BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN QUẢN LÝ GIÁO DỤC THU HOẠCH HOÀN THIỆN KHOÁ BỒI DƯỠNG LỚP NĂNG KHIẾU NÂNG CAO NĂNG LỰC THIẾT KÊ BÀI GIẢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN Người thực hiện: Đơn vị công tác: Tây Nguyên tháng 1 năm 2008 TÊN TIỂU MÔ ĐUN: HỆ SINH THÁI (4TIẾT) A) MỤC TIÊU Sau khi học xong bài này sinh viên cần trình bày được khái niệm hệ sinh thái, phân tích được các đặc trưng và cấu trúc và hoạt động của một hệ sinh thái, vận dụng khái niệm hệ sinh thái để mô tả được một hệ sinh thái trong thực tế B) NỘI DUNG Hoạt động: 1. 1: Tìm hiểu về khái niệm hệ sinh thái THÔNG TIN CHO HOẠT ĐỘNG 1.1 1. Định nghĩa hệ sinh thái Vào những năm 40 của thế kỷ XX, các nhà sinh thái học đã nhận thức được rằng, quần xã và môi trường không chỉ có tác động tương hỗ với nhau mà còn tạo thành một đơn vị thống nhất và là đơn vị cơ sở của tự nhiên, đó là các hệ sinh thái (ecosystem). Khái niệm này đưọc nhà bác học người Anh Tansley đưa ra vào năm 1935. Hệ sinh thái là một đơn vị bất kỳ của tự nhiên bao gồm tất cả các sinh vật của một khu vực nhất định, tác động qua lại với môi trường vật lý xung quanh bằng các dòng năng lượng, tạo nên một cấu trúc dinh dưỡng xác định, sự đa dạng về thành phần loài và vòng tuần hoàn vật chất trong mạng lưới. Như vậy, hệ sinh thái không chỉ bao gồm các sinh vật sống mà còn bao gồm cả các điều kiện thiên nhiên như không khí, ánh sáng, nước, nhiệt độ, đất đai ., các yếu tố nhân văn. Và quan trọng là giữa thành phần hữu sinh (Biotic) và vô sinh (Abiotic) tác động tương hỗ với nhau và giữa chúng luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin. Hệ sinh thái được xác định như một hệ thống chức năng cơ bản của tự nhiên, bởi vì chúng bao gồm tất cả các sinh vật (các quần xã sinh vật) và môi trường vô sinh của chúng. Trong đó mỗi phần này lại có ảnh hưỏng đến phần khác và cả hai đều cần thiết để duy trì sự sống dưới dạng như đã tồn tại trên trái đất. Chức năng của hệ sinh thái là trao đổi vật chất năng lượng để tái tổ hợp những quần xã thích hợp với điều kiện ngoại cảnh tương ứng. Hệ thống phát sinh, biến động, phát triển và tái sản xuất nhờ: - Dòng vật chất. - Dòng năng lượng. - Dòng thông tin. - Dòng tái sản xuất. Dòng vật chất là dòng cơ sở. Hoạt động của hệ chính là sự vận động của 4 dòng này. Có thể biểu diễn hệ sinh thái dưới dạng một biểu thức toán học như sau: HST = Quần xã sinh vật + Môi trường vật lý + Năng lượng mặt trời + tương tác 1.1Về mặt dinh dưỡng, hệ sinh thái được chia thành 2 thành phần: i)Thành phần tự dưỡng: bao gồm các loài cây xanh và một số loại tảo có khả năng hấp thụ các hợp chất vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời để tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ, xây dựng nên cơ chất của mình theo hình: ii)Thành phần dị dưỡng, bao