1. Khái niệm
Khái niệm hệ sinh thái ra đời vào cuối thế kỷ XIX, được gọi là “Sinh vật quần lạc”, “Sinh vật địa quần lạc”. Vào năm 1935, A.Tansley nêu ra khái niệm “Ecosystem” tức là “Hệ sinh thái”, sau đĩ khái niệm này được sử dụng phổ biến vì nĩ thể hiện được bản chất các hệ sinh thái tự nhiên và cả các hệ sinh thái nhân tạo.
Hệ sinh thái là một hệ thống hoàn chỉnh, tương đối ổn định, bao gồm quần xã sinh vật và khu vực sống của quần xã (sinh cảnh – ecotop hay biotop). Hệ sinh thái là một hệ thống sống với thành phần sống là tập hợp các sinh vật cĩ mối quan hệ chặt chẽ với nhau và cĩ những mối tương tác với thành phần khơng sống là mơi trường vật lí để tạo nên các chu trình sinh địa hĩa và làm cho năng lượng được biến đổi. Nhờ đĩ mà hệ sinh thái tồn tại và tiến hĩa.
Trong tự nhiên cĩ nhiều dạng hệ sinh thái, đĩ là hệ sinh thái tự nhiên. Ví dụ: hệ sinh thái rừng, đại dương…Trong quá trình phát triển, lồi Người đã tạo ra các hệ thống nhân tạo, đĩ là các hệ sinh thái nhân tạo, đĩ là các hệ sinh thái nơng nghiệp, hệ sinh thái đơ thị...
Sinh quyển (Biosphere) của Trái Đất là một hệ thống sống phức tạp, đặc trưng bởi số lượng loài sinh vật vơ cùng phong phú, đa dạng (hơn 1 triệu lồi động vật và hơn 3 trăm ngàn lồi thực vật đã đặt tên) tạo nên sự đa dạng sinh học, đĩ là kết quả của quá trình tiến hĩa lâu dài. Sinh quyển được gọi là một hệ sinh thái khổng lồ gồm các hệ sinh thái thành phần với các đặc trưng riêng.
2. Thành phần của hệ sinh thái
Một hệ sinh thái hoàn chỉnh gồm các thành phần chủ yếu sau: 1) Các chất vơ cơ, chất hữu cơ, thành phần khí hậu, thổ nhưỡng… 2) Sinh vật sản xuất – Producer - P, cịn gọi là sinh vật cung cấp. 3) Sinh vật tiêu thụ – Consumer – C (cấp 1, cấp 2…).
4) Sinh vật phân hủy – Decomposer - D (chủ yếu là nấm, vi khuẩn hoại sinh). Hang động, đáy biển sâu…là các dạng hệ sinh thái đặc biệt. Trong thành phần cấu trúc của nĩ khơng đầy đủ 4 thành phần nêu trên.
- Sinh vật sản xuất (Producer - P) là những sinh vật tự dưỡng (autotrophy), gồm các lồi thực vật cĩ màu xanh và một số nấm, vi khuẩn cĩ khả năng quang hợp hoặc hĩa tổng hợp. Chúng là thành phần khơng thể thiếu được trong bất kỳ hệ sinh thái hồn chỉnh nào. Nhờ hoạt động quang hợp và hĩa tổng hợp của chúng mà nguồn thức ăn ban đầu được tạo thành để nuơi sống, trước tiên chính những sinh vật sản xuất sau đĩ, nuơi sống cả thế giới sinh vật cịn lại, trong đĩ kể cả con người.
- Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C) là những sinh vật dị dưỡng (heterotrophy) bao gồm tất cả các lồi động vật và những vi sinh vật khơng cĩ khả năng quang hợp và hĩa tổng hợp, nĩi một cách khác, chúng tồn tại được là dựa vào nguồn thức ăn ban đầu do các sinh vật tự dưỡng tạo ra. Khi nĩi về năng suất hệ sinh thái thì động vật vừa là sinh vật tiêu thụ, vừa là sinh vật sản xuất: động vật ăn cỏ là sinh vật tiêu thụ khi
thehung060290@gmail.comchúng dùng cây xanh làm thức ăn, nhưng chúng lại là sinh vật sản xuất khi thịt; sữa chúng dùng cây xanh làm thức ăn, nhưng chúng lại là sinh vật sản xuất khi thịt; sữa của chúng được người và động vật ăn thịt sử dụng. Tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ của chúng, được chia ra:
+ Sinh vật tiêu thụ bậc 1 (C1): bao gồm những lồi động vật ăn thực vật.
+ Sinh vật tiêu thụ bậc 2 (C2): bao gồm sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 1 làm thức ăn.
+ Sinh vật tiêu thụ bậc 3 và bậc 4…(C3 và C4) cĩ thể là sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 2 làm thức ăn. Cũng cĩ thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc 1 hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn xác chết.
- Sinh vật phân hủy (Decomposer - D): là tất cả các vi sinh vật dị dưỡng, sống hoại sinh (saprophy). Trong quá trình phân hủy các chất, chúng tiếp nhận nguồn lượng hĩa học để tồn tại và phát triển, đồng thời giải phĩng các chất từ các hợp chất phức tạp ra mơi trường dưới dạng những khống chất đơn giản hoặc các nguyên tố hĩa học ban đầu tham gia vào chu trình (như CO2, O2, N2...). Từ bản chất là sinh vật dị dưỡng nên các vi sinh vật tham gia vào thành phần cấu trúc của hệ sinh thái cũng được xem là sinh vật tiêu thụ, cịn một số lồi động vật trong hệ sinh thái cũng được xem là sinh vật phân hủy. Khác với vi sinh vật, động vật tham gia vào quá trình phân hủy ở giai đoạn thơ, giai đoạn trung gian, cịn vi sinh vật phân hủy các chất ở giai đoạn cuối cùng, giai đoạn khống hĩa. Cho nên, trong điều kiện mơi trường xác định, một hệ cĩ sự hiện diện sinh vật sản xuất, yếu tố tham gia vào quá trình quang hợp, và cĩ sự hiện diện của sinh vật phân huỷ thì hệ thống đĩ là một hệ sinh thái. Tuy nhiên, người ta cho rằng, trong tự nhiên ngay ở ranh giới cuối cùng của nĩ cũng cĩ các lồi động vật.
Ngồi cấu trúc theo thành phần, hệ sinh thái cịn cĩ kiểu cấu trúc theo chức năng. Theo E.D.Odum (1983), cấu trúc của hệ sinh thái gồm các chức năng sau:
- Quá trình chuyển hĩa năng lượng của hệ. - Xích thức ăn trong hệ.
- Các chu trình sinh địa hĩa diễn ra trong hệ. - Sự phân hĩa trong khơng gian và theo thời gian. - Các quá trình phát triển và tiến hố của hệ. - Các quá trình tự điều chỉnh.
Một hệ sinh thái cân bằng là một hệ trong đĩ 4 quá trình đầu tiên đạt được trạng thái cân bằng động tương đối với nhau. Sự cân bằng của tự nhiên, nghĩa là mối quan hệ của quần xã sinh vật với mơi trường vật lý mà quần xã đĩ tồn tại được xác lập và ít thay đổi từ năm này đến năm khác, chính là kết quả cân bằng của 4 chức năng nêu trên trong các hệ sinh thái lớn.
Sự cân bằng cịn là kết quả của các quá trình điều chỉnh, được diễn đạt bằng ngơn ngữ phân tích hệ thống như chuỗi các “mối liên hệ ngược” trong phạm vi của dịng năng lượng, trong các xích thức ăn, các chu trình sinh địa hĩa và tính đa dạng của cấu trúc. Một hệ thống mới trong quá trình phát triển sẽ đạt đến trạng thái cân bằng ổn định, phải sau một thời gian dài tiến hố thích nghi, trong đĩ bao gồm sự phát triển tương hỗ của các thành phần cấu trúc.
