1. Khái niệm chung
Thành phần sống của hệ sinh thái (quần xã) muốn tồn tại và phát triển cần phải lấy năng lượng và chuyển hĩa năng lượng. Năng lượng trong hệ sinh thái cĩ nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (quang năng).
Năng lượng được biến đổi từ dạng quang năng thành hĩa năng ở bậc sinh vật sản xuất, rồi chuyển thành hĩa năng của các bậc dinh dưỡng tiếp theo (năng lượng chứa trong các liên kết hĩa học của các phân tử hữu cơ). Năng lượng được dùng cho mọi hoạt động sống (chuyển hĩa cơ bản, duy trì cơ thể, sinh trưởng, sinh sản, dự trữ). Cuối cùng năng lượng hĩa học được chuyển thành năng lượng nhiệt thốt ra khỏi hệ sinh thái và khơng được tái sử dụng, đây chính là sự khác biệt cơ bản của quá trình chuyển hĩa năng lượng với chuyển hĩa vật chất.
Sự chuyển hĩa năng lượng (dịng năng lượng) xảy ra đồng thời với sự chuyển hĩa vật chất qua các thành phần của các bậc dinh dưỡng. Khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp qua bậc dinh dưỡng cao hơn thì dịng năng lượng bị hao hụt dần (do hơ hấp, bài tiết, tỏa nhiệt…) theo quy luật giáng cấp (đây chính là quy luật giáng cấp của
dịng năng lượng trong một hệ thống).
2. Năng suất sinh học và năng lượng sinh học trong hệ sinh thái2.1. Năng suất sinh học của hệ sinh thái 2.1. Năng suất sinh học của hệ sinh thái
Mặt trời Sinh vật sản xuất Sinh vật tiêu thụ
phân hủy Dịng năng lượng bức xạ Năng lượng hĩa học Nhiệt năng Cơ năng
thehung060290@gmail.comLà khả năng sản sinh ra chất sống của quần xã làm tăng khối lượng sinh vật Là khả năng sản sinh ra chất sống của quần xã làm tăng khối lượng sinh vật trong hệ sinh thái. Năng suất sinh học của hệ sinh thái phụ thuộc vào 3 quá trình vận động cơ bản của vật chất, đĩ là: tạo thành, tích tụ và phân hủy. Ba quá trình này cĩ quan hệ chặt chẽ, đặc tính của mối quan hệ đĩ quyết định khả năng sản sinh chất sống của quần xã, từ đĩ quyết định chiều hướng phát triển của hệ sinh thái. Để đánh giá năng suất sinh học của hệ sinh thái cần nắm một số khái niệm sau:
2.1.1. Sản lượng sinh vật toàn phần (PB hay A): là lượng chất sống (hay số năng lượng) do một bậc dinh dưỡng sản sinh ra trong một khoảng thời gian, trên một năng lượng) do một bậc dinh dưỡng sản sinh ra trong một khoảng thời gian, trên một đơn vị diện tích (hay thể tích) nhất định.
2.1.2. Sản lượng sinh vật thực tế (PN hay PS): là sản lượng sinh vật toàn phần trừ đi phần chất sống (hay số năng lượng) đã bị tiêu hao trong quá trình hơ hấp phần trừ đi phần chất sống (hay số năng lượng) đã bị tiêu hao trong quá trình hơ hấp (R). đĩ là phần chất hữu cơ được tích lũy để làm tăng khối lượng sinh vật.
2.1.3. Sản lượng sinh vật ban đầu hay sơ cấp: cĩ thể là PB hay PN (đối với bậc sinh vật sản suất). bậc sinh vật sản suất).
