KỸ THUẬT HỌC HỆ THỐNG CỦA HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG

Chương V KỸ THUẬT HỌC HỆ THỐNG CỦA HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG Nội dung Thế giới tự nhiên phức tạp đa dạng đòi hỏi người phải có phương thức tiếp cận cách hệ thống nghiên cứu hệ sinh thái đồng ruộng Quần thể trồng phát triển đồng ruộng có mối quan hệ chặt chẽ khơng điều kiện khí tượng, đất đai, chế độ nước mà chịu ảnh hưởng sâu sắc mối quan hệ với loài sinh vật khác điều kiện kinh tế xã hội địa phương Nội dung chương mơ hình hóa mối quan hệ để nghiên cứu chức cấu trúc hệ sinh thái đồng ruộng nhằm cho cách nhìn tổng thể sản xuất nông nghiệp Các nội dung sau đề cập chương này: Dành cho sinh viên bậc đại học: • Sinh thái học kỹ thuật học hệ thống Dành cho sinh viên sau đại học: • Chuẩn bị tốn học để mơ tả phân tích hệ sinh thái • Mơ hình hố máy tính • Phân tích hệ thống số mơ hình sinh thái Mục tiêu Sau học xong chương này, sinh viên cần: • Hiểu mối quan hệ sinh thái học kỹ thuật học hệ thống • Nắm phương pháp mơ tả phân tích hệ sinh thái • Hiểu cách thức xử lý mơ hình sinh thái máy tính (sinh viên sau đại học) Sinh thái học kỹ thuật học hệ thống Tính tổng hợp sinh thái học Nghiên cứu khoa học thường có hai hướng chính: cố gắng phân chia đối tượng nghiên cứu thành phần nhỏ, thuần; hai hướng tổng hợp tổ chức đối tượng chia nhỏ lại Phương pháp luận hướng thứ rút lấy phần tử hệ thống thực tế phức tạp, cố gắng lập với mơi trường xung quanh, cấu thành trường “nhiệt độ ẩm độ cố định” có lợi cho thực nghiệm, tìm quy luật phần hệ thống đó; tránh bên hệ thống nghiên cứu “lẫn vào” phạm vi thực nghiệm, tìm cách làm cho hệ thống thực nghiệm trở thành “thuần khiết” t; chí phá hoại mơ tế bào phức tạp, làm làm lại để lấy loại men đó, dùng men “thuần” tiến hành thực nghiệm sinh hoá theo kiểu “hệ thống ống nghiệm” 139 Một hệ thống thực nghiệm dù “thuần” đến đâu, nghiên cứu tỉ mỉ hơn, hệ thống lại cấu thành nhiều thành phần thứ cấp, nghĩa việc chia nhỏ lại tiếp tục không giới hạn Một phát nghiên cứu kiểu chia nhỏ vậy, cần có liên hệ với chất vật, có có hiệu trực tiếp có tính ứng dụng tương đối lớn Thí dụ: phát chất có tác dụng làm tổn thương mạnh hệ thống hô hấp hệ thống quang hợp sinh vật, phần cực nhỏ, trở thành biện pháp có hiệu hạn chế sâu bệnh hại cỏ dại Cho đến nay, phần lớn nghiên cứu khoa học theo phương pháp “chia nhỏ” Nhưng kết nghiên cứu thế, ứng dụng cách đơn vào thực tế phức tạp, thường bị va vấp, có cịn cho kết trái ngược với ý muốn Thí dụ: việc phun thuốc bảo vệ thực vật nhằm bảo vệ trồng tính chống thuốc sâu bệnh Lồi cỏ dại bị tác dụng thuốc trừ cỏ lại phát triển mạnh ta dùng thuốc trừ cỏ (như loài Eleocharis ruộng nước) Từ thực tế đó, người nhận thức tự nhiên phức tạp, phải đối xử với vật phức tạp cần phải tiến hành nghiên cứu tổng hợp Từ đó, số thuật ngữ “hệ thống”, “kỹ thuật học hệ thống” sử dụng ngày phổ biến Như nói trên, có nhiều phương pháp phân tích mà sinh thái học áp dụng, suy cho xoay quanh yêu cầu tổng hợp Sinh thái học mơn khoa học có tính tổng hợp cao Bởi vì: 1) hình thành sinh thái học tương đối trẻ, chưa chia nhỏ ra; 2) sinh thái học môn khoa học phải lấy địa bàn nghiên cứu thực địa làm để phát triển; 3) điều kiện thực tế, quan hệ sinh vật môi trường, quan hệ sinh vật với sinh vật phức tạp cấu trúc chức năng, không dễ dàng mà lấy phần đưa vào phịng thí nghiệm Người ta nói tính tổng hợp sinh thái học cao thể mặt Trong lĩnh vực kỹ thuật, gần việc trang bị giới cho sản xuất trở nên vô phức tạp với quy mô ngày lớn Khi dùng “bộ phận” kiến trúc trước để nghiên cứu hoạt động chỉnh thể trang thiết bị này, chỉnh thể phức tạp, nên sinh quan niệm hệ thống (system concept) Một số hệ thống phức tạp tổng hợp lại với mục đích định, vận dụng theo quy luật định (phương pháp có tính phổ biến) Những phương pháp tổng hợp phát triển không ngừng gọi kỹ thuật học hệ thống (system engineering) Phần sau nói đến trình nghiên cứu sinh thái học kỹ thuật học nhìn trái ngược Ðối tượng nghiên cứu sinh thái học tồn từ lâu, kỹ thuật học hệ thống hình thành Chỗ đứng hai lĩnh vực khác nhau, khái niệm hệ thống chúng lại giống Phần then chốt phương pháp xử lý hệ thống mà kỹ thuật học đề có ý nghĩa tham khảo quan trọng sinh thái học 140 Cấu trúc hệ thống Hệ thống: Hệ thống bao gồm nhiều thành phần có quan hệ với tổ hợp lại với cách phức tạp để hợp thành chỉnh thể có ý nghĩa định Trước hết cần bàn vấn đề xác định cấu trúc hệ thống Trong tập hợp nhiều thành phần hợp thành, xếp đặt với vào hệ thống đương nhiên có khác mục đích nghiên cứu, khơng thể xếp đặt tuỳ ý Hình 1.5 cho thấy, giả thiết có thành phần hợp thành, tập hợp thành phần [1, 2] tập hợp [3, 4, 5, 6], thành phần dấu móc [ ] có quan hệ chặt chẽ hơn, trở thành tập hợp khác Trong trường hợp, lý đặc biệt mà tuỳ ý vạch đường chấm chấm coi [1, 2, 3] hệ thống gây khó khăn cho bước nghiên cứu Nói cách khác, hệ thống tập hợp số thành phần kết hợp hữu với nhau, phân biệt với mơi trường hệ thống khác có “tính độc lập” tương đối mức độ định Hệ thống Tín hiệu vào Mơi trường Tín hiệu Thành phần hợp thành Hệ thống 1I Tín hiệu vào Thành phần hợp thành Thành phần hợp thành Tín hiệu Thành phần hợp thành Thành phần hợp thành Thành phần hợp thành Mơi trường Hình 1.5 Hệ thống hợp thành nhiều thành phần có quan hệ với nhau, nối