Chương 1

I. Khái niệm và chức năng của môi trường

1. Khái niệm

Có nhiều khái niệm về môi trường đã được đưa ra như sau:

- Môi trường bao gồm các vật chất hữu cơ và vô cơ quanh sinh vật. Theo định nghĩa này thì không thể xác định được môi trường một cách cụ thể, vì mỗi cá thể, mỗi loài, mỗi chi vẫn có một môi trường và một quần thể, một quần xã lại có một môi trường rộng lớn hơn.

- Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và yếu tố vật chất nhân tạo có quan hệ mật thiết với nhau, bao quanh con người, có ảnh hưởng tới đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và thiên nhiên (Điều 1, Luật Bảo Vệ Môi Trường của Việt Nam, 1993)

- Về khía cạnh sinh thái học, theo Vũ Trung Tạng (2000) thì môi trường là một phần của ngoại cảnh, bao gồm các hiện tượng và các thực thể của tự nhiên...mà ở đó, cá thể, quần thể, loài...có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các phản ứng thích nghi của mình. Từ định nghĩa này ta có thể phân biệt được đâu là môi trường của loài này mà không phải là môi trường của loài khác. Chẳng hạn như mặt biển là môi trường của sinh vật màng nước (Pleiston và Neiston), song không phải là môi trường của những loài sống ở đáy sâu hàng ngàn mét và ngược lại.

Môi trường tự nhiên được cấu trúc gồm 4 thành phần cơ bản như sau :

- Thạch quyển (Lithosphere): bao gồm lớp vỏ trái đất có độ dày 60 - 70km trên phần lục địa và từ 2-8km dưới đáy đại dương và trên đó có các quần xã sinh vật.

- Thủy quyển (Hydrosphere): là phần nước của trái đất bao gồm nước đại dương, sông, hồ, suối, nước ngầm, băng tuyết, hơi nước trong đất và không khí.

- Khí quyển (Atmosphere): là lớp không khí bao quanh trái đất.

- Sinh quyển (Biosphere): gồm tất cả các loài sinh vật sống.

2. Các chức năng cơ bản của môi trường

Đối với sinh vật nói chung và con người nói riêng thì môi trường sống có các chức năng cơ bản sau:

* Môi trường là không gian sống cho con người và thế giới sinh vật (habitat)

* Môi trường là nơi chứa đựng các nguồn tài nguyên cần thiết cho đời sống và sản xuất của con người.

* Môi trường là nơi chứa đựng các chất phế thải do con người tạo ra trong quá trình sống.

* Chức năng lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người

* Bảo vệ con người và sinh vật khỏi những tác động từ bên ngoài.

II. Các yếu tố môi trường và nhân tố sinh thái.

1. Tổng quát về các yếu tố môi trường và nhân tố sinh thái

Các yếu tố môi trường bao gồm các yếu tố vô sinh (đất, nước, nhiệt độ, ánh sáng,...) và hữu sinh (sinh vật). Những yếu tố môi trường khi chúng tác động lên đời sống sinh vật mà sinh vật phản ứng lại một cách thích nghi thì chúng được gọi là các yếu tố sinh thái.

Các nhân tố sinh thái khi tác động lên đời sống của sinh vật, chúng sẽ phản ứng lại phụ thuộc vào các đặc trưnbg sau:

+ Bản chất của nhân tố tác động

+ Cường độ tác động

+ Tần số tác động

+ Thời gian tác động

2. Phân loại các yếu tố sinh thái

Theo nguồn gốc và đặc trưng tác động của các yếu tố môi trường, người ta chia các nhân tố sinh thái thành 3 nhóm:

* Nhóm các yếu tố sinh thái vô sinh: bao gồm các yếu tố khí hậu (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, không khí), địa hình và đất.

* Nhóm các yếu tố sinh thái hữu sinh: gồm các sinh vật.

* Yếu tố con người: con người tác động vào tự nhiên được xác định bởi nhân tố xã hội mà trước hết là chế độ xã hội, còn đặc trưng tác động của động thực vật mang đặc điểm sinh vật, con người tác động vào tự nhiên có ý thức và quy mô tác động của động vật và thực vật không thể so sánh được với quy mô tác động của con người nhất là trong điều kiện tiến bộ của khoa học - kỹ thuật vì vậy con người được xem như là một nhân tố sinh thái trong tự nhiên.

Ngoài ra theo ảnh hưởng của tác động thì các yếu tố sinh thái được chia thành các yếu tố phụ thuộc và không phụ thuộc mật độ.

- Yếu tố không phụ thuộc mật độ là yếu tố khi tác động lên sinh vật, ảnh hưởng của nó không phụ thuộc vào mật độ của quần thể bị tác động. Hầu hết các yếu tố vô sinh là những yếu tố không phụ thuộc mật độ.

- Yếu tố phụ thuộc mật độ là yếu tố khi tác động lên sinh vật thì ảnh hưởng tác động của nó phụ thuộc vào mật độ quần thể chịu tác động, chẳng hạn bệnh dịch đối với nơi thưa dân ảnh hưởng kém hơn so với nơi đông dân. Hiệu suất bắt mồi của vật dữ kém hiệu quả khi mật độ con mồi quá thấp...Phần lớn các yếu tố hữu sinh thường là những yếu tố phụ thuộc mật độ.

III. Một số qui luật cơ bản của sinh thái học

1. Quy luật tác động tổng hợp.

Môi trường bao gồm nhiều yếu tố có tác động qua lại, sự biến đổi các nhân tố này có thể dẫn đến sự thay đổi về lượng, có khi về chất của các yếu tố khác và sinh vật chịu ảnh hưởng sự biến đổi đó. Tất cả các yếu tố đều gắn bó chặt chẽ với nhau tạo thành một tổ hợp sinh thái.

Ví dụ như chế độ chiếu sáng trong rừng thay đổi thì nhiệt độ, độ ẩm không khí và đất sẽ thay đổi và sẽ ảnh hưởng đến hệ động vật không xương sống và vi sinh vật đất, từ đó ảnh hưởng đến chế độ dinh dưỡng khoáng của thực vật.

2. Qui luật giới hạn sinh thái Shelford (1911, 1972)

Đối với mỗi yếu tố, sinh vật chỉ thích ứng với một giới hạn tác động nhất định, đặc biệt là các yếu tố sinh thái vô sinh. Sự tăng hay giảm cường độ tác động của yếu tố ra ngoài giới hạn thích hợp của cơ thể sẽ tác động đến khả năng sống của sinh vật. Khi cường độ tác động tới ngưỡng cao nhất hoặc thấp nhất so với khả năng chịu đựng của cơ thể thì sinh vật không tồn tại được.

Hình 1. Sơ đồ mô tả sự giới hạn của nhiệt độ theo quy luật giới hạn Shelford

Giới hạn chịu đựng của cơ thể đối với một yếu tố sinh thái nhất định đó gọi là giới hạn sinh thái hay trị số sinh thái (hoặc biên độ sinh thái). Còn mức độ tác động có lợi nhất đối với cơ thể gọi là điểm cực thuận (Optimum). Những loài sinh vật khác nhau có giới hạn sinh thái và điểm cực thuận khác nhau.

Nếu một loài sinh vật có giới hạn sinh thái rộng đối với một yếu tố nào đó thì ta nói sinh vật đó rộng với yếu tố đó, chẳng hạn "rộng nhiệt", "rộng muối", còn nếu có giới hạn sinh thái hẹp ta nói sinh vật đó hẹp với yếu tố đó, như "hẹp nhiệt", "hẹp muối"...

Ví dụ: loài chuột cát ở đài nguyên chịu đựng được sự dao động nhiệt độ không khí tới 800C (từ -500C đến +300C), đó là loài rộng nhiệt (Eurythermic), hoặc như loài thông đuôi ngựa không thể sống được ở nơi có nồng độ NaCl trên 40/00, đó là loài hẹp muối (Stenohalin).

3. Qui luật tác động không đồng đều.

Các yếu tố sinh thái có ảnh hưởng khác nhau lên các chức phận sống của cơ thể, nó cực thuận đối với quá trình này nhưng có hại hoặc nguy hiểm cho quá trình khác.

Ví dụ : nhiệt độ không khí tăng đến 400 - 50 0C sẽ làm tăng các quá trình trao đổi chất ở động vật máu lạnh nhưng lại kìm hảm sự di động của con vật.

Có nhiều loài sinh vật trong chu kỳ sống của mình, các giai đoạn sống khác nhau có những yêu cầu sinh thái khác nhau, nếu không được thỏa mản thì chúng sẽ chết hoặc khó có khả năng phát triển.

4. Qui luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường

Trong mối quan hệ tương hổ giữa quần thể, quần xã sinh vật với môi trường, không những các yếu tố sinh thái của môi trường tác động lên chúng, mà các sinh vật cũng có ảnh hưởng đến các yếu tố sinh thái của môi trường và có thể làm thay đổi tính chất của các yếu tố sinh thái đó.

5. Quy luật tối thiểu

Quy luật này được nhà hoá học người Đức Justus Von Liebig đề xuất năm 1840. Ông lưu ý rằng năng suất mùa màng giảm hoặc tăng tỷ lệ thuận với sự giảm hay tăng các chất khoáng bón cho cây ở đồng ruộng. Như vậy, sự sinh sản của thực vật bị giới hạn bởi số lượng của muối khoáng. Liebig chỉ ra rằng "Mỗi một loài thực vật đòi hỏi một loại và một lượng muối dinh dưỡng xác định, nếu lượng muối là tối thiểu thì sự tăng trưởng của thực vật cũng chỉ đạt mức tối thiểu".

Tuy vậy quy luật này cũng có những hạn chế vì nó chỉ áp dụng đúng trong trạng thái ổn định và có thể còn bỏ qua mối quan hệ khác nữa. Chẳng hạn, trong ví dụ về phốt pho (phosphor) và năng suất, Liebig cho rằng phốt pho là nguyên nhân trực tiếp làm thay đổi năng suất. Sau này người ta thấy rằng sự có mặt của muối nitơ (nitrogen) không chỉ ảnh hưởng lên nhu cầu nước của thực vật mà còn góp phần làm cho thực vật lấy được phốt pho ở dưới dạng không thể đồng hoá được. Như vậy, muối nitơ là yếu tố thứ 3 phối hợp tạo ra hiệu quả.

IV. Phản ứng của sinh vật lên các tác động của các yếu tố môi trường

Sinh vật phản ứng lên những tác động của điều kiện môi trường bằng hai phương thức: hoặc là chạy trốn để tránh những tai họa của môi trường ngoài (chủ yếu ở động vật) hoặc là tạo khả năng thích nghi.

Sự thích nghi của sinh vật đến tác động của các yếu tố môi trường có thể có hai khả năng: thích nghi hình thái và thích nghi sinh lý.

Ngược lại, sự thích nghi di truyền được xuất hiện trong quá trình phát triển cá thể, không phụ thuộc vào sự có mặt hay vắng mặt của các trạng thái môi trường mà trong môi trường đó có thể có ích cho chúng. Những thích nghi đó được cũng cố di truyền, vì thế gọi là thích nghi di truyền.

V. Các mối quan hệ giữa cơ thể và môi trường

1. Ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái vô sinh đối với sinh vật

1.1. Ảnh hưởng của ánh sáng lên sinh vật

- Ý nghĩa của ánh sáng

Ánh sáng là một yếu tố sinh thái, ánh sáng có vai trò quan trọng đối với các cơ thể sống. Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng cho thực vật tiến hành quang hợp:

6CO2 + 6H2O à C6H12O6 + 6O2↑

Ánh sáng điều khiển chu kỳ sống của sinh vật.

Tùy theo cường độ và chất lượng của ánh sáng mà nó ảnh hưởng nhiều hay ít đến quá trình trao đổi chất và năng lượng cùng nhiều quá trình sinh lý của các cơ thể sống.

- Sự phân bố và thành phần quang phổ của ánh sáng.

Bức xạ mặt trời là một dạng phóng xạ điện từ với một biên độ các bước sóng rộng lớn. Bức xạ mặt trời khi xuyên qua khí quyển đã bị các chất trong khí quyển như O2, O3, CO2, hơi nước ... hấp thụ một phần (khoảng 19% toàn bộ bức xạ) ; 34% phản xạ vào khoảng không vũ trụ và 49% lên bề mặt trái đất.

Ánh sáng phân bố không đồng đều trên bề mặt trái đất do độ cong của bề mặt trái đất và độ lệch trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quay quanh mặt trời.

- Ảnh hưởng của ánh sáng lên thực vật

Ánh sáng có ảnh hưởng đến toàn bộ đời sống của thực vật từ khi hạt nảy mầm, sinh trưởng, phát triển cho đến khi cây ra hoa kết trái rồi chết.

Ánh sáng có ảnh hưởng nhất định đến hình thái và cấu tạo của cây.

Ánh sáng còn ảnh hưởng đến hệ rễ của cây.

Lá là cơ quan trực tiếp hấp thụ ánh sáng nên chịu ảnh hưởng nhiều đối với sự thay đổi cường độ ánh sáng. Do sự phân bố ánh sáng không đồng đều trên tán cây nên cách sắp xếp lá không giống nhau ở tầng dưới, lá thường nằm ngang để có thể tiếp nhận được nhiều nhất ánh sáng tán xạ; các lá ở tầng trên tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng nên xếp nghiêng nhằm hạn chế bớt diện tích tiếp xúc với cường độ ánh sáng cao.

Ánh sáng cũng tác động đến đặc điểm hình thái, giải phẫu của thực vật.

Ánh sáng có ảnh hưởng đến quá trình sinh lý của thực vật. Cường độ quang hợp lớn nhất khi chiếu tia đỏ là tia mà diệp lục hấp thụ nhiều nhất.

Liên quan đến cường độ chiếu sáng, thực vật được chia thành các nhóm cây ưa sáng, cây ưa bóng và cây chịu bóng.

Ánh sáng có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình sinh sản của thực vật. Tương quan giữa thời gian chiếu sáng và che tối trong ngày - đêm gọi là quang chu kỳ. Tương quan này không giống nhau trong các thời kỳ khác nhau trong năm cũng như trên các vĩ tuyến khác nhau.

