Hệ sinh thái

1. Khái niệm hệ sinh thái

- Hệ sinh thái là một hệ thống hoàn chỉnh tương đối ổn định bao gồm quần xã sinh vật và khu vực sống (sinh cảnh) của quần xã, trong đó các sinh vật tác động qua lại với nhau và với các thành phần của sinh cảnh tạo nên các chu trình sinh địa hóa.

- Có 2 kiểu hệ sinh thái chủ yếu:

+ Hệ sinh thái tự nhiên (trên cạn, dưới nước)
+ Hệ sinh thái nhân tạo (trên cạn, dưới nước).

2. Các thành phần cấu trúc của hệ sinh thái

Mỗi hệ sinh thái gồm có 2 thành phần là:

- Thành phần hữu sinh (quần xã): Là các sinh vật bao gồm

+ Sịnh vật sản xuất: là sinh vật có khả năng tổng hợp và hóa tổng hợp, tạo nên nguồn thức ăn tự nuôi mình và nuôi sinh vật dị dưỡng.

+ Sinh vật tiêu thụ: gồm động vật ăn thực vật và động vật ăn thịt.

+ Sinh vật phân giải: là những loài sinh vật sống dựa vào phân giải chất hữu cơ có sẵn thành các chất vô cơ để trả lại môi trường. Gồm có vi khuẩn hoại sinh, nấm và một số động vật không xương sống ăn mùn hữu cơ.

- Thành phần vô sinh: là sinh cảnh bao quanh sinh vật trong quần xã bao gồm:

+ Các chất vô cơ: nước, ôxi, nitơ,…

+ Các chất hữu cơ: prôtêin, cacbohidrat, lipit,…

+ Các yếu tố khi hậu: ánh sáng, nhiệt độ gió, độ ẩm,...

3. Chức năng của hệ sinh thái

- Thực hiện chu trình sinh học đầy đủ: vật chất đi vào hệ, qua biến đổi chúng lại được trả lại môi trường.

- Năng lượng đị vào hệ được thoát ra dưới dạng nhiệt.

- Hệ sinh thái là một hệ thống tương đối hoàn chỉnh, thường xuyên trao đổi vật chất, năng lượng và có khả năng tự điều chỉnh, đảm bảo ổn định lâu dài theo thời gian.

4. Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái

a. Trao đổi vật chất trong quần xã

* Chuỗi thức ăn:

- Là một dãy gồm nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau, mỗi loài như là một mắt xích vừa ăn mắt xích phía trước nó vừa bị mắt xích phía sau nó ăn.

- Trong quân xã sinh vật có hai loại chuỗi thức ăn:

+ Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật tự dưỡng. Ví dụ: Cỏ → Châu chấu → Ếch → Rắn

+ Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ. Ví dụ: Giun đất (ăn mùn) → Gà → Cáo.

- Các thành phần của chuỗi thức ăn:

+ Sinh vật sản xuất

+ Sinh vật tiêu thụ: SVTT1, SVTT2 , SVTT3, SVTT4, ...

+ Sinh vật phân giải

- Ý nghĩa của nghiên cứu chuỗi thức ăn: biết một loài nào đó trong quần xã, qua chuỗi thức ăn ta có thể dự đoán sự có mặt của một số loài khác giúp cho việc khai thác nguồn tài nguyên hợp lí.

* Lưới thức ăn

- Là tập hợp của nhiều chuỗi thức ăn có những mắt xích chung liên kết lại với nhau.

- Mỗi hệ sinh thái có một lưới thức ăn. Lưới thức ăn này thay đổi theo mùa và thay đổi khi cấu trúc của quần xã bị thay đổi.

- Lưới thức ăn càng phức tạp thì tình ổn định của quần xã càng cao.

- Ví dụ:

Các mắt xích chung là: cáo, mèo rừng, hổ.

* Bậc dinh dưỡng

- Bậc dinh dưỡng là những loài cùng mức năng lượng và sử dụng thức ăn cùng mức năng lượng trong lưới thức ăn (hoặc chuỗi thức ăn).

- Trong 1 chuỗi thức ăn, mỗi bậc dinh dưỡng chỉ có 1 loài. Trong lưới thức ăn, mỗi bậc dinh dưỡng có nhiều loài.

b. Trao đổi vật chất giữa quần xã với môi trường

* Chu trình tuần hoàn vật chất (chu trình sinh địa hóa).

- Là chu trình trao đổi vật chất trong tự nhiên. Một chu trình sinh địa hóa gồm có các thành phần: tổng hợp các chất, tuần hoàn chất trong tự nhiên, phân giải và lắng đọng một phần vật chất (trong nước, đất,..)

- Trong mỗi hệ sinh thái, chất dinh dưỡng trong môi trường được đi vào sinh vật sản xuất (do thực vật hấp thụ) → vào sinh vật tiêu thụ → sinh vật phân giải và trở lại môi trường được gọi là chu trình sinh địa hóa. Gồm chu trình chất khí (nguồn dự trữ có trong khí quyển), chu trình chất lắng đọng (nguồn dự trữ ở trong võ trái đất).

- Chu trình sinh địa hóa duy trì cân bằng vật chất trong sinh quyển. Một chu trình sinh địa hóa gồm 3 phần (tổng hợp các chất, tuần hoàn chất trong tự nhiên, phân giải và lắng đọng một phần vật chất).

* Dong năng lượng trong hệ sinh thái

- Mặt trời cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất. Năng lượng mặt trời cung cấp cho sinh vật sản xuất để sinh vật sản xuất quang hợp và tổng hợp nên chất hữu cơ cấu tạo nên sinh vật sản xuất. Sinh vật tiêu thụ sử dụng sinh vật sản xuất làm nguồn thức ăn nên năng lượng tích lũy trong sinh vật sản xuất cung cấp cho sinh vật tiêu thụ các cấp, sau đó cung cấp cho sinh vật phân giải.