liền với mơi trường đầu vào đầu Thành phần hợp thành: gọi thành phần hợp thành tức số “bộ phận” hợp thành “hệ thống”, thân chúng lại thành phần cấp thấp hợp thành Những thành phần cấp thấp lại thành phần cấp thấp tạo Như nói, tiếp tục chia nhỏ khơng giới hạn, cuối (với trình độ tại) đạt đến mức độ hạt Song dù không đạt đến mức độ hạt hay nguyên tử, đủ để tìm hiểu nắm vững hệ thống sinh thái đồng ruộng, việc chia nhỏ thành phần hợp thành nên làm đến mức thích hợp; nội dung thành phần (nó cấu tạo gì) phải thừa nhận: có tồn “đơn vị thành phần hợp thành” mà đến người ta khơng truy hỏi thêm Ðó tức “thành phần hợp thành” mà muốn nói đến 141 Thành phần hợp thành Yi Thành phần hợp thành giống hộp đen có đầu vào đầu (hình 2.5) Giống Tín hiệu Yi máy tự động bán hàng, bỏ đồng tiền Tín hiệu vào Xi [= f(Ym)] Zi [= f(Xi)] (Hộp đen) vào (chuyển vào) thứ hàng bật (chuyển ra) bao thuốc hay chai nước quả, cấu bên tựa không suy tính Hình 2.5 Sơ đồ hình khối thành Về quan hệ “đại lượng vào” “đại phần hợp thành (yếu tố) hệ thống lượng ra” thành phần xác định thơng thường Ðơn vị nhỏ xử lý nhờ thực nghiệm, lợi dụng kết coi hộp đen nghiên cứu nhà chuyên môn liên quan Nhưng dù xuất cục diện sau, không xét đến thành phần cấp thấp hay cấp thấp thành phần hợp thành, biểu tốt hành động thành phần hợp thành phức tạp Trong trường hợp này, gọi hệ thống hệ thống cháu (subsubsystem) (hình 3.5) Mơi trường (tín hiệu vào) Hệ thống tái sản xuất chất khô (cây trồng) Ánh sáng mặt trời Nhiệt độ khơng khí Hệ thống Hệ thống cháu Hệ thống cháu thành phần hợp thành Thành phần hợp thành Cơ quan quang hợp Cỏ dại Côn trùng + Vi sinh vật + Thành phần thổ nhưỡng Thành phần hợp thành Vi sinh vật đất + Cơ quan vận chuyển Cơ quan lưu trữ Cơ quan dinh dưỡng + Hệ sinh thái đồng ruộng Hình 3.5 Quan hệ thành phần hợp thành hệ thống, hệ thống con, hệ thống cháu Hình 4.5 Phạm vi hệ thống Có khác phạm trù vấn đề khác mà người ta nghiên cứu Gọi thành phần (yếu tố) hệ sinh thái đồng ruộng quần thể trồng, cỏ dại, quần thể côn trùng, NH đất, khối lượng số lượng vi sinh vật đất B Hệ thống môi trường: Môi trường hệ thống tổng hợp tất thành phần bên ngồi hệ thống, thuộc tính thay đổi có ảnh hưởng đến hệ thống ngược lại, hoạt động hệ thống mà thuộc tính thành phần môi trường bị ảnh hưởng theo Trên thực tế, coi yếu tố bên hệ thống coi mơi trường cách nhìn người hệ thống, quy mô hệ thống mở rộng đến mức độ nào, độ dài toạ độ thời gian xem xét (lấy vấn đề phát sinh tháng làm đối tượng, hay xem xét thời gian sau 10 năm, 20 năm) khác 142 mà có nhiều sai khác Thí dụ, hệ thống đồng ruộng, hình 4.5 cho thấy, lấy trồng làm chính, ngồi trồng lượng mặt trời, nhiệt độ khơng khí, trùng, cỏ dại, vi sinh vật “mơi trường” Lấy trồng làm chính, giải thích chủ quan lồi người lợi dụng trồng, cho trùng vi sinh vật hình thành hệ sinh thái đồng ruộng, quan trọng ngang với thực vật phù hợp thực tế, phận mơi trường lại đưa vào hệ thống (hình 5.5) Trong việc nghiên cứu sinh thái học đồng ruộng tính tổng hợp mạnh, dù đầu xuất phát từ hệ thống quy mô nhỏ, theo tiến triển việc nghiên cứu (dần dần đưa môi trường vào hệ thống), quy mô hệ thống tự nhiên có xu mở rộng, chí cuối trở thành “hệ sinh quyển” Y1 Y4 Môi trường A Y2 Môi trường B Y3 Giới hạn hệ thống Hình 5.5 Giới hạn hệ thống môi trường Những đặc trưng hệ sinh thái So sánh với hệ thống kỹ thuật, nói chung hệ sinh thái có số đặc trưng sau: 1/ Có nhiều phản ứng tốc độ chậm hệ thống kỹ thuật So sánh trình sản xuất nhà hoá học sản xuất sinh vật cần nhiều thời gian thấy khác vơ rõ ràng Do đó, điều khiển hệ sinh thái đồng ruộng, có thật cần “máy tính hệ thống tuyến tính” (Computer online system) hay không vấn đề cần quan tâm 2/ Những thành phần có phản ứng nhanh thành phần có phản ứng chậm nằm hệ thống Thí dụ, q trình quang hợp xuất phản ứng lấy giây phút làm đơn vị; biến đổi hình thái sinh trưởng cần xét nhiều ngày tháng nhiều năm Ngoài ra, phân giải chất hữu đất hay trình biến đổi tính chất lý hố học đất, cần thời gian tương đối dài đạt đến cân đại thể Do xét đến vấn đề biến đổi thời gian ngắn, thành phần xem ổn định, với thời gian kéo dài coi chúng bất di bất dịch thường dẫn đến sai lệch lớn Ðối với hệ thống tồn hỗn hợp tốc độ phản ứng (định số thời gian) nhanh chậm khác nhau, tính tốn máy tính, thường dễ trở thành ngun nhân gây sai số tính tốn 143 3/ Bản thân “cấu trúc” cấu (thành phần hợp thành) hệ thống có biến đổi Ở nhà máy thân cấu thời gian định biến đổi lớn Cho nên “cấu trúc quan hệ” chuyển vào, chuyển đơn vị thành phần hợp thành không biến đổi nhiều lắm, cịn hệ thống sinh vật lại khơng có bảo đảm Thậm chí, có thành phần hợp thành hồn tồn khơng tồn thời gian đó, sang thời gian khác lại xuất phụ thêm vào hệ thống (như hình thành quan dự trữ trồng) 4/ Trong quan hệ hàm số chuyển vào, chuyển thành phần hợp thành, phần nhiều có đặc tính bão hồ khơng tuyến tính rõ Thí dụ, quan hệ nồng độ chất dinh dưỡng đất tốc độ hút rễ; quan hệ cường độ chiếu sáng tốc độ quang hợp Do đó, loạt phương pháp thuật tốn tuyến tính phát triển từ hệ thống kỹ thuật học dùng y nguyên thế, đem lại nhiều khó khăn cho việc xử lý toán học hệ thống sinh học 5/ Bất kể bên hay bên hệ thống tồn nhiều nhân tố người khó điều khiển Vì thế, tạo mơ hình tốn học hay mơ hình máy tính tiến hành thực nghiệm, muốn chứng thực kết