2.1.4. Sản lượng sinh vật thứ sinh: cĩ thể là A hay PS (đối với bậc sinh vật tiêu thụ). tiêu thụ).
2.1.5. Sản lượng sinh vật riêng (P/B): dùng để chỉ cường độ sản xuất chất hữu cơ (cịn gọi là vận tốc đổi mới của sinh vật lượng). Đĩ là sự tăng trưởng sinh khối sau cơ (cịn gọi là vận tốc đổi mới của sinh vật lượng). Đĩ là sự tăng trưởng sinh khối sau một khoảng thời gian của một đơn vị sinh khối trung bình được tính trong khoảng thời gian đĩ. P là sản lượng sinh vật toàn phần hay thực tế; B là sinh vật lượng.
2.2. Năng lượng sinh học của hệ sinh thái
Là giá trị quang năng được chuyển hĩa và tích tụ trong chất sống ở các bậc dinh dưỡng của quần xã.
Nghiên cứu sự chuyển hĩa năng lượng trong hệ sinh thái cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá, so sánh các bậc dinh dưỡng, các quần thể, quần xã, các hệ sinh thái khác nhau với nhau (đơn vị dùng trong sự so sánh là calo…).
3. Diễn đạt sự chuyển hĩa năng lượng (cịn được gọi là dịng năng lượng) Mơ tả quá trình thơng qua mơ hình chuỗi thức ăn gồm 3 bậc dinh dưỡng: Mơ tả quá trình thơng qua mơ hình chuỗi thức ăn gồm 3 bậc dinh dưỡng: Sinh vật sản xuất Sinh vật tiêu thụ bậc 1 Sinh vật tiêu thụ bậc 2
3.1. Sự chuyển hĩa năng lượng ở bậc sinh vật sản xuất
Sinh vật sản xuất bao gồm các sinh vật tự dưỡng của hệ sinh thái (chủ yếu là thực vật), chúng tiếp nhận năng lượng ánh sáng mặt trời (quang hợp):
LT = LA + NU1
LT là năng lượng bức xạ tổng cộng; LA là phần năng lượng cây xanh hấp thụ; NU1 là phần năng lượng cây xanh khơng sử dụng.
LA = PB + CH
PB là sản lượng sinh vật toàn phần ban đầu (sơ cấp), cịn gọi là năng suất sơ cấp thơ - PG - Gross primary productivity (sức sản xuất sơ cấp thơ); CH là phần năng lượng mất đi ở dạng nhiệt.
PB = PN + R1
PN là sản lượng sinh vật thực tế ban đầu (sơ cấp), cịn gọi là năng suất sơ cấp nguyên - PN – Net primary productivity (sức sản xuất sơ cấp nguyên); R1 là năng lượng mất do hơ hấp thực vật.
3.2. Sự chuyển hĩa năng lượngở bậc sinh vật tiêu thụ bậc 1
Sinh vật tiêu thụ bậc 1 bao gồm các động vật sử dụng bậc sản xuất làm thức ăn để tích lũy sinh khối và tích lũy năng lượng:
thehung060290@gmail.comI1 là phần năng lượng mà động vật lấy được từ thực vật; NU2 là phần năng I1 là phần năng lượng mà động vật lấy được từ thực vật; NU2 là phần năng lượng của PN khơng được động vật sử dụng tồn tại trong thực vật của hệ sinh thái.
I1 = A1 + NA1
A1 là phần năng lượng của I1 mà động vật thực sự đồng hĩa được để tạo nên sản lượng toàn phần thứ sinh; NA1 là phần năng lượng của I1 mất đi do bài tiết.
A1 = PS1 + R2
PS1 là phần năng lượng của A1 mà động vật tích lũy được để tao thành sản lượng thực tế thứ sinh; R2 là phần năng lượng mất đi do hơ hấp của động vật.
3.3. Sự chuyển hĩa năng lượng ở bậc sinh vật tiêu thụ bậc 2 Diễn giải tương tự như trên (cho cả những bậc sau):
PS1 = I2 + NU3 I2 = A2 + NA2 A2 = PS2 + R3
Hình 6.9 minh họa các mức năng lượng qua một hệ sinh thái mà bức xạ mặt trời chuyển đổi thành hĩa năng ở cây xanh, tính trong trường hợp bình quân 0,5% (hiệu quả bức xạ mặt trời chuyển thành hĩa năng của hệ sinh thái).