- Qua mỗi bậc dinh dưỡng năng lượng bị thất thoát khoảng 90% (do sinh vật hô hấp, bài tiết, do hiệu suất tiêu hóa), chỉ 10% năng lượng được truyền lên bậc dinh dưỡng cao hơn.

5. Tháp sinh thái

a. Khái niệm tháp sinh thái

Bao gồm nhiều hình chữ nhật xếp chồng lên nhau, các hình chữ nhật có chiều cao bằng nhau, còn chiều dại biểu thị độ lớn của mỗi bậc dinh dưỡng. Tháp sinh thái cho biết mức độ dinh dưỡng ở từng bậc và toàn bộ quần xã.

b. Các loại tháp sinh thái

Có 3 loại tháp sinh thái:

- Tháp số lượng: xây dựng dựa trên số lượng cá thể ở mỗi bậc dinh dưỡng.

- Tháp sinh khối: xây dựng dựa trên khối lượng tổng số của tất cả các sinh vật trên một đơn vị diện tích hay thể tích ở mỗi bậc dinh dưỡng.

- Tháp năng lượng: xây dựng dựa trên số năng lượng được tích lũy trên một đơn vị diện tích hay thể tích trong một đơn vị thời gian ở mỗi bậc dinh dưỡng.

c. Hiệu suất sinh thái

- Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyền hóa năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng. Trong tự nhiên, hiệu suất sinh thái của mỗi bậc dinh dưỡng chỉ thường khoảng 10%.

- Hiêu suất quang hợp: còn gọi là sản lượng sinh vật sơ cấp, là tỉ lệ phần trăn năng lượng Mặt trời được dùng để tổng hợp chất hữu cơ tính trên tổng số năng lượng Mặt trời chiếu xuống hệ sinh thái.

- Hiệu suất khai thác: Tỉ lệ phần trăm năng lượng chứa trong chất hữu cơ được sử dụng từ một loài so với loài có mắt xích phía trước.

- Năng lượng toàn phần: nguồn năng lượng chứa trong cơ thể các sinh vật của một loài nào đó trong hệ sinh thái.

- Năng lượng thức tế: Tỉ lệ % năng lượng của một loài trong chuỗi chuyển sang bậc dinh dưỡng kế tiếp. Nói khác đi năng lượng thực tế của một bậc dinh dưỡng cũng là năng lượng toàn phần của bậc dinh dưỡng kế tiếp. Q toàn phần = Q SV thực + Q mất đi do hô hấp, bài tiểt

- Cách tính hiêu suất sinh thái:
$HSST = \frac{Q_n}{Q_{n-1}}.100\%$

Trong đó:

+ HSST là hiệu suất sinh thái

+ Qn là năng lượng tích lũy ở bậc n.

+ Qn-1 là năng lượng tích lũy của bậc n-1 (cung cấp cho bậc n).

d. Sản lượng sinh vật trong hệ sinh thái:

- Năng lượng sinh vật sơ cấp: là năng lượng do sinh vật sản xuất tạo ra từ quá trình quang hợp, được tính bằng sinh khối hoặc năng lượng tương đương.

- Năng lượng sinh vật thứ cấp: là khối lượng hoặc năng lượng tương đương do sinh vật tiêu thụ tạo ra.

6. Hỏi đáp về hệ sinh thái

Câu 1: Vì sao chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái có giới hạn và thường không nhiều hơn 6 mắt xích?

Câu 2: Giải thích tại sao hệ sinh thái có lưới thức ăn càng phức tạp thì càng ổn định?

Câu 3: Các khu sinh học (Biôm) sau:

(1) Đồng rêu hàn đới

(2) Rừng mưa nhiệt đới

(3) Rừng rụng lá ôn đới (rừng lá rộng rụng theo mùa)

Hãy sắp xếp theo thứ tự giảm dần độ đa dạng sinh học?

7. Bài tập về hệ sinh thái

Bài 1: Cho chuỗi thức ăn trong một hệ sinh thái như sau:

Tảo đơn bào → động vật phù du → giáp xác → cá → chim → người.

a. Xác định bậc dinh dưỡng của các mắt xích trong chuỗi.

b. Mắt xích nào trong chuỗi là sinh vật tiêu thụ cấp 2?

c. Mắt xích nào trong chuỗi là động vật ăn thịt cấp 3?

Bài 2: Trong một chuỗi thức ăn của một hệ sinh thái gồm có:

Cỏ → châu chấu → cá rô

Nếu tổng năng lượng của cỏ là 7,6.108kcal; tổng năng lượng của châu chấu là 1,4.107kcal; tổng năng lượng của cá rô là 0,9.106kcal. Hãy xác định hiệu suất của cá rô và châu chấu?

Bài 3: Ở một vùng biển, năng lượng bức xạ chiếu xuống mặt nước đạt 3 triệu kcal/m2/ngày. Tảo silic chỉ đồng hóa được 0,3% tổng năng lượng đó, giáp xác khai thác được 40% năng lượng tích lũy trong tảo, cá ăn giáp xác khai thác được 0,15% năng lượng của giáp xác.

a. Số năng lượng tích tụ trong tảo là bao nhiêu?

b. Số năng lượng tích tụ trong giáp xác là bao nhiêu?

c. Số năng lượng tích tụ trong cá là bao nhiêu?

d. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng ở mỗi bậc dinh dưỡng là bao nhiêu?

e. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của cá so với tổng năng lượng bức xạ là bao nhiêu?

f. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của cá so với tảo là bao nhiêu?