3. Chức năng của hệ sinh thái
Các thành phần cấu trúc của hệ sinh thái tham gia thực hiện chức năng của hệ, mỗi thành phần thực hiện chức năng riêng trong mối quan hệ chặt chẽ với các thành phần khác, bảo đảm cho hệ sinh thái tồn tại, phát triển.
Hệ sinh thái là một hệ động lực hở và tự điều chỉnh, trao đổi vật chất và năng lượng với mơi trường ngoài. Hoạt động của hệ sinh thái tuân theo các quy luật của nhiệt động học (định luật 1 và định luật 2 nhiệt động học).
thehung060290@gmail.comHệ sinh thái tồn tại và phát triển trong một giới hạn sinh thái nhất định của Hệ sinh thái tồn tại và phát triển trong một giới hạn sinh thái nhất định của mình được tạo thành trong quá trình tiến hĩa để xác lập trạng thái cân bằng cho hệ thống, đây là sự khác biệt của hệ sinh thái với các hệ vật chất khác cĩ trong tự nhiên.
Nhiều quan điểm cho rằng, bản thân hệ sinh thái hoàn chỉnh và tồn vẹn như một cơ thể sống, mỗi hệ đều cĩ một giới hạn sinh thái xác định, trong giới hạn đĩ, khi chịu một tác động vừa phải từ bên ngồi, hệ sẽ phản ứng lại một cách thích nghi bằng cách sắp xếp lại các mối quan hệ trong nội bộ và tồn thể hệ thống phù hợp với mơi trường thơng qua những “mối liên hệ ngược” để duy trì sự ổn định của mình trong điều kiện mơi trường biến động. Trong sinh thái học người ta gọi đĩ là quá trình “nội cân bằng”. Những tác động quá lớn, vượt ra khỏi sức chịu đựng của hệ, hệ khơng thể tự điều chỉnh được và cuối cùng bị suy thối rồi bị hủy diệt.
Các hệ sinh thái được đặc trưng bởi đặc điểm cấu trúc và sự sắp xếp các chức năng hoạt động của mình một cách xác định. Cấu trúc của hệ phụ thuộc vào đặc tính phân bố trong khơng gian giữa các thành viên sống và khơng sống, vào đặc tính chung của mơi trường vật lý cũng như sự biến đổi của các gradient thuộc các điều kiện sống (như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ cao…) theo chiều thẳng đứng và theo chiều nằm ngang. Tổ chức các hoạt động chức năng của hệ được thiết lập phù hợp với các quá trình mà chúng đảm bảo cho vật chất được quay vịng và năng lượng được biến đổi.
Do hoạt động của hệ trước hết là của quần xã sinh vật, các nguyên tố hố học di chuyển khơng ngừng dưới dạng các chu trình để tạo nên các hợp chất hữu cơ từ các chất khống và nước, cịn năng lượng từ dạng nguyên khai (quang năng) được chuyển thành dạng năng lượng hĩa học (hố năng) chứa trong cơ thể thực, động vật thơng qua các quá trình quang hợp (ở thực vật) và đồng hĩa (ở động vật) rồi chuyển đổi thành nhiệt thơng qua quá trình hơ hấp của chúng. Chính vì lẽ đĩ, bất kỳ một hệ thống nào của động, thực vật và vi sinh vật với các điều kiện thiết yếu của mơi trường vật lý, dù rất đơn giản, như một phần tử phế liệu (Detritus) chẳng hạn, mà trong đĩ hồn thành một chu trình sinh học hồn chỉnh thì đều được xem là một hệ sinh thái thực thụ.
Trên cơ sở đĩ các nhà khoa học xác định chức năng cơ bản của hệ sinh thái là trao đổi vật chất và năng lượng trong nội bộ quần xã (thơng qua chuỗi, lưới thức ăn) và giữa quần xã với mơi trường vơ cơ (sinh vật hấp thu vật chất và năng lượng từ mơi trường ngồi, phân giải xác sinh vật từ chất hữu cơ thành vơ cơ) nhằm duy trì sự tồn tại và phát triển của hệ trong khơng gian và thời gian (hình 6.1).