Hình 6.9 cho thấy, từ 14.400 Kcal bức xạ mặt trời cung cấp cho hệ sinh thái, qua các phân đoạn của chuỗi thức ăn, cuối cùng đến động vật ăn thịt chỉ cịn tích lũy được 0,15 Kcal (xấp xỉ 0,0001 năng lượng bức xạ ban đầu). Như vậy, năng lượng được biến đổi và vận chuyển theo dịng qua chuỗi thức ăn rồi thốt ra khỏi hệ dưới dạng nhiệt (năng lượng chỉ được sử dụng 1 lần trong khi vật chất được sử dụng lặp lại). Do vậy, hệ sinh thái thường xuyên phải được bổ sung năng lượng từ mặt trời để tồn tại.
Hình 6.9. Sơ đồ dịng năng lượng đi qua hệ sinh thái (Kcal/m2/ngày)
(Lê Văn Khoa, 2002)
6.4. Các loại hiệu suất sinh thái
Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ chuyển hĩa năng lượng (tính theo %) giữa các bậc dinh dưỡng.
Năng lượng nạp
vào (ENV)
Năng lượng mặt trời
14.400 Kcal 72 36 3,6 1,8 0,3 0,15 72 36 3,6 1,8 0,3 0,15 Nhiệt Phân hủy bảo dưỡng 0,09 = Năng lượng
hữu hiệu (EHH)
Sản xuất của cây xanh
ENV EHH
ENV EHH
Sản xuất của đ/v ăn cỏ
Sản xuất của đ/v ăn thịt
Nhiệt
Nhiệt
0,18
thehung060290@gmail.com
6.4.1. Hiệu suất quang hợp:
LTPN PN
hay
LTPB PB
Hiệu suất quang hợp rất thấp, chỉ khoảng 0,1 – 0,5%
6.4.2. Hiệu suất sinh thái ở bậc tiêu dùng cấp 1:
LTA1 A1
hay
PNPS1 PS1
6.4.3. Hiệu suất sinh thái ở bậc tiêu dùng cấp 2:
12 2 A A hay 1 2 PS PS
Tương tự, xác định được hiệu suất sinh thái của các bậc dinh dưỡng tiếp theo. Ví dụ:
Một hệ sinh thái nhận được năng lượng Mặt Trời là 106 Kcal/m2/ngày, chỉ cĩ 2,5% số năng lượng đĩ được dùng trong quang hợp. Sản lượng PB ở vật cung cấp là 2,5 x 104 Kcal. Số năng lượng mất đi do hơ hấp (R1) là 90%, nên sản lượng PN ở vật cung cấp là 2,5 x 103 Kcal. Vật tiêu thụ cấp 1 sử dụng được 1% ứng với A1 = 25 Kcal; vật tiêu thụ cấp 2, A2/A1 = 10% ứng với A2 = 2,5 kcal; ở vật tiêu thụ cấp 3, A3/A2 = 10 – 20% ứng với A3 = 0,25 – 0,50 Kcal.
Qua ví dụ thấy được sự tiêu phí năng lượng qua mỗi bậc dinh dưỡng trong là rất lớn và số năng lượng được sử dụng ở mỗi bậc dinh dưỡng là rất nhỏ. Điều này giải thích vì sao trong tự nhiên các chuỗi thức ăn thường cĩ ít bậc dinh dưỡng.
6.4.4. Hiệu suất khai thác
PNA1 A1
(đối với đ/v ăn t/v) và 2 2
PS A
(đối với đ/v ăn thịt cấp 1)…
Hiệu suất khai thác biểu thị khả năng sử dụng nguồn thức ăn trong mơi trường
của động vật, qua đĩ thấy được tỉ lệ năng lượng do khơng sử dụng hết nguồn thức ăn sẵn cĩ trong mơi trường.
