngắn

c Cấu trúc giới tính

Sự phân chia giới tính là hình thức cao trong sinh sản của giới sinh vật Nhờ đó,trong sinh sản có sự trao đổi chéo và kết hợp géne giữa các cá thể để tạo nên các thế hệsau có sức sống tốt hơn

Trong thiên nhiên, tỷ lệ giữa cá thể đực và cá thể cái là 1:1, nhưng tỷ lệ này biến đổikhác nhau ở từng loài và khác nhau ở từng giai đoạn trong vòng đời ngay trong mộtloài, đồng thời còn chịu sự chi phối của của các yếu tố môi trường

Người ta nhận thấy rằng nhịp điệu tái sản xuất số lượng cá thể của quần thể tăng lênkhi tăng số lượng cá thể cái nhưng trong điều kiện đó sức sống của thế hệ con nongiảm Do vậy, trong điều kiện môi trường thuận lợi, ở nhiều loài động vật tỷ lệ cá thểcái thường cao, thậm chí có trường hợp trong quần thể chỉ toàn cá thể cái Ví dụ: vào

mùa hè, trong quần thể giáp xác râu ngành Cladocera và luân trùng Rotatoria không có

cá thể đực Những quần thể này sinh sản theo kiểu đơn tính được gọi là trinh sản(Parthenogenese) Khi môi trường xấu đi, số lượng các cá thể đực tăng lên nhằm tăngsức sống của con non để chống chịu hiệu quả hơn với các điều kiện bất lợi của môitrường, trong trường hợp này cá thể đực giao phối với cá thể cái sinh ra trứng nghỉ cóthể sống tiềm sinh trong điều kiện môi trường bất lợi

Tỷ lệ giữa các cá thể đực và cá thể cái trong quần thể phụ thuộc trước hết vào đặcđiểm di truyền của loài; tuy nhiên, còn chịu sự kiểm soát của điều kiện môi trường nhưnhiệt độ, cường độ và thời gian chiếu sáng, sự khai thác có chọn lọc của vật dữ đối vớicon đực hoặc con cái trong quần thể Tỷ lệ giới tính còn thay đổi tùy theo những giaiđoạn khác nhau của vòng đời

Cấu trúc giới tính có ý nghĩa thích nghi đảm bảo cho sự sinh sản cuả quần thể đạthiệu quả cần thiết trong điều kiện môi trường không ổn định

d Sự biến động số lượng cá thể của quần thể

Mỗi quần thể là một hệ thống với nhiều thông số biến động, chúng tạo nên các biếnđổi về trạng thái của hệ thống để đạt mức tối ưu ở mỗi thời điểm phù hợp với sự biếnđộng của điều kiện tồn tại Quần thể không chỉ “đáp trả” những biến động của môitrường để tồn tại và phát triển mà còn hướng đến cải tạo môi trường có hiệu quả hơn

Sự tối ưu hóa trạng thái quần thể chủ yếu dựa trên tính tổ chức của hệ thống trong điều

kiện tác động không có tổ chức của các yếu tố môi trường, đồng thời, dựa trên sự huyđộng tối đa khả năng có được của quần thể để đồng hóa tối ưu nguồn dinh dưỡng nhằmchuyển năng lượng vào hệ thống.

Tổ chức càng cao, năng lượng đưa vào hệ thống càng lớn (hay nói một cách khác, sốlượng cá thể càng nhiều, cường độ hoạt động chức năng càng mạnh) là điều kiện quantrọng nhất để quần thể có khả năng thích nghi cao hơn với các biến đổi của điều kiệnmôi trường

Trong điều kiện bất kỳ, hai thông số quan trọng điều chỉnh số lượng và hoạt độngchức năng của quần thể là “mức sinh sản” và “mức tử vong” Sự biến động số lượng cáthể của quần thể gây ra bởi tốc độ khác nhau của mức sinh sản và mức tử vong

● Mức sinh sản của quần thể

Mức sinh sản của quần thể là số lượng cá thể mới được sinh ra (∆Nb = Nt2 – Nt1)trong một khoảng thời gian xác định (∆t = t2– t1)

Tốc độ sinh sản trung bình của quần thể sẽ là ∆Nb/∆t

Nếu tốc độ đó tính cho một cá thể của quần thể ta sẽ có ”tốc độ sinh sản riêng tứcthời”

t N

Mức tử vong là số lượng cá thể của quần thể bị chết trong một khoảng thời gian nào

đó Nếu số lượng cá thể ban đầu của quần thể là N, sau khoảng thời gian ∆t thì lượng

tử vong là ∆Nd

Tốc độ chết trung bình của quần thể được tính là ∆Nd/∆t

Nếu tốc độ chết được tính cho một cá thể của quần thể ta sẽ có “tốc độ tử vong riêngtức thời”

t N

dN = là chỉ số gia tăng theo một cá thể còn gọi là hệ số sinhtrưởng

dt

dN

.