thu hệ sinh thái thực tế, có lại vơ khó khăn Q trình phân tích hệ thống (mơ hình hố thực nghiệm mơ hình) Hệ thống kỹ thuật học đối tượng hợp thành, hệ thống sinh thái học đồng ruộng đối tượng phân tích sẵn có bày trước mắt Do đó, mục đích q trình phân tích hai loại hệ thống nhiều có khác Nhưng điểm chung giống là: mơ hình có tác dụng quan trọng Q trình kỹ thuật học: Quá trình hợp thành hệ thống kỹ thuật học, trước hết từ chế tạo hệ thống có chức gì, tức việc xem xét tỉ mỉ điều kiện thiết kế Căn vào điều kiện để làm thành kiểu dạng cụ thể thiết kế, trải qua trình kiểm nghiệm loại chi tiết, cuối hợp thành hệ thống mà ta yêu cầu Hệ thống hợp thành, trước đưa vào sử dụng, tiến hành “chạy thử” điều kiện môi trường So sánh kết chạy thử với điều kiện thiết kế mong muốn, tiến hành tu sửa chỗ khơng thích đáng Ðể chế tạo thành hệ thống chất lượng cao, phải sửa sửa lại nhiều lần Song, môi trường hệ thống quy mô lớn cần đầu tư lớn, việc dùng thực vật để tiến hành “chạy thử” điều kiện khác nhau, xem kết để tiến hành sửa lại, ngày khó khăn mặt kinh tế mặt kỹ thuật, chí khơng cho phép làm Do đó, trước “chế tạo” vật thực, phải chế tạo trước mơ hình, cho thực nghiệm mơ hình lặp lặp lại, tiến hành giải tích trước sửa đổi trước cho hệ thống (hình 5.6) Trong kỹ thuật học hệ thống, việc thực nghiệm mơ hình trở thành phương pháp quan trọng việc giải tích hệ thống hợp thành hệ thống Vì phương pháp chế 144 tạo mơ hình, phương pháp thu ngày nhiều thơng tin nhờ sử dụng mơ hình thực nghiệm mơ hình có phát triển nhảy vọt Những phương pháp có triển vọng nghiên cứu sinh thái học [Thủ tục nghiên cứu kỹ thuật học] Mơ tả tính có hệ thống mục đích Lập mơ hình Hợp thành hệ thống mục đích Thực mơ hình Mạch diện hiệu chỉnh Sai lệch Vận dụng Cách vận dụng hệ thống [ Thủ tục nghiên cứusinh thái ] Hệ sinh thái Sử dụng hệ sinh thái Ðiều tra thực nghiệm hệ thống thực tế Số liệu điều tra thực nghiệm Lập mô hình Thực mơ hình Mạch diện hiệu chỉnh Sai lệch Phát đề tài thực nghiệm Cách điều khiển hệ sinh thái Hình 6.5 Ðối chiếu trình hợp thành hệ thống kỹ thuật học trình nghiên cứu sinh thái Quá trình nghiên cứu sinh thái (ý nghĩa mơ hình sinh thái học): Hệ thống lấy làm đối tượng nghiên cứu sinh thái học tồn từ trước, tương đối ý đồ nghiên cứu sáng chế kỹ thuật học Nhưng sinh thái học, hệ thống cần nghiên cứu phức tạp, việc giải tích hệ thống cần phải có mơ hình (mơ thức) Nghiên cứu sinh thái trước hết thông qua điều tra dã ngoại thực nghiệm dã ngoại để thu số liệu tài liệu hệ thống đối tượng nghiên cứu Theo tiến triển nghiên cứu, tài liệu ngày phong phú (mơ tả tượng), từ tìm mối liên hệ có ý nghĩa chủ đạo, mối liên hệ chất hành động hệ thống, nêu quy luật có tính phổ biến Ðể làm cho số nhận thức trừu tượng hoá (hoặc gọi giả thuyết làm việc) trở thành thực, cần phải ứng dụng mơ hình khác Như phần sau nói, có mơ hình thu nhỏ trừu tượng đồng cỏ lớn thành sa bàn, mơ hình kiểu mạch điện, mơ hình tốn học mơ hình máy tính 145 Ðối với mơ hình, địi hỏi nắm thật tốt cấu trúc lý luận chất hệ thống đối tượng nghiên cứu được, khác bề ngồi chất vật liệu khơng đặt thành vấn đề Thậm chí sử dụng vật liệu hoàn toàn khác với chất vật liệu hệ thống thực tế, cần diễn đạt tốt chức nó, dựa vào điểm nói chứng trừu tượng thành cơng Song, cho mơ hình “phản ánh tốt nhận thức” khơng Gọi “mơ hình diễn đạt tốt cấu trúc lý luận hệ thống thực tế” có nghĩa mơ hình phải có, hay phát huy chức lý luận tương tự với hệ thống đối tượng nghiên cứu Cho nên phải nói rằng, sử dụng mơ hình tiến hành “thực nghiệm” cấu trúc lý luận mơ hình, loại thực nghiệm Loại thực nghiệm tiến hành mơ hình gọi thực nghiệm mơ hình (mơ hình hố nghĩa rộng) Như phần sau nói, mơ hình có loại hình khác Một tiêu chuẩn để đánh giá mơ hình xem việc thực nghiệm mơ hình việc đo định kết thực nghiệm vận động linh hoạt đến mức độ mơ hình Ðối với kết “thực nghiệm mơ hình” cần đối chiếu với tài liệu ghi chép tượng hệ thống vốn có, để cân nhắc đánh giá Có phát có nhiều “sai khác”, nghiên cứu nguyên nhân sinh sai khác tiến hành sửa lại mơ hình (hình 6.5, 4) Sai khác thực nghiệm mơ hình tượng hệ thống thực tế, sâu điều tra hệ thống thực tế cung cấp “con đường” (hình 6.5, 5), cịn phát lại, tìm đầu mối hệ thống mà mơ hình cũ (nhận thức) chưa lường thấy hết Người ta gọi “chức phương pháp phát mơ hình” Như nói, mục đích sử dụng mơ hình kỹ thuật học sinh thái học nhiều có chỗ khác nhau, cách thức chế tạo mơ hình, phương pháp giải tích, cơng trình tuần hồn tiến mơ hình có nhiều điểm tương tự Thể loại phát triển mô hình: mơ hình có nhiều hình thái; từ lâu người ta dùng “mơ hình thu nhỏ” Dùng vật liệu có tính chất thực vật kích thước thu nhỏ lại mơ hình cầu cống, mơ hình máy bay, mơ hình sa bàn dịng sơng, vịnh vực; động vật thực nghiệm chuột, sử dụng thay cho người, thí nghiệm nơng học diện tích 10 m 2, hệ thống thí nghiệm chậu Ở có tiền đề là, kết thực nghiệm mơ hình nhân với “hệ số” trở với vật thực PPP Mơ hình phải dễ xử lý vật thực Mơ hình thu nhỏ tiện lợi chỗ có đặc điểm “nhỏ”, khơng có nhiều ưu điểm Mơ hình hố phát triển, người ta dùng mơ hình hình thái bề ngồi hồn tồn khơng giống vật thực, chức lại giống dễ nắm vững Ðó gọi mơ hình tương tự trực tiếp (direct analog model) Thí dụ, đặt đổi hệ thống máy móc (hệ thống lực đàn hồi - trọng lực), hệ thống chấn động tim thành mạch