6.4.5. Hiệu suất đồng hĩa
IA A
Biểu thị khả năng đồng hĩa năng lượng tiềm tàng trong thức ăn ở một bậc dinh dưỡng nào đĩ. Qua đĩ thấy được tỉ lệ năng lượng mất do bài tiết.
- Đối với động vật biến nhiệt ăn thực vật: 39%
IA A
- Đối với động vật biến nhiệt ăn động vật: 77%
IA A
- Đối với sinh vật phân hủy: 38%
IA A
- Đối với động vật đẳng nhiệt ăn thực vật: 65%
IA A
- Đối với động vật đẳng nhiệt ăn động vật: 88%
IA A
6.4.6. Hiệu suất tăng trưởng mơ
APS PS
Biểu thị khả năng sử dụng năng lượng để xây dựng mơ từ năng lượng mà động vật đồng hĩa được ở một bậc dinh dưỡng nào đĩ. Qua đĩ thấy được phần tỉ lệ năng lượng mất do hơ hấp.
thehung060290@gmail.com
Bảng 6.1. Các số liệu về hiệu suất tăng trưởng mơ ở một số nhĩm động vật
(Trần Kiên, Phan Nguyên Hồng dẫn theo Humphreys, 1979)
Đối tượng động vật PS/A (%) Đối tượng động vật PS/A (%)
Động vật biến nhiệt T.Bình: 29 Động vật đẳng nhiệt T.Bình: 2,6
Sâu bọ xã hội 9,2 Thú ăn sâu bọ 0,9
Sâu bọ khác 40,7 Thú nhỏ 1,5
Những động vật
khơng xương sống khác
25,0 Những thú khác 3,1
Chim 1,3
6.4.7. Hiệu suất tăng trưởng chung
IPS PS
Biểu thị khả năng sử dụng năng lượng tiềm tàng cĩ trong thức ăn để tăng trưởng. Qua đĩ thấy được tỉ lệ năng lượng mất do bài tiết và hơ hấp.
Ví dụ: đối với lợn: PS/I = 9% ; sâu ăn lá Hyphantria: PS/I = 17% . Ở động vật biến nhiệt PS/I cao hơn động vật đẳng nhiệt.
5. Một số nhận xét về hiệu suất sinh thái
1) Trong quá trình chuyển hĩa năng lượng qua các bậc dinh dưỡng từ thấp lên cao cĩ sự phát tán và mất mát năng lượng rất lớn, do đĩ hiệu suất sinh thái càng về sau càng nhỏ.
2) Ở các lồi động vật đẳng nhiệt (chim và thú) phải tiêu tốn năng lượng để duy trì thân nhiệt, vì vậy cĩ sản lượng thấp hơn động vật biến nhiệt (so sánh ở mức tương đồng về khối lượng cơ thể, khối lượng thức ăn, cùng thời gian). Ví dụ: cá nuơi tăng sản tăng trọng > 2,0 – 2,5 lần so với bị và cừu; > 1,5 lần so với thỏ và chim nuơi.
3) Hiệu suất quang hợp nĩi chung của các hệ sinh thái rất thấp, để tăng năng suất sinh khối của các bậc dinh dưỡng trong các hệ sinh thái nhân tạo thì điều quan trọng là tạo thảm thực vật cĩ hiệu suất quang hợp cao và chọn đối tượng động vật hợp lí đưa vào cơ cấu các bậc dinh dưỡng. Đây chính là ứng dụng quan trọng hiểu biết quy luật hiệu suất sinh thái trong thực tiễn sản xuất và bảo vệ thiên nhiên.
VII. CÁC KHUYNH HƯỚNG CHÍNH TRONG SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ SINH THÁI (rút gọn):