- Ánh hưởng của ánh sáng đối với động vật

Các loài động vật khác nhau cần thành phần quang phổ, cường độ và thời gian chiếu sáng khác nhau. Tùy theo sự đáp ứng đối với yếu tố ánh sáng mà người ta chia động vật thành hai nhóm:

- Nhóm động vật ưa sáng là những loài động vật chịu được giới hạn rộng về độ dài sáng, cường độ và thời gian chiếu sáng. Nhóm này bao gồm các động vật hoạt động vào ban ngày, thường có cơ quan tiếp nhận ánh sáng. Ở động vật bậc thấp cơ quan này là các tế bào cảm quang, phân bố khắp cơ thể, còn ở động vật bậc cao chúng tập trung thành cơ quan thị giác. Thị giác rất phát triển ở một số nhóm động vật như côn trùng, chân đầu, động vật có xương sống, nhất là ở chim và thú. Do vậy, động vật thường có màu sắc, đôi khi rất sặc sỡ (côn trùng) và được xem như những tín hiệu sinh học

- Nhóm động vật ưa tối bao gồm những loài động vật chỉ có chịu được giới hạn hẹp về độ dài sáng. Nhóm này bao gồm các động vật hoạt động vào ban đêm, sống trong hang động, trong đất hay ở đáy biển sâu. Có màu sắc không phát triển và thân thường có màu xỉn đen. Những loài động vật ở dưới biển, nơi thiếu ánh sáng, cơ quan thị giác có khuynh hướng mở to hoặc còn đính trên các cuống thịt, xoay quanh 4 phía để mở rộng tầm nhìn, còn ở những vùng không có ánh sáng, cơ quan tiêu giảm hoàn toàn, nhường cho sự phát triển cơ quan xúc giác và cơ quan phát sáng.

Nhiều loài động vật định hướng nhờ ánh sáng trong thời gian di cư. Ví dụ:những loài chim trú đông bay vượt qua hàng ngàn kilômét đến nơi có khí hậu ấm hơn nhưng không bị chệch hướng.

Thời gian chiếu sáng của ngày có ảnh hưởng đến hoạt động sinh sản của nhiều loài động vật.

Một số loài thú như cáo, một số loài thú ăn thịt nhỏ; một số loài gậm nhấm sinh sản vào thời kỳ có ngày dài, ngược lại nhiều loài nhai lại có thời kỳ sinh sản ứng với ngày ngắn.

Ở một số loài côn trùng khi thời gian chiếu sáng không thích hợp sẽ xuất hiện hiện tượng đình dục (diapause).

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sinh vật

- Ý nghĩa của nhiệt độ. Nhiệt độ trên trái đất phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và thay đổi theo vĩ độ (theo vùng địa lý và theo chu kỳ trong năm).

Nhiệt độ là nhân tố khí hậu có ảnh hưởng rất lớn đến sinh vật, nhiệt độ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến quá trình sống của sinh vật (sự sinh trưởng, phát triển, sinh sản...), đến sự phân bố của các cá thể, quần thể và quần xã.

Sự khác nhau về nhiệt độ trong không gian và thời gian đã tạo ra những nhóm sinh thái có khả năng thích nghi khác nhau. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến các yếu tố khác của môi trường như độ ẩm không khí, độ ẩm đất ...

Trong khí hậu nông nghiệp và sinh thái học hiện đại, theo mức độ đáp ứng nhiệt của sinh vật, mà người ta chia ra 4 đới nhiệt cơ bản :

2.1. Nhiệt đới: Nhiệt độ không thấp hơn 00C (ngoại trừ những vùng núi cao). Nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất 15 - 200C. Nhiệt độ phân bố đều trong năm, dao động không quá 50C.

2.2. Cận nhiệt đới (á nhiệt đới): Nhiệt độ tháng lạnh nhất không dưới 40C, tháng nóng nhất cao hơn 200C. Nhiệt độ tối thiểu có khi xuống dưới 00C nhưng không phải hàng năm.

2.3. Ôn đới : Thực vật sinh trưởng vào mùa hè, mùa đông nghỉ. Thời gian không có tuyết khoảng 70 - 80 ngày. Mùa đông có tuyết dày.

2.4. Hàn đới (đới lạnh) : Mùa sinh trưởng của thực vật chỉ 1,5 - 2 tháng, hầu như lúc nào cũng lạnh.

- Tác động của nhiệt độ lên sinh vật. Ở sinh vật có hai hình thức trao đổi nhiệt :

+ Các sinh vật tiền nhân (vi khuẩn, vi khuẩn lam), Protista, nấm, thực vật, động vật không xương sống, cá, lưỡng thê, bò sát không có khả năng điều hòa nhiệt độ cơ thể, do đó nhiệt độ cơ thể phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và luôn biến động. Người ta gọi nhóm sinh vật này là sinh vật biến nhiệt (Poikilotherm) hay nhóm ngoại nhiệt (Ectotherm).

+ Các sinh vật có tổ chức cao như các loài động vật chim, thú nhỏ sự phát triển hoàn chỉnh cơ chế điều hòa nhiệt độ và sự hình thành trung tâm điều hòa nhiệt ở não đã giúp chúng duy trì được nhiệt độ cực thuận thường xuyên của cơ thể, không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường ngoài. Người ta gọi nhóm động vật này là động vật đẳng nhiệt (động vật máu nóng) (Homeotherm) hay nhóm nội nhiệt (Endotherm), chúng điều hoà nhiệt nhờ sự sản sinh nhiệt từ bên trong cơ thể của mình.

Trung gian giữa hai nhóm này có nhóm thứ ba, các loài sinh vật thuộc nhóm này vào thời kỳ không thuận lợi chúng ngủ hoặc ngừng hoạt động, nhiệt độ cơ thể hạ thấp nhưng không bao giờ xuống dưới 10 - 130C. Nhóm này gồm một số loài gặm nhắm như sóc đất, sóc mác mốt, nhím, chuột sóc, chim én, dơi, chim hút mật.

Phần lớn các loài sinh vật sống trong phạm vi nhiệt độ 0 - 500C hay còn thấp hơn. Trong các suối nước nóng, một số vi khuẩn có thể sống ở 880C, vi khuẩn lam ở 800C. Cá sóc (Cyprinodon macularis) sống ở nhiệt độ 520C. Trong khi đó ấu trùng sâu ngô (Pyrausta nubilaris) chuẩn bị qua đông chịu được nhiệt độ -27,20C, cá tuyết (Boregonus saida) hoạt động tích cực ở nhiệt độ -20C. Hoặc một số loài sinh vật có giới hạn nhiệt độ rất lớn, như loài chân bụng (Hydrobia aponensis) từ -1 - +600C, còn đỉa phiến (Planuria gonocephala) từ 0,5 - 240C,....

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với thực vật

Đối với thực vật, nhiệt độ có ảnh hưởng đến hình thái, chức năng sinh lý và khả năng sinh sản. Nhiệt độ thấp có ảnh hưởng đến hình thái của cây.

Thực vật là cơ thể biến nhiệt, vì thế các hoạt động sinh lý của nó đều chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Cây quang hợp tốt ở nhiệt độ 20 - 300C, nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều ảnh hưởng đến quá trình này. Ở nhiệt độ 00C cây nhiệt đới ngừng quang hợp vì diệp lục bị biến dạng, ở nhiệt độ từ 400C trở lên sự hô hấp bị ngừng trệ. Các cây ôn đới có khả năng hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thấp hơn 00C, ví dụ như một số loài tùng, bách mầm cây vẫn hô hấp khi nhiệt độ xuống -220C.

Quá trình thoát hơi nước của thực vật cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ không khí càng cao, độ ẩm không khí càng xa độ bảo hòa; cây thoát hơi nước mạnh.

Ở giai đoạn nảy mầm, hạt cần nhiệt độ thấp hơn thời kỳ nở hoa, vào thời kỳ quả chín đòi hỏi nhiệt độ cao hơn cả.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đời sống động vật.

Nhiệt độ được xem là yếu tố sinh thái có ảnh hưởng lớn nhất đối với động vật. Nhiệt độ đã ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự sống, sự sinh trưởng, phát triển, tình trạng sinh lý, sự sinh sản, do đó có ảnh hưởng đến sự biến động số lượng và sự phân bố của động vật.

- Ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ môi trường đến sự chuyển hóa năng lượng của cơ thể. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi ở một chừng mực nào đó, sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ cơ thể.

- Ảnh hưởng gián tiếp là nhiệt độ có thể tác động lên động vật như một loại tín hiệu, tín hiệu nhiệt độ có thể làm thay đổi điều kiện phát triển, sinh sản và sự hoạt động của động vật.

Bằng phương pháp thống kê sinh học, người ta đưa đến một số qui luật quan hệ giữa nhiệt độ và thích nghi hình thái ở các loài động vật có xương sống hằng nhiệt (đẳng nhiệt) gần gũi về quan hệ phân loại.

- Quy luật Bergman: Trong giới hạn của loài hay nhóm các loài gần gủi đồng nhất thì những cá thể có kích thước lớn hơn thường gặp ở những vùng lạnh hơn (hay những cá thể phân bố ở miền bắc có kích thước lớn hơn ở miền nam), các loài động vật biến nhiệt (cá, lưỡng thể, bò sát ...) thì ở miền nam có kích thước lớn hơn ở miền bắc. Quy luật này phù hợp với quy luật nhiệt động học: Bề mặt cơ thể động vật bình phương với kích thước của nó. Trong lúc đó khối lượng tỉ lệ với lập phương kích thước. Sự mất nhiệt tỉ lệ với bề mặt cơ thể và như vậy tỉ lệ đó càng cao, tỉ lệ bề mặt với khối lượng càng lớn, có nghĩa là cơ thể động vật càng nhỏ. Động vật càng lớn và hình dạng cơ thể càng thon gọn thì càng dễ giữ cho nhiệt độ cơ thể ổn định, động vật càng nhỏ quá trình trao đổi chất càng cao.

- Quy luật Allen: Quy luật này thường gặp hơn quy luật trên. D.Allen (1977) cho rằng càng lên phía bắc các cơ quan phụ của cơ thể (các bộ phận thò ra ngoài : Tai - chân - đuôi - mỏ) càng thu nhỏ lại. Một ví dụ điển hình là cáo Sahara có chân dài, tai to, cáo Châu Âu thấp hơn và tai ngắn hơn, còn cáo sống ở Bắc Cực tai rất nhỏ và mõm rất ngắn.

- Quy luật phủ lông: động vật có vú ở vùng lạnh có bộ lông dày hơn so với đại diện cùng lớp đó sống ở vùng ấm. Ví dụ hổ Siberi so với hổ Ấn Độ hay Malaysia có lông dày và lớn hơn nhiều. Điều này cũng phù hợp với quy luật Bergman.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý của động vật. Chẳng hạn như đối với tốc độ tiêu hóa: Nhiệt độ có ảnh hưởng đến lượng thức ăn và tốc độ tiêu hóa của ấu trùng mọt bột lớn (Tenebrio molitor) ở giai đoạn 4, ở nhiệt độ cao (360C) ăn hết 638mm2 lá khoai tây nhưng nếu ở nhiệt độ hạ thấp xuống (160C) thì chỉ ăn hết 215mm2 lá khoai tây. Ở nhiệt độ 250C mọt trưởng thành ăn nhiều nhất và ở nhiệt độ 180C mọt ngừng ăn.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển của động vật.

- Động vật biến nhiệt. Tốc độ phát triển và số thế hệ trong một năm phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới một mức nào đó thì động vật không phát triển được. Nhưng trên nhiệt độ đó sự trao đổi chất của cơ thể được hồi phục và bắt đầu phát triển. Người ta gọi ngưỡng nhiệt phát triển (hay nhiệt độ thềm phát triển) là nhiệt độ mà ở dưới nhiệt độ này tốc độ phát triển của cơ thể là 0.

Bằng các thực nghiêm mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian phát triển của động vật biến nhiệt được thể hiện bằng công thức sau:

T = (x-k)n

Trong đó: T là tổng nhiệt ngày; x: nhiệt độ môi trường; k: nhiệt độ ngưỡng của sự phát triển mà bắt đầu từ đó sự phát triển mới xảy ra; n: thời gian cần để hoàn thành một giai đoạn hay cả đời sống của sinh vật; (x-k): nhiệt độ phát triển hữu hiệu.

Từ công thức trên ta cũng có:

x - k = T/n ® n=T/ (x-k)

hay k = x - T/n và x = T/n + k

Tốc độ phát triển (y) là số nghịch đảo của thời gian phát triển (n) hay:

y =

Mỗi một loài động vật có một ngưỡng nhiệt nhất định. Ví dụ ngưỡng nhiệt phát triển của sâu khoang cổ (Prodenia litura) phá hại rau cải, su hào, bông lạc là 100C, của cóc (Bufo lentigirnosus) là 60C.

Biết được tổng nhiệt hữu hiệu của một thế hệ và nhiệt độ nơi loài đó sống ta có thể tính được số thế hệ trung bình của nó trong một năm.

Nhìn chung các loài động vật ở vùng nhiệt đới có tốc độ tăng trưởng nhanh hơn và có số thế hệ hằng năm nhiều hơn so với những loài có quan hệ họ hàng gần gũi với chúng ở vùng ôn đới.

Ở động vật nội nhiệt. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự phát triển của động vật nội nhiệt phức tạp hơn nhiều so với động vật biến nhiệt. Nhiệt độ thấp tuy làm chậm sự tăng trưởng, nên sự trưởng thành sinh dục cũng bị chậm lại và vì thế kích thước cơ thể của con vật tăng lên. Khi nhiệt độ môi trường lên quá cao hoặc xuống quá thấp sẽ gây trạng thái ngủ hè, ngủ đông. Các động vật biến nhiệt tiến hành ngủ hè khi nhiệt độ môi trường quá cao và độ ẩm xuống thấp, phổ biến ở một số côn trùng và thú.

Sự sinh sản của nhiều loài động vật chỉ tiến hành trong một phạm vi nhiệt độ thích hợp nhất định. Nếu nhiệt độ môi trường không thích hợp (cao hoặc thấp) sẽ làm giảm cường độ sinh sản hoặc làm cho quá trình sinh sản đình trệ, vì nhiệt độ môi trường đã ảnh hưởng đến chức năng của cơ quan sinh sản.

Để thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ của môi trường, ở động vật có những hình thức điều hòa nhiệt .

- Sự điều hòa nhiệt hóa học đó là quá trình tăng mức sản ra nhiệt của cơ thể do tăng quá trình chuyển hóa các chất để đáp ứng lại sự thay đổi nhiệt độ của môi trường.

- Sự điều hòa nhiệt vật lý đó là sự thay đổi mức tỏa nhiệt, khả năng giữ nhiệt hoặc ngược lại phát tán nhiệt dư thừa. Sự điều hòa nhiệt vật lý thực hiện nhờ các đặc điểm về hình thái, giải phẩu của cơ thể như có lông mao, lông vũ, hệ mạch máu, lớp mở dự trữ dưới da ...