điện gồm 146 điện trở, tụ điện, pin điện (hình 7.5) Việc chế tạo mơ hình mạch điện có độ tự tương đối cao, việc xác định kết mơ hình giản đơn Nhưng phải rằng, trình đổi hệ thống đối tượng nghiên cứu thành mạch điện tiến hành “trừu tượng hố” chức Trở kháng Tụ điện Vơn kế Phạm vi mơ hình hố mạch điện đơn giản khơng rộng Thí dụ tự nhiên thường xuất quan hệ hàm số mũ, quan hệ hàm số logarit khó tiến hành mơ hình hố mơ hình mạch điện đơn giản Mơ hình tạo thành Thời gian lợi dụng tính vật lý điện trở tụ điện, thuộc tính vật lý thân chi tiết đó, Hình 7.5 Mơ hình hiệu điện chấn động tim nên có tồn “giới hạn khả mơ hình hố” định Nghĩa người ta muốn khỏi hạn chế thuộc tính vật lý ngun liệu cấu tạo thành mơ hình, để biểu đạt cách linh hoạt quan hệ lô gic vật Mơ hình tốn học thoả mãn u cầu Mơ hình tốn học dùng ký hiệu hồn tồn trừu tượng dễ mơ tả loại hệ thống, tiến hành tương đối “tự do” “thực nghiệm giấy” Nhưng mơ hình tốn học có hạn độ định Nội dung ghi cơng thức tốn học giải tốn học (giải tích học) Mặc dù mặt lý luận coi được, tốn nhiều thời gian, thực khơng thể Cuối xuất mơ hình máy tính Phần cốt lõi máy tính điện tử đại cấu tạo chi tiết điện tử, có khác với trường hợp mơ hình mạch điện nói trên, hoạt động khơng phải trực tiếp lợi dụng tính tương tự tính chất vật lý chi tiết điện tử Bên máy tính điện tử có “hoạt động” kỹ thuật học điện tử nào, khơng cần xét đến, cần coi loại máy móc có đủ chức trừu tượng tuý để sử dụng Do xuất loại cơng cụ này, nâng cao lên nhiều “trình độ tự do” thực nghiệm mơ hình (chỉ cần nhẫn nại tính tốn số) Cả vấn đề mà toán học mong đợi mà chưa thực dùng máy tính thực nghiệm mơ hình Những loại vấn đề cần tìm lời giải a/ Phán đốn cấu trúc mơ hình có tốt hay khơng b/ Tính thơng số chưa biết c/ Dự tính tương lai hệ thống d/ Suy đốn điều kiện ổn định hệ thống e/ Nêu rõ phương pháp điều khiển tốt 147 a/ b/ phần đề tài nghiên cứu, mục đích giải nghi vấn nhận thức (giả thuyết làm việc) người nghiên cứu Ở muốn có số liệu tượng hệ thống thực tế, vấn đề làm để nội dung hộp đen (mơ hình) khớp với số liệu Dùng ngơn ngữ tốn học để nói, tức tương đương với vấn đề biên trị vấn đề trị số cho sẵn c/, d/, e/ vấn đề sau làm mơ hình tương đối đáng tin cậy, vận dụng mơ hình để tìm lời giải c/ vấn đề trị số ban đầu Thí dụ, điều kiện ban đầu điều kiện chuyển vào đó, q trình sinh trưởng suất trồng biến đổi nào; trường hợp giảm lượng dùng thuốc bảo vệ thực vật, dự tính mặt hệ sinh thái đồng ruộng sau 10 năm thay đổi sao, d/ vấn đề cụ thể nghiên cứu làm để khôi phục cân hệ sinh thái ln ln bị phá hoại Thí dụ, hệ thống sâu bệnh hại dễ phát sinh lớn có tính chu kỳ, làm dùng tương đối thuốc mà dập tắt được, làm để sâu bệnh hại dừng lại mức tương đối thấp, thuộc loại vấn đề Phương pháp phán đoán độ tin cậy giải đáp, phương pháp xử lý toán học chấn động, phương pháp tính tốn vấn đề trị số có sẵn có ích vấn đề nói trên, e/ d/ vấn đề làm để hệ thống nghiên cứu tiếp tục vận dụng theo mục đích, tức nói vấn đề làm tìm phương pháp Ðối với hệ thống nơng nghiệp trang bị thiết bị điều khiển tốt, tìm phương pháp quản lý hợp lý đề tài tiêu biểu cho loại vấn đề Chuẩn bị tốn học để mơ tả phân tích hệ sinh thái Gần phát triển máy tính, tiến “thiết bị mềm”, dù khơng có nhiều kiến thức tốn học tiến hành phân tích hệ thống Ở giai đoạn nay, phân tích tốn học có ý nghĩa quan trọng hai lý do: lập mơ hình máy tính, có kiến thức tốn học có lợi; hai suy diễn toán học vấn đề làm cho thu nhiều thông tin quan trọng khái quát hệ thống giải đáp máy tính tính tốn trị số Cơng cụ tốn dùng để diễn đạt hệ thống Hệ thống hệ phương trình: Như nói, hệ thống nhiều thành phần hợp thành Bước thứ mơ hình tốn học lấy điều tra, thực nghiệm lý luận làm sở, làm rõ quan hệ hàm số đại lượng vào đại lượng thành phần hợp thành, biểu thành cơng thức (đến đây, chưa có khác với trường hợp khơng có khái niệm hệ thống) Về khái niệm hệ thống, tiền đề thừa nhận thành phần khác tồn “quan hệ qua lại”, đó, phận đại lượng vào thành phần hợp thành bao hàm đại lượng vào thành phần hợp thành khác Nói cách khác, hàm số biểu thị đại lượng thành phần hợp thành lấy đại lượng thành phần hợp thành khác làm biến số mà tạo thành Bây giả thiết hệ thống hợp thành n thành phần, đại lượng thành phần y1, y2, yn thì: 148 Hình 14.5 Biến động chu kỳ động vật làm mồi (x) động vật bắt mồi (y) tìm theo mơ hình Lotka - Voltera (munekata, ngun hình), (tỷ lệ thời gian phân tích máy tính kiểu mơ hình hố giây) Ghi chú: x0 = 3, y0 = 3, k1 = 0,3, k2 = 0,6, k3 = 0,3 Giả thiết giây thời gian máy tính tương đương với năm hệ sinh thái thực tế, k3 = 0,3 có nghĩa tỷ lệ chết y lấy 30% năm để tính tốn Trên hình cịn đọc chu kỳ khoảng 4,4 giây (4,4 năm) Như nói M = 0, nói hệ thống dao động liên tục, không suy giảm khơng phát triển Nhưng hình thấy có suy giảm Ðó sai số sinh việc xấp xỉ tuyến tính gần điểm kỳ dị Trong trường hợp này, điểm kỳ dị x0 (= k3/k2) = ; y0 (= k1/k2) = 5, x y tiệm cận với t ∞ Hình 14.5 gần với đường cong hàm số sin So sánh hình 14.5 hình 15.5, làm cho k2 nhỏ đi, thấy: 1) thời gian chu kỳ lớn lên; 2) dao động trở thành kiểu phát tán Do hệ thống khơng tuyến tính, thủ tục làm xấp xỉ tuyến tính phải chỗ gần điểm kỳ dị (x0, y0) có tác dụng Nếu tạm thời không xét đến điểm này, M phán đốn tính ổn định dao động chu kỳ dao động sau: M = (k1 - k3) + k2 (x - y) Chu kỳ = 2π k 1k (48) (49) Từ cho thấy, k3 nhỏ đi, M > 0, nghĩa dễ phát tán hay thời gian chu kỳ lớn lên Ngoài ra, chỉnh lý số liệu nhiều lần thực nghiệm máy tính cho thấy, điều kiện dao động liên tục (M = 0) đại thể là: k1 - 2k3 = 170 (50) Hình 15.5 Làm nhỏ tỷ lệ chết (k3) động vật bắt mồi (y) thời gian số cá thể thấp kéo dài ra, xuất phát sinh lớn dạng mạch xung (pulse) Ghi chú: 1) x0 = 5, y0 = 3, k1 = 0,3, k2 = 0,6, k3 = 0,13 2) x mở rộng gấp lần Hình 16.5 đồ thị giải đáp k3 phạm vi 0,10-0,18 (cấp 0,2) Khi k3 nhỏ đi, khoảng cách chu kỳ lớn lên, dao động hướng kiểu phát tán Ngoài ra, k3 nhỏ đi, biên độ dao động x thấp xuống cơng thức (45) Cả ba trường hợp nói lấy trục hồnh làm trục thời gian, hành động loài làm mồi x loài ăn mồi y sau: x = f1 (t) (51) y = f2 (t) von 0,16 0,14 0,12 k3 = 0,10 0,18 1 giây Hình 16.5 Giải đáp máy tính kiểu mơ hình hố mơ hình Lotka - Voltera biến đổi tỷ lệ chết (k3) y Nếu tỷ lệ chết nhỏ đi, chiều rộng chu kỳ lớn lên Ghi chú: x0 = 0, y0 = 3, k1 = 0,25, k2 = 0,50, k3 = 0,10 ∼ 0,18 171 10 y Lần lượt coi x, y chuyển vào đưa vào máy vẽ đồ thị x - y, biểu thị giải đáp coi quỹ tích điểm mặt phẳng x - y Ðó gọi nghiệm tương vị Ðiểm xuất phát x 10 Hình 17.5 Giải đáp máy tính lồi làm mồi x(t) lồi bắt mồi y(t) mơ hình Lotka - Voltera, dùng máy tính vẽ đồ thị x - y vẽ mặt phẳng Ghi chú: 1) k1 = 0,373; k2 = 0,687; k3 = 0,367 đặt t = 0; x = 2,89; y = 3,00 2) Vòng tròn suy giảm gần điểm kỳ dị (5.35; 5.42) tiệm cận, để dễ vẽ hình nên khơng tính hết điểm kỳ dị tiến gần điểm gốc (0, 0) k2 lớn lên Ngoài ra, cho k2 lớn lên, dao động tựa nhỏ đi, thực tế điểm kỳ dị tiến gần điểm ban đầu (3, 3), hiệu trực tiếp k Mơ hình liên toả thức ăn II: Chúng ta tiến hành mơ hình hố hiệu (thay đổi) thơng số mơ hình Lotka - Voltera Dưới trường hợp thử hiệu thân kết cấu kỹ thuật, xem ảnh hưởng đến việc tìm đáp số Chúng ta tiến hành nhiều hiệu chỉnh mơ hình Lotka - Voltera, thực nghiệm hiệu chỉnh khơng phải dễ bàn hiệu chỉnh, mà việc thử để giải đáp vấn đề 172 Hình 17.5 nghiệm tương vị x, y; hình cho thấy dao động suy giảm mà trở thành đường cong xoáy hướng tâm (điểm kỳ dị) theo tổ hợp thông số, có trường hợp quay đường cong khép kín, có xốy ốc mở rộng ngồi (dao động phát tán) Chiều xoáy hệ thống theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, thấy trước vào b1 = - k3 (< 0) Hình 18.5 dao động biến đổi k2 trị số Ở hình đặt k = k3, công thức (45) cho thấy, k2 biến đổi, toàn điểm kỳ dị (x0, y0) nằm đường thẳng y = x, 10 1 10 Hình 18.5 Ðồ thị dao động vẽ mặt x-y thay đổi hệ số bắt ăn (k2) mơ hình Lotka - Voltera Ðiểm ban đầu x y cách xa điểm kì dị (k3/k2, k1/k2) dao động lớn Ghi chú: k1, k2 = 0,3; k3 = 0,55 ∼ 1,00, t = 0, x = 3,0 y = 3,0 Lượng lấy thức ăn (tốc độ) loài sinh vật đó, lượng sinh vật ít, gần thành tỷ lệ với số lượng Nếu lượng sinh vật nhiều, nhân tố hạn chế có tác dụng, nói chung, lượng lấy đạt đến điểm đỉnh Thí dụ quan hệ tốc độ quang hợp (tốc độ lấy CO2) diện tích (= lượng thực vật) Mơ hình Lotka - Voltera đặt hai lồi có “tốc độ lấy thức ăn thành tỷ lệ với số lượng loài”, độ lấy thức ăn lồi sinh vật làm mồi x có “hiện tượng đạt đến điểm đỉnh” nói trên, để quan sát toàn hành động hệ thống biến đổi Giả thiết “hiện tượng đến đỉnh” biểu thị hàm số hipe - bơn, mơ hình tốn học hiệu chỉnh có dạng sau (tham khảo hình 17.5, 18.5): dx x = k1 − k xy − k x (≡ P) dt a + bx (52) dx = k xy − k y (≡ Q) dt (53) Số hạng k4x phương trình (52) tốc độ chết x (nói xác cịn gồm tốc độ hơ hấp tiết) Trong mơ hình Lotka - Voltera, k1 phương trình (43) bao hàm có k4, cịn phương trình (52) lại làm cho tốc độ lấy thức ăn trở thành phi tuyến, cần thiết phải tách số hạng k4x Theo cách làm trước, trước hết làm xấp xỉ tuyến tính gần điểm kỳ dị, tiến hành xử lý toán học, điểm kỳ dị (điểm ổn định) hệ thống là: x0 = y0 = k3 (54) k2 k1k2 - k2k4a - k3k4b (k2a + k3b) k2 (55) Quan hệ chuyển vào x phức tạp làm cho hàm số biểu thị điểm cân y trở nên phức tạp Căn theo y0 k1/k2 mơ hình nói trước, tức xem xét y0 có quan hệ với k1, điểm dự kiến Biệt thức dao động sau: M= - k1k2k3b (k2a + kb3) (< 0) (56) P 173 D = ⎤ ⎡ k1 k 2k 3b k3 + (k a + k b )k − k 1k ⎥ 2 ⎢ (k 2a + k 3b) ⎣ (k 2a + k 3b) ⎦ (57) M < phán đốn tất hệ thống ổn định suy giảm Căn cơng thức (57) để phán đốn D âm hay dương phiền phức Như nói, giải tích hệ thống tương đối phức tạp 1) Mơ hình hì h ẽ Ðộng vật (+) x 3) Sơ đồ sử dụng máy tính kiểm mơ hình hoá Ðộng vật bắt mồi a + Bộ phận y k2xy k3y b k1 2) Mơ hình tốn học k1 x ⎧ dx ⎪ dt = a = bx − k xy - k x ⎨ dx ⎪ = k1 xy − k y ⎩ dt (y) x x0 k2 10 y y0 (x) k0 k1 Hình 19.5 Mơ hình liên toả thức ăn II Từ công thức (57) cho thấy: a, b, k3, k4 lớn lên D dương, tức dao động trở nên khó khăn Trong trường hợp này, dùng thực nghiệm mơ hình hố nhanh nhiều Mơ thức máy tính kiểu mơ hình hố hệ thống hình 19.5 Sử dụng phận chia, tương đương với phận hàm số hipebơn với x chuyển vào Hình 20.5 hiệu biến đổi hệ số b hệ thống (khi b lớn lên hàm số hipebơn đạt nhanh đến điểm đỉnh) Vì k4 = 0, trường hợp b = hình hồn tồn giống với kết cấu mơ hình Lotka Voltera trình bày phần trước Từ hình cho thấy: b lớn lên, dao động tắt nhanh Như trí với kết giải tích (b lớn, D > 0) Nói 174 b = 0,0 b = 0,1 b = 0,2 b = 0,3 10 giây von b = 1,0 Hình 20.5 Hiệu hệ số b (hệ số làm tăng cường khơng tuyến