gồm sinh vật tiêu thụ các bậc từ sinh vật ăn thực vật, cho đến sinh vật ăn thịt các bậc và sinh vật phân hủy. 1.2.Về mặt cơ cấu , hệ sinh thái được chia thành 2 thành phần sau: i)Thành phần vô sinh: bao gồm - Các chất vố cơ như C, N, CO2, H2O, O2 và các chất hữu cơ (Protit, lipit, mùn) tham gia vào chu trình sinh địa hóa trong hệ sinh thái. - Chế độ khí hậu như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, và các yếu tố vật lý khác. ii)Thành phần hữu sinh: bao gồm sinh vật chủ yếu là cây xanh, sinh vật tiêu thụ các bậc và các sinh vật hoại sinh (quan trọng là vi khuẩn và nấm). 1.3. Về mặt chức năng, hoạt động của hệ sinh thái được phân biệt thành các nhóm sau: 1. Dòng năng lượng. 2. Chuỗi thức ăn. 3. Sự phân bố theo không gian và thời gian. 4. Vòng tuần hoàn vật chất. 5. Phát triển và tiến hóa. 6. Điều khiển (Cybernetic) NHIỆM VỤ CỦA HOẠT ĐỘNG 1.1: Nhiệm vụ 1: Sinh viên tự nghiên cứu thông tin trên Nhiệm vụ 2: Thảo luận nhóm về các vấn đề sau: - Phân tích định nghĩa hệ sinh thái - Phân biệt được các thành phần trong hệ sinh thái - Giải thích mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ sinh thái Nhiệm vụ 3: các nhóm trình bày một trong các nội dung trên Hoạt động: (CH 2 O) n + nO 2 ——— nCO 2 + nH 2 O nCO 2 + n H 2 O (CH 2 O) n + nO 2 Bức xạ mặt trời 1.2: Tìm hiểu về các đặc trưng của hệ sinh thái THÔNG TIN CHO HOẠT ĐỘNG 1.2 Các đặc trưng của hệ sinh thái 1. Độ lớn: Các hệ sinh thái có quy mô lớn nhỏ rất khác nhau: - Hệ sinh thái nhỏ: Một bể nuôi cá nhỏ trong phòng, một chậu cây cảnh. - Hệ sinh thái vừa: Một thảm rừng, một cánh đồng lúa, một hồ chứa. - Hệ sinh thái lớn: Đại dương, lục địa. Tập hợp tất cả các hệ sinh thái trên bề mặt hành tinh của chúng ta làm thành một hệ sinh thái khổng lồ - đó là sinh quyển hay sinh thái quyển. 2. Tinh hệ thống: Hệ thống được xem là tập hợp của các đối tượng được liên kết với nhau bằng nhiều mối tương tác hay hệ thống là một chuỗi sự vật hoặc hiện tượng có liên quan với nhau và có những hoạt động chung. Trong sinh học cũng bao gồm các hệ thống như hệ thống tiêu hóa, hệ thống bài tiết, hệ thống thần kinh . Trong sinh thái học tính hệ thống được thể hiện về mối quan hệ tương hỗ gữa các sinh vật với môi trường nhằm cung cấp thông tin, dẫn liệu về chức năng, phân bố của các sinh vật. Tùy theo những chức năng cơ bản, hệ thống có thể được phân thành 3 loại: - Hệ thống cô lập: có ranh giới kín, rõ ràng và không trao đổi vật chất và năng lượng với bên ngoài - Hệ thống kín (hơi kín): ranh giới của hệ thống hơi kín ngăn cản việc trao đổi vật chất nhưng cho phép trao đổi năng lượng. - Hệ thống hở: ranh giới mở cho phép trao đổi vật chất và năng lượng tự do với các hệ thống chung quanh. Theo cách phân loại này thì trái đất và môi trường của nó là một hệ thống hở với sự trao đổi năng lượng ánh sáng mặt