- Hình thành các tập tính để giữ thăng bằng nhiệt. Trong quá trình sống, động vật đã hình thành những tập tính giữ cân bằng nhiệt có hiệu quả nhất để thích nghi với nhiệt độ của môi trường.

Ví dụ như ong, khi nhiệt độ trong tổ thấp hơn nhiệt độ môi trường ngoài, để cân bằng nhiệt chúng đồng loạt đập cánh trong một thời gian.

Ở động vật đẳng nhiệt, nhờ sự phát triển và hoàn chỉnh cơ chế điều hòa nhiệt và sự hình thành trung tâm điều khiển nhiệt ở não bộ và giữ cho nhiệt độ cơ thể ổn định, ít phụ thuộc vào môi trường ngoài. Đó là đặc điểm tiến hóa của động vật. Ngoài ra, một đặc điểm thích nghi khá độc đáo để điều hòa nhiệt độ ở động vật đẳng nhiệt là tập tính tụ hợp lại thành đám. Ví dụ chim cánh cụt ở vùng gió và bảo tuyết đã biết tập trung lại thành một khối dày đặc. Những con chim đứng ở vòng ngoài cùng sau một thời gian chịu rét đã chui vào giữa đám và cả đàn chuyển động chậm chạp vòng quanh, do đó ở ngoài môi trường nhiệt độ rất thấp nhưng nhiệt độ bên trong đám đông vẫn giữ được 370C.

Nhờ sự kết hợp các phương thức điều hòa nhiệt (hóa học, vật lý và tập tính) mà động vật có khả năng thích nghi với sự thay đổi nhiệt độ ở các vùng trên trái đất.

3. Nước và độ ẩm đối với đời sống sinh vật

- Ý nghĩa của nước đối với sinh vật: Sau nhân tố nhiệt độ, nước (độ ẩm) là một nhân tố sinh thái vô cùng quan trọng. Trong lịch sử phát triển của sinh giới trên bề mặt trái đất luôn luôn gắn liền với môi trường nước. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện trong môi trường nước. Quá trình đấu tranh lên sống ở cạn, chúng cũng không tách khỏi môi trường nước; nước cần thiết cho quá trình sinh sản. Sự kết hợp của các giao tử hầu hết được thực hiện trong môi trường nước, nước cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Nước chứa trong cơ thể sinh vật một hàm lượng rất cao, từ 50 - 90% khối lượng cơ thể sinh vật là nước, có trường hợp nước chiếm tỷ lệ cao hơn, tới 98% như ở một số cây mọng nước, ở ruột khoang (ví dụ: thủy tức).

Nước là nguyên liệu cho cây trong quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ. Nước là môi trường hoà tan chất vô cơ và phương tiện vận chuyển chất vô cơ và hữu cơ trong cây, vận chuyển máu và các chất dinh dưỡng ở động vật.

Nước tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng và điều hòa nhiệt độ cơ thể.

Cuối cùng nước giữ vai trò tích cực trong việc phát tán nòi giống của các sinh vật, nước còn là môi trường sống của nhiều loài sinh vật.

- Độ ẩm không khí: một trong những dạng nước có tác dụng đến đời sống sinh vật. Độ ẩm không khí được đặc trưng bằng những đại lượng sau:

+ Độ ẩm tuyệt đối (HA): là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí tính bằng gam ở một thời điểm nhất định và tính theo công thức sau :

g/m3

Trong đó 0,623 là tỷ trọng hơi nước so với không khí, 1293 là trọng lượng khô của không khí ở nhiệt độ 00C và áp lực 760 mm Hg, (a là là hệ số nở của các chất khí bằng 1/276, t là nhiệt độ của không khí, e là áp suất của hơi nước chứa trong không khí tính bằng mmHg.

+ Độ ẩm tương đối: là tỷ số phần trăm áp suất hơi nước thực tế (a) trên áp suất hơi nước bảo hòa A trong cùng một nhiệt độ. Ví dụ: ở 150C - áp suất hơi nước bảo hòa A = 12,73mmHg, áp suất hơi nước thực tế là 9,56 mmHg. Độ ẩm tương đối của không khí :

= 0,75 hay d = 75%

Độ ẩm tương đối của không khí thay đổi tùy theo nhiệt độ, cho nên cùng một lượng nước trong không khí mà nhiệt độ khác nhau thì độ ẩm tương đối khác nhau.

Đối với động vật, khi độ ẩm tương đối thấp làm chậm sự trao đổi chất, ngoài ra độ ẩm còn ảnh hưởng đến hoạt động chung của động vật. Muỗi Culex fatigans chỉ hút máu khi độ ẩm tương đối trên 40%. Loài cánh cứng ăn gỗ Passalus cornutus sống thành từng nhóm nhỏ dưới vỏ cây khô, khi độ ẩm tăng hoạt động của chúng giảm đi, khi độ ẩm giảm hoạt động của chúng tăng lên.

Độ ẩm ảnh hưởng rất mạnh lên chức năng sống của cơ thể. Gamintor đã nghiên cứu ảnh hưởng đó ở loài châu chấu Locusta migratoria, một loài côn trùng gây tổn hại kinh tế cho nhiều nước. Ông đã chỉ ra rằng ở độ ẩm tương đối 70% tốc độ chín sinh dục và sinh sản của loài này đạt tối đa.

Ở trên cạn, sự phân bố nước không đồng đều trong các môi trường có các điều kiện sinh thái khác nhau, đòi hỏi các cơ thể sống phải có phương thức duy trì sự cân bằng nước.

Sự cân bằng nước được xác định bằng hiệu số giữa sự hút nước với sự mất nước. Các nhóm thực vật khác nhau thì quá trình hút nước cũng như mất nước không giống nhau.

Giá trị sinh thái của quá trình thoát hơi nước không chỉ về cường độ mà còn đặc trưng thay đổi theo thời gian - ngày đêm và theo mùa.

Tương ứng với sự điều chỉnh chế độ nước, tất cả các thực vật trên cạn được chia ra làm hai nhóm cơ bản : thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước) và thực vật linh động về nước (thực vật thân nước).

- Thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước): là nhóm thực vật duy trì sự cân bằng nước trong suốt cả ngày. Lỗ khí của chúng phản ứng rất nhạy đối với sự thiếu nước, nên hạn chế được lượng hơi nước thoát ra ngoài. Hệ rễ cũng có khả năng lấy nước tốt. Chúng dự trữ nước trong tất cả các bộ phận (rễ, vỏ thân, gỗ và lá) và ổn định được sự cân bằng nước. Nhóm này gồm nhiều loại cây gỗ, các loài cỏ thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Đậu (Fabaceae), các cây sống trong bóng và cây mọng nước.

- Thực vật linh động về nước (thực vật thân nước) là nhóm thực vật không thể điều hòa sự vận chuyển nước, hay đúng hơn là không có khả năng điều chỉnh tích cực chế độ nước của mình, lượng nước trong mô phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của môi trường xung quanh. Chúng hút nước ở dạng sương, sương mù, nước mưa dễ dàng và chúng cũng sử dụng phóng khoáng các loại nước đó. Trong thời kỳ khô ráo, chúng có thể mất hết nước và sống tiềm sinh. Thuộc nhóm này có các loài tảo lục sống trên vỏ cây; đất ẩm trong rừng, rêu, dương xỉ và cả một vài loài thực vật có hoa.

Các nhóm thực vật liên quan đến chế độ nước: theo độ tập trung đến các nơi ở có chế độ nước khác nhau mà người ta chia thực vật trên cạn ra 4 nhóm sinh thái cơ bản : nhóm cây ngập nước định kỳ, nhóm cây ưa ẩm, nhóm cây chịu hạn và nhóm cây trung sinh.

- Nhóm cây ngập nước định kỳ. Bao gồm những loài thực vật sống trên đất bùn dọc bờ sông, cửa sông, cửa biển chịu tác động định kỳ của thủy triều.

- Nhóm cây ẩm sinh: bao gồm những cây sống trên đất ẩm (bờ ruộng, bờ ao, bờ suối, trong rừng ẩm). Môi trường sống của chúng bão hòa hơi nước, do vậy chúng không có những bộ phận bảo vệ sự bay thoát hơi nước.

Nhóm cây này phân biệt hai nhóm nhỏ: nhóm cây ưa ẩm chịu bóng và nhóm cây ưa ẩm ưa sáng. Ở hai nhóm cây này có các đặc điểm hình thái giải phẩu và nơi sống khác nhau.

+ Nhóm cây ưa ẩm chịu bóng bao gồm phần lớn là những cây sống ở dưới tán rừng ẩm, ven suối. Ở 2 mặt lá có lỗ khí nhưng ít, lỗ khí luôn luôn mở, nhiều khi có các lỗ nước (thuỷ khổng) ở mép lá, lá rộng; mỏng, màu lục đậm do có hạt diệp lục lớn, bề mặt lá có tầng cutin mỏng, mô giậu kém hoặc không phát triển. Khi mất nước cây bị héo rất nhanh.

+ Nhóm cây ưa ẩm ưa sáng, các loài cây này có một số tính chất của cây ưa sáng như có lá nhỏ, cứng; dày, ít diệp lục nhưng không chịu được hạn. Chúng thường phân bố ven hồ, ven bờ ruộng (như cây rau bợ nước (Marsilea quadrifolia), một số loài thuộc họ Cói (Cyperaceae).

- Nhóm cây hạn sinh: là những loài thực vật sống được trong những điều kiện khô hạn nghiêm trọng và kéo dài, lúc đó quá trình trao đổi chất của chúng yếu nhưng không đình chỉ. Chúng phân bố ở sa mạc và bán sa mạc, thảo nguyên, savan và vùng đất cát ven biển.

Ở vùng nhiệt đới, điều kiện khô hạn thường gắn liền với cường độ chiếu sáng mạnh, nhiệt độ cao nên những cây chịu hạn cũng là những cây ưa sáng và chịu nóng.

Cây chịu hạn được chia làm hai dạng chủ yếu: dạng cây mọng nước và dạng cây lá cứng.

+ Dạng cây mọng nước bao gồm các cây thân thảo, cây nhỏ trong các họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Xương rồng (Cactaceae), họ Rau muối (Chenopodiaceae), họ Dứa (Bromeliaceae), họ Thuốc bỏng (Crassulariaceae), họ Hành (Liliaceae) ... Chúng sống ở các vùng sa mạc và những nơi khô hạn kéo dài.

Hoạt động sinh lý của cây mọng nước yếu và do trao đổi chất với môi trường ngoài ít nên sinh trưởng rất chậm. Cây mọng nước chịu đựng được nhiệt độ cao rất tốt, chúng có thể chịu được nhiệt độ 60 - 650C, đó là do chúng giữ được lượng nước liên kết lớn, lượng nước liên kết trong cơ thể chúng có thể đạt tới 60 - 65% tổng lượng nước trong cơ thể (cây mọng nước chứa từ 90-98% nước so với khối lượng cơ thể)

+ Cây lá cứng: bao gồm phần lớn thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Cói (Cyperaceae), một số loài cây gỗ thuộc họ Thông (Pinaceae), họ Phi lao (Casuarinaceae), họ Sổ (Dilleniaceae) ... chúng thường sống ở những vùng có khí hậu khô theo mùa, savan, thảo nguyên, ...

Cây lá cứng có lá hẹp, nhỏ. Lá được phủ nhiều lông trắng bạc có tác dụng cách nhiệt. Tế bào biểu bì có thành dày, tầng cutin dày, gân lá phát triển. Một số loài có lá biến thành gai hoặc thùy lá biến thành gai ...Cây lá cứng có chất nguyên sinh có khả năng chịu hạn cao, lực hút của rễ mạnh; nhờ vậy mà khi gặp khô hạn chúng có thể hút được nước. Cường độ thoát hơi nước cao có tác dụng chống nóng cho cây.

- Nhóm cây trung sinh: nhóm cây này có những tính chất trung gian giữa cây hạn sinh và cây ẩm sinh. Chúng phân bố rất rộng từ vùng ông đới đến vùng nhiệt đới chẳng hạn như những loài cây gỗ thường xanh ở vùng nhiệt đới, rừng thường xanh ẩm á nhiệt đới, cây lá rộng xanh mùa hè ở rừng ôn đới ... Phần lớn cây nông nghiệp là cây trung sinh.

Các nhóm động vật có liên quan đến chế độ nước trên cạn. Tùy theo sự đáp ứng của động vật với chế độ nước (nhu cầu về nước), có thể chia động vật thành các nhóm sau :

- Động vật ẩm sinh (ưa ẩm): gồm những động vật có yêu cầu về độ ẩm hay lượng nước trong thức ăn cao, các loài động vật chỉ sống được ở môi trường cạn có độ ẩm cao hoặc không khí bão hòa hay gần bão hòa hơi nước. Khi độ ẩm quá thấp, chúng không thể sống được vì trong cơ thể của chúng thiếu cơ chế dự trữ và giữa nước. Hầu hết ếch, nhái trưởng thành, giun ít tơ, một số động vật ở đất, ở hang ... thuộc nhóm này.

- Động vật hạn sinh (ưa khô): các động vật sống trong môi trường thiếu nước như sa mạc, núi đá vôi, đất cát ven biển ... chúng có khả năng chịu độ ẩm thấp, thiếu nước lâu dài, có nhu cầu nước thấp, lấy nước từ thức ăn, thải phân khô, bài tiết ít nước tiểu, một số (lạc đà) sử dụng cả nước nội bào (ô xy hoá mỡ dự trữ).

- Động vật trung sinh: bao gồm các loài động vật trung gian giữa hai nhóm trên, có yêu cầu vừa phải về nước hoặc độ ẩm. Phần lớn các loài động vật ở vùng ôn đới và nhiệt đới gió mùa thuộc nhóm này.

4. Đất với đời sống sinh vật

4.1. Khái niệm

Theo Dacutraev (1879): "Đất là vật thể thiên nhiên được hình thành qua một thời gian dài do kết quả tác động tổng hợp của 5 yếu tố: đá mẹ, sinh vật, khí hậu, địa hình và thời gian".

Đất là môi trường sống của sinh vật trên cạn, đặc biệt là thực vật và các loài động vật sống trong đất. Đất là tổ hợp của giá thể khoáng được nghiền vụn cùng với các sinh vật trong đất và những sản phẩm hoạt động sống của chúng. Đất được xem là một trong những hệ sinh thái quan trọng cấu trúc nên sinh quyển.

4.2 Thành phần của đất

Các vật liệu khoáng, chất hữu cơ, không khí và nước là 4 thành phần chính của đất.