tính hàm số tăng sinh vật mồi) dao động mơ hình liên toả thức ăn x (t) ngôn ngữ sinh thái học, tức hiệu thân, hệ thống cấu thành lấy loài tăng nhanh đến điểm đỉnh làm lồi sinh vật mồi, khơng dễ phát sinh tượng chu kỳ Hình 21.5 hiệu tỷ lệ chết sinh vật mồi x Do đặt b = 0, nên giống với mơ hình Lotka - Voltera Nhưng hiệu tỷ lệ tăng tỷ lệ chết x số âm, điểm khác Khi tỷ lệ chết x tăng cao lên, tốc độ suy giảm chu kỳ đạt nhanh đến điểm cân bằng, đồng thời lượng y trạng thái ổn định giảm theo Tỷ lệ chết x ảnh hưởng đến trị số ổn định x Ðương nhiên nói trường hợp tỷ lệ chết hàm số thời gian Khi tỷ lệ chết sinh vật mồi đạt đến giới hạn trở lên (cũng tức lớn tỷ lệ tăng sinh vật mồi), sinh vật mồi sinh vật bắt ăn trở thành 0, hệ thống Mơ hình tuần hoàn vật chất (vấn đề trị số ổn định mơ hình tuyến tính) Hệ thống tuần hồn vật chất so với hệ thống liên toả thức ăn, hệ thống lớn hơn, đường dây phức tạp hơn, đối tượng tốt giải tích hệ thống Tuy nhiên, số hiệu hệ thống thực tế, nói mơn, tích luỹ khá, nhìn tồn lại khơng đầy đủ y k4= 0,0 Ðiểm xuất phát 0,25 0,10 0,16 0.1 Lượng sinh x vật làm mồi Hình 21.5 Giải đáp pha thay đổi tỷ lệ chết (k4) x mơ hình liên toả thức ăn II Ở lấy tuần hồn đạm đơn giản hố làm thí dụ, nói ảnh hưởng hệ số tốc độ (thông số hệ thống) trạng thái ổn định hệ thống Hình 22.5 hình vẽ mơ hình cần thảo luận Ðể tính tốn “bằng tay”, làm tồn đường dây thành tuyến tính, (1), (2), (3), hình này, hệ thống thực tế 175 coi khơng tuyến tính Chuyển mơ hình dạng tốn học, trở thành hệ phương trình vi phân biến số bậc sau đây: x1 = a - k1x1 + k5x4 - k6x1 - k7x1 x2 = k1x1 + k2x2- k3x2 (58) x3 = k3x2 - k4x3 x4 = k2x2 + k4x3 - k5x4 + k6x1 Cây trồng lâu năm X2 k3x2 k2x1 k4x3 k1x3 k3x4 a Ðạm X1 Ðộng vật ăn cỏ X3 Chất hữu đất X4 k3x1 k2x1 Hình 22.5 Mơ hình tuần hồn đạm giả thiết Trong đường (1), (2), (3) vốn phải có kết cấu mối liên hệ ngược (khơng tuyến tính), tạm khơng xét, tồn làm cho chúng gần với tuyến tính; a, k1 - k7 hệ số (thông số), x1 - x4 biến số phụ thuộc thời gian Khi trị số ban đầu trị số ổn định khác nhau, sau trải qua đoạn trạng thái độ, cuối đạt đến trạng thái ổn định (hình 22.5) Nếu thảo luận trị số ổn định, phương trình (58) : x1 = , x2 = 0, x3 = , x4 = Chỉ cần giải phương trình tuyến tính Nghiệm tìm sau: x1 = x2 = 176 a k7 a k7 × k1 (k2 + k3) x3 = a × k7 a x4 = k1k3 (k2 + k3)k4 k1 + k6 × k7 k5 Giả thiết mơ hình đúng, thơng thường điểm sau xác lập: 1/ Chỉ cần không thay đổi đại lượng chuyển vào chuyển hệ thống, số tốc độ (k1, k2, k6) đường vòng dù thay đổi nào, lượng đạm đất chỗ đầu nối chuyển vào chuyển khơng thay đổi 2/ Dù có nâng cao tỷ suất tốc độ động vật ăn trồng, lượng giữ N động vật có hạn độ định Mơ hình sinh trưởng trồng: Cây trồng, coi hệ thống hệ sinh thái đồng ruộng, mơ hình sinh trưởng có nhiều thiết kế thực nghiệm mơ hình hố Phần trình bày Giáo trình Sinh thái Nơng nghiệp Von Chất hữu đất x4 x3 Ðộng vật ăn cỏ Cây trồng lâu năm x2 Ðạm đất x1 20 40 60 80 giây Thời gian tính tốn Hình 23.5 Thí dụ kết tính tốn máy tính kiểu mơ hình hố theo mơ hình tuần hồn đạm 177 TĨM TẮT • Thơng thường biện pháp chia nhỏ giúp đơn giản hóa hệ thống Tuy nhiên kiểu suy luận tính chất phần tử nhỏ suy đặc điểm tồn hệ thống đơi không cho kết mong muốn Phương pháp tiếp cận hệ thống theo quan điểm sinh thái học cho cách nhìn tổng thể quản thể trồng hệ sinh thái đồng ruộng Mơ hình hóa sử dụng cơng cụ hữu ích để nghiên cứu hệ thống Ðồng thời cịn có tác dụng báo trước cho biết trước tác động hệ thống Trong thực tế nhà khoa học thường sử dụng mơ hình hóa mối quan hệ trồng, dinh dưỡng đất, cỏ dại, ánh sáng để nghiên cứu chức cấu trúc hệ sinh thái đồng ruộng Ðể thực mơ hình hóa, người ta biểu diễn mối quan hệ dạng đại số hệ thống phương trình tốn học dạng tuyến tính phi tuyến tính Hiện nay, người ta dùng phương pháp tốn học với máy tính để tiến hành phân tích hệ thống mơ hình cụ thể Chúng ta tham khảo thêm ví dụ cụ thể mơ hình sinh trưởng trồng giáo trình Sinh thái học Nơng nghiệp CÂU HỎI ƠN TẬP Dành cho sinh viên đại học sau đại học: Hãy trình bày ưu nhược điểm biện pháp “chia nhỏ”? Tại nói sinh thái học mang tính tổng hợp? Hiểu hệ thống? Sự khác biệt hệ thống học sinh học? Trong q trình phân tích hệ thống phải lưu ý điểm gì? Mục đích nghiên cứu hệ thống gì? Hãy trình bày đặc trưng mơ hình hệ thống VAC? Dành cho sinh viên sau đại học: Thế trạng thái ổn định? Thế hệ thống tuyến tính? Làm để xử lý dao động hệ thống khơng tuyến tính? Thế gọi mơ hình hóa máy tính? Hãy nêu ưu nhược điểm mơ hình hóa máy tính? 178 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Suất phản xạ (Albedo): Tỷ lệ thông lượng ánh sáng nhập xạ lượng dòng ánh sáng phản xạ Trong quần thể trồng sinh trưởng phát triển tốt, tỷ lệ có trị số khoảng 0,2 Trị số thay đổi nhiều theo góc nhập xạ Tỷ lệ nước dùng lần đầu (Primary water use percentage): Chỉ tiêu dùng để quan sát mức sử dụng lượng nước mưa lần đầu rừng, đồng ruộng, đất cạn Trị số khơng tính nước dùng lại Hiệu suất chuyển đổi lượng (Energy conversion efficiency): Tỷ suất mà quang hợp cố định số lượng ánh sáng mà thực vật hấp thụ Quần thể lúa nước phát triển tốt hiệu suất chuyển đổi lượng khoảng 7% Trở kháng khuếch tán (Diffusion resistance): Cường độ dòng điện hai điểm tỷ lệ thuận với hiệu điện thế, tỷ lệ nghịch với điện trở Suy ra, lượng