trời, trao đổi vật chất thông qua các thiên thạch rơi vào mặt đất và việc phóng các con tàu vũ trụ. Tuy nhiên, hiện tượng trao đổi vật chất diễn ra không đáng kể nên tốt hơn nên coi nó là một hệ thống kín. Để dễ dàng cho việc nghiên cứu người ta thường coi một hệ sinh thái là một hệ thống kín mặc dầu đó là sự đơn giản hóa. Ví dụ: một khu rừng trong một thung lũng nhỏ thường được xem như là một hệ sinh thái. Thung lũng được coi như là một ranh giới và rất ít sinh vật di cư vào hoặc ra khỏi nó. Trong khu rừng, vòng đời của thực và động vật được cân bằng do đó các chất dinh dưỡng được quay vòng trong hệ thống để các cộng đồng sinh vật sinh tồn. Tuy thung lũng được coi là hệ thống kín, các nhà sinh vật học coi ranh giới đó chỉ có ý nghĩa tương đối. Động vật di chuyển từ nơi này sang nơi khác, hạt của các thực vật phát tán theo gió, không khí được sử dụng chung bởi tất cả các sinh vật sống trên trái đất. 3. Tính phản hồi: Phản hồi là thuộc tính của hầu hết các hệ thống, xuất hiện khi có sự thay đổi một trong các thành phần của hệ thống và sau đó bắt đầu một loạt thay đổi trong các thành phần khác và cuối cùng “ phản hồi “ trở lại thành phần ban đầu. - Phản hồi tiêu cực: Phản hồi tiêu cực có hiệu ứng làm giảm nhịp điệu thay đổi trong thành phần ban đầu, mà thành phần đó là nguồn gốc của hàng loạt các thay đổi trong các thành phần khác. Là cơ chế để đạt và duy trì được trạng thái cân bằng, ổn định trong hệ sinh thái(Hộp 27) Ví dụ: Trên hệ sinh thái đồng cỏ, khi số lượng của động vật ăn cỏ gia tăng do lý do nào đó, sẽ dẫn đến hiên tượng gia tăng dẫm đạp và gặm nhấm quá mức đồng cỏ. Quần thể cỏ bị hạn chế sinh trưởng và phát triển. Sự suy thoái của quần thể cỏ lúc này sẽ tác động ngược trở lại tới quần thể động vật ăn cỏ làm cho cho chúng thiếu dinh dưỡng, phải điều tiết kích thước quần thể qua các hình thái như di cư, tách đàn, tăng tỷ lệ tử vong, hạn chế tỷ lệ sinh sản và hiệu quả sinh sản. Sự suy giảm kích thước quần thể động vật ăn cỏ lại tạo điều kiện cho quần thể cỏ phục hồi - Phản hồi tích cực: Đó là sự phản hồi mà trong đó sự thay đổi một trong các thành phần của hệ thống sẽ gây ra hàng loạt sự thay đổi các thành phần khác trong hệ thống, kết quả làm gia tăng tốc độ biến đổi ban đầu. Đó chính là cơ chế gia tăng cường độ thay đổi và làm mất cân bằng. Ví dụ: Việc thải nước và chất thải từ khu dân cư vào các vực nước. Các chất dinh dưỡng này đã tạo điều kiện cho các loại tảo phát triển cao độ (hiện tượng nở hoa). Các vật sản xuất phát triển quá mức mà không được các vật tiêu thụ sử dụng kịp, khi chết đi chúng bị phân hủy và giải phóng ra các chất độc, làm lượng ôxy giảm mạnh, làm cho cá và các động vật thủy sinh khác chết theo. Đây là hiện tượng ô nhiễm hữu cơ vực nước. Như vậy từ ô nhiễm vô cơ ban đầu đã chuyển sang ô nhiễm hữu cơ và mức độ ô nhiễm ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn NHIỆM VỤ CỦA HOẠT ĐỘNG 1.2: Nhiệm vụ 1: Sinh viên tự nghiên cứu thông tin trên Nhiệm vụ 2: Thảo luận nhóm về các vấn đề sau: - Phân tích khái niệm hệ thống hở và hệ thống kín - Giải thích khái niệm phản hồi tích cực, phản hồi tiêu cực - Cho ví dụ về phản hồi tích cực và phản hồi tiêu cực Nhiệm vụ 3: các nhóm trình bày một trong các nội dung trên Hoạt động 1.3: Tìm hiểu về cấu trúc và hoạt động của hệ sinh thái THÔNG TIN CHO HOẠT ĐỘNG 1.3 1. Cấu trúc của hệ sinh thái Cấu trrúc của hệ sinh thái bao gồm bốn thành phần chủ yếu là: Môi trường (E); Vật sản xuất (P); Vật tiêu thụ (C); Vật phân hủy (D). (Hình 13) Hình 1 Sơ đồ cấu trúc hệ sinh thái Hầu hết các hệ sinh thái tự nhiên gồm đầy đủ bốn thành phần cơ bản ấy. Tuy nhiên trong một số hệ sinh thái không có đủ cả bốn thành phần. Ví dụ: các hệ sinh thái ở Vật sản xuất P Vật tiêu thụ Các cấp Vật phân huỷ (D) P Môi trường (E) vực nước sâu thiếu hẳn sinh vật sản xuất, do đó nó không tồn tại được nếu không được hệ sinh thái ở tầng mặt cung cấp chất hữu cơ. Trong hệ sinh thái, dòng năng lượng bắt đầu từ mặt trời chuyển đổi qua hoạt động chức năng của sinh vật chỉ theo một chiều mà không quay vòng trở lại. Còn thức ăn cần thiết để bảo tồn sự sống thì vận động theo chu trình kín, từ nguồn vật chất vô cơ ban đầu (CO 2 + H 2 O) qua các đối tượng sinh vật, cuối cùng lại trở về nguồn. Vậy là, vật chất vận động trong chu trình được hòan nguyên, còn năng lượng hữu hiệu nạp vào với bức xạ mặt trời thì giảm dần qua mỗi mức tiêu thụ Tất cả các hệ sinh thái trong tự nhiên có cấu trúc và phương thức phát triển riêng của mình, phụ thuộc vào cường độ trao đổi vật chất và năng lượng giữa bốn thành phần cấu thành. Những biến đổi diễn ra nhanh hay chậm tùy thuộc vào hệ sinh thái. 2. Sự tự điều chỉnh của hệ sinh thái Các hệ sinh thái có khả năng điều chỉnh riêng, nghĩa là khả năng lập lại cân bằng về số lượng giữa các quần thể , lập lại cân bằng của vòng tuần hoàn vật chất và năng lượng giữa các thành phần trong hệ thống. Cân bằng này gọi là cân bằng sinh thái (nội cân bằng động). Ví dụ: về nội cân bằng. (i) Hệ sinh thái rừng thưa, qua những năm mưa nhiều, cỏ mọc tốt, động vật móng guốc (hươu, nai, trâu, bò) sinh đẻ mạnh, động vật ăn thịt như hổ báo cũng phát triển theo và điều chỉnh (ăn thịt) bớt động vật ăn cỏ: nội cân bằng động của hệ sinh thái được thiết lập lại. (ii) Trong hệ sinh thái nông nghiệp, lúa sinh trưởng và đẻ con rất mạnh, bệnh nấm và sâu rầy phát triển. Con người quản lý hệ sinh thái đó phải can thiệp bằng cách phun thuốc diệt trừ sâu bệnh. Họ cũng thường dùng phương pháp đấu tranh sinh học bằng vi khuẩn hay siêu vi khuẩn, để tiêu diệt bệnh đó làm cho lúa phát triển bình thường lại.