Đa dạng trong hệ sinh thái rừng Rừng Việt Nam có hệ động thực vật đa dạng và phong phú. Độ che phủ của rừng 28,8% diện tích đất tự nhiên (đầu năm 1999). Khu hệ thực vật: 13.766 loài thực vật. Trong đó, 2.393 loài thực vật bậc thấp và 11.373 loài thực vật bậc cao (Nguyễn Nghĩa Thìn,1999). Theo đánh giá, có 10% số loài thực vật là đặc hữu và dự đoán số loài thực vật bậc cao có thể từ 15.000 đến 20.000 loài.
HỆ SINH THÁI PGS.TS Nguyễn Hoàng Trí Đại học Sư phạm Hà Nội Khái niệm chung Hệ sinh thái bao gồm quần xã sinh vật môi trường sống chúng Sinh hệ sinh thái khổng lồ bao gồm tất Đa dạng hệ sinh thái rừng hệ sinh thái trái đất, hay nói cách khác sinh phần bề mặt Rừng Việt Nam có hệ động thực vật đa dạng phong trái đất, bao gồm đất, nước phú Độ che phủ rừng 28,8% diện tích đất tự nhiên (đầu không khí có sống tồn Sự tồn năm 1999) phụ thuộc vào lượng mặt Khu hệ thực vật: 13.766 loài thực vật Trong đó, 2.393 trời, oxy, cácbon, nitơ chất loài thực vật bậc thấp 11.373 loài thực vật bậc cao khác chu trình sinh địa hoá (Nguyễn Nghĩa Thìn,1999) Theo đánh giá, có 10% số loài Tuy nhiên, việc xác định ranh giới rõ thực vật đặc hữu dự đoán số loài thực vật bậc cao có ràng hệ sinh thái khó thể từ 15.000 đến 20.000 loài khăn Người ta xác định khu hệ động vật: thống kê 307 loài cách tương đối ranh giới quần giun tròn (Nematoda); 161 loài giun sán ký sinh gia súc xã hệ sinh thái (Helminth); 200 loài giun đất (Oligochaeta); 145 loài ve giáp khó Chẳng hạn xác định ranh (Acarina); 144 loài chân khớp ( (arthropoda); 113 loài bọ giới hệ sinh thái hồ người ta nhảy (Collembila); 5,155 loài côn trùng (Insecta); 258 loài dựa vào nhiều tiêu chí diện bò sát (Reptilia); 82 loài ếch nhái (Amphibia); 828 loài chim tích hồ, diện tích mặt nước Nhưng (Aves); 275 loài phân loài thú (Mammalia) thực tế loại bùn đất, chất dinh Trong hệ thống khu bảo vệ vùng Đông Dương - Mã dưỡng từ vùng phụ cận Lai IUCN Việt Nam xem nơi giầu thành chảy vào hồ,các loài chim, thú, côn phần loài có mức độ đặc hữu cao so với nước trùng nơi khác đến kiếm vùng phụ Đông Dương Trong số 21 loài thú linh trưởng có ăn đây…(Secretario F.T 1994) phân vùng phụ Việt Nam có tới 15 loài, có loài phân loài đặc hữu, số loài chim đặc hữu ước tính khoảng 100 loài Nguồn: Võ Quý Nguyễn Cử 1995 (Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường 2000) Do tính chất phức tạp sinh nói chung hệ sinh thái nói riêng, người ta thường tập trung nghiên cứu cấu trúc chức hệ sinh thái đơn giản sau áp dụng cho hệ sinh thái phức tạp rộng lớn Trong nghiên cứu hệ sinh thái, tiếp cận hệ thống sở lý luận giúp cho việc hiểu rõ các trình chu trình lượng, dinh dưỡng, chuỗi lưới thức ăn vận động hệ sinh thái Về mặt chức năng, cá thể sinh vật thực việc chuyển đổi lượng vật chất xét chức toàn hệ thống lại điều phức tạp Mối tương tác sinh vật với với môi trường vô sinh hệ sinh thái thể hai đặc trưng sau: - Dòng lượng từ sinh vật tự dưỡng (sinh vật có khả tổng hợp chất hữu từ chất vô ánh sáng mặt trời tảo, xanh, phản ứng hoá học vi khuẩn) tới sinh vật dị dưỡng (sinh vật ăn sinh vật khác); - Chu trình vật chất (C, N, P ) từ môi trường vô sinh vào thể sống quay trở lại môi trường vô sinh thông qua hoạt động trao đổi chất thực vật, động vật, nấm, vi sinh vật mà chất hữu phân huỷ sau tái tổng hợp Dòng lượng chu trình vật chất liên quan với nhờ chuyển đổi vật chất qua mối quan hệ dinh dưỡng hệ sinh thái Như vậy, cấu trúc hệ sinh thái thể mối quan hệ dinh dưỡng, chức hệ sinh thái thể qua dòng lượng chu trình vật chất Hệ sinh thái thường xuyên được nuôi dưỡng dòng lượng liên tục từ bên lượng mặt trời Bảng 9: Tóm tắt trình sống sinh Cơ sở sống Các loại tự dưỡng - Quang hợp hiếu khí (cơ thể có diệp lục) - Quang hợp yếm khí (vi khuẩn) - Quang hợp hóa học - Vi khuẩn ô xy hóa S - Vi khuẩn đồng hóa CH4 - Vi khuẩn ô xy hóa Fe - Vi khuẩn Nitrit Các loại dị dưỡng - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Hô hấp kỵ khí - Vi khuẩn phân hủy Fe - Vi khuẩn phân hủy sulphát - Vi khuẩn tạo CH4 - Vi khuẩn Denitrit