-Vật liệu khoáng: Chất khoáng của đất nhận được từ sự phong hoá của đá mẹ và các chất hoà tan được đem đến từ các lớp đất phía trên. Cấu trúc của nó được xác định bởi kích thước và số lượng của các cấu tử có kích thước khác nhau.

- Vật chất hữu cơ: Vật liệu này có được từ các mảnh vụn và sự phân huỷ các chất hữu cơ trong lớp "rác hữu cơ từ sản phẩm rơi rụng của thực vật" (lớp O). Tuỳ thuộc vào điều kiện môi trường, rác rưởi và mảnh vụn của lớp O có thể bị bẻ vụn hoàn toàn trong vòng 1 năm, trong hoàn cảnh khác có thể lâu hơn. Những thành viên tham gia phân huỷ chúng là giun đất. Chúng ăn các chất hữu cơ và khoáng, rồi thải ra "phân".

(Lớp O, A1,...là tên gọi các lớp đất từ trên xuống dưới theo phẫu diện tổng quát của đất)

- Không khí và nước: không khí và nước chiếm các khoảng trống giữa các cấu tử đất. Không khí nhiều khi nước ít, còn khi nước nhiều thì không khí giảm. Thành phần khí của đất tương tự như thành phần khí trong khí quyển. Chúng được khuếch tán vào từ khí quyển, tuy nhiên hàm lượng O2 thường thấp, còn CO2 lại cao do các chất hữu cơ bị phân giải bởi nấm vi khuẩn,.... Nước chứa các chất vô cơ và hữu cơ hoà tan tạo nên "dung dịch đất" thuận lợi cho sự sử dụng của sinh vật, đặc biệt là rễ của thực vật

- Phức keo: phức keo (colloidal complex), một liên kết chặt chẽ của mùn đã được cắt nhỏ và đất khoáng, nhất là sét được xem là trái tim và linh hồn của đất (Kormondy, 1996). Nó gây ảnh hưởng lên khả năng giữ nước của đất và nhịp điệu luân chuyển các chất qua đất đồng thời là nguồn dinh dưỡng của thực vật.

4.3. Tính chất của đất

Đất có những tính chất vật lý, hoá học và sinh học đặc trưng.

- Cấu trúc của đất được thể hiện qua tỷ lệ thành phần kích thước của các hạt đất, từ nhỏ đến lớn. Sỏi có đường kính trên 2mm, cát thô: 0,2 - 2,0mm, cát mịn 20mm, limon: 2 - 20mm và các hạt keo đất nhỏ hơn 2mm . Đất thường có sự pha trộn các dạng hạt với những tỷ lệ khác nhau để cho các dạng đất như đất sét, đất thịt nhẹ, đất thịt nặng, đất cát, cát pha...

Đất cát rất thoáng, nhưng khả năng giữ nước kém; đất quá mịn có khả năng giữ nước tốt nhưng lại yếm khí. Đất chặt có các khe đất hẹp hơn 0,2 - 0,8mm thì lông hút của rễ không có khả năng xâm nhập vào để lấy nước và muối khoáng, nhiều loài động vật đất có kích thước lớn hơn không thể cư trú được

- Nước trong đất tồn tại dưới hai dạng: nước liên kết với các phân tử đất và nước tự do. Nước tự do có giá trị thực tế đối với đời sống sinh vật, nó không chỉ cung cấp nước cho sinh vật mà còn là dung môi hoà tan các muối dinh dưỡng cung cấp cho thực vật, động vật và vi sinh vật.

- Do chứa các muối có gốc acid hay baze mà đất có dạng chua (pH < 7) hoặc kiềm (pH > 7), tuy nhiên nhờ sự có mặt phong phú của muối cacbonat, giá trị pH trong đất thường khá ổn định và dạng trung tính.. Độ pH có ảnh hưởng đến sự phân bố của các loài sinh vật sống trong đất. Dung dịch đất chứa nhiều muối dinh dưỡng quan trọng làm nền tảng để thực vật tạo ra năng suất và đáp ứng được nhu cầu sống đối với các loài động vật đất.

Đất mặn chứa hàm lượng muối clorua cao. Trong thiên nhiên còn có các dạng đất đặc biệt, độc lập đối với đời sống động vật như đất giàu lưu huỳnh (đất gypseux), giàu magiê (đất đolômit), đất giàu kẽm (calamine)....Ở những loại đất này các loài động vật rất hiếm hoặc hầu như không gặp.

- Sinh vật sống trong đất vô cùng đa dạng và phong phú, từ những vi sinh vật, tảo đơn bào, động vật nguyên sinh đến những động vật khấc như giun, chân khớp, các loài thú nhỏ sống trong hang. Chúng không những là thành viên của hệ sinh thái đất mà còn tham gia vào quá trình hình thành đất.

Sự phân bố của các nhóm loài sinh vật phụ thuộc vào đặc tính của các nhóm đất, nước và nguồn dinh dưỡng chứa trong đất. Chẳng hạn, các loài giun đất thường sống ở nơi đất có độ ẩm cao, giàu mùn; các loài mối cần độ ẩm của không khí trong đất trên 50%, loài giun biển Arenicola marina sống trong các bãi cát bùn chứa tới 24% nước. Trong những điều kiện hay lượng nước thấp, các loài sinh vật buộc phải di chuyển đến những nơi thích hợp, bằng không nhiều loài phải chuyển sang dạng "ngủ" hay sống tiềm sinh trong kén.

4.4. Ảnh hưởng của đất đối với thực vật.

Chế độ ẩm, độ thoáng khí, nhiệt độ cùng với cấu trúc của đất (nhất là đất tầng mặt) đã ảnh hưởng đến sự phân bố các loài thực vật (đất nào cây đó) và hệ rễ của chúng.

Hệ rễ của thực vật phân bố khác nhau tùy theo dạng sống của cây và tùy theo loại đất. Chẳng hạn như đối với cây gỗ ở những vùng đóng băng chúng phân bố nông và rộng, ở nơi không có băng rễ phân bố sâu để hút nước đồng thời có rễ phân bố ở lớp mặt để lấy các chất khoáng. Đặc biệt ở các núi đá vôi do thiếu chất dinh dưỡng và giá thể cứng (đá) nên rễ của cây gỗ phân bố len lõi vào các khe hở, có khi chúng bao quanh ôm lấy những tảng đá lớn, để lấy một phần chất khoáng, rễ tiết ra acid hòa tan đá vôi, hoặc như những cây có thân cỏ mọng nước thì phạm vi phân bố rễ trong các hốc đá do nước mưa bào mòn.

Hoặc ở những vùng sa mạc có nhiều loài cây có rễ phân bố rộng trên mặt đất để hút sương đêm, nhưng cũng có loài có rễ phân bố sâu xuống đất để lấy nước ngầm.

Dựa vào nhu cầu dinh dưỡng khoáng của thực vật mà người ta chia ra các dạng :

- Thực vật nghèo dinh dưỡng: Sinh trưởng bình thường trên đất mỏng, nghèo chất dinh dưỡng như thông, bạch đàn.

- Thực vật giàu dinh dưỡng: Sinh trưởng tốt ở đất sâu, có nhiều chất dinh dưỡng như các loài thực vật ở rừng nhiệt đới.

- Thực vật trung dinh dưỡng: sống và sinh trưởng ở vùng đất có độ màu mỡ trung bình.

- Đối với các vi sinh vật:

Trong môi trường đất có một quần xã vi sinh vật đất gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và các nấm hiểm vi (vi nấm).

- Vi khuẩn có số lượng lớn nhất trong đất và chúng có hoạt động đa dạng. Mật độ của chúng thay đổi từ một đến vài tỷ cá thể trong một gam đất.

- Xạ khuẩn là những sinh vật dị dưỡng, mật độ của chúng trong đất khoảng 100.000 cá thể có khi đến hàng triệu cá thể trong một gam đất. Xạ khuẩn có thể chịu được môi trường khô hạn.

- Nấm ở trong đất có mật độ ít hơn hai nhóm trên. Ở đất chua (pH= 4,5- 5,5) nấm chiếm ưu thế vì môi trường không phù hợp vơi hai nhóm trên. Nấm có nhiều vai trò khác nhau trong môi trường đất, ngoài việc phân hủy cellulose, lignin. Nấm có thể lấy các chất hữu cơ và chất kích thích sinh trưởng từ mùn.

4.5. Ảnh hưởng của đất đối với động vật.

- Đối với động vật đất: Động vật đất hay động vật sống trong đất rất đa dạng và phong phú, gồm chủ yếu là động vật không xương sống. Các loài động vật này có kích thước khác nhau từ vài mm đến vài chục mm.

- Các động vật hiển vi bao gồm các động vật nguyên sinh, trùng bánh xe và giun tròn với một số lượng rất lớn. Chúng sống trong nước mao dẫn hoặc ở các màng nước.

- Các động vật mà mắt thường nhìn thấy được gồm các động vật chân đốt, ve, sâu bọ không cánh và có cánh nhỏ, động vật nhiều chân. Chúng di chuyển theo các khe đất nhờ phần phụ hoặc uốn mình theo kiểu giun. Ngoài ra có những loài động vật có kích thước lớn như một số ấu trùng sâu bọ, động vật nhiều chân, giun đốt ... Đối với chúng đất là môi trường chật hẹp, cản trở việc di chuyển. Đối với nhóm động vật này chúng có những thích nghi đặc biệt đối với điều kiện môi trường.

- Đối với động vật lớn ở hang :

Gồm chủ yếu là thú, có nhiều loài sống suốt đời trong hang như chuột bốc xạ (Spalax), chuột hốc thảo nguyên (Ellobius), chuột chũi Á, Âu ... những loài này có nhiều đặc điểm thích nghi với điều kiện sống trong hang tối : Mắt kém phát triển, hình dạng cơ thể tròn; chắc, cổ ngắn, lông rậm và chi trước khỏe....

Ngoài nhóm này, trong số động vật lớn ở hang có những loài kiếm ăn trên mặt đất nhưng sinh sản, ngủ đông và tránh điều kiện bất lợi (khí hậu, kẻ thù) ở trong đất. Ví dụ như chuột vàng (Citellus), chuột nhảy (Allactaga saltalor), thỏ, chồn (Meles). Ngoài những đặc điểm thích nghi với lối sống trên mặt đất (màu sắc lông, chân khỏe ...) chúng còn những đặc điểm thích nghi với lối sống đào hang như có vuốt dài, dầu dẹp và chi trước khỏe (chồn)...

5. Ảnh hưởng của muối khoáng lên đời sống sinh vật

Muối tham gia vào thành phần cấu trúc của chất sống và các thành phần khác của của cơ thể. Đến nay người ta đã biết khoảng 40 nguyên tố hoá học có trong thành phần chất sống. Trong số các nguyên tố trên, 15 nguyên tố đóng vai trò thiết yếu đối với sinh vật. Hai nguyên tố natri và clo rất quan trọng đối với động vật và 8 nguyên tố khác (Bo, crom, coban, fluo, iot, selen, silic,vanadi) cần thiết cho một số nhóm. Những nguyên tố chủ yếu tham gia vào thành phần cấu tạo của protein, gluxit, lipit gồm oxy (oxygen), hydro (Hydogen), cacbon, nitơ (Nitrogen), silic, phốt pho (Phosphor)...thành phần trung bình của các hợp chất trên rất phức tạp, có thể biểu diễn bằng một công thức tổng quát: H2060 O1480 C1480 N16 P18 S.

Các muối dinh dưỡng được sinh vật lấy từ đất hay từ môi trường nước xung quanh mình (đối với sinh vật sống trong nước) để cấu tạo nên cơ thể và tham gia vào các quá trình trao đổi chất của sinh vật, qua đó, cũng như khi sinh vật chết đi, chúng lại được trả lại cho môi trường.

Trong môi trường nước, muối không chỉ là nguồn thức ăn mà còn có vai trò điều hoà áp suất thẩm thấu và ion của cơ thể, duy trì sự ổn định của đời sống trong môi trường mà hàm lượng muối và ion (nhất là các cation) thường xuyên biến động.

Nước và muối đều là nguồn vật chất cung cấp cho đời sống của sinh vật, song nước còn là dung môi hoà tan các loại muối, giúp cho thực vật có khả năng tiếp nhận nguồn muối. Ở môi trường trên cạn, có những nơi giàu muối nhưng khô hạn, thực vật cũng không thể khai thác được nguồn muối để tồn tại và phát triển. Mối quan hệ giữa các loại muối trong môi trường cũng tương tự như muối và nước, Chẳng hạn một cây bị đói muối nitơ thì bộ rễ không sinh trưởng được, và như vậy cây cũng rơi vào tình trạng không hấp thụ được muối photpho, mặc dù trong vùng muối photpho không hiếm..

Trong "dung dịch đất" thành phần và tỷ lệ các muối, tỷ lệ các anion và cation bị biến động do sự biến động của pH hay sự có mặt nhiều hoặc ít các ion H+ và OH-. Trong đất có pH thấp (acid) thì nhôm, sắt, mangan, đồng, kẽm... ở trạng thái hoà tan nhiều trong dung dịch, đôi khi gây độc cho thực vật. Đất có pH = 6,5 - 7,0 thì sắt, nhôm kết tủa hoàn toàn. Phản ứng của dung dịch đất còn ảnh hưởng tới hoạt động của hệ sinh vật đất, qua đó ảnh hưởng đến nguồn muối dinh dưỡng trong đất và cuối cùng đối với đời sống thực vật.

Trong quang hợp của thực vật và trao đổi chất của động vật nhờ các enzym, các enzym này được sử dụng cho sự tăng trưởng và phát triển với những hàm lượng khác nhau. Những nguyên tố cần với số lượng tương đối lớn gọi là những nguyên tố đại lượng, trung bình mỗi loại đạt 0,2% hoặc nhiều hơn theo khối lượng khô của chất hữu cơ. Những nguyên tố vi lượng là những nguyên tố cần với số lượng rất ít hay dạng vết, thường nhỏ hơn 0,2% theo khối lượng khô của chất hữu cơ.

Những nguyên tố đại lượng gồm hai nhóm: Nhóm 1 là các nguyên tố chứa 1% theo khối lượng khô của chất hữu cơ như C, H, O, N, và P; nhóm 2 chỉ chiếm từ 0,2 -1,0% như S, Cl, K, Na, Ca.Mg, Fe và Cu. Chúng đóng vai trò rất quan trọng như thành phần cấu trúc chất nguyên sinh, duy trì sự ổn định acid - baz trong dịch tế bào, xoang cơ thể...