(Nguồn: Lê Văn Khoa, Nông nghiệp và Môi trường, 1999) Sự tự điều chỉnh của các hệ sinh thái có giới hạn nhất định, nếu sự thay đổi vượt quá giới hạn, hệ sinh thái bị phá vỡ cơ chế tự điều chỉnh, mất khả năng lập lại cân bằng, bị phá hủy. Ví dụ: Hệ sinh thái nông nghiệp thâm canh dựa vào sự sản xuất dư thừa các chất hữu cơ để cung cấp cho con người. Các hệ sinh thái này là các hệ sinh thái bị mất khả năng tự điều chỉnh với mục đích là để cho con người sử dụng hữu hiệu phần dư thừa đó. Sự tự điều chỉnh là kết quả tổng hợp của sự tự điều chỉnh của từng cơ thể, quần xã khi có sự thay đổi của các yếu tố ngoại cảnh. Trong thiên nhiên, sự phong phú về thể loại trong sinh giới chính là một thứ “van“ bảo hiểm cho sự ổn định, bền vững của hệ sinh thái. Mỗi cơ thể, quần thể có giới hạn nhất đinh đối với từng yếu tố sinh thái, tùy thuộc vào vị trí tiến hóa của cơ thể, quần thể , cũng như mức độ và tần suất tác động của các nhân tố sinh thái khác. Cần lưu ý là con người không phải lúc nào cũng mong muốn các hệ sinh thái có khả năng tự điều chỉnh. Sự mất cân bằng lúc đầu xảy ra ở một thành phần trong hệ thống, sau lan ra các thành phần khác và có thể di chuyển từ hệ sinh thái này sang hệ sinh thái khác. NHIỆM VỤ CỦA HOẠT ĐỘNG 1.3: Nhiệm vụ 1: Sinh viên tự nghiên cứu thông tin trên Nhiệm vụ 2: Thảo luận nhóm về các vấn đề sau: - Phân tích cấu trúc của hệ sinh thái - Phân tích được sự tự điều chỉnh của hệ sinh thái - Cho ví dụ sự tự điều chỉnh của một hệ sinh thái nào đó mà anh chị hiểu rõ nó Nhiệm vụ 3: các nhóm trình bày một trong các nội dung trên C) ĐÁNH GIÁ TIỂU MÔ ĐUN 1. Chứng minh hệ sinh thái là một hệ thống chức năng. 2. Các đặc trưng cơ bản của hệ sinh thái. 3. Từ hiểu biết về phản hồi, đề xuất cơ sở quản lý các hệ sinh thái. 4. Trên cơ sở sơ đồ cấu trúc của hệ sinh thái, trình bày những hướng điều chỉnh hoạt động của hệ thống 5 Sự tự điều chỉnh của hệ sinh thái. 7.Các đặc trưng cơ bản của hệ sinh thái rừng mưa nhiệt đới D) THÔNG TIN PHẢN HỒI 1. Hệ sinh thái là một hệ thống chức năng vì nó bao gồm các thành phần và các thành phần của hệ sinh thái có mối quan hệ tương tác với nhau tạo ra một chỉnh thể thống nhất có khả năng tự điều chỉnh 2. Hệ sinh thái có 3 đặc trưng là độ lớn, tính phản hồi và tính hệ thống 3. Có 2 loại phản hồi là phản hồi tiêu cực - cơ chế để đạt và duy trì được trạng thái cân bằng, ổn định trong hệ sinh thái và phản hồi tích cực làm hệ sinh thái bị mất cân bằng 4. Có các hướng điều chỉnh như điều chỉnh thành phần sản xuất, điều chỉnh thành phần tiêu thụ, điều chỉnh thành phần phân huỷ và điều chỉnh các yếu tố môi trường sống Bản chất sự tự điều chỉnh của sinh vật Mức độ cá thể: Thay đổi hình thái, cấu trúc và hoạt động sinh lý cơ thể Mức độ quần thể: Bản chất là điều chỉnh các yếu tố liên quan mật độ Mức độ quần xã: Bản chât là điều chỉnh các yếu tố liên quan tương quan số lượng các loài: Cấu trúc tuổi Câu trúc giới Tập tính hoạt động Phân bố Trao đổi vật chất năng lượng giữa quần thể với ngoại cảnh Tốc độ sinh sản Tỷ lệ tử vong Sinh trưởng Tăng trưởng Tính đa dạng Phân bố không gian Quan hệ dinh dưỡng Tính chất loài sống chung Trao đổi vật chất năng lượng trong và ngoài quần xã 5. Hệ sinh thái có thể điều chỉnh thông qua điều chỉnh ở các mức độ như quần thể, quần xã và hệ sinh thái 6. Bản chất của mối tác động qua lại giữa các thành phần của hệ sinh thái rừng là quá trình tích lũy, chuyển hóa vật chất và năng lượng. Nó quyết định mọi quy luật phát sinh, sinh trưởng, phát triển và diễn thế rừng. Quá trình này đặc trưng cho mỗi hệ sinh thái rừng, trong đó thực vật - nhất là tổ thành cây cao, thân gỗ có vai trò quyết định cho việc chuyển hóa và tích lũy năng lượng và vật chất. Trong tổ thành loài cây cao, thì loài cây lập quần là loài cây có vai trò chủ đạo tạo nên tiểu hoàn cảnh rừng (Khí hậu, đất rừng) khác hẳn với bên ngoài. Hệ sinh thái rừng là một khoảnh rừng bất kỳ trên một mảnh đất nhất định, có sự thuần nhất về tổ thành, cấu trúc và đặc tính của các thành phần thực vật hợp thành, cả về mối quan hệ lẫn nhau, nghĩa là thuần nhất về thảm thực vật, thế giới động vật, vi sinh vật, lớp đá mẹ, điều kiện thủy văn, tiểu khí hậu và đất, về tác động lẫn nhau giữa chúng, về kiểu trao đổi vật chất và năng lượng giữa các thành phần hợp thành và với các hiện tượng tự nhiên khác. Rừng mưa nhiệt đới là hệ sinh thái phức tạp có cấu trúc “cầu kỳ“ nhất trong các hệ sinh thái. Nằm trong vành đai nhiệt đới, có lượng mưa lớn và nhiệt độ cao, tính đa dạng về tổ thành loài trong quần xã sinh vật ở rừng mưa nhiệt đới đã làm tăng hiệu quả của các quá trình trao đổi vật chất và năng lượng. Đặc trưng cơ bản nhất của rừng mưa nhiệt đới là do những loài cây ưa ẩm thường xanh hợp thành. Đó là quần xã kín tán, tổ thành phức tạp, loài cây gỗ chiếm ưu thế, khác tuổi, nhiều tầng, dày rậm, trung sinh, thường phong phú về dây leo và các loài thực vật phụ sinh. Bạnh vè, ra hoa ở giữa thân là hiện tượng sinh thái học rất đặc trưng, chỉ có ở rừng mưa nhiệt đới. Quần xã rừng mưa nhiệt đới có thể xem như ví dụ điển hình của quần xã cao đỉnh ở đây . Đây là hệ sinh thái tự nhiên thiết lập được cân bằng giữa các yếu tố vô sinh và hữu sinh, chu trình tuần hoàn vật chất được khép kín. Các quần xã sinh vật phát triển, phân hóa cao và thích nghi mạnh nhất với các điều kiện của khu vực. Các mối quan hệ cộng sinh và hỗ sinh phát triển mạnh, trong khi đó các mối quan hệ ký sinh và đối kháng khác giảm tới mức tối thiểu.Tính đa dạng và phức tạp của các mối quan hệ sinh học và nhất là mối quan hệ dinh dưỡng góp phần tạo nên cơ chế tự bảo vệ của hệ thống. Nếu có một sự tắc nghẽn trong chuỗi thức ăn làm mất cân bằng sinh thái, nó dễ dàng tự điều chỉnh, giữ cho hệ thống ổn định, không bị đe dọa.