Các trình 6nCO2 + 6nH2O (C6H12O6)n + 6nO2 nCO2 + 2nH2S (CH2O)n+2nS+nH2O H2S CH4 Fe 2+ S CO2 Fe 3+ SO42- NH4+ NO2 - NO3 - (CH2O)n + nO2 nCO2 + nH2O Acid hữu cơ: lactic, Ethanol, Acetic… Fe 3+ Fe 2+ SO42CO2 NO3 - S CH4 NO2 - H2 S N2 2 Năng lượng hệ sinh thái 2.1 Nguồn lượng Tất sinh vật có nhu cầu lượng cho phát triển, trì sống sinh sản cho vận động loài động vật Dòng lượng hệ sinh thái sinh vật tự dưỡng với khả tổng hợp chất hữu từ C, N, H lượng mặt trời Trong trình lượng hoá học lưu giữ hợp chất cao phân tử phức tạp, sau bị bẻ gãy giải phóng lượng sinh vật dị dưỡng, cuối bị phân hủy thành chất vô sinh vật chết Như vậy, lượng tích lũy nhờ qúa trình quang hợp, có số trường hợp chế hoá tổng hợp vi khuẩn điểm khởi nguồn lượng cho hệ sinh thái Quá trình thường xảy Hiệu suất suất sơ cấp thứ cấp vùng ánh sáng mặt trời, đáy đại dương sâu thẳm Có thể nói nguồn lượng hệ sinh thái trái đất Hiệu suất quang hợp = GPP/bức xạ mặt trời Hiệu suất đồng hóa (thực vật) = GPP/lượng phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động quang hợp ánh sáng hấp thụ tảo xanh Hô hấp = GPP – NPP Năng suất sơ cấp hiệu = NPP/GPP Hàng ngày trái đất nhận 1.022 jun Hiệu suất đồng hóa (động vật) = A/I lượng mặt trời, tương đương với 100 triệu Hiệu suất tăng trưởng sinh thái = P/I bom nguyên tử ném xuống Hi-rô-sima Hiệu suất suất = P/A đại chiến giới lần thứ hai Rất may hầu hết nguồn lượng bị phản xạ xạ trở lại không trung trái đất có bầu khí bảo vệ Phần lượng hấp thu bề mặt trái đất khoảng 10-20% chủ yếu xạ hồng ngoại phân bố không đồng bề mặt trái đất phụ thuộc vào vĩ độ, cao vùng xích đạo GPP: Năng suất sơ cấp thô; NPP: Năng suất sơ cấp thuần; R: Hô hấp; P: Năng suất thứ cấp (tăng trưởng mô quan sinh sản thay đổi sinh khối); L: Tiêu thụ; W: Bài tiết (phân nước tiểu khí chất khác); A: Đồng hóa (hấp thụ thức ăn lượng) Hầu hết nguồn xạ mặt trời khúc xạ, Nguồn: Park C, 1997 phản xạ hấp thu trở lại khí nhờ lớp mây, không khí bụi Chỉ có lượng nhỏ ánh sáng mặt trời với bước sóng dài sử dụng trình quang hợp Chỉ có khoảng 1% lượng ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành lượng hoá học nhờ trình quang hợp tạo chất hữu tổng hợp xanh tảo Hàng năm sinh vật tự dưỡng tạo 99% tất chất hữu sinh quyển, tức khoảng 120 tỉ chất hữu tổng hợp 2.2 Năng suất hệ sinh thái Tỉ lệ lượng ánh sáng mặt trời chuyển thành lượng hoá học thành phần chất hữu sinh vật tự dưỡng gọi suất sơ cấp Tỉ lệ mà sinh vật dị dưỡng chuyển đổi lượng hoá học chuỗi thức ăn chúng thành mô thể chúng gọi suất thứ cấp Tổng suất sơ cấp thứ cấp gọi suất tổng số Tuy nhiên, song song với trình tổng hợp phần lượng sử dụng hô hấp vận động Do đó, suất = suất tổng số - lượng dùng hô hấp đo tỉ lệ tích luỹ sinh khối trọng lượng thể/đơn vị diện tích/đơn vị thời gian Hai trình song song tồn thực vật quang hợp tổng hợp chất hữa thải O2, trình hô hấp việc sử dụng lượng tích luỹ hợp chất hữu thải khí CO2 (Vũ Trung Tạng 2000; Trần Kiên, Hoàng Đức Nhuận, Mai Sỹ Tuấn 1990) Như vậy, suất (productivity) lượng chất hữu tạo trình quang hợp tạo nên mô mới/đơn vị diện tích/đơn vị thời gian Sinh khối (standing crop biomass) trọng lượng mô/đơn vị diện tích Năng suất phụ thuộc vào tỉ lệ luân chuyển vật chất sinh khối không cần liên quan đến sinh khối Trong số trường hợp, hai hệ thống có sinh khối tỉ lệ chu chuyển sinh khối khác Một hệ thống có sinh khối thấp suất lớn hệ thống có sinh khối cao Điều lý giải trường hợp vi sinh vật, tảo có sinh khối thấp suất lại cao Tỉ lệ chu chuyển sinh khối hàng năm động vật có xương sống tảo sinh vật nhỏ khác cao gấp 15-40 lần Khi nghiên cứu sinh thái người ta thường quan tâm đến tỉ lệ P/R Trong (P) trình tích luỹ lượng quang hợp hô hấp (R) trình tiêu phí đốt cháy lượng Trong trường hợp P/R > quang hợp lớn hô hấp tức chất hữu tích luỹ hệ sinh thái, gọi hệ thống tự dưỡng, ngược lại P/R < hệ thống dị dưỡng 2.3 Hiệu suất sinh thái Hiệu suất sinh thái bao gồm đặc trưng hiệu suất đồng hóa, hiệu suất tăng trưởng, hiệu suất suất hiệu suất tiêu thụ Hiệu suất đồng hóa (trong