vật chất chuyển vận (khuếch tán) hai điểm tỷ lệ thuận với hiệu nồng độ vật chất hai điểm tỷ lệ nghịch với trở kháng khuếch tán vật chất Trở kháng gọi trở kháng khuếch tán, tương đương với số nghịch đảo tốc độ trao đổi Môi trường (Environment): Định nghĩa khái quát điều kiện ngoại cảnh sinh vật, tức “tổng hồ điều kiện bên ngồi có quan hệ với đời sống sinh vật” Trạng thái ổn định (Climax): Sự hợp thành quần xã thực bì thiên nhiên diễn biến theo thời gian, cuối đạt đến loại hình quần xã ổn định điều kiện chi phối nơi - chủ yếu điều kiện khí hậu Loại hình quần xã gọi quần xã cao đỉnh (ổn định nhất) Quần xã cao đỉnh tiếp tục tồn vùng lâu dài khơng bị người, núi lửa hay hoả hoạn phá hoại Quần xã (community): Về mặt sinh thái học, thuật ngữ biểu thị thể cộng đồng nhiều loài sinh vật, đối tượng thực vật quần xã thực vật (Plant community), đối tượng động vật quần xã động vật (Animal community), có gồm thực vật động vật gọi quần xã sinh vật Ngồi ra, vào đối tượng nghiên cứu, gọi quần xã cỏ dại, quần xã trồng Lượng (standing crop): Lượng sinh vật (biomass) tồn diện tích thời gian đó, gọi lượng cịn, thơng thường biểu thị khối lượng vật chất khô Thông lượng hiển nhiệt tiềm nhiệt (Sensible and latent heat flux): Trong số nhiệt đưa vào mặt đó, nhiệt lưu động chênh lệch nhiệt độ mặt khơng khí chung quanh gọi hiển nhiệt (lượng dịng), nhiệt lưu động với hình thức tiềm nhiệt bốc gọi tiềm nhiệt (lượng dòng) 10 Tốc độ trao đổi (exchange velocity): Một loại vật chất dung mơi đó, chuyển dich (trao đổi) từ điểm A đến điểm B, lượng chuyển dịch đơn vị thời gian, đơn vị diện tích mặt cắt thành tỷ lệ với hiệu nồng độ loại vật chất điểm A điểm B, hệ số tỷ lệ có thứ nguyên tốc độ (cm/s), gọi tốc độ trao đổi 11 Thành phần hợp thành (component): Hệ sinh thái đồng ruộng quần xã sinh vật đồng ruộng yếu tố sinh vật ánh sáng, CO2, nước, đất, thành phần dinh dưỡng vơ cấu thành Hệ thống có cấu trúc học chức thể gọi hệ sinh thái đồng ruộng 12 Quần xã sinh vật đồng ruộng (field biome, biotic, community in field): Tên gọi tổng quát thành phần sinh vật trồng, cỏ dại, sâu hại, vi sinh vật, động vật sinh tồn hệ sinh thái đồng ruộng Không bao gồm thành phần sinh vật 13 Quần thể (population): Cấu thành cá thể sinh vật lồi 14 Cấu trúc hình học tầng tán (geometrical structure of a canopy): Sự phân bố không gian phận mặt đất trồng Mức độ diện tích bề mặt quan biểu thị hàm số phân bố thẳng đứng hàm số biểu thị phương pháp tuyến dựng bề mặt quan 15 Hệ thống (system): Định nghĩa hệ thống 1/ tổ hợp nhiều thành phần hợp thành có quan hệ qua lại phức tạp; 2/ chỉnh thể (thể thống nhất) ý nghĩa 16 Mơ hình hố (simulation): Tuy yếu tố (thành phần) sử dụng hoàn toàn khác với hệ thống đối tượng nghiên cứu thực (hệ thống thực), mơ hình đơn giản hố hệ thống thực phải có đặc tính quan trọng hệ thống thực, nghĩa mơ hình ”chế tạo” có cấu trúc lý luận phù hợp với yếu tố hệ thống thực 17 Sinh vật dị dưỡng (heterotrophic organisms): Chỉ sinh vật lấy dinh dưỡng với hình thức hợp chất hữu cơ, dựa trực tiếp hay gián tiếp vào sinh vật tự dưỡng Nhóm sinh vật lại chia ra: sinh vật dinh dưỡng hoàn toàn động vật, dinh dưỡng hoại sinh, dinh dưỡng ký sinh 18 Sản lượng (net production): Lượng chất hữu tích trữ lại thể thực vật; tức lượng quang hợp trừ lượng hơ hấp 19 Suất đồng hố (net assimilation rate - NAR): Thước đo hiệu suất quang hợp thực vật độ sinh trưởng thực vật, biểu thị trọng lượng vật chất khô đơn vị diện tích đơn vị thời gian 20 Bức xạ (net radiation), gọi cân xạ: Là tổng hiệu xạ ngắn (bức xạ đỏ ngoài) chiếu mặt phản xạ 21 Cấu trúc sản xuất (productive structure): Sự phân bố theo phương thức đứng quan mặt đất quần thể thực vật (cây trồng); chia ra: cấu trúc khơng gian tập đồn (sản xuất vật chất khô) cấu trúc không gian thân - quan khơng đồng hố 22 Năng suất (productivity): Sản xuất thuật ngữ kinh tế học, nông nghiệp thu hoạch mà người ta thu đất đai Cho nên sản lượng thu hoạch diện tích định gọi suất Tương ứng vậy, tổng lượng tồn chất hữu mà nhóm sinh vật sinh ra, gọi suất sinh học 23 Hệ sinh thái (ecosystem): Hệ thống động thái sinh vật sống vùng yếu tố môi trường sinh vật (ánh sáng, nước, đất ) vùng tạo thành Tuỳ theo đối tượng vùng nghiên cứu gọi hệ sinh thái rừng, hệ sinh thái dịng sơng, hệ sinh thái đồng ruộng 24 Tầng khơng khí gần mặt đất (Air layer near the ground): Phạm vi chịu ảnh hưởng ma sát khơng khí mặt đất gọi tầng giới hạn khơng khí Ở tầng này, phạm vi 40 - 50 cm mặt đất gọi tầng khơng khí gần mặt đất 25 Hệ thống tuyến tính khơng tuyến tính (linear and nonlinear system): Phương trình dùng để diễn đạt hệ thống gồm nhiều số hạng, biến số đạo hàm; số hạng bậc gọi phương trình tuyến tính (phương trình đại số tuyến tính hay phương trình vi phân tuyến tính), ngồi phương trình khơng tuyến tính Thí dụ: 1/ = a1y1 + a2y2 + a3y3 2/ dy = a y1 + a y + a y dt 3/ d y dy +t + y = e −3 t dt dt phương trình tuyến tính; 1/ = a 2/ y1 + a log y + a y + b1 y1 dy = a y1 − a e − b1y + a y dt ⎛ d y ⎞ dy 3/ ⎜ ⎟ + + a y = sin t ⎝ dt ⎠ dt phương trình khơng tuyến tính Ðặc điểm tốn học phương trình khơng tuyến tính khơng thể xác lập "ngun lý trùng hợp", khơng thể giải tốn học tuyến tính (tìm nghiệm giải tích hệ phương trình, phương pháp cổ điển phương trình vi phân, phương pháp biến đổi Laplace, phương pháp biến đổi Fourier); trừ trường hợp đặc biệt ra, nói chung khơng thể giải tích tìm nghiệm hệ thống khơng tuyến tính 26 Tổng sản lượng (gross production) hay sản lượng thơ: Tồn chất hữu mà quần xã thực vật thông qua quang hợp sản xuất gọi tổng sản lượng, tức tổng sản lượng hô hấp 27 Hằng số mặt trời (solar constant): Cường độ xạ mặt trời đến tầng giới hạn khơng khí gọi số mặt trời, có trị số 1,94 cal/cm2/phút Hằng số mặt trời biến động phạm vi 1% trở xuống 28 Nhiệt truyền dẫn đất (soil heat flux): Nhiệt từ mặt đất xâm nhập vào đất gọi nhiệt truyền dẫn đất Thường đánh giá phương pháp phân tích phân độ nhiệt, phương pháp truyền nhiệt, phương pháp truyền dẫn nhiệt 29 Sinh vật tự dưỡng (autotrophic organisms): Những sinh vật tự tổng hợp chất hữu cần thiết cho thể chất vô cơ; chia ra: sinh vật tự dưỡng hoàn toàn (thực vật quang hợp) sinh vật tự dưỡng vơ hố hợp Ðại biểu cho loại trước thực vật màu xanh lục; loại sau vi khuẩn trực tiếp lợi dụng lượng mặt trời, thu lượng thông qua oxy hố chất vơ 30 Cân nhiệt lượng (heat balance): Tổng toàn lượng (nhiệt) vào mặt thời gian định, theo định luật bảo tồn lượng Sự vào nhiệt gọi cân nhiệt lượng Bức xạ mặt đất, lưu động hiển nhiệt, lưu động tiềm nhiệt, truyền dẫn nhiệt đất nội dung chủ yếu cân nhiệt lượng gọi yếu tố cân nhiệt lượng 31 Hàm số phân bố (leaf distribution function): Hàm số biểu thị cấu trúc hình học tập đồn lá, tức hàm số biểu thị phương pháp tuyến dựng mặt Phương pháp tuyến góc thiên đỉnh góc phương vị định Thực tế phân bố tần độ diện tích tính tốn theo góc thiên đỉnh góc phương vị khác 32 Nền nông nghiệp đất ngập (flood farming): Do lũ lụt sông lớn, khối lượng lớn bùn đất, chất lắng đọng chuyển xuống hạ lưu, hình thành vùng đất đai màu mỡ ngập nước Nền nông nghiệp phát triển gọi nông nghiệp đất ngập, hình thái nơng nghiệp ngun thuỷ đất thấp 33 Vi khuẩn quang hợp (photosynthetic bacteria): Vi khuẩn lưu huỳnh (sulphur bacteria) màu đỏ màu lục xanh lợi dụng lượng ánh sáng lấy chất hữu axit béo cấp thấp hay H, chất sunfua làm thể cung cấp H để sinh sống, công thức phản ứng là: 2H2S + CO2 2S + CH2O +H2O Năm 1940, Gest Kamen từ Rhodospirillum rubrum phát loài vi khuẩn có khả cố định đạm Vi khuẩn quang hợp cố định đạm nhiều điều kiện kỵ khí có chiếu sáng 34 Hơ hấp ánh sáng (light respiration): Thực vật C3 có hệ thống hơ hấp ánh sáng nhả CO2 điều kiện chiếu sáng; thực vật C3 hệ thống nhiều Trong điều kiện nồng độ O2 tương đối thấp, hô hấp ánh sáng bị ức chế Thực vật C3 nồng độ O2 hạ thấp quang hợp tăng lên 35 Sản xuất vật chất (sản xuất vật chất khô) (dry matter production): Thực vật nhờ hoạt động quang hợp phận màu xanh lục sinh chất hữu để sinh trưởng Sự tạo chất hữu gọi sản xuất vật chất Thông thường biểu thị trọng lượng khô thể thực vật, gọi sản xuất vật chất khô 36 Thông lượng (flux): Một loại vật chất (hoặc loại lượng đó) vận động (lưu động) môi trường, lượng chuyển vận vật chất đơn vị thời gian, đơn vị diện tích mặt mặt gọi thông lượng 37 Tỷ số Bowen (Bowen’s ratio): Nhiệt đưa vào mặt đó, có phần nhiệt lưu động dạng hiển nhiệt (H) phần nhiệt lưu động dạng tiềm nhiệt (IE), tỷ số H/IE lấy tên người đề xướng nó, có tên tỷ số Bowen (β) 38 Cân nước (water balance): Cũng cân nhiệt lượng, tổng số vào nước thể rắn, thể lỏng, thể mặt thời gian định Nói cụ thể vào nước: nước mưa, nước chảy bề mặt đất, trao đổi nước mặt đất tầng dưới, bốc nước bề mặt, gọi cân nước 39 Nền nông nghiệp nương rẫy (slash and burn farming): Nền nông nghiệp nguyên thuỷ, đốt rừng đồng cỏ xong, người ta trồng (chủ yếu lúa nương, sắn, ngô) từ đến vài năm Lớp tro mặt đất nguồn cung cấp dinh dưỡng vô cho trồng Nương rẫy bỏ hóa sau đất màu người dân lại phát mảnh nương 40 Nước hữu hiệu (available water): Lượng nước mà thực vật hút từ đất, tương đương với lượng dư từ lượng giữ nước lớn (hệ số héo) mà đất giữ Hàm lượng nước hữu hiệu khác tuỳ loại đất, đất thịt đất thịt pha sét cao đất cát đất sét 41 Lượng nước cần (Water requirement): Để tìm hiểu nước cần dùng thời gian sinh trưởng thực vật, lấy tổng lượng nước hút chia cho tổng khối lượng vật chất khơ lượng nước cần gọi hệ số bốc 42 Chỉ số diện tích (leaf area index, LAI): Tỷ số toàn diện tích mặt đất định diện tích mặt đất 43 Bao bó mạch có diệp lục (chlorophyllons bundle sheath): Trong bao bó mạch thực vật C4 ngơ, lúa miến có chất diệp lục, gọi bao bó mạch có diệp lục Thực vật C3 lúa nước, mì, đậu tương khơng có loại mơ 44 Hệ số khuếch tán dịng xốy (turbulent transfer coefficien): Sự lưu động thể lỏng vượt điều kiện trở thành lưu động có nhiều chỗ xốy, gọi dịng xốy Trong loại lưu động này, khuếch tán vật chất thành tỷ lệ với độ dốc nồng độ hệ số khuếch tán vật chất Hệ số khuếch tán dịng xốy gọi hệ số khuếch tán dịng xốy ... gọi kỹ thuật học hệ thống (system engineering) Phần sau nói đến q trình nghiên cứu sinh thái học kỹ thuật học nhìn trái ngược Ðối tượng nghiên cứu sinh thái học tồn từ lâu, cịn kỹ thuật học hệ thống. .. Cách điều khiển hệ sinh thái Hình 6.5 Ðối chiếu trình hợp thành hệ thống kỹ thuật học trình nghiên cứu sinh thái Quá trình nghiên cứu sinh thái (ý nghĩa mơ hình sinh thái học) : Hệ thống lấy làm... hạn hệ thống Hình 5.5 Giới hạn hệ thống môi trường Những đặc trưng hệ sinh thái So sánh với hệ thống kỹ thuật, nói chung hệ sinh thái có số đặc trưng sau: 1/ Có nhiều phản ứng tốc độ chậm hệ thống