Những nguyên tố vi lượng đã biết As, Bo, Cr, Co, Fl, I, Mn, Mo, Ni, Se, Si, Zn,...Thực tế một số nguyên tố là đại lượng đối với một số loài này, ngược lại một số nguyên tố đại lượng thuộc nhóm thứ 2 lại là vi lượng đối với loài khác, chẳng hạn như Na và Cl là vi lượng đối với một số cây trồng.

Trong môi trường nước, tỷ lệ các loại muối cũng khá ổn định, duy trì sự sống bình thường của các sinh vật thuỷ sinh theo 2 khía cạnh: Chất dinh dưỡng và điều hoà áp suất thẩm thấuvà tỷ lệ các ion trong cơ thể. Ở nước ngọt, muối chính là cacbonat, còn ở biển là natri clorua. Natri clorua được xem là yếu tố giới hạn của sự phân bố đối với 2 nhóm sinh vật nước ngọt và nước mặn.

Liên quan với nồng độ muối hay áp suất thẩm thấu gây ra bởi sự chênh lệch nồng độ muối giữa cơ thể với nồng độ muối của nước, sinh vật biển được chia thành 3 nhóm:

- Sinh vật biến thẩm thấu (poikiloiosmotic)

- Sinh vật đồng thẩm thấu (homoiosmotic)

- Sinh vật giả đồng thẩm thấu (pseudohomoiosmotic)

Nhóm đầu gồm những sinh vật mà áp suất thẩm thấu của cơ thể biến thiên theo sự biến thiên của áp suất thẩm thấu môi trường. Nhóm thứ 2 gồm những sinh vật có áp suất thẩm thấu của cơ thể ổn định độc lập với sự biến động của áp suất môi trường và chúng có cơ chế điều hoà riêng. Nhóm cuối cùng là những sinh vật biến thẩm thấu, nhưng sống trong điều kiện độ muối của môi trường ổn định.

Những sinh vật sống ở nước ngọt và nước mặn đều là những loài hẹp muối so với sinh vật ở nước lợ, rộng muối.

Giữa nước ngọt và nước mặn, còn gặp những loài di cư hoặc từ sông ra biển (Katadromy) hoặc từ biển vào sông (Anadromy). Chúng có cơ chế riêng điều chỉnh áp suất cả 2 chiều, khi tiến hành di cư từ môi trường này đến môi trường khác.

6. Các chất khí và ảnh hưởng đối với sinh vật.

Thành phần các khí của khí quyển từ lâu đã ổn định một cách tuyệt vời, ngoại trừ con người đang huỷ hoại sự cân bằng đó bằng các hoạt động của mình.

Trong khí quyển (atmosphere), trữ lượng khí chính (khoảng 70%) nằm trong một lớp mỏng gần mặt đất gọi là tầng đối lưu (troposphere) với bề dày 16-18 km ở xích đạo và 9 km ở hai cực. Trong tầng này luôn luôn có chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung nóng từ mặt đất nên thành phần khí khá đồng nhất. Tầng đối lưu gồm 2 lớp:

- Lớp dưới: dày 3 km, chịu tác động của các yếu tố địa lý (vĩ độ, địa hình, đại dương...) và chứa chủ yếu là hơi nước, bụi và các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, mưa đá, tuyết, bão...

- Lớp trên là khí quyển tự do (tropopause).

Sự chu chuyển của khí tầng đối lưu có tác động điều chỉnh thời tiết và những biến đổi của nó.

Phía trên tầng đối lưu là tầng bình lưu (stratosphere). Ở tầng này sự phân bố của khí phụ thuộc vào mật độ của chúng. Độ cao của tầng này lên đến 80 km với nhiệt độ tăng dần. Đáy của tầng bình lưu là lớp ozôn (O3) rất mỏng với hàm lượng khoảng 7-8ppm, nhưng hấp thụ tới 90% lượng bức xạ tử ngoại, chỉ cho qua 10%, đủ thuận lợi cho sự sống của các loài sinh vật. Tầng ozôn hiện tại đang bị huỷ hoại và bị thủng thành lỗ lớn do hoạt động của con người.

Phía trên tầng bình lưu là tầng trung lưu (mesosphere), ở tầng này nhiệt độ lại giảm theo chiều cao. Tiếp theo tầng trung lưu là tầng nhiệt quyển (thermosphere), nơi nhiệt độ bắt đầu tăng theo độ cao. Cuối cùng là tầng ngoại quyển (exosphere) bắt đầu từ độ cao 500 km trở lên.

Không khí nhờ sự chuyển động không ngừng mà đảm bảo cho nó có phần ổn định. Không khí là hỗn hợp các chất có dạng khí, có thành phần là 78% nitơ (N2), 21% oxy (O2), 0,03% carbonic (CO2), 0,93% argon (Ar), 0,005% helium (He).... Ngoài ra, không khí còn chứa một hàm lượng hơi nước nhất định, các hợp chất bẩn ở thể rắn hay thể khí, trước hết là SO2, các chất chứa nitơ dễ bay hơi, các chất galogen, bụi.

Những khí đóng vai trò quan trọng trong khí quyển là oxy (O2), cacbon dioxyt (CO2), nitơ (N2)...chi phối đến mọi hoạt động của sinh giới.

6.1 oxy (O2) : O2 cần thiết cho sinh vật trong quá trình hô hấp, tham gia vào quá trình oxy hoá hoá học và oxy hoá sinh học. Khí quyển rất giàu O2, chiếm gần 21% thể tích.

Đối với khí quyển, O2 ít trở thành yếu tố giới hạn, nhưng trong môi trường nước, ở nhiều trường hợp lại trở thành rất thiếu (yếu tố giới hạn), đe doạ đến cuộc sống nhiều loài, nhất là trong các thuỷ vực nông hoặc trong các thuỷ vực phú dưỡng (Eutrophication). Hàm lượng O2 trong nước rất biến động do hô hấp của sinh vật, do sự phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ bởi vi sinh vật và do các quá trình oxy hoá hay yếu tố vật lý khác như khi nhiệt độ nước và hàm lượng muối tăng thì hàm lượng O2 giảm, nhiều trường hợp bằng 0, nhất là khi mặt nước bị phủ váng dầu, trong khối nước chứa nhiều hợp chất hữu cơ đang bị phân huỷ...

Các loài sinh vật sống trong nước có nhiều hình thức thích nghi với những biến đổi của hàm lượng O2 như có vỏ mỏng, dễ thấm O2, có các cơ quan hô hấp phụ bên cạnh các cơ quan hô hấp chính, mở rộng lá mang, tăng bề mặt tiếp xúc với môi trường nước, tăng lượng hemoglobin trong huyết tương khi hàm lượng O2 giảm, có quá trình hô hấp nội bào hoặc sống tiềm sinh khi thiếu O2, nhiều loài còn có khả năng tiếp nhận O2 tự do từ khí quyển qua da (các đại diện của Periophthalmidae, Amphibia...) hay qua ống ruột hay qua các cơ quan trên mang (cá thuộc họ Claridae, Ophiocephalidae, Anabantidae...), một số cây ngập mặn vùng ngập triều còn phát triển hệ thống rễ thở như các loài thuộc họ Mắm (Avicenniaceae), họ Bần (Sonneratiaceae), họ Đước (Rhizophoraceae).

6.2. Khí dioxit cacbon (CO2)

Khí CO2 chiếm một lượng nhỏ trong khí quyển, khoảng 0,03% về thể tích, hàm lượng này thay đổi ở các môi trường khác nhau. Ở môi trường đất, trong các lớp đất sâu, khi hàm lượng CO2 tăng còn O2 giảm thì quá trình phân huỷ các chất bởi vi sinh vật sẽ chậm lại hoặc sản phẩm cuối cùng của sự phân huỷ sẽ khác đi so với điều kiện thoáng khí.

Mặc dầu hàm lượng CO2 trong khí quyển thấp, song CO2 hoà tan cao trong nước, ngoài ra trong nước còn được bổ sung CO2 từ hoạt động hô hấp của sinh vật và từ sự phân huỷ các chất hữu cơ từ nền đáy...do vậy mà giới hạn cuối cùng của CO2 không có giá trị gì so với O2. Hơn nữa CO2 trong nước đã tạo nên 1 hệ đệm, duy trì sự ổn định của giá trị pH ở mức trung bình, thuận lợi cho đời sống của sinh vật thuỷ sinh.

Nguồn dự trữ CO2 quan trọng trong nước hay trong khí quyển nói chung rất lớn, tồn tại dưới các dạng CaCO3 và các hợp chất hữu cơ có chứa C (các nhiên liệu hoá thạch (than đá), dầu mỏ và khí đốt)

Hiện tại, hàm lượng CO2 trong khí quyển đang ngày một gia tăng do hoạt động của con người. Hậu quả môi trường của hiện tượng đó rất lớn

6.3. Khí Nitơ (Nitrogen - N2)

Khí N2 là một khí trơ, không có hoạt tính sinh học đối với phần lớn các loài sinh vật. Khí này chiếm tỷ lệ lớn trong khí quyển, tham gia vào thành phần cấu tạo của protein qua sự hấp thụ NO3- và NH4+ của thực vật. Qua các nghiên cứu cho biết rằng do sự cố định sinh học, hằng năm trong khí quyển hình thành 92 triệu tấn N2 liên kết và cũng mất đi do các phản ứng phản nitrat 93 triệu tấn (C.C. Delwiche, 1970).

Quá trình điện hoá và quang hoá hàng năm cũng tạo thành cho sinh quyển khoảng 40 triệu tấn N2 liên kết.

Hiện nay, từ sự phát triển của công nghiệp, con người đã phát thải vào khí quyển một lượng nitơ oxyt (NOx) khá lớn, trên 70 triệu tấn mỗi năm. Nitơ dioxyt (NO2) cũng có thể làm tăng quá trình tổng hợp protein thông qua dãy khử NO2- đến amôn và axit amin, song nitơ dioxyt nói chung rất nguy hiểm, chúng là chất tiền sinh của peroxyaxetyl nitrat (PAN), rất độc đối với đời sống của thực vật. PAN xâm nhập vào lá qua lỗ khí, có tác dụng hạn chế cường độ quang hợp do lục lạp bị tổn thương, kìm hãm việc chuyển các điện tử và làm nhiễu loạn hệ ezym có liên quan đến quá trình quang hợp .

2. Các yếu tố sinh học

Các yếu tố sinh học rất đa dạng, tạo nên sự gắn bó mật thiết giữa sinh vật với sinh vật, đưa đến sự chu chuyển của vật chất và sự phân tán năng lượng trong các hệ sinh thái. Chúng được xếp trong tám nhóm chính sau đây (bảng 1)

Bảng 1. Các mối quan hệ chính giữa sinh vật với sinh vật

tt Các mối tương tác Các loại Đặc trưng của mối tương tác Ví dụ

1 2 Loài 1 Loài 2

1 Trung tính

(Neutralism)

0

0 Hai loài không gây ảnh hưởng cho nhau Khỉ, Hổ Chồn, Bướm

2 Hãm sinh

(Amensalism)

0

- Loài 1 gây ảnh hưởng lên oài 2, loài 1 không bị ảnh hưởng Vi khuẩn lam Động

vật nổi

3 Cạnh tranh

(Competition)

-

- Hai loài gây ảnh hưởng lẫn nhau Lúa, Báo Cỏ dại

Linh cẩu

4 Con mồi - vật dữ

(Predation)

-

+ Con mồi bị vật dữ ăn thịt, con mồi có kích thước nhỏ; số lượng đông, vật dữ có kích thước lớn, số lượng ít Chuột

Nai Mèo,

Hổ

5 Vật chu - ký sinh

(Parasitism)

-

+ Vật chủ có kích thước lớn, số lượng ít, vật ký sinh có kích thước nhỏ, số lượng đông Gia cầm, Gia súc Giun,

Sán

6 Hội sinh

(Commensalism)

+

0 Loài sống hội sinh có lợi,, loài được hội sinh không có hại và chẳng có lợi Cua, Cá bống Giun

Erechis

7 Tiền hợp tác (Pro-

Tocooperation)

+

+ Cả hai loài có lợi nhưng không bắt buộc Sáo Trâu

8 Cộng sinh hay hỗ sinh (Symbiose, Mutualism)

+

+ Cả hai đều có lợi, nhưng bắt buộc phải sống vơi nhau Nấm,

San hô,

Vi sinh vật Tảo,

Tảo,

Trâu, bò

Trong 8 mối quan hệ trên ta có thể gộp lại thành 3 nhóm lớn: Mối quan hệ bàng quan (hay trung tính), các mối tương tác âm (hãm sinh, cạnh tranh, vật dữ - con mồi, ký sinh - vật chủ) và các mối tương tác dương (hội sinh, tiền hợp tác và cộng sinh). Những mối tương tác trên sẽ được trình bày chi tiết ở chương quần thể và quần xã sinh vật.

Chương 2

QUẦN THỂ SINH VẬT

I. Định nghĩa

Quần thể là nhóm cá thể cùng một loài hoặc dưới loài, khác nhau về giới tính; về tuổi và về kích thước, phân bố trong vùng phân bố của loài, chúng có khả năng giao phối tự do với nhau (trừ dạng sinh sản vô tính) để sinh ra các thế hệ mới hữu thụ.

Ví dụ: quần thể cá mòi cờ hoa (Clupanodon thrissa L.) di cư vào sông Hồng để sinh sản, quần thể cây thông (Pinus merkusiana Cool et Gaus.) sống ở đồi Thiên An.

Quần thể là một tổ chức sinh học ở mức cao, được đặc trưng bởi những tính chất mà cá thể không bao giờ có như cấu trúc về giới tính, về tuổi, mức sinh sản, mức tử vong - sống sót và sự dao động số lượng cá thể của quần thể...

Những loài nào có vùng phân bố hẹp, điều kiện môi trường khá đồng nhất thường hình thành một quần thể (loài đơn hình: Monomorphis). Ngược lại, những loài có vùng phân bố rộng, điều kiện môi trường không đồng nhất ở những vùng khác nhau của vùng phân bố thì thường tạo nên nhiều quần thể thích nghi với các điều kiện đặc thù của từng địa phương (loài đa hình: Polymorphis). Tính đa hình càng lớn, loài càng dễ dàng thích nghi với sự biến động có tính chu kỳ hay bất thường của các yếu tố môi trường trong vùng phân bố rộng của mình.

Ý nghĩa sinh học quan trọng của quần thể là khả năng khai thác nguồn sống, trước hết là năng lượng một cách hợp lý nhất. Chiến lược năng lượng tối ưu là khuynh hướng chủ đạo để xác lập và phát triển cấu trúc của quần thể.