Từ các hệ khác đi vào Đi ra các hệ khác
Thời gian
Hình 6.1. Mơ hình của một hệ sinh thái
Khơng gian vật lý
(giá thể và mơi trường)
SVSX
SVTT SVPH
NGUỒN DINH DƯỠNG
Quần xã sinh vật Năng lượng mặt trời Thốt nhiệt vào khí quyển
thehung060290@gmail.comMơ hình này phản ánh cả khơng gian và thời gian của hệ. Đĩ là một hệ mở, Mơ hình này phản ánh cả khơng gian và thời gian của hệ. Đĩ là một hệ mở, nhưng tự điều chỉnh, cĩ quan hệ với hệ thống khác. Vật chất trong hệ chuyển động theo chu trình, cịn năng lượng biến đổi qua các kênh rồi biến mất đi dưới dạng nhiệt.
(Phỏng theo Kormondy, 1974).
Phân tích mơ hình cho thấy: hệ sinh thái được cấu thành bởi quần xã và sinh cảnh – tức là thành phần sống (biotic) và thành phần khơng sống (abiotic), tất cả đều được tạo nên bởi các nguyên tố hĩa học khác nhau, sự trao đổi giữa 2 thành phần của hệ sinh thái diễn ra liên tục trong khơng gian và thời gian. Điều này thể hiện quy luật bất di, bất dịch – vật chất vận động khơng ngừng.
4. Ví dụ về hệ sinh thái
Như trên đã đề cập, các hệ sinh thái gồm những hệ tự nhiên và nhân tạo.
4.1. Các hệ sinh thái tự nhiên
Sinh quyển là một hệ sinh thái khổng lồ và duy nhất của hành tinh. Nĩ được cấu tạo bởi tổ hợp các hệ sinh thái dưới đất, trên mặt đất và dưới nước. Chúng cĩ quan hệ và gắn bĩ với nhau một cách mật thiết bằng chu trình vật chất và dịng năng lượng ở phạm vi toàn cầu. Do vậy, ta cĩ thể tách hệ thống lớn nêu trên thành những hệ độc lập tương đối, mặc dù trên một dãy liên tục của tự nhiên, ranh giới của phần lớn các hệ khơng thật rõ ràng. Dưới đây, chúng ta sẽ quan sát một vài hệ sinh thái điển hình như là những ví dụ.
4.1.1. Rừng quốc gia Cúc Phương
Rừng Cúc Phương là một bộ phận rất nhỏ của khu sinh học rừng mưa nhiệt đới, ở độ cao trung bình 300 - 400m so với mực nước biển trong đai khí hậu nhiệt đới giĩ mùa Đơng nam châu Á. Những nét nổi bật của hệ sinh thái rừng quốc gia Cúc Phương được biểu hiện như sau:
Thành phần sinh giới rất đa dạng, gồm 1944 loài thuộc 908 chi của 229 họ thực vật; 71 loài và phân lồi thú, trên 320 lồi và phân lồi chim, 33 lồi bị sát, 16 lồi ếch nhái, hàng ngàn lồi chân khớp và những lồi động vật khơng xương sống khác, sống ở các sinh cảnh khác nhau. Trong chúng, nhiều loài cịn sĩt lại từ kỷ thứ Ba như cây Kim giao (Podocarpus fleuryi), những loài cĩ ý nghĩa trong nghiên cứu tiến hĩa như dương xỉ thân gỗ (Cyathea podophylla) và C. contaminans); nhiều lồi động vật đặc hữu (Endemic) như gấu ngựa (Selenarctos thibetanus), vượn đen (Hylobates concolor), vọc quần đùi trắng (Trachipethecus francoisi delacouri), cá niếc hang (Silurus cucphuongensis).
