I. Các quá trình cơ bản trong hệ sinh thá
1. Năng lượng trong hệ sinh thái.
Năng lượng đi vào hệ sinh thái cĩ từ nhiều nguồn như là nhiệt, ánh sáng, ăm thanh và điện từ, tất cả các thứ đĩ đi vào bằng hai dạng là (i) năng lượng dự trử được thấy thơng qua những hợp chất hĩa học cao năng lượng như ATP, đĩ là phần năng lượng chính phục vụ cuộc sống và (ii) năng lượng vận động hình thành từ quá trình vận động. Các dạng năng lượng này đều tuân theo các qui luật cơ bản dưới đây.
- Định luật thứ nhất (luật bảo tồn năng lượng): trong một hệ thống kín, năng
lượng khơng tự sinh ra mà cũng khơng tự mất đi, nĩ chỉ cĩ thể chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thí dụ như khi nhiên liệu được đốt cháy thì tạo ra năng lượng làm xe hơi chạy, năng lượng trong cấu trúc hĩa học của nhiên liệu được chuyển thành năng lượng cơ học là xe di chuyển. Quá trình chuyển hĩa năng lượng tương tự như thế cũng diễn ra trong sinh vật, sinh vật quang hợp lấy và chuyển hĩa năng lượng ánh sáng từ mặt trời thành vật chất.
- Định luật thứ hai: sự xáo trộn trong vũ trụ là sự gia tăng ổn định trong
suốt quá trình chuyển hĩa năng lượng, năng lượng biến đổi thành dạng đơn giản nhất và được sử dụng như thế năng lượng đi từ dạng phức tạp đến dạng ít phức tạp hơn và cuối cùng là dạng nhiệt năng. Sự chuyển hĩa này rất cĩ ý nghĩa trong sinh học, khi qua mỗi giai đoạn chuyển hĩa, năng lượng bị mất đi ở dạng nhiệt năng, do đĩ hầu hết các sự chuyển hĩa đều nằm ở giai đoạn giữa năng lượng ánh sáng từ thực vật và các mức dinh dưỡng khác. Hiệu suất chuyển hĩa trong chuổi thức ăn là 10%, cịn 90% được sử dụng trong mỗi giai đoạn
b. Dịng năng lượng
Nghiên cứu dịng năng lượng sẽ là cơ sở cho việc xác định giới hạn năng lượng cung cấp trong quá trình sản xuất các nguồn vật chất sinh học. Các sinh vật quang hợp lấy năng lượng ánh sáng và chuyển hĩa thành năng lượng hĩa học, cung cấp vào hệ sinh thái nguồn năng lượng cơ bản đầu tiên. Đĩ là quá trình quang hợp, sản xuất trên vật chất cơ bản là Chlorophyll, khác với sinh vật hĩa tổng hợp khác. Tổng năng lượng chuyển thành chất hữu cơ được gọi là sức sản xuất sơ cấp (bậc 1) thơ, nĩ
rất khác biệt giữa các hệ thống. Thực vật chỉ lấy khoảng 15-70% năng lượng thơ cho sự duy trì quần xã, phần cịn lại là sức sản xuất sơ cấp tinh. Tổng năng lượng tinh cung cấp cho nhĩm sinh vật dị dưỡng gọi là sức sản xuất bậc 2. Sinh vật dị lượng lấy năng lượng từ thực vật gọi là nhĩm ăn thực vật (herbivores), lấy năng lượng từ động vật khác gọi là nhĩm dữ (canivores) và lấy năng lượng từ sinh vật chết, từ chất thải của sinh vật khác và từ detritus gọi là sinh vật hoại sinh (saprophytes,
saprozoites, detrivores).
Bảng 4.1: Hiệu quả sinh thái
Nguồn Cách xác định
Hiệu suất quang hợp Xác định nguồn ánh sáng phục vụ cho quá trình quang hợp chuyển từ CO2 thành chất hữu cơ
Hiệu suất khai thác Phần trăm sản phẫm ở một mức dinh dưỡng được tiêu hĩa bởi mức dinh dưỡng trên nĩ.
Hiệu suất đồng hĩa Phần trăm năng lượng được tiêu hĩa thật sự được cơ thể hấp thụ hơn là thải ra.
Hiệu suất tăng trưởng Phần trăm năng lượng được đồng hĩa dùng cho tăng trưởng hơn là hơ hấp hay sinh sản.
Hiệu suất sinh sản Phần trăm năng lượng được đồng hĩa dùng cho sinh sản hơn là hơ hấp hay tăng trưởng.
Hiệu suất sản xuất Phần trăm năng lượng được đồng hĩa dùng cho sản xuất hơn là hơ hấp.
Hiệu suất dinh dưỡng Hiệu suất năng lượng chuyển từ mức dinh dưỡng đến bực dinh dưỡng kế tiếp cao hơn.
Dịng năng lượng là dịng lưu chuyển của năng lượng xuyên suốt trong hệ thống từ nguồn bên ngồi thơng qua một chuổi sinh vật và trở về mơi trường, dịng lưu chuyển đĩ được biểu diễn qua hình 4.3. Trong từng giai đoạn chuyển hĩa của hệ thống, chỉ một phần nhỏ năng lượng được dùng để hình thành hệ mơ mới (tăng trưởng và sinh sản), phần lớn năng lượng cịn lại dùng cho hơ hấp và các hoạt động của cơ thể. Hiệu quả năng lượng là số năng lượng hữu ích, đĩ là một nhân tố quan trọng trong việc quản lý và bảo tồn bất cứ nguồn tài nguyên sinh học nào. Sự phát triển của phương thức canh tác nơng nghiệp thâm canh hiện đại
là cách đưa năng lượng vào hệ thống nhằm gia tăng năng suất, tuy nhiên hiệu quả năng lượng lại thấp hơn so với hệ thống canh tác kiểu cổ truyền. Phương thức phổ biến để đo hiệu quả năng lượng trong hệ sinh thái là hiệu quả bậc dinh dưỡng, là tỉ số năng suất giữa một bậc dinh dưỡng nào đĩ với bậc kế tiếp, tỉ số này khơng quá 10%, cĩ khi chỉ cịn 1-3%.