Đối với con người, ý nghĩa quan trọng nhất của quần thể là khả năng hình thành sinh khối của nó hay khả năng tạo nên chất hữu cơ dưới dạng các cơ thể sinh vật mà con người có thể lựa chọn cho mục đích sử dụng của mình (những sản phẩm có lợi, không có lợi, có hại).

II. Cấu trúc của quần thể

Các quần thể sinh vật không đồng nhất về các thành phần và sự phân bố của các cá thể trong không gian. Đặc tính cấu trúc của quần thể được thể hiện trên nhiều khía cạnh khác nhau như kích thước và mật độ, cấu trúc tuổi, cấu trúc giới tính và sinh sản...

1. Kích thước và mật độ của quần thể

1.1. Kích thước

Kích thước của quần thể là số lượng (số cá thể) hay khối lượng (g, kg, tạ ...) hay năng lượng (kcal hay calo) tuyệt đối của quần thể, phù hợp với nguồn sống và không gian mà quần thể chiếm cứ.

Những quần thể phân bố trong không gian rộng, nguồn sống dồi dào có số lượng đông hơn so với những quần thể có vùng phân bố hẹp và nguồn sống bị hạn chế.

Trong điều kiện nguồn sống bị giới hạn, những loài có kích thước cá thể nhỏ thường tồn tại trong quần thể đông, nhưng sinh khối (khối lượng sinh vật hay sinh vật lượng) lại thấp, ví dụ: vi khuẩn, các vi tảo..., ngược lại những loài có kích thước cá thể lớn hơn lại có kích thước quần thể nhỏ nhưng sinh khối lại cao, ví dụ như thân mềm, cá, chim, các loài cây gỗ.... Nguồn dinh dưỡng là nhân tố kiểm soát số lượng quần thể và kích thước của các cá thể.

Kích thước của quần thể trong một không gian và một thời gian nào đó được diễn tả theo công thức tổng quát sau:

Nt = N0 + B - D + I - E

Trong đó: Nt : Số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t

N0 : Số lượng cá thể của quần thể ban đầu, t = 0

B: Số cá thể do quần thể sinh ra trong khoãng thời gian từ t0 đến t

D: Số cá thể của quần thể bị chết trong khoãng thời gian từ t0 đến t

I: Số cá thể nhập cư vào quần thể trong khoãng thời gian từ t0 đến t

E: Số cá thể di cư khỏi quần thể trong khoãng thời gian từ t0 đến t.

Ở một số quần thể sinh vật cố định như thực vật bậc cao, trong quá trình khảo sát kích thước quần thể người ta thường bỏ qua hai thông số nhập cư và xuất cư.

1.2. Mật độ của quần thể

Mật độ của quần thể là số lượng, khối lượng, năng lượng của quần thể tính trên một đơn vị diện tích hay thể tích mà quần thể đó sinh sống. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà người ta sử dụng các đơn vị đo lường mật độ khác nhau.

Mật độ như một tín hiệu sinh học, thông tin cho quần thể về trạng thái số lượng của mình nhiều hay ít để tự điều chỉnh. Khi mật độ quá cao, không gian sống trở nên chật hẹp, mức ô nhiễm tăng; nguồn thức ăn, nước uống suy giảm, sự cạnh tranh trong nội bộ loài tăng. Những hiện tượng trên dẫn đến giảm mức sinh sản, nhưng mức tử vong tăng, và do đó kích thước quần thể tự điều chỉnh theo hướng thu hẹp, phù hợp với sức chịu đựng của môi trường. Nếu mật độ của quần thể lại quá thấp sẽ xuất hiện một bức tranh hoàn toàn ngược lại.

Như vậy mỗi loài, mỗi quần thể của loài trong những điều kiện sống cụ thể của mình đều có một mật độ xác định - một chỉ số đóng vai trò quan trọng trong cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể.

Để xác định mật độ của quần thể, người ta xây dựng nên nhiều phương pháp, phù hợp với những đối tượng nghiên cứu khác nhau.

- Đối với vi sinh vật, phương pháp xác định mật độ là đếm khuẩn lạc trong môi trường nuôi cấy từ một thể tích xác định của dung dịch chứa chúng.

- Đối với thực vật nổi và động vật nổi (phytoplankton và zooplankton), mật độ được xác định bằng cách đếm các cá thể của một thể tích nước xác định trong những phòng đếm đặc biệt trên kính lúp, kính hiển vi...

- Đối với thực vật, động vật đáy (loài ít di động) mật độ được xác định trong các ô tiêu chuẩn. Những ô tiêu chuẩn này được phân bố trên những điểm và tuyến (hoặc lát cắt) chìa khoá trong vùng nghiên cứu.

- Đối với cá sống trong các thuỷ vực, nhất là trong các thuỷ vực nội địa, người ta sử dụng phương pháp đánh dấu, thả ra, bắt lại và sử dụng các công thức sau để từ đó suy ra mật độ:

N = (Petersen, 1896) hoặc

N = (Seber, 1982)

Trong đó: N: Số lượng cá thể của quần thể

M: Số cá thể được đánh dấu ở lần thu mẫu đầu tiên

C: Số cá thể bắt được ở lần lấy mẫu thứ 2

R: Số cá thể có đánh dấu xuất hiện ở lần thu mẫu thứ 2

Đối với những nhóm động vật lớn (như các loài chim, thú) ngoài việc quan sát trực tiếp (nếu có thể) còn sử dụng những phương pháp gián tiếp như đếm số tổ chim (những chim định cư, biết làm tổ), dấu chân (của thú) trên đường đi kiếm ăn, số con bị mắc bẫy trong một ngày đêm... Để có được số liệu đáng tin cậy thì những quan sát, những nghiên cứu cần được tiến hành liên tục hoặc theo những chu kỳ xác định được lập đi lập lại nhiều lần và bằng sự phối hợp nhiều phương pháp trên một đối tượng cũng như ứng dụng các phương tiện kỹ thuật hiện đại (ghi âm, ghi hình, đeo các phương tiện phát tín hiệu...)

2. Cấu trúc không gian của quần thể

2.1. Các dạng phân bố của cá thể

Cấu trúc không gian của quần thể được hiểu là sự chiếm cứ không gian của các cá thể. Các cá thể của quần thể phân bố trong không gian theo 3 cách: phân bố đều, phân bố theo nhóm (hay điểm) và

phân bố ngẫu nhiên.

Phân bố đều: Gặp ở những nơi môi trường đồng nhất (nguồn sống phân bố đồng đều trong vùng phân bố) và sự cạnh tranh về không gian giữa các cá thể rất mạnh hoặc tính lãnh thổ của các cá thể rất cao.

Phân bố ngẫu nhiên: Gặp trong trường hợp khi môi trường đồng nhất, hoặc các cá thể không có tính lãnh thổ cao, cũng không có xu hướng hợp lại với nhau thành nhóm.

Phân bố theo nhóm rất thường gặp trong thiên nhiên khi môi trường không đồng nhất và các cá thể có khuynh hướng tụ tập lại với nhau thành nhóm hay thành những điểm tập trung. Đây là hình thức phân bố phổ biến trong tự nhiên.

2.2. Sự tụ họp, nguyên lý Allee và vùng an toàn.

Trong cấu trúc nội tại của hầu hết các quần thể ở những thời gian khác nhau thường xuất hiện những nhóm cá thể có kích thước khác nhau, tạo nên sự tụ họp của các cá thể. Điều này có liên quan đến những nguyên nhân sau:

+ Do sự khác nhau về điều kiện môi trường cục bộ của nơi sống.

+ Do ảnh hưởng của sự biến đổi điều kiện thời tiết theo ngày đêm hay theo mùa.

+ Liên quan đến quá trình sinh sản của loài .

+ Do tập tính xã hội ở các động vật bậc cao.

Mức độ tụ họp cũng như mật độ lớn mà trong đó sự tăng trưởng và sự sống sót của các cá thể đạt được tối ưu (optimum) lại thay đổi ở những loài khác nhau và trong những điều kiện khác nhau. Vì thế sự "thưa dân" (không có tụ họp) hay "quá đông dân" đều gây ra những ảnh hưởng giới hạn. Đó chính là nguyên lý Allee.

Dạng tụ họp đặc biệt gọi là sự "hình thành vùng cư trú an toàn". Ở đây những nhóm động vật có tổ chức xã hội thường cư trú ở phần trung tâm thuận lợi nhất, từ đó chúng toả ra vùng xung quanh để kiếm ăn hay để thoả mản các nhu cầu khác rồi lại trở về trung tâm. Một số trong những loài động vật thích nghi nhất với các điều kiện sống trên mặt đất đã sử dụng chiến lược này, trong đó gồm cả sáo đá và con người (Odum, 1983).

Ở thực vật sự tụ họp liên quan chủ yếu đến sự khác biệt về điều kiện sống, những biến đổi về thời tiết hay sinh sản. Trong điều kiện tụ họp, thực vật chống chọi với gió to, sóng lớn, giảm sự thoát hơi nước, duy trì nguồn lá rụng làm "phân bón" khi bị phân huỷ, tuy nhiên trong sự tụ họp các cá thể phải chia sẻ muối khoáng, ánh sáng. ở động vật, hậu quả của sự tụ họp là nạn ô nhiễm do chất tiết, chất thải từ chúng, song mặt lợi được đền bù là sự bảo vệ, chống chọi với kẻ thù tốt hơn, nhiều loài (ví dụ như cá) sống ổn định hơn trong hoàn cảnh nước bị nhiễm độc nhờ sự trung hoà của chất tiết và chất nhày từ cá.

Nhiều loài chim sống đàn không thể sinh sản có kết quả nếu như chúng sống thành nhóm quá nhỏ (Darling, 1983). W.C. Allee cũng chỉ ra rằng, sự hợp tác nguyên thuỷ (tiền hợp tác) như thế còn gặp ở nhiều loài động vật bắt đầu có tổ chức xã hội sơ khai và đạt tới mức hoàn thiện ở xã hội loài người.

2.3. Sự cách ly và tính lãnh thổ

Những yếu tố đưa đến sự cách ly hay sự ngăn cách của các cá thể, các cặp hay những nhóm nhỏ của một quần thể trong không gian là do:

+ Sự cạnh tranh về nguồn sống ít ỏi giữa các cá thể

+ Tính lãnh thổ, kể cả những phản ứng tập tính ở động vật bậc cao hay những cơ chế cách ly về mặt hoá học (chất kháng sinh...) ở thực vật, vi sinh vật, động vật bậc thấp.

Trong cả 2 trường hợp đều đưa đến sự phân bố ngẫu nhiên hay phân bố đều của các cá thể trong không gian. Vùng hoạt động của các cá thể, của một cặp hay một nhóm gia đình động vật có xương sống hay không xương sống bậc cao thường bị giới hạn về không gian. Không gian đó được gọi là phần "đất" của gia đình hay cá thể. Nếu phần đất này được bảo vệ nghiêm ngặt, không chồng chéo sang phần của "láng giềng" thì được gọi là lãnh thổ.

Tính lãnh thổ được bộc lộ rõ nét ở động vật có xương sống, một số chân khớp (Arthropoda) có tập tính sinh sản phức tạp, xuất hiện khi xây tổ đẻ trứng và bảo vệ con non.

Ngược với sự tụ họp, sự cách ly của các cá thể trong quần thể có thể làm giảm cạnh tranh về nguồn sống thiết yếu hoặc đảm bảo những cái cần cho những chu kỳ sinh sản phức tạp (ở chim). Trong thiên nhiên cách sống tụ họp và cách ly xuất hiện ngay trong các cá thể của quần thể và biến đổi phụ thuộc vào hoạt động chức năng cũng như các điều kiện khác nhau ở từng giai đoạn của chu kỳ sống. Ví dụ, cách ly lãnh thổ trong khi sinh sản, họp đàn trong trú đông, trong săn mồi.

Ở những nhóm tuổi khác nhau hay khác nhau về giới tính, các cá thể cũng chọn cách sống khác nhau, chẳng hạn như con non thích sống tụ họp, con trưởng thành thích sống cách ly.

3. Thành phần tuổi

Quần thể bao gồm nhiều cá thể do vậy gồm nhiều nhóm tuổi, chúng có quan hệ mật thiết với nhau về mặt sinh học, tạo nên cấu trúc tuổi của quần thể. Tuổi là khái niệm để chỉ thời gian sống và đã sống của cá thể, tuổi được tính theo các đơn vị thời gian khác nhau, tuỳ thuộc vào đời sống cá thể dài hay ngắn (giờ, ngày, tuần, tháng năm hoặc số lần lột xác).

Tỷ lệ giữa các nhóm tuổi của từng thế hệ có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu sinh thái học và trong thực tế sản xuất. Nếu xếp chồng số lượng các nhóm tuổi theo các thế hệ từ non đến già ta có tháp tuổi.

Cấu trúc tuổi của các quần thể khác nhau của loài hay của các loài khác nhau có thể phức tạp hay đơn giản, liên quan với tuổi thọ trung bình của quần thể hay của loài cao hay thấp. Chẳng hạn cấu trúc tuổi của quần thể cá mòi cờ hoa (Clupanodon thrissa) ở vùng cửa sông Hồng gồm 5 nhóm tuổi (Vũ Trung Tạng, 1971, 1997), đơn giản hơn so với cấu trúc tuổi của cá trích (Clupea harengus) sống ở các vực nước ôn đới có tuổi dao động từ 10 - 25 tuổi (Nikolski, 1974). Ngay trong loài (Clupanodon thrissa), quần thể cá di cư vào hạ lưu sông Hồng sinh sản cũng có cấu trúc tuổi đơn giản hơn so với quần thể cá sống ở biển (Vũ Trung Tạng, 1997).

Sự sai khác về tỷ lệ các nhóm tuổi trong quần thể, theo Nikolski (1974) không phải là hiện tượng ngẫu nhiên mà mang tính thích nghi rõ rệt.

Cấu trúc tuổi của quần thể thay đổi theo chu kỳ (chu kỳ ngày đêm, chu kỳ tuần trăng và chu kỳ mùa...) liên quan với sự hình thành những thế hệ mới theo chu kỳ.

Trong điều kiện thuận lợi, cấu trúc tuổi thay đổi theo hướng nâng cao vai trò của nhóm tuổi trẻ, còn trong điều kiện khó khăn thì sự thay đổi theo hướng ngược lại.