Thảm rừng gồm nhiều tầng, tầng vượt tán với cây cao 15 - 30 m hay 40 - 50m, điển hình là chị chỉ (Parashorea chinensis), gội nếp (Aglaia gigantea), vù hương (Ciannamomum balansae), lát hoa (Chukrasia tabularis), mun (Diospyros mun)…
Những hiện tượng sinh thái tiêu biểu của rừng mưa nhiệt đới thể hiện rất rõ ở đây như sự đa dạng của cây leo thân gỗ (20 loài), nhiều cây sống phụ sinh, khí sinh (các lồi cây thuộc họ Lan (Orchidaceae), nhiều cây “bĩp cổ” thuộc chi Đa (Ficus), chi Chân chim (Schefflera)…, nhiều cây ký sinh thuộc họ Tầm gửi (Loranthaceae), nhiều cây cĩ rễ bạnh lớn như sấu cổ thụ (Dracontomelum duperreanum)...Do cây sống chen chúc, đan xen nhau nên cĩ nhiều lồi động vật sống trên tán cây (khỉ, voọc, sĩc bay, cầy bay)...Thân cây, hốc cây cịn là nơi sinh sống của các loài cơn trùng, ếch nhái, bị sát...Thảm rừng lá mục chứa đựng nhiều đại diện của động vật khơng xương sống, nấm mốc v.v…
Rừng Cúc Phương đang tồn tại ở trạng thái cân bằng ổn định, do đĩ, cấu trúc về thành phần loài, sự phân hĩa trong khơng gian, cũng như cấu trúc về các mối quan hệ sinh học và những hoạt động chức năng rất đa dạng và phức tạp…
thehung060290@gmail.com
4.1.2. Hồ tự nhiên
Là một ví dụ điển hình cho các hệ sinh thái ở nước: cũng như các hệ sinh thái trên cạn, hồ nhận nguồn vật chất từ bên ngồi do sự bào mịn từ mặt đất sau các trận mưa...và năng lượng từ bức xạ Mặt Trời. Khí dioxyt cacbon (CO2), muối khống và nước là nguyên liệu thiết yếu cho các loài thực vật ở nước hấp thụ để tạo nên nguồn thức ăn sơ cấp là tinh bột thơng qua quá trình quang hợp. Những lồi động vật thủy sinh, chủ yếu là giáp xác thấp (Cladocera, Copepoda)...sử dụng thực vật sống trơi nổi (thực vật phù du: Phytoplankton), cá trắm cỏ...ăn cỏ nước để tạo nên nguồn thức ăn động vật đầu tiên cho các sinh vật ăn thịt khác và người.
Tất cả nhũng chất bài tiết, chất trao đổi và xác sinh vật bị phân hủy bởi vơ số các vi sinh vật yếm khí hay kỵ khí đến giai đoạn khống hĩa cuối cùng, một phần cĩ thể lắng xuống đáy, cịn phần lớn lại tham gia vào quá trình tổng hợp các chất bởi các lồi sinh vật trong hồ. Như vậy, vật chất được quay vịng và năng lượng được biến đổi qua các bậc dinh dưỡng của hồ.
Biển, đại dương là những hệ sinh thái khổng lồ. Trong thiên nhiên ta cịn gặp những hệ sinh thái cực bé (Microecosystem) như trường hợp các detrit trong nước.
4.2. Các hệ sinh thái nhân tạo
Các hệ sinh thái nhân tạo tức là những hệ sinh thái do con người tạo ra. Chúng cũng rất đa dạng về kích cỡ, về cấu trúc…, lớn như các hồ chứa, đồng ruộng, nương rẫy canh tác, các thành phố, đơ thị...và nhỏ như những hệ sinh thái thực nghiệm (một bể cá cảnh, một hệ sinh thái trong ống nghiệm...). Nhiều hệ cĩ cấu trúc đa dạng như thành phố, hồ chứa...song cũng cĩ những hệ cĩ cấu trúc đơn giản, trong đĩ, quần xã sinh vật với lồi ưu thế được con người lựa chọn cho mục đích sử dụng của mình, chẳng hạn như đồng ruộng, nương rẫy…Những hệ như thế thường khơng ổn định. Sự