bậc dinh dưỡng) = Đồng hóa (A)/Tiêu thụ (L) Hiệu suất tăng trưởng = Năng suất (P)/Tiêu thụ (L) Hiệu suất suất = Năng suất (P)/ Đồng hóa (A) Hiệu suất tiêu thụ = Tiêu thụ bậc dinh dưỡng n (Ln)/Năng suất bậc dinh dưỡng n-1 (Pn-1) Bảng 10: Năng suất hiệu suất tiêu thụ số loại đồng cỏ điển hình Loại đồng cỏ Vụ (ngày) Sinh vật sản xuất Động vật ăn cỏ Động vật ăn thịt Năng suất Hiệu suất Năng suất Hiệu suất Năng suất Hiệu suất (Kcal/m2) (%) (Kcal/m2) (%) (Kcal/m2) (%) 3767 0.8 53 11.9 13.2 Đồng cỏ 206 thấp Đồng cỏ 200 3591 trung bình Đồng cỏ 275 5022 cao Nguồn: Park C, 1997 0.9 127 16.5 37 23.7 0.9 162 5.3 15 13.9 2.3 Các nhân tố giới hạn Năng suất hệ sinh thái chủ yếu phụ thuộc vào sinh vật sản xuất Các nhân tố tác động tới sinh vật tự dưỡng bao gồm: ánh sáng, nhiệt độ, nước, CO2., O2 , N, P số nguyên tố vi lượng Trong trường hợp dinh dưỡng nhiều ánh sáng lại hạn chế suất Trong phần lớn hệ sinh thái nội địa thuỷ vực tăng trưởng thực vật bị giới hạn nhân tố N P Chẳng hạn hồ bị ưu dưỡng N, P tượng ‘nở hoa’ tảo xảy Năng suất sơ cấp rừng nội địa NPP = f (NPP max, PAR, LAI, T, CO2, H2O, NA) - NPP: Năng suất sơ cấp - NPP max: suất tối đa loại thực vật/ hệ sinh thái - PAR: Bức xạ mặt trời hoạt tính quang hợp - LAI: Chỉ số diện tích - T: Nhiệt độ - CO2: Hàm lượng CO2 khí - H2O: độ ẩm đất - NA: số nguồn dinh dưỡng vốn có Nếu nhiệt độ CO2 trái đất tăng suất Các nhân tố giới hạn tác động lên hệ sơ cấp có tăng không? sinh thái tuỳ thuộc vào không gian thời gian phức tạp Một nhân tố gọi nhân tố giới hạn sinh vật lại không tác động nhiều tới sinh vật khác ngược lại Nếu nhiệt độ nhân tố hạn chế hệ sinh thái ôn đới hệ sinh thái nhiệt đới lại lượng mưa Rừng mưa nhiệt đới có đóng góp lớn vào suất trái đất suất cao diện tích lớn Cấu trúc chức hệ sinh thái: lưới thức ăn dòng lượng 3.1 Cấu trúc dinh dưỡng hệ sinh thái Mỗi hệ sinh thái thể mối dinh dưỡng đặc trưng gọi cấu trúc dinh dưỡng, dựa vào xác định đường dòng lượng kiểu chu trình vật chất hệ sinh thái Dựa sở nhu cầu nguồn dinh dưỡng loài, người ta xếp chúng vào bậc dinh dưỡng Bậc dinh dưỡng sinh vật tự dưỡng hay sinh vật sản xuất sở cho tất hệ sinh thái (cây xanh, tảo ) Sinh vật ăn thực vật gọi sinh vật tiêu thụ bậc Động vật ăn thịt bậc dinh dưỡng gọi sinh vật tiêu thụ bậc 2, Nhìn chung hệ sinh thái có bậc dinh dưỡng Con đường mà thức ăn (ở dạng lượng vật chất) chuyển qua bậc dinh dưõng gọi chuỗi xích thức ăn Các chuỗi lại nối kết với tạo thành lưới thức ăn Sinh vật tiêu thụ ăn nhiều loại mồi Một loại mồi nguồn thức ăn cho nhiều loài ăn thịt Như vậy, loài đặt nhiều bậc dinh dưỡng khác Sinh vật sản xuất xanh, tảo, cỏ biển…Ở vùng nước sâu ánh sáng không tới được, chất dinh dưỡng lượng phân huỷ từ chất lắng đọng từ bề mặt đại dương xuống đáy, sản phẩm nguồn gốc từ quang hợp Một số loài vi khuẩn đáy đại dương, vi khuẩn chemoautotrophic sống suối nước nóng núi lửa sử dụng lượng từ ô xy hoá H2S cho phép chúng chiết xuất C từ CO2 Sinh vật sản xuất lượng trực tiếp từ trình quang hợp sử dụng ánh sáng mặt trời nên gọi sinh vật sản xuất tự dưỡng hệ sinh thái vi khuẩn dị dưỡng gọi hệ sinh thái dị dưỡng để phân biệt với hệ sinh thái tự dưỡng xanh tảo Sinh vật tiêu thụ bậc hay gọi động vật ăn thịt bậc khác thuỳ thuộc vào hệ sinh thái chẳng hạn nhện, ếch nhái, chuột, chim ăn sâu bọ hệ sinh thái nội địa; mực., tôm, cua, cá hệ sinh thái thuỷ vực Cuối sinh vật phân huỷ, bao gồm vi sinh vật, vi khuẩn, nấm tiết men phân huỷ chất hữu phân giải sản phẩm phân huỷ Trong số hệ sinh thái có sinh vật nhỏ ăn chất hữu phân huỷ từ cây, ăn phân loài sinh vật khác gọi chuỗi thức ăn phân huỷ, hệ sinh thái rừng ngập mặn, cỏ biển…Các chất hữu xác thực vật phân huỷ, sinh vật ăn mùn bã phân huỷ (chân bụng, hai mảnh vỏ, giáp xác, giun tròn, vi khuẩn, nấm) có vai trò quan trọng mối liên kết sinh vật sản xuất, tiêu thụ phân huỷ việc hoàn thiện chu trình sinh địa hoá tự nhiên 3.2 Dòng lượng Sự vận động hệ sinh thái trì nhờ dòng lượng từ bậc dinh dưỡng sang bậc dinh dưỡng Tuy nhiên, giảm dần bậc dinh dưỡng sinh vật không tiêu thụ hết tất chất hữu bậc (30-60% lại) tất lượng chuyển đổi cho tăng trưởng sinh khối 25-70% lượng sử dụng cho trình hô hấp để cung cấp lượng cho vận động, tiêu hoá, giữ nhiệt cho thể Phần lớn lượng bị dạng nhiệt Chỉ có khoảng 2-15% lượng bậc dinh dưỡng trước sử dụng để tăng sinh khối bậc Hiệu sinh thái chuyển tải lượng thấp thấp 0.1-15% trung bình khoảng 10% tuỳ thuộc vào loại sinh vật tiêu thụ kiểu ăn Thông thường hiệu sinh thái động vật ăn thịt cao động vật ăn cỏ Như vậy, khoảng 90% lượng bị mất, điều lý giải chuổi thức ăn thông thường có 3-4 bậc dinh dưỡng Trong hệ sinh thái ao hồ, chuổi thức ăn từ tảo-cá con-cá vược chuyển đổi 0.05% lượng tích luỹ trình quang hợp 3.3 Tháp lượng, số lượng sinh khối Do khối lượng dinh dưỡng lượng hệ sinh thái qua chuỗi thức ăn (chỉ khoảng 10 % lượng sử dụng cho bậc tiếp) nên tháp thức ăn dinh dưỡng có cấu trúc hình chóp đỉnh (dạng kim tự tháp) Một số hệ sinh thái khác, đại dương chẳng hạn, sinh khối sinh vật sản xuất (tảo) động vật ăn thực vật (phù du động vật, cá voi…) hình tháp sinh khối lại theo hướng ngược lại Nhưng tháp lượng lại theo chiều hướng lên sinh vật sản xuất loài tảo đơn bào có tỉ lệ suất cao tỉ lệ chu chuyển cao Trong bảo tồn phát triển bền vững hệ sinh thái sinh quyển, kiến thức tháp lượng, số lượng sinh khối quan trọng Chẳng hạn như, sinh vật tiêu thụ bậc đỉnh tháp thường cá thể lớn, số lượng nhỏ, thường phải di chuyển nhiều để tìm kiếm thức ăn dễ bị tuyệt chủng người săn bắn môi trường bị phá hủy Nếu hệ sinh thái tự nhiên, lượng đầu vào ánh sáng mặt trời chất dinh dưỡng, nước hệ sinh thái nông nghiệp đại dựa lượng đầu vào lượng hoá thạch dùng cho sản xuất thuốc trừ sâu, phân hoá học, khí Các nguồn lượng hệ sinh thái mà trì suất nên không bền vững Trong hệ sinh thái nông nghiệp, người sử dụng trực tiếp sản phẩm lương thực chuyển đổi qua chăn nuôi loại gia súc Nếu người ăn sản phẩm thực vật đảm bảo cho hệ sinh thái bền vững nhiều so với việc tiêu thụ nhiều thịt Chu trình vật chất hệ sinh thái Các chu trình vật chất từ môi trường vô sinh thông qua thành phần hữu sinh hệ sinh thái (sinh vật sản xuất, tiêu thụ, phân huỷ) lại quay trở lại môi trường vô sinh gọi chu trình dinh dưỡng hay chu trình sinh địa hoá Có loại chu trình sinh địa hoá, chu trình tổng thể liên quan đến chất khí C, N, P, nước… vận động trái đất (khí quyển, thuỷ quyển, địa quyển, sinh quyển) chu trình mang tính cục liên quan đến nguyên tố di động K, Ca nguyên tố vi lượng đất Thông thường, chất dinh dưỡng tích luỹ hai dạng vô hữu Dạng hữu nằm thể sinh vật sống trầm tích hoá thạch (than đá, dầu mỏ, than bùn) sinh vật chết Dạng vô bao gồm ion, phân tử hoà tan nước, đất không khí Các chất vô đá sinh vật sử dụng bị xói mòn phong hoá Các chu trình sinh địa hoá liên quan đến trình huy động chất dinh dưỡng từ dạng vô sau vào mô thể sinh vật (dạng hữa cơ) qua hoạt động sinh vật sản xuất, tiêu thụ sau bị phân huỷ Các chất hữu sinh vật phân bị huỷ thành dạng vô cuối hấp thu trở lại vào sinh vật sản xuất Sự phức tạp chu trình sinh địa hoá tăng lên theo thay đổi theo mùa qua phân bố chất dinh dưỡng, chẳng hạn vào mùa đông ao hồ chất dinh dưỡng phần lớn dạng hoà tan vào mùa hè lại chủ yếu nằm thể sinh vật (tảo, phù du động vật ) sinh vật chết lại quay trở lại dạng vô Các nhân tố ánh sáng, nhiệt độ dinh dưỡng yếu tố giới hạn tăng trưởng nên suất hồ phụ thuộc theo mùa 4.1 Chu trình Cácbon (C) Môi trường đất, nước không khí liên kết thông qua chu trình C nhờ trình quang hợp, làm giảm hàm lượng CO2 khí Các sinh vật tự dưỡng tổng hợp C02 mô chúng sau vào sinh vật tiêu thụ chúng quay trở lại không khí qua trình hô hấp phân huỷ sau chết Trong sinh quyển, phần bắc bán cầu hàm lượng CO2 thấp vào mùa hè, cao vào mùa đông sinh khối thực vật tăng Ở nam bán cầu hoạt động quang hợp cao vào mùa hè làm giảm lượng CO2 toàn cầu ngược lại hàm lượng CO2 tăng lên vào mùa đông Quá trình phong hoá đá phân huỷ chất hữu tạo cácbon đất chảy vào sông suối mưa xuống tạo nên chu trình C nước Quá trình diễn phức tạp tương tác