Trong điều kiện môi trường không ổn định, tỷ lệ các nhóm tuổi thường biến đổi khác nhau do chúng phản ứng khác nhau với cùng cường độ tác động của các yếu tố môi trường. Khi điều kiện môi trường ổn định, tỷ lệ của các nhóm tuổi của quần thể mới được xác lập một cách ổn định vững chắc và mang đặc trưng của loài.

Trong nghiên cứu sinh thái học người ta chia đời sống của cá thể thành 3 giai đoạn tuổi:

+ giai đoạn tuổi I: trước sinh sản

+ giai đoạn tuổi II: đang sinh sản

+ giai đoạn tuổi III: sau sinh sản.

Do đó trong quần thể hình thành 3 nhóm tuổi tương ứng. Mỗi nhóm có ý nghĩa sinh thái khác nhau, tham gia vào cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể.

- Nhóm trước sinh sản là những cá thể chưa có khả năng sinh sản. Sự tăng trưởng của cá thể xảy ra chủ yếu là tăng kích thước và khối lượng. Cơ quan sinh dục và sản phẩm sinh dục đang phát triển để đạt đến trạng thái thành thục ở dạng trưởng thành. Nhóm này là lực lượng bổ sung cho nhóm sinh sản của quần thể.

- Nhóm đang sinh sản là lực lượng tái sản xuất của quần thể. Tuỳ từng loài mà nhóm này sinh sản 1 lần hay nhiều lần trong đời. Sức sinh sản lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tiềm năng sinh học của mỗi loài và thích nghi với mức tử vong cao hay thấp.

- Nhóm sau sinh sản gồm những cá thể không có khả năng sinh sản nữa và chúng có thể sống đến cuối đời.

Khi xếp các nhóm tuổi này kế tiếp lên nhau từ nhóm tuổi I đến nhóm tuổi III, cũng tương tự như khi xếp các thế hệ ta có tháp tuổi, nhưng ở đây cho phép đánh giá xu thế phát triển số lượng của quần thể cũng như một số các ý nghĩa khác.

Từ hình trên có thể thấy rằng quần thể A là quần thể trẻ, đang phát triển do nhóm tuổi trước sinh sản chiếm ưu thế, quần thể B là ổn định khi nhóm tuổi trước sinh sản và đang sinh sản có số lượng xấp xỉ như nhau, quần thể C là quần thể già, tỷ lệ nhóm tuổi trước sinh sản nhỏ hơn so với nhóm đang sinh sản. Điều đó chỉ ra rằng quần thể này đang trong xu thế suy thoái.

Trong sinh giới không phải tất cả các loài đều có 3 nhóm tuổi, có loài có đầy đủ cả 3 nhóm tuổi, nhưng cũng có loài chỉ có nhóm tuổi trước sinh sản và nhóm đang sinh sản, không có nhóm tuổi sau sinh sản. Một số loài cá chình (Anguilla sp.); cá hồi (Salmo sp); cá cháo lớn (Megalops cyprinoides) không có nhóm sau sinh sản vì khi đẻ trứng xong, chúng kiệt sức và chết ngay lập tức. Hơn nữa độ dài (tuổi) của mỗi nhóm sinh thái ở các loài khác nhau hoàn toàn không giống nhau và thậm chí còn thay đổi ngay trong một loài, phụ thuộc vào điều kiện sống, sự chăm sóc lứa tuổi còn non và tuổi già. Ví dụ như ở nhiều loài động vật, nhất là côn trùng, thời kỳ trước sinh sản rất dài, thời kỳ sinh sản và sau sinh sản rất ngắn như thiêu thân, ve sầu, chuồn chuồn...ở một số loài chuồn chuồn, thời kỳ trứng và ấu trùng kéo dài 2 năm, sau khi lột xác thành dạng trưởng thành chỉ sống 4 tuần và đẻ trong 1 hoặc 2 ngày. Ở một số loài chim và thú có thời gian sau sinh sản dường như rất ngắn hoặc không có. Ví dụ, nai đuôi đen sống ở đồng cỏ cứng có khả năng sinh sản cho tới khi chết ở tuổi thứ 10, có thể mô tả tháp tuổi sinh thái như sau: 42% số cá thể của quần thể thuộc nhóm trước sinh sản, 58% số cá thể của quần thể đang sinh sản; trong đó 29% thuộc tuổi 1-3 và 29% thuộc tuổi 3-10.

Ở thực vật, một số loài thông sống trên 200 năm, sinh sản trước 10 tuổi, trong khi đó phần lớn thực vật hạt kín cũng với tuổi thọ trên 200 năm, nhưng tuổi trước sinh sản kéo dài tối thiểu 20 năm. Nhìn chung, thời kỳ trước sinh sản của thực vật hạt kín so với đời sống có tỷ lệ 1:10. Những cây có thời kỳ trước sinh sản ngắn thì tuổi thọ cũng thấp, còn loài nào có thời kỳ trước sinh sản dài thì thời kỳ sinh sản và tuổi thọ dài (Kormondy, 1996)

Cấu trúc tuổi và tháp tuổi ở người cũng không sai khác với các tháp chuẩn ở trên. Ở đây cũng có các dạng tháp tuổi đặc trưng cho dân số ở những nước đang phát triển (tháp trẻ), nước phát triển (tháp ổn định) và những nước có dân số "già" (tháp suy thoái).

4. Cấu trúc giới tính và cấu trúc sinh sản

Sự phân chia giới tính là hình thức cao trong sinh sản của sinh giới. Nhờ đó trong sinh sản có sự trao đổi chéo và kết hợp gen giữa các cá thể, tạo nên thế hệ con cái có sức sống cao hơn.

Cấu trúc giới tính là cơ cấu quan trọng của quần thể, mang đặc tính thích ứng đảm bảo hiệu quả sinh sản của quần thể trong những điều kiện thay đổi của môi trường.

Trong thiên nhiên, tỷ lệ chung giữa con đực và con cái là 1:1, song tỷ lệ này biến đổi khác nhau ở từng loài và khác nhau ở các giai đoạn khác nhau trong đời sống ngay trong một loài, đồng thời còn chịu sự chi phối của các yếu tố môi trường (tập tính sống).

- Cấu trúc giới tính bậc I (giống bậc I): là tỉ lệ giữa số lượng cá thể đực và cái của trứng đã thụ tinh. Tỉ lệ này xấp xỉ 1:1 ở đa số các loài động vật.

- Cấu trúc giới tính bậc II (giống bậc II): là tỉ lệ đực/cái ở giai đoạn trứng nở hoặc con non mới sinh. Tỉ lệ này xấp xỉ 1:1 ở đa số các loài động vật.

- Cấu trúc giới tính bậc III (giống bậc III): là tỉ lệ đực/cái ở giai đoạn cá thể trưởng thành.

Cấu trúc giới tính bậc III khác nhau ở các loài khác nhau, đặc biệt quan trọng và có liên quan với tập tính sinh dục và tiềm năng sinh sản ở các loài. ở ngỗng, vịt, gà gô Mỹ (Tinamidae), cun cút (Turnicidae), thỏ (Salvilagus) có cấu trúc giới tính bậc III là 60 đực/40 cái. Những loài đa thê (ở nhiều loài như gà, vịt, hươu, nai...) có số lượng cá thể cái nhiều hơn cá thể đực gấp 2-3 lần, thậm chí đến 10 lần. Cấu trúc giới tính bậc III không ổn định mà thay đổi tuỳ tập tính sinh dục và sinh sản của từng loài chẳng hạn như ở thằn lằn, rắn độc, bò cạp...sau mùa sinh dục (giao phối) số lượng cá thể đực giảm xuống, sau đó lại xấp xỉ bằng nhau. Điều này phụ thuộc vào tỷ lệ tử vong không đồng đều giữa cá thể cái và đực. Ngoài ra, tỉ lệ đực cái của quần thể còn thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường, ví dụ như kiến nâu rừng (Formica rufa) đẻ trứng ở nhiệt độ thấp hơn 200C thì trứng nở ra hoàn toàn cá thể cái, nhưng ở những nơi có nhiệt độ cao hơn 200C thì trứng nở ra hoàn toàn cá thể đực.

Ở nhiều loài động vật sinh sản lưỡng tính, nhất là động vật thuỷ sinh, có sự biến đổi luân phiên đều đặn giữa các pha đực và pha cái thì cấu trúc giới tính phụ thuộc vào tuổi của cá thể, ví dụ loài tôm Pandalus borealis tham gia vào đàn đẻ trứng ở pha đầu thường là con đực với tuổi 2,5 năm, sau đó chuyển giới tính vào mùa sinh sản tiếp theo. Loài tôm Solenocera membranaela có tuổi thọ 3 năm, nhưng 2 năm cuối đời hoạt động như cá thể cái do vậy trong quần thể số lượng con đực ở dạng trưởng thành rất ít.

Tỷ lệ giữa cá thể đực và cái trong quần thể phụ thuộc trước hết vào đặc điểm di truyền của loài, ngoài ra còn chịu sự kiểm soát của điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ chiếu sáng và thời gian chiếu sáng.

Tỷ lệ giới tính của quần thể còn biến đổi khác nhau trong những giai đoạn khác nhau của đời sống, nhất là ở các giai đoạn trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản.

Cấu trúc sinh sản là trường hợp cụ thể biểu hiện tỷ lệ giới tính trong quá trình sinh sản. Cấu trúc sinh sản trước hết được xác định bởi cấu trúc giới tính chung mang tính chất của loài và cấu trúc giới tính của giai đoạn trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản bởi vì độ dài của từng giai đoạn không đồng nhất ở những loài khác nhau của động vật và thực vật. Cấu trúc này còn phụ thuộc vào cách tham gia sinh sản của các cá thể trong quần thể như kiểu "1 vợ 1 chồng", kiểu "đa thê", "đa phu"...Nhiều loài chim sống thành đôi (chim cánh cụt, yến, bồ câu...), nhiều loài thú như voi biển, hải cẩu sống kiểu gia đình (1 con đực, vài ba con cái và đàn con), trong khi đó loài cá hồi Oncorhynchus gorbuscha trong họ cá hồi (Salmonidae) một con cái thường tham gia đẻ trứng với nhiều con đực (đến 10 con). Ở loài cá Crenilabrus ocellatus một con cái tham gia đẻ trứng với 2 nhóm cá đực, nhóm cá đực lớn lấy tảo Cladophora làm tổ cho cá cái, khi cá cái đẻ trứng nhóm cá đực lớn và nhỏ đều tham gia thụ tinh, nhưng sau đó nhóm cá đực lớn đuổi nhóm cá đực nhỏ ra khỏi tổ và làm nhiệm vụ bảo vệ tổ (Nikolski, 1974).

5. Sự phân dị của các cá thể trong quần thể.

Sự phân dị của các cá thể trong quần thể là một trong những thích nghi quan trọng trong việc sử dụng hiệu quả nguồn sống tiềm tàng của môi trường. Đa dạng không chỉ được thể hiện bằng số lượng loài, nơi sống, các hệ sinh thái, trong đó các loài là những thành viên, mà còn được thể hiện bằng sự biến đổi ngay trong nội bộ vủa loài, bao gồm những biến đổi về gen (Mc Neely & al., 1991).

Sự xuất hiện các quần thể, các nhóm lãnh thổ, nhóm sinh lý, sinh thái... của loài làm giàu các mối quan hệ của loài với môi trường, đồng thời nâng cao khả năng trong việc khai thác và sử dụng môi trường. Tính phân dị của các cá thể trong quần thể được tạo ra bởi cấu trúc như cấu trúc về tuổi, giới tính và sinh sản, trạng thái mùa và nhiều dấu hiệu khác.

Ví dụ: trong quần thể cá Coregonus lavaretus tần suất xuất hiện những cá thể có que mang dài, ngắn rất khác nhau, hoặc như trong quần thể vẹt, cá thể đực có mỏ lớn và khoẻ hơn so với những con cái...liên quan đến việc khai thác các loại thức ăn khác nhau.

Nhờ những biến dị phong phú của các cá thể mà tính ổn định chung của quần thể được nâng cao và sự toàn vẹn của quần thể, của loài được duy trì trong điều kiện môi trường biến động, nhất là khi sinh vật sống trong các vùng chuyển tiếp (ecotone) như bìa rừng, cửa sông...Ngược lại, sự đa dạng về điều kiện môi trường trong không gian và theo thời gian (bao gồm cả nguồn sống) đã có ảnh hưởng quyết định đến tính đa dạng của sinh vật.

III. Mối quan hệ của các cá thể trong quần thể

Mối quan hệ của các cá thể trong quần thể thực chất là mối quan hệ trong nội bộ loài, mối quan hệ này hướng đến việc nâng cao tính ổn định của hệ thống và làm tối ưu hoá mối tương tác giữa quần thể với môi trường, cũng như khả năng đồng hoá và cải tạo môi trường tốt hơn.

1. Những mối tương tác âm

1.1. Cạnh tranh trực tiếp

Cạnh tranh trực tiếp giữa các cá thể trong quần thể xảy ra do tranh giành về nơi ở, nơi làm tổ trong mùa sinh sản, vùng dinh dưỡng... hoặc còn biểu hiện trong việc tranh giành con cái của các cá thể đực trong mùa sinh sản, thường gặp ở nhiều loài động vật, từ động vật không xương sống đến động vật có xương sống như bọ hung, cá chọi, chim, hươu tuần lộc. Tuy đấu tranh quyết liệt nhưng con thua cuộc thì bỏ chạy, không đến mức tiêu diệt kẻ yếu như trong đấu tranh khác loài. Hơn nữa đây cũng là cách chọn lọc con đực khoẻ trong sinh sản, giúp cho thế hệ con sinh ra có sức sống cao hơn.

1.2. Quan hệ ký sinh - vật chủ

Ở một số loài cá sống ở tầng sâu thuộc tổng họ Ceratoidei, loài Edriolychnus schmidtii và Ceratias sp., trong điều kiện sống khó khăn của tầng nước không thể tồn tại một quần thể đông, con đực thích nghi với lối sống ký sinh vào con cái. Do cách sống như vậy, con đực có kích thước rất nhỏ; một số cơ quan tiêu giảm đi (như mắt); cơ quan tiêu hoá biến đổi thành ống chứa dịch; miệng biến thành giác hút, bám vào cơ thể con cái và hút dịch, trừ cơ quan sinh sản là phát triển, đảm bảo đủ khả năng tụ tinh cho cá thể cái trong mùa sinh sản.