= ; lấy tích phân hai vế, ta có: Nt = N0 ert với:

+ N0: số lượng cá thể ban đầu của quần thể + Nt: là số lượng cá thể ở thời điểm t

+ r: hệ số sinh trưởng

+ t: thời gian phát triển

+ e: cơ số logarith tự nhiên

Theo Vũ Trung Tạng (2001), các phương trình trên là những phương trình hàm mũvới dạng đường cong là một nhánh của đường parabol (dạng hình chữ J) hay có dạngsigmoit (dạng hình chữ S)

Mức độ chống đối của môi trường

Hình 11: Các dạng đường cong tăng trưởng của quần thể:

- Tăng theo hàm mũ có dạng hình chữ J

- Tăng theo hàm logarith có dạng hình chữ S

Đường cong hình chữ J phản ánh sự tăng trưởng số lượng cá thể của quần thể trongđiều kiện không bị giới hạn của các yếu tố môi trường (điều kiện lý tưởng) Khi quầnthể sống trong điều kiện lý tưởng: b sẽ đạt bmax và d đạt dmin Do vậy r sẽ tiến đến rmax.Hiệu của rmax và r là sự “đối kháng của môi trường” (rmax – r) Ở đây, r là tốc độ tăngtrưởng riêng trong điều kiện thực tế (điều kiện sinh thái) còn rmax là tiềm năng sinh họcđặc trưng cho từng loài (mang tính di truyền)

Những loài có kích thước cơ thể nhỏ, tuổi thọ thấp, tuổi sinh sản lần đầu sớm sẽ có

rmax lớn, do vậy, khả năng khôi phục số lượng cá thể của quần thể nhanh nhưng lại chịutác động chủ yếu của các điều kiện sinh thái vô sinh Những loài có kích thước cơ thểlớn, tuổi thọ cao, tuổi sinh sản lần đầu đến muộn sẽ có rmax nhỏ, do vậy, khả năng khôiphục số lượng các thể của quần thể chậm nhưng chịu tác động chủ yếu của các điềukiện sinh thái hữu sinh (cạnh tranh, vật dữ - con mồi, ký sinh - vật chủ)

Sự tăng trưởng số lượng cá thể của quần thể luôn chịu sự chống đối của môi trường(các yếu tố vô sinh và hữu sinh) Sô lượng cá thể càng tăng, sự chống đối càng mạnh

Do vậy, số lượng cá thể của quần thể chỉ đạt được giá trị tối đa mà môi trường “chophép” Nói cách khác, số lượng cá thể của quần thể chỉ có thể tiệm cận với số lượng K(N<K) Số lượng này cân bằng với dung tích môi trường (gồm thức ăn và các mốiquan hệ khác) Với giới hạn đó, số lượng cá thể của quần thể không thể tăng vô hạn màtuân theo quy luật được thể hiện dưới dạng phương trình sau: ( )

K

N K rN dt

Đây làhàm logarith, trong đó K được gọi là số lượng cực đại mà quần thể có thể đạt được.Biểu thức

dN rN

dt dN

=

Khi quần thể hoàn thành sự tăng trưởng số lượng cá thể (đạt được khi b = d) thì sốlượng cá thể của quần thể có khuynh hướng dao động chung quanh một giá trị ổn định.Thông thường, sự biến động được gây nên bởi những biến đổi của điều kiện môitrường hoặc theo chu kỳ (ngày-đêm, mùa, năm…) hoặc không theo chu kỳ (bởi các yếu

tố ngẫu nhiên)

+ Biến động theo chu kỳ

∙ Chu kỳ ngày đêm: liên quan đến sự biến đổi của bức xạ mặt trời có tinh luân phiênngày đêm Ví dụ: sự dao động số lượng cá thể của plankton Tảo chỉ có thể tăng trưởng

và phân bào (sinh sản) trong điều kiện chiếu sáng ban ngày, ban đêm quá trình nàyngừng hẳn; hơn nữa, chúng còn bị động vật nổi tiêu thụ Ngược lại, nhiều loài động vậtnổi lại sinh sản tập trung vào ban đêm, nhất là nửa đêm về sáng; ban ngày chúng lại bịtiêu thụ bởi vật dữ (cá con…)

∙ Chu kỳ mùa: sự biến động số lượng cá thể của quần thể theo mùa thường gặp trongthiên nhiên, nhất là những loài có thời gian sinh trưởng bị giới hạn; ví dụ những loài cóchu kỳ sống ngắn hoặc ở những loài xuất hiện theo mùa (động vật có tập tính di cư)

Do vậy, số lượng cá thể nhiều loài như ruồi, sẻ đồng, vịt trời…biến động tùy theo mùa

Ở đa số các loài côn trùng, động thực vật có tuổi thọ thấp (thường là 1 năm) số lượng

cá thể không chỉ dao động theo mùa mà còn theo năm liên quan đến những biến độngcủa thời tiết, khí hậu

∙ Chu kỳ nhiều năm: nhiều loài động vật có tuổi thọ nhiều năm như các loài chim di trú,thỏ và mèo rừng…có sự biến động số lượng cá thể theo nhiều năm Có ý kiến cho rằng

sự biến động này liên quan đến sự biến động theo chu kỳ nhiều năm của hệ mặt trờihay sự xuất hiện của El-Nĩno…(Nguyễn Trọng Nho, 1999) Tuy nhiên một số ý kiếncho rằng vấn đề này vẫn chưa có câu trả lời chính xác (Vũ Trung Tạng, 2000)

+ Biến động không mang tính chu kỳ: đây là sự biến động số lượng cá thể của quầnthể do những nguyên nhân có tính bất thường, ngẫu nhiên; ví dụ do cháy rừng, do tràndầu gây ô nhiễm biển, do động đất, do hoạt động của núi lửa…Thông thường sinh vậtkhông thích nghi kịp với những thay đổi điều kiện môi trường này nên dễ dẫn đến diệtvong

2.3 Khái quát về quần xã (Biocenose or Community)

2.3.1 Khái niệm

Quần xã là tập hợp các quần thể sinh vật cùng sống trong một môi trường (hay một sinh cảnh xác định), được hình thành qua một quá trình lịch sử lâu dài, có sự thống nhất về chức năng Chúng tương tác với nhau và với môi trường tạo nên chu trình vật chất và dòng năng lượng.

Quần xã có thể được xem như một tổ hợp của các quần thể khác loài với những mốitương tác giữa chúng, sống trong một vùng địa lý xác định (hay sinh cảnh) hay tổ hợpcủa các loài mà chức năng sinh thái và sự biến động của chúng đều diễn ra trong mốiquan hệ phụ thuộc lẫn nhau (Putman, 1994; dẫn theo Vũ Trung Tạng, 2000)

Quần xã sinh học tồn tại ở mọi hình dạng, kích thước và mọi mức độ của mối tươngtác giữa các quần thể tạo nên nó Quần xã có vai trò kiểm soát bản chất các mối tươngtác của các quần thể trong quần xã và xác định hiệu quả của các mối quan hệ đối vớicấu trúc và hoạt động chức năng của quần xã (Vũ Trung Tạng, 2000) Do vậy, quần xã

có cấu trúc nhất định về quan hệ dinh dưỡng và trao đổi chất (Nguyễn Văn Tuyên,2001) Các quần thể trong quần xã có mối quan hệ rất chặt chẽ trước hết về dinh dưỡng

và về nơi ở Những mối quan hệ này được hình thành qua quá trình lịch sử Chính mốiquan hệ chặt chẽ giữa các loài trong quần xã (mỗi loài trong quần xã có một chức năngnhất định) nên quần xã được coi là một “siêu cơ thể” (Nguyễn Trọng Nho, 1999) Các quần xã trong tự nhiên được gọi tên theo nhiều cách; có thể theo địa điểm phân

bố của quần xã như quần xã sinh vật bãi triều, quần xã sinh vật núi đá vôi…hay têntheo chủng loại phát sinh như quần xã thực vật ven hồ, quần xã động vật hoangmạc…hay gọi theo dạng sống như quần xã sinh vật nổi…; người ta cũng gọi tên quần

xã theo tên loài hay nhóm sinh vật ưu thế như quần xã sinh vật đồng cỏ, quần xã câybụi…(loài ưu thế là loài có số lượng cá thể lớn và đóng vai trò quyết định chiều hướngphát triển của quần xã)

2.3.2 Các đặc trưng cơ bản của quần xã

Quần xã có cấu trúc đặc trưng, giúp nó thực hiện đầy đủ chức năng sống để tồn tại

và phát triển ổn định

a Cấu trúc về loài

Quần xã gồm nhiều loài nhưng vị trí và chức năng của các loài trong quần xã khôngnhư nhau Bản chất tiến hóa của các quần xã là khuynh hướng đạt đến sự đa dạng vềloài, về gene, về cấu trúc cũng như các mối quan hệ giữa các loài Trong quần xã sinhvật, mức đa dạng càng cao khi diện tích phân bố của quần xã càng lớn, mức đa dạngtăng lên khi chuyển từ độ vĩ cao xuống độ vĩ thấp

Quá trình phát triển sinh vật tại một vùng được chia làm 3 thời kỳ: quần xã tiênphong, quần xã cao đỉnh và quần xã suy thoái Giữa các thời kỳ đó có các quần xãchuyển tiếp Những quần xã mới mình thành (còn non) hoặc những quần xã đang suythoái thì độ đa dạng và tính ổn định giảm xuống Điều này có nghĩa thành phần loài củahai quần xã này nghèo nàn và biến động nhưng số lượng cá thể trong mỗi loài lại lớn.Ngược lại, quần xã cao đỉnh (climax) có thành phần loài đa dạng nhất nhưng số lượng

cá thể trong mỗi loài lại không lớn

Quần xã nào có thành phần loài càng phong phú, hệ số đa dạng càng cao sẽ đạt đượctính bền vững Có nghĩa các quần xã cao đỉnh có thời gian tồn tại lâu dài và quan hệgiữa sinh vật với môi trường là tối ưu

b Cấu trúc về không gian của quần xã

Các cá thể, dạng sống…trong quần xã đều phản ứng một cách thích nghi với sự biếnđộng của các yếu tố môi trường (dù nhỏ nhặt nhất) để tồn tại ổn định Các yếu tố môitrường thay đổi theo không gian và biến động theo thời gian Do vậy gradien của chúng(bao gồm cả điều kiện vô sinh và hữu sinh) quyết định đến cấu trúc không gian củaquần xã theo chiều ngang cũng như theo chiều thẳng đứng

Sự phân bố của động thực vật theo mặt phẳng được xem như một dạng cấu trúc củaquần xã

Theo chiều thẳng đứng của không gian, sinh vật thường phân bố theo tầng hay lớp,liên quan đến sự biến đổi của hàng loạt yếu tố Đối với thảm thực vật, nhất là ở rừng,

sự phân tầng của các loài cây phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, độ ẩm củakhông khí…

Ở ven biển, khi đi từ mép nước xuống tầng sâu, lần lượt chúng ta gặp các đai tảo lục(hấp thụ ánh sáng đỏ, độ sâu: 5 - 6 m), tảo lam, tảo nâu (ánh sáng da cam, độ sâu: 30 –

60 m) và cuối cùng là tảo đỏ (ánh sáng xanh, tím ; độ sâu: 100 m) với “lá” rộng bản

Khi lên các đỉnh núi cao hay xuống các lớp đất, nước sâu, thành phần các loài và sốlượng cá thể của quần thể đều giảm đi.

c Cấu trúc của quần xã theo thời gian

Trên thực tế, quần xã, là một tổ chức của sự sống, luôn biến động Thành phần loài

và số lượng cá thể của mỗi quần thể trong quần xã luôn thay đổi theo thời gian Quátrình này gọi là sự diễn thế của quần xã Sự diễn thế đi kèm với sự biến đổi môi trườngnên diễn thế quần xã còn được gọi là diễn thế sinh thái (Ecological succession)

Diễn thế là quá trình phát triển theo thứ bậc của quần xã liên quan đến biến đổi cấutrúc loài và các điều kiện môi trường, do ngoại cảnh hoặc chính các quần xã đó tạo nên(Nguyễn Văn Tuyên, 2001)

Xét theo quan điểm sinh thái, sự diễn thế bắt đầu bằng quần xã tiên phong là quần xãhình thành đầu tiên có thành phần loài đơn điệu; quá trình phát triển qua các quần xãchuyển tiếp để đạt đến quần xã cao đỉnh với thành phần loài đa dạng nhất và chuyểnhóa năng lượng tối ưu (đạt được sinh khối lớn nhất trên một đơn vị dòng năng lượng);cuối cùng là quần xã suy thoái

Các nhà sinh thái học phân chia diễn thế sinh thái thành 3 loại chính: diễn thếnguyên sinh, diễn thế thứ sinh và diễn thế phân hủy

● Diễn thế nguyên sinh (Primary succession)

Diễn thế này khởi đầu từ một môi trường chưa có sinh vật Đó là một vùng đất mớihình thành như bãi bồi ven sông, một vùng dung nham núi lửa bị phong hóa thànhđất…Diễn thế này phải có một nhóm sinh vật khởi đầu, sau đó tạo ra quần xã tiênphong dẫn đến hình thành hệ sinh thái tiên phong với chuỗi thức ăn và dòng nănglượng Dần dần hệ sinh thái đi vào ổn định và cân bằng

● Diễn thế thứ sinh (Secondary succession)

Diễn thế thứ sinh xảy ra ở môi trường đã có một quần xã (và hệ sinh thái) nhất định.Thông thường, do một sự kiện đột ngột như sự thay đổi khí hậu, lở đất, đốt rừng làmnương rẫy…dẫn đến sự thay đổi quan trọng về cấu trúc thành phần loài của quần xã,chu trình vật chất và dòng năng lượng trong hệ sinh thái bị thay đổi Điều này đưa đến

sự thành lập quần xã sinh vật (và hệ sinh thái mới) có thể khác hẳn quần xã (và hệ sinhthái) cũ

● Diễn thế phân hủy (Deposition succession)

Loại diễn thế này liên quan đến những loài sinh vật mới hình thành trong quá trìnhphân hủy các xác chết sinh vật Bản chất của quá trình này là sự phân hủy các chất hữu

cơ, từ các chất phức tạp thành các chất đơn giản trong môi trường Đặc điểm của diễnthế này là không hình thành nên quần xã sinh vật ổn định, điểm kết thúc của nó là cácchất khoáng

* Một số nhà sinh thái học khác (Daniel, 1994; dẫn theo Lê Huy Bá và Lâm MinhTriết, 2002) đề xuất 3 loại diễn thế: diễn thế tự sinh, diễn thế bị động và diễn thế phânhủy

● Diễn thế tự sinh (Nội diễn thế - Autogenic succession): là những thay đổi các quátrình của quần xã gây ra bởi những điều kiện bên trong quần xã Trong quá trình diễnthế này, loài ưu thế của quần xã đóng vai trò then chốt và thường gây ra những biến đổiđiều kiện môi trường vật lý đến mức bất lợi cho mình Trong điều kiện này, một loài

ưu thế có khả năng cạnh tranh sẽ thay thế Nói cách khác, trong quá trình nội diễn thế,loài ưu thế này sẽ thay thế loài ưu thế khác trong quần xã Đây chính là sự thay đổi

liên tiếp quần xã này bằng quần xã khác cho đến quần xã cuối cùng cân bằng với điềukiện vật lý.

● Diễn thế bị động (Ngoại diễn thế - Allogenic succession): xảy ra do các tác động từbên ngoài Ví dụ: do tác động vô ý thức (chặt phá và đốt rừng) hay có ý thức (cải tạođịa hình, khai thác rừng…) của con người, buộc hệ sinh thái phải khôi phục lại trạngthái cân bằng sau một thời gian

● Diễn thế phân hủy (Deposition succesion): liên quan đến sự xuất hiện nối tiếp củanhững loài trong quá trình phân hủy các xác chết sinh vật

* Liên quan đến cấu trúc loài và cấu trúc theo thời gian của quần xã là mối liên hệdinh dưỡng từ sinh vật sản xuất (tự dưỡng) – sinh vật tiêu thụ (dị dưỡng) – sinh vậtphân hủy (hoại dưỡng)

+ Sinh vật sản xuất (sinh vật tự dưỡng - Autotrophs): là những sinh vật có khả năngtổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ nhờ năng lượng mặt trời (và các dạng nănglượng khác) Thực vật và các vi sinh vật có sắc tố quang hợp thuộc nhóm sinh vật này.+ Sinh vật tiêu thụ (sinh vật dị dưỡng - Heterotrophs): không có khả năng tổng hợpchất hữu cơ từ chất vô cơ Chúng sử dụng các chất hữu cơ sẵn có và chuyển hóa từdạng này sang dạng khác Tất cả các loài động vật thuộc nhóm này

+ Sinh vật phân hủy (sinh vật hoại dưỡng – Detritus feeders and Decomposers): có đặctrưng gần như sinh vật dị dưỡng và là một bộ phận của sinh vật dị dưỡng (NguyễnTrọng Nho, 1999) nhưng chúng chuyển hóa chất hữu cơ từ dạng phức tạp sang dạngđơn giản hơn và cuối cùng giải phóng CO2 và H2O (thực hiện quá trình phân hủy). Mối liên hệ về dinh dưỡng, mang tính đặc trưng cho quần xã, tạo nên chuỗi thức ăn

và lưới thức ăn

● Chuỗi (xích) thức ăn (Food chain): Chuỗi thức ăn là mối liên hệ về dinh dưỡng trongquần xã trong đó loài này sử dụng loài khác làm nguồn dinh dưỡng và nó lại trở thànhnguồn dinh dưỡng cho loài tiếp theo Theo Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết (2002),chuỗi thức ăn là hệ thống chuyển hóa năng lượng từ nguồn, đi qua hàng loạt sinh vật,được tiếp diễn bằng cách một số sinh vật này sử dụng ngững sinh vật khác làm thức ăn

Mỗi nhóm sinh vật trong chuỗi thức ăn, có thể khác nhau về bậc phân loại nhưngcùng sử dụng một dạng thức ăn, được gọi là bậc dinh dưỡng (ứng với mỗi mắt xích củachuỗi thức ăn)

Theo chuỗi thức ăn vật chất được chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡngcao Càng lên cao năng lượng tích lũy trong mỗi bậc dinh dưỡng càng giảm nhưng chấtlượng sản phẩm (sự giàu năng lượng tính trên đơn vị sản phẩm) càng lớn

Chuỗi thức ăn có thể bắt đầu bằng thực vật (chuỗi thức ăn chăn nuôi), bằng mùn bãhữu cơ (detritus) (chuỗi thức ăn phế liệu) hoặc bắt đầu bằng các chất dinh dưỡng hoàtan (chuỗi thức ăn thẩm thấu) (dẫn theoVũ Trung Tạng, 2000) Ví dụ:

+ Chuỗi thức ăn chăn nuôi:

Thực vật Động vật ăn cỏ Động vật ăn thịt bậc I Động vật ăn thịt bậc

II…

+ Chuỗi thức ăn phế liệu:

Mùn bã hữu cơ Động vật ăn mùn bã hữu cơ Động vật ăn thịt bậc I

Động vật ăn thịt bậc II…

+ Chuỗi thức ăn thẩm thấu:

Sinh vật ăn sinh vật phù

du (cá) (Planktivores) Sinh v ật ăn cá (cá dữ)

(Piscivores)

Mặt trời + CO2

và muối dinh dưỡng

Vi sinh vật Nguyên sinh động vật (Protozoa)

Hình 12 Sơ đồ đơn giản về chuỗi thức ăn thẩm thấu trong thủy quyển

(Lali và Parsons, 1993; phỏng theo Vũ Trung Tạng, 2001)

: Con đường chuyển hóa qua các bậc dinh dưỡng

: Con đường hoàn lại cho môi trường

● Mạng lưới thức ăn (Food net or Food web): Tổ hợp các chuỗi thức ăn tạo nên mạnglưới thức ăn Trong mạng lưới thức ăn bao giờ cũng có một số loài tham gia vào cácbậc dinh dưỡng của một số chuỗi thức ăn, chúng tạo nên mối quan hệ dinh dưỡng rấtphức tạp trong quần xã (hay trong hệ sinh thái)

Châu chấu Chuột đồng Gà Thỏ

Hình 13 Sơ đồ đơn giản về mạnh lưới thức ăn trong quần xã sinh vật ở cạn

Thực vật phù du

(Phytoplankton)

Động vật phù du (Zooplankton)

Chất hữu

cơ hòa tan

Thực vật: Cỏ, Lúa, Rau…

Nói một cách đơn giản: “Sinh vật và thế giới vô sinh (không sống) có quan hệ khăngkhít với nhau và thường xuyên có tác động qua lại được gọi là hệ sinh thái”(A.Tansley, 1935; dẫn theo Nguyễn Trọng Nho, 1999).

Hệ sinh thái là một hệ động lực hở và tự điều chỉnh, bởi vì trong quá trình tồn tại vàphát triển, hệ phải tiếp nhận nguồn vật chất và năng lượng từ môi trường

Liên quan đến môi trường sống của con người, Lê Huy Bá và Lâm Minh Triết(2002) đưa ra khái niệm: “Hệ sinh thái môi trường (Environmental ecosystem) là một

hệ thống bao gồm quần xã sinh vật (và cả con người) cùng các điều kiện môi trườngbao quanh nó với sự tương tác lẫn nhau, liên tục không ngừng mà kết quả của sự tácđộng đó quyết định chiều hướng phát triển của quần xã và sinh cảnh của toàn hệ”

MÔI TRƯỜNG: NĂNG LƯỢNG - VẬT CHẤT

Hình 14 Mô hình minh hoạ hệ sinh thái (dẫn theo Nguyễn Trọng Nho, 1999; có sửađổi)

2.4.2 Các đặc trưng của hệ sinh thái

Theo quan điểm ngày nay, con người luôn mong muốn tương tác với thế giới tựnhiên nhằm thỏa mãn nhu cầu của mình theo hướng bền vững Muốn đạt được điềunày, con người cần nghiên cứu các hệ sinh thái Nền nông nghiệp và công nghệ củaloài người vẫn phụ thuộc vào thế giới tự nhiên và sự đa dạng của nó nhằm thỏa mãncác nhu cầu cơ bản như không khí trong lành, nước sạch, khí hậu phù hợp để trồng trọt

và hàng loạt các nhu cầu khác Sự tồn tại của các hệ sinh thái tự nhiên cho thấy các hệsinh thái tự nhiên là khuôn mẫu cho khả năng bền vững Nghiên cứu các hệ sinh thái(tự nhiên cũng như nhân tạo) sẽ giúp chúng ta hiểu được mối liên hệ giữa môi trường

và các sinh vật cũng như giữa môi trường với con người Trên cơ sở này chúng ta cóthể hiểu rõ hơn tác động của con người đến môi trường tự nhiên và các hậu quả có thể

có Hiểu được các hệ sinh thái tự nhiên sẽ giúp ta hiểu được bằng cách nào thực hiệnmối quan hệ giữa con người và trái đất bền vững hơn

a Cấu trúc theo thành phần của hệ sinh thái

● Cấu trúc sinh học (Biotic structure)

Thực chất đây là quần xã sinh vật Mọi hệ sinh thái đều có cấu trúc sinh học tương

tự nhau, dựa trên mối liên hệ về thức ăn, bao gồm 3 nhóm sinh vật cơ bản có trongquần xã: sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thu và sinh vật phân hủy cùng với mối tươngtác giữa các thành phần này với nhau và với các nhân tố vô sinh

Vật sản xuất-P

(Producer)

Vật tiêu thụ-C1 (Consumer I)

Vật tiêu thụ-C2 (Consumer II)

Vật ăn mùn bã hữu cơ và vật phân hủy (Detritus feeder and

Decomposer)

● Các nhân tố vô sinh (Abiotic factors)

Hợp phần thứ hai của hệ sinh thái là các nhân tố vô sinh (còn được gọi là môi trườngvật lý) Môi trường vật lý của quần xã sinh vật bao gồm ảnh hưởng và tác động qua lạicủa các tác nhân vật lý và hóa học; các tác nhân chính là mưa (tổng lượng và sự phân

bố của mưa trong năm và kết quả của mưa là độ ẩm trong đất và trong không khí),nhiệt độ, ánh sáng, gió, thành phần hóa học, pH, độ mặn và lửa Trong các hệ sinh tháithủy sinh, các tác nhân chủ yếu là độ mặn, thành phần hóa học, cấu trúc nền đáy, độsâu, độ đục và dòng chảy Mức độ mà theo đó mỗi tác nhân có mặt hoặc vắng mặt, caohoăc thấp có ảnh hưởng quyết định đến khả năng tồn tại của các sinh vật Tuy nhiên,mỗi loài có thể chịu ảnh hưởng khác nhau theo mỗi tác nhân Sự khác biệt về đáp ứngđối với các nhân tố môi trường xác định loài nào có thể hoặc không thể chiếm hữu mộtkhu vực hoặc vùng đặc biệt trong khu vực Ngược lại, loài nào tồn tại hoặc không tồntại xác định bản chất của hệ sinh thái được nghiên cứu

b Hoạt động của hệ sinh thái

● Vũ trụ được cấu tạo gồm vật chất và năng lượng Vật chất chiếm hữu không gian và

có khối lượng Ngươc lại; ánh sáng, nhiệt, sự vận động và dòng điện, không có trọnglượng và cũng không chiếm hữu không gian, là các dạng năng lượng Năng lượng baogồm hai dạng chính là động năng và nội năng đặc trưng cho khả năng làm vật chất vậnđộng Liên quan đến hoạt động của hệ sinh thái, có hai định luật nhiệt động học:

+ Định luật I (định luật bảo toàn năng lượng): năng lượng không sinh ra và cũngkhông mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

+ Định luật II: trong bất kỳ sự chuyển hóa năng lượng nào, khi kết thúc luôn thu được

ít năng lượng có thể sử dụng hơn khi bắt đầu (luôn có sự hao phí năng lượng)

● Chức năng của hệ sinh thái

Theo B.J Nebel và R.T.Wright (1998), một số nguyên lý về chức năng của hệ sinhthái như sau: (a) chuyển hóa thành phần dinh dưỡng theo chu trình

(b) sử dụng ánh sáng mặt trời với tính chất là nguồn ánh sáng cơ bản

Vòng tuần hoàn vật chất

Quan sát đầu vào và sản phẩm tạo ra của sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và sinhvật phân hủy chúng ta có ấn tượng về sự phù hợp lẫn nhau giữa chúng Sản phẩm tạo rahoặc phụ/phế phẩm của một nhóm sinh vật là nguồn thức ăn và/hoặc nguồn dinh dưỡngthiết yếu cho các nhóm sinh vật khác Ví dụ, vật chất hữu cơ và nguồn oxy tạo ra từcây xanh là thức ăn và oxy đòi hỏi bởi các sinh vật tiêu thụ khác Ngược lại carbondioxide và các chất thải khác được tạo ra khi sinh vật dị dưỡng sử dụng thức ăn củachúng là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho cây xanh Quá trình tái tuần hoàn này có tínhchất nền tảng do hai lý do: (1) Chúng ngăn cản sự tích lũy chất thải và (2) Chúng bảo

đảm hệ sinh thái sẽ không sử dụng lãng phí các thành phần thiết yếu Đây là nguyên lý

cơ bản về tính bền vững của hệ sinh thái.

Có thể nói rằng, hệ sinh thái tồn tại và hoạt động được nhờ quá trình chuyển hóa vật

chất tạo thành chu trình Trong hệ sinh thái các chu trình vật chất được gọi là chu trình Sinh - Địa – Hóa, là chu trình vận động của của các nguyên tố hóa học từ môi

trường ngoài vào cơ thể sinh vật, từ cơ thể sinh vật này qua cơ thể sinh vật khác rồi ralại môi trường ngoài Trong hơn 100 nguyên tố hóa học đã biết, có hơn 30 nguyên tố

có mặt trong các cơ thế sống trong đó khoảng 20 nguyên tố rất cần và khoảng 10

nguyên tố cần có điều kiện tạo nên hai nhóm là đa lượng như C, H, O, N, P, Ca, Mg,

S… và vi lượng như Cu, Mn, Bo, Co, Zn, …Mỗi một nguyên tố có chu trình Sinh

-Địa - Hóa riêng nhưng giữa chúng có những nét cơ bản giống nhau Người ta phân biệthai loại chu trình:

+ Chu trình các chất dạng khí: ví dụ: H2, O2, C, N2…Các chất này có tính chất linhđộng (vận động nhanh) nên có khả năng tham gia đầy đủ vào tất cả các giai đoạn củachu trình Các chất này có nguồn dự trữ lớn trong khí quyển hoặc trong đại dương.+ Chu trình các chất dạng lắng đọng: ví dụ: P, Ca, Fe…Các chất này kém linh động(vận động chậm) nên tham gia không đầy đủ các giai đoạn của chu trình Các chất này

có nguồn dự trữ bé trong vỏ trái đất

Chu trình Carbon

Hô hấp thực vật

(Hàng triệu năm) (Hàng triệu năm)

Hình 15: Chu trình Carbon (Phỏng theo B.J Nebel và R.T.Wright,1998)

Carbon (dưới dạng CO2) trong không khí và trong nước được các loài thực vật xanhhấp thụ qua quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ Động vật và các sinh vật phânhủy sử dụng carbon dưới dạng chất hữu cơ này để xây dựng cơ thể Trong quá trìnhsống tất cả các sinh vật đều thực hiện quá trình hô hấp, thải carbon (dưới dang CO2)vào môi trường (không khí hoặc nước) Khi chết tất cả các sinh vật đều bị phân hủy,quá trình này thải carbon (dưới dạng CO2) vào môi trường Các trầm tích sinh vật(nhiên liệu hóa thạch) được con người sử dụng lại thải carbon (dưới dạng CO2) vàokhông khí Điều đáng lưu ý là cùng với sự suy giảm diện tích rừng, việc tăng cườngkhai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã làm lượng CO2 trong khí quyển tăng lêngây nhiều ảnh hưởng bất lợi đối với môi trường toàn cầu

CO2 không khí

Carbon được cố định qua quá trình Quang hợp ở thực vật xanh

Carbon hoà tan trong

nước, được cố định qua

quá trình quang hợp ở

tảo và thực vật nổi

Trầm tích của sinh khối

Chuyển dạng thành chất đốt hóa thạch (dầu mỏ và khí đốt)

Carbon được cố định dưới dạng CaCO3của động vật có vỏ (đá vôi)

Động vật có vỏ

Hô hấp tế bào của các loài động, thực vật và sinh vật phân hủy ở cạn và thủy sinh Đốt cháy/Lửa

Sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Núi lửa Năng lượng

mặt trời