CO2 với đá CaCO3 nước, CO2 hoà tan phản ứng với CaCO3 nước thông qua loạt phản ứng tóm tắt sau: H2O + CO2 ↔ H2CO3 H2CO3 + CaCO3 ↔ Ca(HCO3)2 HCO-3 ↔ 2H+ + 2CO2-3 ↔ Ca2+ = HCO3 – (bicarbonate) (carbonate) Nếu CO2 sử dụng cho trình hô hấp thực vật thuỷ sinh phản ứng theo chiều hình thành carbonate từ trái sang phải, CO2 sử dụng quang hợp phản ứng theo chiều hình thành bicarbonate Quá trình gọi ‘đệm’ ‘dự phòng’ CO2 nước Các nghiên cứu cho thấy, hệ sinh thái thuỷ vực kể sông suối, ao hồ, biển đại dương có vai trò lớn chu trình C toản cầu Các hoạt động kinh tế người làm đảo lộn chu trình C, gây tải hàm lượng CO2 tự nhiên gây tượng hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên Đó việc sử dụng nhiều nhiên liệu hoá thạch than đá, dầu mỏ, khí đốt giao thông vận tải, phát triển công nghiệp, sinh hoạt đời sống làm tăng CO2 khí quyển, việc chặt phá rừng làm tăng hàn lượng cácbon không thực vật hấp thụ CO2 khí 4.2 Chu trình Nitơ (N) Khoảng 78% N tự nhiên dạng NO2 Tuy nhiên, thực vật lại không đồng hoá trực tiếp tự nhiên mà phải thông qua tượng sấm chớp đặc biệt vi sinh vật cố định đạm nốt sần họ đậu qua cung cấp N dạng ammonia NO3 NH+4 Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng ammonia tạo nitrite NO2- nitrate NO3- qua trình nitrite hoá Thực vật đồng hoá nitrate chuyển thành hợp chất N hữu axít amin protein Khi sinh vật sản xuất chết vi sinh vật yếm khí phân huỷ phân tử N phức tạp thành ammonia qua trình ammoni hoá Các vi khuẩn sử dụng NO3- trình phản nitrit hoá thành dạng N2 trở lại khí Chu trình N tự nhiên liên quan chủ yếu tới môi trường đất nước Hầu hết dạng N hữu vô đưa vào thuỷ vực theo nước mưa Các loài tảo vi khuẩn tự có khả hấp thu N dạng khí có nước N đất nước tái chu trình trình phân huỷ chất hữu Con người chặt phá rừng làm cho xói mòn đất lớp đất mặt bị rửa trôi Quá trình gọi trình tái chu trình không hoàn thiện Lượng N tích luỹ không khí dạng N2 Đây nguyên nhân gây tượng đất canh tác bị thoái hoá, sa mạc hoá 4.3 Chu trình Phốt (P) Trong sinh sinh vật sản xuất sử dụng phốt dạng vô gọi phosphat (PO4 3) Quá trình phong hoá đá thường xuyên bổ sung lượng phosphate đất sau thực vật hấp thụ qua trình hấp thu dinh dưỡng quang hợp hình thành hợp chất hữu tạo thành phần mô thể Sau chúng tiếp tục vào bậc dinh dưỡng sinh vật tiêu thụ cuối bị phân huỷ trả lại P vô cho đất Trong hệ sinh thái thuỷ vực, P tích luỹ bùn đất đáy ao hồ, sông suối, đại dương thời gian dài 4.4 Thời gian chu trình dinh dưỡng Trong tự nhiên, chu trình dinh dưỡng xảy nhanh chậm tuỳ thuộc vào tốc độ trình phân huỷ, sinh khối, thành phần hoá học đất, nước Các nhân tố tác động đến chu trình luân chuyển dinh dưỡng Điều phụ thuộc vào tác động người Ở vùng rừng nhiệt đới lượng dinh dưỡng tích luỹ ôn đới tốc độ phân huỷ nhanh, chu trình luân chuyển nhanh Chẳng hạn tầng thảm mục rừng nhiệt đới mỏng nhiều so với rừng ôn đới trình phân huỷ xảy nhanh Xác thực vật tích luỹ sàn rừng ôn đới lên tới 20% tổng chất hữu hệ sinh thái Điều lý giải hậu việc phá rừng nhiệt đới cho nông nghiệp bị bạc màu nhanh sau 2-3 vụ, mang lại hậu kinh tế sinh thái nghiêm trọng thời gian ngắn 4.5 Tích luỹ sinh học Không phải tất hợp chất sinh phân huỷ sinh học thành chất đơn giản vào tái chu trình Đó trường hợp hợp chất khó phân huỷ, đặc biệt kim loại nặng chì, thuỷ ngân, kẽm, DDT Các hợp chất vào chuỗi thức ăn tích luỹ bậc cao Có hai cách lý giải tượng tích lũy sinh học Thứ sinh vật có nhu cầu tích luỹ hàm lượng chất thể từ không khí, nước đất thông qua hấp thu có chọn lọc qua màng tế bào Thứ hai sinh khối sinh vật bậc thấp tháp sinh thái sinh khối thường cao bậc Do đó, chất có hàm lượng nhỏ thể sinh vật bậc dinh dưỡng thấp chúng tích luỹ nhiều sinh vật bậc dinh dưỡng cao Động vật bậc cao, sống lâu hàm lượng tích luỹ cao Mặt khác, số chất phân huỷ đồng hoá vào thể tích luỹ gây chết cho sinh vật (Nguyễn Văn Tuyên 1997; Nguyễn Văn Thêm 2002; Nguyễn Hoàng Trí 2000; Mai Đình Yên 1994) Chẳng hạn như, hàm lượng chì tế bào phù du thực vật vùng cửa sông thấp chấp nhận lượng chì tích lũy thể cá đặc biệt loài động vật đáy cao gây số bệnh nguy hiểm người sử dụng chúng làm thực phẩm Tương tự vậy, hàm lượng DDT tế bào tảo nước chiếm vài phần triệu thể loài động vật bậc cao sâu bọ, đến cá chim lên tới vài phần trăm gây tượng vỏ trứng mỏng số loài chim, trứng dễ dàng bị vỡ giai đoạn ấp đảo trứng Hiện tượng gọi ‘Sự tuyệt chủng từ giai đoạn trứng’ Vai trò người động thái hệ sinh thái 10 Con người nhiều thành phần sinh nói chung hệ sinh thái nói riêng Do dân số tăng nhanh gây biến đổi môi trường, làm thay đổi chức hệ sinh thái, số hệ sinh thái bị phá huỷ hoàn toàn cấu trúc dinh dưỡng, dòng lượng chu trình vật chất phạm vi địa phương toàn cầu, chẳng hạn gia tăng CO2 khí quyển, mưa axít làm thay đổi chu trình vật chất tự nhiên Có thể thấy tác động người lên hệ sinh thái theo hai cách thay đổi nhân tố sinh học thay đổi nhân tố vô sinh (Lê Thông, Nguyễn Hữu Dũng 1999) 5.1 Các nhân tố sinh học: du nhập loài gây bệnh Con người tạo điều kiện trực tiếp du nhập loài cạnh tranh, ăn thịt bệnh dịch vào hệ sinh thái địa phương, môt số trường hợp gây thảm hoạ thỏ, cáo, kiến lửa Ôxtrâylia chuột Băc Mỹ, ong Nam Phi, bạch đàn, ốc bưu vàng Việt Nam, bệnh nấm từ Trung Quốc vào Mỹ Ngoài phải tính đến hậu sinh vật biến đổi gen việc tạo loài có tính chống chịu sâu bệnh, suất cao, loài chưa có lịch sử tiến hoá hệ sinh thái Bảng 11 : Số lượng số loài quí bị săn bắt (thời gian từ 1991 - 1995) Số Loài TT Sơn dương Bò rừng- Bò tót Cheo cheo Gấu ngựa Gấu chó Hổ Báo Chó sói Vượn 10 Khỉ loại 11 Khỉ mặt đỏ 12 Voọc loại 13 Chà vá 14 Tê tê 15 Sóc bay lớn 16 Chim công 17 Gà lôi trắng 18 Gà lôi hồng tía 19 Trăn Nguồn: Đỗ Tước, 1997 (Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường 2000) Số lượng 820 413 1177 194 277 70 54 32 851 1145 227 608 1.364 963 451 13 619 20 333 11 Môi trường nông thôn nông nghiệp Sự tác động lớn người làm biến đổi môi trường loài qua việc phá rừng làm đất nông nghiệp, phát triển công nghiệp, đô thị gây chia cắt nơi cư trú, kiếm ăn, thay đổi dòng lượng chu trình vật chất Chỉ vòng 100 năm, khoảng 70 % rừng giới bị gây khủng hoảng đa dạng sinh học Việc cánh rừng nhiệt đới phong phú đa dạng gây hậu chưa xác định nhiều loài chưa biết hay nói cách khác ‘chúng ta chưa biết gì’ Việc áp dụng tiến kỹ thuật thâm canh, tăng vụ, mở rộng diện tích canh tác, thâm canh trồng theo hướng sản xuất hàng hóa làm cho sản lượng lương thực tăng nhanh Bên cạnh phát triển sản xuất thủ công nghiệp công nghiệp nhỏ, hình thành làng nghề gây ô nhiễm nặng nề tất tỉnh ngoại ô thành phố Việc sử dụng thuốc trừ sâu bảo vệ thực vật nông nghiệp ngày tăng Việc lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật gây ô nhiễm có tính cục môi trường nước, môi trường đất ngộ độc người sử dụng Tình trạng vệ sinh môi trường nông thôn Việt Nam thấp, đặc biệt địa phương nghèo Trừ số xã ngoại thành thành phố lớn cấp nước máy (nước sạch) hầu hết nông thôn Việt Nam dùng nước giếng, nước mặt nước mưa, chưa xử lý vệ sinh Ước tính khoảng 30 - 40% dân nông thôn dùng nước Tình hình dẫn đến tình trạng tái phát số dịch bệnh số nơi, bện giun sán, sốt rét, sốt xuất huyết bệnh viêm não Nhật Bản… 5.2 Các nhân tố vô sinh: thuốc trừ sâu phân hoá học Nguồn: Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường 1999 Đó hậu ô nhiếm môi trường đất, nước, không khí suy giảm nguồn tài nguyên thiên nhiên Các chu trình sinh địa hoá bị biến đổi chặt phá rừng, dinh dưỡng xói mòn Khi rừng bị có nghĩa độ màu mỡ đất với khoảng 60 lần lượng N bị trôi theo nuớc mưa đất nhanh chóng bị bạc màu Sự phát triển nông nghiệp không hợp lý thực chất khai thác đất kiệt quệ, tăng sản lượng qua việc lạm dụng phân hoá học làm cho đất chai cứng Ngoài ra, chất thải từ nhà máy, xí nghiệp, thuốc trừ sâu, phân hoá học nông nghiệp, chất thải sinh hoạt đổ sông, biển làm thay đổi thành phần hoá học nước gây tượng ‘thuỷ triều đỏ’ở số vùng ven biển Việc sử dụng thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ gây hại cho nhiều loài khác, nhiều hóa chất tổng hợp phân huỷ biện pháp sinh học chúng tích luỹ môi trường thời gian dài tái tổ hợp thành chất khác nguy hiểm tác động vi sinh vật Việc sử dung DDT nông nghiệp trở nên nguy hiểm, chúng vào nguồn nước, tích luỹ mô mỡ động vật qua chuỗi thức ăn, nằm thể sâu bọ sau vào thể loài chim ăn sâu bọ chim ăn thịt DDT biến đổi thành DDE làm giảm lượng can xi gây mỏng vỏ trứng dễ vỡ ấp Các loài chim quí hiếm, đặc biệt đại bàng, ó năm đẻ đến vài trứng, trứng bị vỡ không hệ Sự tuyệt chủng bắt nguồn từ non bị chết ‘từ trứng’ 12 Như trình bày, hàm lượng CO2 khí tăng lên tác động người mà hậu khó lường trước Nó góp phần tăng suất cục số loài thực vật giảm suất sơ cấp toàn hệ sinh thái CO2 Những nét đặc trưng rừng Việt Nam nước hấp thu tia tử ngoại khúc xạ trở lại trái đất gây nóng lên, tượng Năm 1943 diện tích rừng Việt Nam 14,3 hiệu ứng nhà kính, tăng lượng mưa, gió triệu với tỷ lệ che phủ 43%; năm 1990 diện tích bão nước biển dâng rừng 9,1 triệu với tỷ lệ che phủ đất đai tự nhiên Như vậy, việc tác động vào nhân tố hữu sinh, vô sinh làm giảm đa dạng sinh học, làm rút ngắn đơn giản chuỗi, lưới thức ăn, hệ sinh thái trở nên bền vững Chẳng hạn người chuyển đổi hệ sinh thái tự nhiên thành hệ sinh thái nông nghiệp độc canh lúa, ngô, cao su, hồ tiêu dễ bị sâu bọ, bệnh dịch công, lửa rừng, ngập lụt, xói lở… Ứng dụng nguyên lý sinh thái học việc bảo tồn khôi phục hệ sinh thái toàn quốc 27,7% năm 1995 diện tích rừng 9,3 triệu với tỷ lệ che phủ rừng 28,1% đầu năm 1999 diện tích rừng 9,6 triệu với tỷ lệ che phủ 28,8% Diện tích rừng trồng năm thập kỷ 90 có tăng song diện tích rừng tự nhiên có trữ lượng gỗ cao bị xâm phạm, khai thác bất hợp pháp Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với 3/4 diện tích tự nhiên đồi núi 3.260 km bờ biển Những đặc điểm vị trí địa lý, địa hình khí hậu, đất đai dẫn đến đa dạng loại hình, phong phú thành phần loài Dưới kiểu rừng chủ yếu Việt Nam: - Rừng rộng thường xanh mưa ẩm nhiệt đới; - Rừng rộng thường xanh mưa ẩm nhiệt đới núi đá; - Rừng rộng thường xanh mưa ẩm nhiệt đới; - Rừng rụng với loài họ Dầu; - Rừng kim - Rừng ngập mặn - Rừng tre nứa loại Sự can thiệp người vào hệ thống tự nhiên sinh phá huỷ môi trường, giảm đa dạng sinh học, thay đổi dòng lượng chu trình vật chất hệ sinh thái Môn Nguồn: Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường 2000 sinh thái học bảo tồn đời với việc ứng dụng nguyên lý sinh thái học nhằm đảo ngược xu hướng tác động tiêu cực loài người Về lý thuyết có hai xu hướng bảo tồn hệ sinh thái với hệ thống ban đầu nó, khôi phục hệ sinh thái nhằm cải thiện hệ thống không thiết phải quay trở lại trước thay đổi số loài bị tuyệt chủng nhiều Mặt khác, hệ thống mà quần xã không cân bảo tồn không chắn trình diễn 13 Thực tế cho thấy bảo tồn hay khôi phục bắt đầu việc khôi phục lại môi trường sống, cung cấp nguồn sống thích hợp cho loài bậc dinh dưỡng, trì chu trình vật chất, cấu trúc chức hệ sinh thái, công việc cụ thể bao gồm: - Bảo tồn đa dạng môi trường sống - Bảo tồn đa dạng loài - Duy trì mối quan hệ dinh dưỡng - Duy trì dòng lượng tự nhiên - Duy trì chu trình vật chất tự nhiên Sinh thái học bảo tồn áp dụng rộng rãi việc khôi phục lại vùng khai thác mỏ, đất ngập nước, hồ ưu dưỡng, trồng lại rừng Khôi phục lại loại rừng mưa nhiệt đới với thành phần địa, khôi phục rừng ngập mặn ven biển vửa hạn chế tác hại gió bão, nước biển dâng vừa nâng cao suất thủy sản ven biển đại dương mang lại hiệu kinh tế môi trường Sức khoẻ hệ sinh thái (Ecoystem health) Sức khoẻ hệ sinh thái cách nói ẩn dụ đánh giá tình trạng hệ sinh thái Từ 'sức khoẻ' đề cấp đến dấu hiệu, triệu chứng, rối loạn chức bệnh tật hệ sinh thái Việc sử dụng từ làm cho người dễ hiễu liên hệ thân thấy rõ trách nhiệm Nhưng hệ sinh thái không giống thể hệ sinh thái bao gồm nhiều loài sinh vật mối tương tác với với môi trường Do khái niệm "sức khoẻ" phải hiểu với ý nghĩa rộng lớn nhiều Để đánh giá hệ sinh thái có ‘khoẻ’ hay dựa tiêu chí sau: 7.1 Sức mạnh Sức mạnh hệ sinh thái liên quan với chu trình lượng trình vận hành, trao đổi thành phần Đó trì ổn định dòng lượng chu trình dinh dưỡng đảm bảo hiệu suất sinh thái Một hệ sinh thái mạnh phụ thuộc lớn vào khả cung ứng đầu vào, lượng mặt trời, sinh vật sản xuất, dinh dưỡng Chẳng hạn việc phá rừng làm cho hệ sinh thái suy giảm sức mạnh nhanh chóng sinh vật sản xuất, đất trở nên nghèo dinh dưỡng dẫn đến trình thoái hoá đất đai, nguồn nước cạn kiệt hệ sinh thái tồn Đối với số hệ sinh thái thuỷ vực ao hồ, vùng cửa sông, ven biển chịu ô nhiễm nặng nề dư thừa chất dinh dưỡng (ưu dưỡng) chất thải từ nhà máy, xí nghiệp, thuốc trừ sâu, phân hoá học nông nghiệp chất thải sinh hoạt đổ Điều tạo điều kiện cho tảo phát triển mạnh (hiện tượng nở hoa) làm cho sức mạnh hệ thống giảm 14 thuỷ vực thiếu ô xy, đầu độc loài sinh vật khác làm đảo lộn chuỗi lưới thức ăn thuỷ sinh, gây hậu nghiêm trọng cho toàn hệ sinh thái 7.2 Sức bền Đó khả chịu đựng tự phục hồi hệ sinh thái bị đảo lộn trình tự nhiên tác động người, giống chức tuần hoàn, hô hấp trở lại bình thường sau bị sốc Người ta cho hệ sinh thái thường xuyên bị đảo lộn có khả chống chịu tốt hệ thống bị đảo lộn Ví dụ sau đợt hạn hán kéo dài 1994-1995 đồng cỏ bang New Mexico (Mỹ) loài cỏ thường xuyên bị gia súc dẫm nát xa nguồn nước lại hồi phục nhanh khu vực gần nguồn nước bị gia súc dẫm nát 7.3 Tổ chức Tổ chức đề cập đến tính đa dạng hệ sinh thái Điều tuỳ thuộc vào hệ sinh thái cụ thể Khi hệ sinh thái đa dạng mức độ tổ chức với đa dạng số lượng loài mối quan hệ phụ thuộc trì tính bền vững cao Thực tế cho thấy mức độ phụ thuộc thành phần vô sinh hữu sinh ngày tăng lên hệ sinh thái theo thời gian Một hệ sinh thái bảo tồn lâu dài mối quan hệ trở nên ổn định đa dạng Một hệ sinh thái nguyên sinh bị tác động người chuyển đổi vào mục đích khác trồng công nghiệp, phát triển nông nghiệp… có xu hướng giảm số loài, độ giàu mối quan hệ tương hỗ Một số loài hội chiếm nhanh gây hậu vô tai hại Chẳng hạn nạn xâm chiếm loài trinh nữ vùng đồng sông Cửu Long 7.4 Duy trì dịch vụ hệ sinh thái Đây tiêu chuẩn để đánh giá sức khoẻ hệ sinh thái, đề cập đến chức mang lại lợi ích cho người giảm thiểu chất độc hại, lọc nước, nâng cao suất nghề cá, hạn chế xói lở Các dịch vụ bị suy giảm môi trường xuống cấp Ngược lại, sức khoẻ hệ sinh thái trì đầy đủ chức hệ sinh thái bảo tồn 7.5 Sức khoẻ hệ sinh thái sức khoẻ người Hầu thay đổi hệ sinh thái có tác động tới sức khoẻ người nhiều đường khác Thực chất sức khoẻ người thị để đánh giá triệu chứng sức khoẻ hệ sinh thái Ngược lại, sức khoẻ hệ sinh thái đặc trưng khả trì ổn định sức khoẻ người Quần thể người phần môi trường tự nhiên Loài người dù có đầy đủ tri thức với loại công cụ chúa tể trái đất phần chu trình sinh địa hoá tự nhiên Trong tự nhiên luôn có xu hướng cân hay gọi nội cân Đó hệ thống tự ổn định điều khiển chế nội Các quần thể sinh vật tự 15 điều chỉnh mật độ chế tập tính, tăng giảm cường độ sinh sản (yếu tố thực hiện) cách mà kích thước quần thể (trị số điều khiển) trì giới hạn cho phép Một hệ sinh thái có chế dự trữ thải bỏ chất dinh dưỡng, tổng hợp phân giải hợp chất hữu việc hình thành trì mối quan hệ tương tác theo chu trình vật chất lượng hệ sinh thái tạo nên tự điều chỉnh nội cân nhằm đảm bảo chế tự điều chỉnh Con người thành phần hệ sinh thái, người biết ‘học’ thiên nhiên cách điều chỉnh mối quan hệ trạng thái cân động đảm bảo cho phát triển bền vững lâu dài cho tồn loài người Ngược lại, người ngạo mạn phá huỷ thiên nhiên tự sát 16 ... Vi khuẩn ô xy hóa Fe - Vi khuẩn Nitrit Các loại dị dưỡng - Hô hấp hiếu khí - Lên men - Hô hấp kỵ khí - Vi khuẩn phân hủy Fe - Vi khuẩn phân hủy sulphát - Vi khuẩn tạo CH4 - Vi khuẩn Denitrit Các... H2O, NA) - NPP: Năng suất sơ cấp - NPP max: suất tối đa loại thực vật/ hệ sinh thái - PAR: Bức xạ mặt trời hoạt tính quang hợp - LAI: Chỉ số diện tích - T: Nhiệt độ - CO2: Hàm lượng CO2 khí - H2O:... sau: - Dòng lượng từ sinh vật tự dưỡng (sinh vật có khả tổng hợp chất hữu từ chất vô ánh sáng mặt trời tảo, xanh, phản ứng hoá học vi khuẩn) tới sinh vật dị dưỡng (sinh vật ăn sinh vật khác); -