1.3. Quan hệ con mồi - vật dữ

Mối quan hệ này thể hiện dưới dạng ăn thịt đồng loại và xuất hiện trong các cá thể của quần thể ở những hoàn cảnh khá đặc biệt. Ví dụ ở cá vược (Perca fluviatilis ) khi điều kiện dinh dưỡng xấu, cá bố mẹ bắt con làm mồi bởi vì cá vược trưởng thành là cá dữ, không có khả năng khai thác nguồn thức ăn khác là các sinh vật phù du (plankton) như các con của mình.

Cá sụn (Chondrichthyes) chủ yếu thụ tinh trong, đẻ ít, trứng và ấu thể phát triển trong tuyến sinh dục của cơ thể mẹ, các ấu thể nở trước ăn trứng chưa nở, ấu thể khoẻ ăn ấu thể yếu. Do vậy trong noãn sào con mẹ có thể có 14-15 trứng được thụ tinh để sinh ra 14-15 con, nhưng thực tế rất ít, thậm chí chỉ 1 con non ra đời, rất khoẻ mạnh và dễ dàng chống chịu được với cuộc sống khắt khe của môi trường.

Tính ăn đồng loại của các loài động vật có xương sống bậc cao rất hiếm gặp, trừ một vài trường hợp khi con non mới sinh bị chết, con mẹ ăn xác của chúng để tránh ô nhiễm nơi nuôi con.

2. Những mối tương tác dương

2.1. Sự tụ họp hay tập trung thành bầy đàn. Là hiện tượng phổ biến nhờ những pheremon họp đàn và sinh sản. Sự họp đàn có khi tạm thời (để săn mồi, chống lại vật dữ, sinh sản...) hoặc lâu dài đối với nhiều loài cá, chim, thú sống đàn. Những loài sống đàn thường có "màu sắc đàn" như những tín hiệu sinh học để thông tin cho nhau trong các hoạt động sống. Nhím biển Echinarachnius, Mellita, Dendrastei...dinh dưỡng bằng cách ăn lọc (secton). Chúng tập trung thành đám, con lớn chồng lên con bé, trong cách ăn lọc như thế, những dòng nước thứ sinh gây ra do hoạt đọng lọc mồi cũng làm tăng hiệu suất sử dụng thức ăn chung cho đàn. Ngoài ra con trưởng thành nằm trên còn có trách nhiệm bảo vệ những lớp con non nằm dưới. Ở loài cá voi không răng và Delphin, những con khoẻ luôn luôn chăm sóc con ốm, yếu bằng cách hợp tác nâng con yếu khi bơi. Nếu có con bị chết, chúng còn đưa xác vào bờ tránh sự ăn thịt của các loài khác. Cua đực Camchatka còn giúp con cái lột xác để mau chóng thoát ra khỏi vỏ.

2.2. Nhiều loài động vật có lối sống xã hội, trong đó còn thiết lập nên con "đầu đàn" bằng các cuộc đọ sức giữa các cá thể. Những hình thức nguyên khai của lối sống xã hội đem lại cho các cá thể của quần thể những lợi ích thực sự và cuộc sống yên ổn để chống trả với những điều kiện bất lợi của môi trường. Người ta gọi đó là hiệu suất nhóm.

Như vậy, các mối tương tác âm và tương tác dương trong quần thể xuất hiện rất đa dạng làm tăng mối quan hệ hay làm phức tạp thêm cấu trúc của quần thể, do đó quần thể càng ổn định và ngày càng phát triển.

3. Động học của quần thể

Mỗi một quần thể đều là một hệ thống với nhiều thông số biến động, chúng tạo nên các biến đổi về trạng thái của hệ thống để đạt mức tối ưu ở mỗi một thời điểm phù hợp với sự biến động của môi trường. Trong điều kiện bất kỳ, hai thông số quan trọng điều chỉnh số lượng và hoạt động chức năng của quần thể là mức sinh sản và mức tử vong. Sự biến động số lượng của quần thể gây ra bởi tốc độ khác nhau của mức sinh sản và mức tử vong; dạng biến động về số lượng và sinh khối của quần thể đối với mỗi loài đều mang tính thích nghi, còn biên độ và đặc tính biến động của quần thể lại được củng cố bằng con đường di truyền.

3.1. Mức sinh sản của quần thể

Mức sinh sản của quần thể là số lượng con được quần thể sinh ra trong một khoảng thời gian xác định. Chẳng hạn quần thể có số lượng ban đầu là Nt0, sau khoảng thời gian Dt (từ t0 đến t1) số lượng quần thể là Nt1, vậy số lượng con mới sinh là DN = Nt1 - Nt0. Tốc độ sinh sản của quần thể theo thời gian sẽ là DN/Dt. Nếu tốc độ đó tính trên mỗi cá thể của quần thể ta có "tốc độ sinh sản riêng tức thời" (ký hiệu là b) và:

b =

Người ta cũng hay dùng khái niệm "tốc độ sinh sản nguyên" hay tốc độ tái sản xuất cơ bản" (ký hiệu R0) để tính các cá thể được sinh ra theo một con cái trong một nhóm tuổi nào đó với:

R0 = Σ l x. m x

Trong đó lx: mức sống sót riêng, tức là số cá thể trong một tập hợp của một nhóm tuổi thuộc quần thể sống sót đến cuối khoảng thời gian xác định; mx: sức sinh sản riêng của nhóm tuổi x.

Mức sinh sản của quần thể phụ thuộc vào mức sinh sản của từng cá thể và số lần sinh sản trong đời của nó, đồng thời còn phụ thuộc vào các thế hệ tham gia trong đàn sinh sản của quần thể. Các quần thể của loài sống trong những hoàn cảnh khác nhau có mức sinh sản khác nhau, song đều mang đặc tính chung của loài.

Có ba đặc trưng cơ bản để xác định mức sinh của quần thể:

+ Số lượng trứng hoặc con non sau mỗi lần sinh.

+ Thời gian giữa hai lần sinh.

+ Tuổi bắt đầu tham gia sinh sản

Ngoài ra, mật độ và điều kiện sống là hai yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến sức sinh sản của quần thể.

3.1.1. Các dạng sinh sản

Mỗi một loài có thể có một hoặc một số dạng sinh sản đặc trưng. Do đó mỗi quần thể cũng có thể có một hoặc một số dạng sinh sản vốn có của loài như sinh sản dinh dưỡng, sinh sản đơn tính, sinh sản hữu tính, sinh sản xen kẽ thế hệ, sinh sản lưỡng tính. Trong hoàn cảnh cụ thể nếu quần thể có khả năng sinh sản dưới vài dạng (vừa vô tính, hữu tính, đơn tính...) thì quần thể có thể lựa chọn dạng sinh sản này hoặc dạng sinh sản khác phù hợp với điều kiện môi trường lúc đó. Ví dụ: trong điều kiện môi trường sống thuận lợi trùng bánh xe (Rotatoria) và giáp xác râu ngành (Cladocera) vốn có khả năng sinh sản hữu tính và đơn tính, chúng sẽ chọn kiểu sinh sản đơn tính, còn khi điều kiện môi trường bất lợi, chúng lại sinh sản hữu tính, nhờ đó sức sống của thế hệ con cái được nâng cao do sự phối hợp gen của 2 cá thể bố mẹ. Ở những nhóm sinh vật này, tần suất xuất hiện của các thế hệ sinh sản đơn tính và sinh sản hữu tính trong quần thể phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện môi trường, trước hết là thức ăn và nhiệt độ. Hầu hết các loài động vật tiến hoá cao đều có dạng sinh sản hữu tính.

3.1.2. Nhịp điệu sinh sản

Sự sinh sản của các quần thể sinh vật trong những thời gian khác nhau thì không giống nhau, thường tập trung vào thời kỳ thuận lợi nhất, đảm bảo cho thế hệ con có sơ hội sống sót cao nhất, như nguồn thức ăn phong phú, nhiệt độ thích hợp, tránh và giảm được sự săn bắt của vật dữ...Những điều này biến đổi có chu kỳ theo những chu kỳ thiên nhiên như sự luân phiên ngày đêm, tuần trăng và thuỷ triều, luân phiên của mùa khí hậu...Do vậy, sự sinh sản và cường độ sinh sản cao hay thấp của các quần thể cũng xãy ra theo chu kỳ.

3.1.2.1. Chu kỳ ngày đêm

Thực vật và động vật không xương sống bậc thấp chịu sự chi phối mạnh của chu kỳ ngày đêm, tức là cường độ và độ dài chiếu sáng. Thực vật bậc thấp thủy sinh chỉ phân bào và tăng trưởng vào ban ngày, ban đêm ngừng hẳn. Ngược lại, những loài động vật không xương sống thuỷ sinh lại sinh sản vào ban đêm, nhất là nửa đêm về sáng...

3.1.2.2. Chu kỳ tuần trăng và thuỷ triều

Mặt trăng không chỉ thay đổi cường độ chiếu sáng một cách có chu kỳ mà còn gây ra hiện tượng thủy triều trên các vùng biển, tác động trực tiếp đến quá trình sinh sản của động vật. Thuỷ triều diễn ra theo quy luật chính xác. Điều đó còn tạo nên lối sống có nhịp điệu của sinh vật vùng triều, như những chiếc đồng hồ sinh học.

Loài cá Leuresthes tenuis ở California lại sinh sản rất nghiêm ngặt theo hoạt động thuỷ triều. Vào ngày thuỷ triều cao nhất trong tháng, cá bố mẹ lên tận bãi cát đỉnh triều đào hố (con đực đào) và con cái đẻ trứng trong đó. Những ngày tiếp theo, mức triều đều thấp hơn, trứng vùi trong cát ẩm, phát triển thành ấu trùng đúng vào ngày triều cực đại lần 2 (sau 14 ngày) ấu trùng theo nước triều ra biển.

Sự sinh sản ở 1 số loài động vật bậc cao cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi có tính chu kỳ của cường độ ánh trăng trong tháng. Sự thụ thai của loài thỏ rừng lớn ở Malaixia trùng vào ngày trăng tròn.

3.1.2.3. Chu kỳ mùa

Tập trung sinh sản vào mùa xác định trong năm là hiện tượng phổ biến của các quần thể sinh vật. Cây ra hoa kết trái; chim thú đua nhau làm tổ, sinh sản; sâu bệnh hoạt động thường vào những mùa ấm áp, độ chiếu sáng cao và độ ẩm thích hợp. Lúc này cũng là thời gian có nguồn thức ăn phong phú.

Đối với các vùng thuộc vĩ độ ôn đới, sự biến thiên của bức xạ mặt trời kéo theo sự biến đổi của nhiệt độ, độ chiếu sáng rõ rệt, tạo nên 4 mùa: xuân, hạ, thu, đông. Thời kỳ cuối xuân và cả mùa hè là thời kỳ tập trung sinh sản của thế giới sinh vật, còn mùa đông quá trình này hầu như ngừng lại. Đối với các vùng vĩ độ thấp, bức xạ mặt trời ít thay đổi theo mùa. Yếu tố chi phối đến sự sinh sản của động thực vật không phải là nhiệt độ mà là lượng mưa, mưa luân phiên theo mùa. Mưa không chỉ ảnh hưởng đến sinh vật trên cạn mà còn tác động đến quá trình sinh sản của các sinh vật thuỷ sinh do mưa bào mòn, rửa trôi đem vào các thuỷ vực (kể cả biển) nguồn dinh dưỡng khổng lồ. Đó là điều kiện thuận lợi cho sự sinh sản của các loài tảo, kéo theo chúng là sự phát triển số lượng của các sinh vật dị dưỡng khác

3.2. Mức tử vong và mức sống sót

3.2.1. Mức tử vong

Mức tử vong là số lượng cá thể của quần thể bị chết trong một khoảng thời gian nào đó. Nếu số lượng ban đầu của quần thể là N0, sau khoảng thời gian Dt thì số lượng cá thể tử vong là DN. Tốc độ tử vong trung bình của quần thể được tính là DN/ Dt. Nếu tốc độ tử vong được tính theo mỗi cá thể trong quần thể thì tốc độ đó được gọi là "tốc độ tử vong riêng tức thời" ( ký hiệu là d) với công thức:

d =

Những nguyên nhân gây ra tử vong do:

- Chết vì già

- Chết vì bị vật dữ ăn, con người khai thác

- Chết vì bệnh tật (ký sinh)

- Chết vì những biến động thất thường của điều kiện môi trường vô sinh (bão, lụt, cháy, rét đậm, động đất, núi lửa...) và môi trường hữu sinh (nguồn thức ăn bị cạn kiệt) vượt khỏi ngưỡng sinh thái của loài.

Trong khai thác các loài sinh vật, người ta gộp các nguyên nhân gây chết thành 2 nhóm: do tự nhiên gây ra gọi là "mức tử vong tự nhiên", do khai thác của con người gọi là "mức tử vong khai thác". Đó là những thông số quan trọng trong việc xây dựng các mô hình biến động số lượng quần thể của các loài có giá trị kinh tế

Nếu chết do vì già thì khoảng thời gian mà cá thể trải qua, từ lúc sinh ra cho đến lúc già chết, gọi là tuổi thọ của cá thể.

Tuổi thọ sinh lý (hay lý thuyết) là tuổi thọ mà các cá thể có thể đạt được trong điều kiện các yếu tố môi trường không trở thành yếu tố giới hạn. Tuổi thọ sinh lý mang đặc tính của loài. Những loài có kích thước quá nhỏ, tuổi thọ rất thấp và có thể tính theo giờ; ngày, còn những loài động vật có kích thước lớn, tuổi thọ dài hơn và tính theo năm, chục năm, trăm năm. Người ta cũng sử dụng nhiều phương pháp để dự đoán tuổi thọ sinh lý của con người. Nhiều dự báo cho rằng tuổi thọ lý thuyết của người vào khoảng 125-175 năm.

Tuổi thọ thực tế hay tuổi thọ sinh thái là thời gian cá thể có thể sống trong điều kiện giới hạn của các yếu tố môi trường. Các nghiên cứu đã xác nhận rằng rắn có thể sống được 20 năm, rùa cạn (Testudo) sống tới 100 năm, vẹt có thể sống đến 102 năm, gặm nhắm loại nhỏ sống 2-3 năm, cá tầm (Huso huso) sống đến 100 tuổi...

Tuổi thọ của người phụ thuộc vào môi trường, xã hội, mức sống, trình độ khoa học và vệ sinh y tế. Trước thế kỷ XVIII, tuổi thọ trung bình của loài người chưa đầy 30 tuổi, điều này liên quan đến bệnh đậu mùa vô phương cứu chữa. Sau năm 1796 khi có vaccine chữa chạy, tuổi thọ được nâng cao lên 40 tuổi. Đây là bước nhảy vọt thứ nhất của tuổi thọ con người. