Giao trinh Khoa hoc moi truong - Chuong 3

Chương CÁC NGUYÊN LÝ SINH THÁI HỌC ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG 3.1 Sự sống tiến hóa sinh vật Theo tư liệu khoa học biết nay, Trái đất nơi có sống phát triển cao người Sự hình thành phát triển sống Trái đất liên quan chặt chẽ với trình hình thành Trái đất nói riêng tồn Thái Dương hệ vũ trụ nói chung Bảng 3.1, minh họa cho sống Trái đất Sự sống có đặc thù sau:   Khả tái sinh - tạo vật thể giống Khả trao đổi chất - tiếp nhận, phân giải tổng hợp vật chất nguồn lượng cần thiết cho vật sống  Khả tăng trưởng theo thời gian  Khả thích nghi để phù hợp với điều kiện MT sống  Sự tiến hóa cá thể quần thể sinh vật Sự tiến hóa sinh vật hình thành theo chế: Biến dị di truyền chọn lọc tự nhiên Theo mức độ tiến hóa sinh vật Trái đất chia thành giới : - Giới đơn bào(Monera) xuất khoảng tỷ năm trước tảo lam, vi khuẩn - Giới đơn bào (Protista) lỵ, amip - Giới nấm nấm, men, mốc có chức phân hủy xác chết, biến chúng thành chất dinh dưỡng - Giới thực vật có khả tổng hợp chất hữu từ ánh sáng mặt trời chất chất vơ cơ, tích lũy lượng mặt trời - Giới động vật có chức tiêu thụ lượng sinh khối khả tự di chuyển mơi trường Bảng 3.1: Sự hình thành phát triển vật chất sống Trái đất Thời điểm (cách HT) triệu năm 15.000 4.800 4.600 Hiện tượng địa chất sống giai đoạn Khí Thủy Thạch - Vụ nổ lớn vũ trụ (big bang) - Hình thành tinh vân - Hình thành ngân hà - Hình thành Thái dương hệ - Hình thành Trái đất 4.400 - Xuất khí CH4, NH3 -Hình thành đại dương -Xuất tế bào sống đơn sơ 3.500 2.000 1.000 600 Xuất oxy quang hợp Hình thành khí chứa O2,CO2,N Xuất thể sống dạng đơn bào Xuất đa bào, nhuyễn thể, sâu bọ 450 400 60 Đặc điểm Xuất & phát triển thực vật cạn Động vật biển Động vật phát triển mặt đất 3,5 Cá voi, cá heo trở lại đại dương 2,0 -Xuất vượn người -Xuất người nguyên thủy 3.2 Cấu trúc sống Trái đất Các sinh vật Trái đất liên quan chặt chẽ với nhau, gắn bó với hệ thống phức tạp nhiều bậc Mức độ cao sinh  sinh đới  Hệ sinh thái  quần xã quần thể sinh vật  cá thể sinh vật Sinh đuợc chia thành vùng đặc thù khí hậu, hệ động thực vật kiểu đất gọi sinh đới Mỗi kiểu sinh đới có diện tích rộng hàng triệu km2 Trên Trái đất có khoảng 12 sinh đới (biom) Không gian sinh đới xác định nhiệt độ, lượng mưa phong phú loài động thực vật.Trong sinh đới, tồn hệ sinh thái ổn định tương tác phức tạp với Đặc điểm chủ yếu sinh đới Trái đất sau: Sinh đới tundra (đồng rêu vùng cực) có đặc điểm sau:  - Phân bố vùng cực thuộc Bắc cực Nam cực - Nhiệt độ sinh đới thường lạnh quanh năm - Thực vật nghèo nàn, gồm rêu, địa y bụi thấp hỗn hợp - Động vật nghèo nàn gồm cáo xanh, hươu, tuần lộc, hươu kéo xe, chim cánh cụt, gấu trắng, chim vãng lai, bò sát ếch nhái Sinh đới đỉnh núi cao có đặc điểm sau:  - Phân bố đỉnh núi cao, lạnh áp suất thấp Thực vật phân bố thành đai thẳng đứng, theo độ cao hướng phía ánh sáng mặt trời - Động vật đa dạng, phân bố theo đai thảm thực vật độ cao Chom thú gặp, loài động vật khác phong phú, phân bố theo phân bố thực vật Sinh đới rừng có đặc điểm sau: đặc trưng sinh đới rừng cấu trúc phân tầng với ba tầng bụi, gỗ cỏ Độgn vật đa dạng, đặc biệt động vật sống đất Sinh đới rừng có hai kiểu rừng ơn đới rừng rậm nhiệt đới  - Rừng ôn đới: phân bố vùng có khí hậu ơn đới, thực vật đa dạng, động vật rừng sinh đới đa dạng, gồm loài thú ăn cỏ, thú ăn thịt, thú sống cây, thú gậm nhấm, chim loại, côn trùng - Rừng nhiệt đới: phân bố chủ yếu vùng nhiệt đới, động thực vật phong phú đa dạng, tổng sinh khối lớn  Sinh đới thảo nguyên thường phân bố vùng có mùa khô kéo dài, lượng mưa nhỏ, thực vật gồm lồi có kích thước bé, động vật chủ yếu loài ăn cỏ, tổng sinh khối nhỏ  Sinh đới savan phát triển chủ yếu vùng nhiệt đới có lượng mưa nhỏ, thực vật tương đối phong phú, động vật phong phú với loài ăn cỏ ăn thịt  Sinh đới sa mạc phát triển phân bố vùng có khí hậu khơ hạn, động thực vật nghèo nàn  Các sinh đới vùng nước sinh đới thủy bao gồm sinh đới thủy vực nước ngọt, thềm lục địa, đáy biển,…thường có đặc trưng riêng, nhân tố sinh thái chủ yếu định đặc điểm sinh đới tốc độ dịng chảy, thành phần trầm tích đáy, hàm lượng khí O2 hịa tan, áp suất, hàm lượng chất dinh dưỡng độ mặn 3.3 Cơ chế hoạt động hệ sinh thái HST hệ thống quần thể sinh vật thành phần MT sống bao quanh, quan hệ chặt chẽ tương tác với Trong HST có loại nhân tố : nhân tố vô sinh nhân tố hữu sinh Xét mặt cấu trúc, HST có thành phần bản: yếu tố MT, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ sinh vật phân hủy Sinh vật sản xuất thực vật vi khuẩn có khả tổng hợp chất dinh dưỡng từ chất vô ánh sáng mặt Trời Sinh vật tiêu thụ lấy chất dinh dưỡng từ sinh vật sản xuất thơng qua tiêu hóa thức ăn Sinh vật tiêu thụ bậc động vật ăn cỏ; sinh vật tiêu thụ bậc động vật ăn thịt bậc 1; sinh vật tiêu thụ bậc động vật ăn thịt bậc 2, Sinh vật phân hủy gồm vi khuẩn nấm có chức phân hủy xác chết thức ăn thừa, chuyển chúng thành yếu tố MT Giữa thành phần ln có trao đổi vật chất, lượng thông tin Quan hệ dinh dưỡng thành phần HST thực thơng qua chuỗi thức ăn.Có chuỗi thức ăn: chuỗi thức ăn thực vật chuỗi thức ăn phân hủy.Tập hợp chuỗi thức ăn tồn HST tạo thành mạng lưới thức ăn HST có khả tự trì tự điều chỉnh để giữ ngun tính ổn định mình.HST khơng tĩnh, ln ln trì tính ổn định Chúng trì tự điều chỉnh tính ổn định nhờ chế: điều chỉnh tốc độ dòng lượng qua hệ; điều chỉnh tốc độ chuyển hóa vật chất ben hệ điều chỉnh tính đa dạng sinh học hệ Tốc độ chuyển hóa vật chất bên HST điều chỉnh tốc độ phân hủy xác động thực vật, tốc độ vịng tuần hồn sinh địa hóa Nhờ chế trên, HST tự nhiên trì tính ổn định suốt trình lâu dài trước thay đổi MT tự nhiên 3.4 Dòng lượng suất sinh học hệ sinh thái 3.4.1 Dòng lượng Các HST cạn tồn phát triển chủ yếu nhờ nguồn lượng vô tận mặt trời Sự biến đổi lượng mặt trời thành hóa q trình quang hợp điểm khởi đầu dòng lượng HST Bức xạ mặt trời gồm gần toàn bước sóng ngắn 98% bước sóng từ 0,15-3,0 m Khi xạ mặt trời tới mặt đất, mặt đất hấp thụ phần, phần bị phản xạ trở lại khí dạng xạ sóng ngắn định lượng số Albedo 3.4.2 Năng suất sinh học hệ sinh thái Nguồn lượng trì hoạt động bình thường HST lượng Mặt trời lượng bên lòng Trái đất.Sự phân bố lượng Mặt Trời tới Trái đất trình bày sơ đồ hình 3.2 Theo sơ đồ có phần nhỏ _< 1% lượng Mặt trời tạo nên nguồn lượng cho hoạt động HST Phân bố dòng lượng sinh thái bậc chuỗi thức ăn có dạng sau: ND - Năng lượng khơng tiêu hóa P - Năng lượng tiêu hóa R - Năng lượng dùng cho hô hấp E - Năng lượng bị tiết G - Năng lượng tăng trưởng I = ND + R + E + G  G/I 10.000.000 - - Cơ thể sinh vật - 3.432 (đang sống 529 chết - - Nhiên liệu hóa thạch 2840) - >5.000 - + Tổng cacbon hữu - 8.432 - + Tổng cacbon vơ - 10.035.692 -  Chu trình Nitơ Chu trình Nitơ có vai trị quan trọng đời sống Trái đất, N nguyên tố cấu thành nên prơtit, axit amin, AND,ARN (xem hình 3.6) Hình 3.6: Chu trình Nitơ tự nhiên Trái Đất  Chu trình P Photpho thành phần quan trọng chất nguyên sinh Hàm lượng photpho thể thường lớn so với MT bên Trong tự nhiên phtopho chứa nhiều loại đá, đặc biệt apatit Chu trình P thường việc khai thác muối photpho thạch dạng photphat (apatit photphorit), sau tham gia vào chuyển hóa sinh cuối quay trở thủy thạch  Chu trình nước Chu trình nước bao gồm việc bốc nước từ đại dương, tạo mưa, dòng chảy mặt, ngầm kết thúc đại dương Chu trình nước có vai trò quan trọng đời sống Trái đất khía cạnh: tạo nguồn nước cho động thực vật người, thực tái phân bố nhiệt độ bề mặt Trái đất, vận động dịng chuyển dịch khơng khí nước Trái đất 3.6 Sự tăng trưởng tự điều chỉnh sinh vật Các quần thể sinh vật biến động số lượng cá thể Gọi N lượng cá thể quần thể thời điểm t Nn số lượng cá thể sinh khoảng thời gian t Nm số lượng cá thể chất khoảng thời gian t Ta có : dN tốc độ thay đổi số lượng cá thể cá thể dt dN tốc độ thay đổi số lượng cá thể cá thể N.dt Ba = Nn tỷ lệ sinh tuyệt đối quần thể t Ba = Nn tỷ lệ sinh tương đối quần thể Nt Tương tự ta có : Mn tỷ lệ chết tuyệt đối, Ms tỷ lệ chết tương đối quần thể: Mn = Nm , Ms = Nm t Nt 3.7 Tương tác quần thể sinh vật Tương tác quần thể sinh vật HST nguyên tắc tổ hợp tương tác cặp quần thể Xét tương tác quần thể ma trận tương tác, đưa loại quan hệ tương tác sau: Bảng 3.3 : Ma trận tương tác quần thể sinh vật Tác động quần Tác quần đến động thể quần thể đến quần thể + Trung lập Lợi bên + Lợi bên Cộng sinh Hạn chế Ký sinh Dấu ký hiệu Hạn chế Thú dữ-con mồi Cạnh tranh 0: khơng có dấu hiệu tác động tới tăng trưởng + : tác động tích cực tới tăng trưởng : tác động tiêu cực tới tăng trưởng Quan hệ trung lập : xác lập mối quan hệ loài sinh vật sống bên cạnh nhau, loài không làm lợi gây hại cho phát triển số lượng loài Quan hệ lợi bên : hai loài sinh vật sống chung địa bàn, loài thứ lợi dụng điều kiện loài thứ hai đem lại khơng gây hại cho lồi thứ Quan hệ ký sinh: quan hệ loài sinh vật sống dựa vào thể sinh vật chủ với vật chủ, gây hại giết chết vật chủ giun, sán thể động vật người Quan hệ thú mồi : quan hệ loài thú ăn thịt loài mồi nó, sư tử, hổ loài động vật ăn cỏ sống đồng cỏ Quan hệ cộng sinh : quan hệ loài sinh vật sống dựa vào nhau, loài đem lại lợi ích cho lồi ngược lại Ví dụ tảo địa y, Quan hệ cạnh tranh: quan hệ hay nhiều loài sinh vật, cạnh tranh với nguồn thức ăn không gian sống Sự cạnh tranh mạnh mẽ chúng dẫn tới việc loài tiêu diệt loài Quan hệ hạn chế: quan hệ loài sinh vật, lồi thứ đem lại lợi ích cho lồi loài thứ hai phát triển lại hạn chế phát triển loài thứ 3.8 Sự phát triển tiến hóa hệ sinh thái Sự phát triển q trình tự nhiên thơng thường xem xét theo nguyên lý nhiệt động Trong hệ tự nhiên, trình tự diễn biến q trình tăng entropia (ds ≥ 0), hay nói cách khác q trình tăng trạng thái vơ trật tự, phân bố lượng vật chất, ngược lại với q trình trật tự hóa hình thành cấu trúc trật tự ( ds < 0) Sự phát triển hệ sinh thái tự nhiên tiến triển theo quy luật chung trì gia tăng độ trật tự cấu trúc HST Từ HST có lồi tiến tới HST có nhiều nhóm loài sinh vật, xếp theo cấu trúc nhiều tầng HST tự nhiên có mức độ phát triển cấu trúc trật tự cao ứng với điều kiện cụ thể MT, thường gọi HST đỉnh cực Như vậy, phát triển HST tự nhiên có số khác biệt so với trình tự nhiên khác Để trì cấu trúc trật tự phát triển trên, HST tự nhiên luôn cần có nguồn lượng từ bên ngồi Do vậy, HST tự nhiên tồn thiếu nguồn lượng Mặt Trời Sự phát triển HST quần xã sinh vật từ mức sang mức khác gọi diễn sinh thái Có loại diễn sinh thái : diễn nguyên sinh diễn thứ sinh Diễn nguyên sinh Thí dụ : Hồ cạn  đầm lầy  thực vật cạn  Rừng Thí dụ : Bãi triều lầy  mắm, trang  đước, tràm  rừng nhiệt đới Diễn thứ sinh Vườn hoang  cỏ dại  cỏ, lau lách, bụi  rừng thứ sinh 3.9 Tác động người lên hệ sinh thái Con người sinh vật HST, có số lượng lớn khả hoạt động nâng cao nhờ KHKT Trong thời đại ngày nay, tác động người lên HST lớn chia sau:  Tác động vào chế tự ổn định, tự cân hệ sinh thái Cơ chế tự ổn định tự cân HST tự nhiên tiến tới tỷ lệ P/R ~ 1; P/B ~ Cơ chế khơng có lợi cho người, người cần P/R > P/B >0  Tác động vào cân chu trình sinh địa hóa tự nhiên Con người sử dụng lượng hóa thạch, tạo thêm lượng lớn khí CO 2, SO2, Thí dụ , năm người tạo thêm 550 tỷ CO2 đốt loại nhiên liệu hóa thạch Nguồn chất thải bổ sung vào khí làm thay đổi cân sinh thái tự nhiên Trái đất , dẫn tới việc thay đổi chất lượng quan hệ thành phần MT tự nhiên Thay đổi cải tạo HST tự nhiên - Chuyển đất rừng thành đất nông nghiệp làm nhiều loài động thực vật quý hiếm, tăng xói mịn đất, thay đổi khả điều hịa nước biến đổi khí hậu, - Cải tạo đầm lầy thành đất canh tác, làm vùng đất ngập nước có tầm quan trọng MT sống nhiều loài sinh vật người - Chuyển đất rừng, đất nông nghiệp thành khu công nghiệp, khu đô thị, tạo nên cân sinh thái khu vực ô nhiễm cục - Gây ô nhiễm MT nhiều dạng hoạt động kinh tế xã hội khác  Tác động vào cân sinh thái Tác động người vào cân sinh thái thể số thí dụ sau: - Săn bắn mức, đánh bắt mức, gây suy giảm chí làm biến số loài gia tăng cân sinh thái - Săn bắt loài động vật quý : hổ, tê giác, voi, dẫn đến tiệt chủng nhiều loại động vật quý - Chặt phá rừng tự nhiên lấy gỗ, làm nơi cư trú động thực vật - Lai tạo loài sinh vật làm thay đổi cân sinh thái tự nhiên - Đưa vào HST tự nhiên hợp chất nhân tạo mà sinh vật khơng có khả phân hủy  Các biện pháp hạn chế tác động tiêu cực người - Đầu tư nghiên cứu đánh giá đầy đủ đặc điểm HST - Điều tra đánh giá điều kiện tự nhiên, trạng xu hướng phát triển KTXH khu vực - Xây dựng mô hình phát triển dựa việc bảo vệ phát triển hợp lý loại HST (HST bảo vệ, HST sản xuất, HST đô thị KCN, HST phụ trợ) - Xây dựng chiến lược, sách, kế hoạch biện pháp quản lý BVMT quốc tế, quốc gia khu vực vùng lãnh thổ thực mục tiêu PTBV ... Khí - 692 - - Nước đại dương - 35 .000 - -Trong trầm tích - >10.000.000 - - Cơ thể sinh vật - 3. 432 (đang sống 529 chết - - Nhiên liệu hóa thạch 2840) - >5.000 - + Tổng cacbon hữu - 8. 432 - +... Thủy Thạch - Vụ nổ lớn vũ trụ (big bang) - Hình thành tinh vân - Hình thành ngân hà - Hình thành Thái dương hệ - Hình thành Trái đất 4.400 - Xuất khí CH4, NH3 -Hình thành đại dương -Xuất tế bào... kết H-C-O cacbuahydro C6H12O6 Cùng với việc tổng hợp C6H12O6, q trình quang hợp cịn tạo oxy cần thiết để trì sống Trái đất.(xem hình 3. 5) Bảng 3. 2: Cacbon sinh (tỷ tấn)(Bolin et al, 1979) - - Khí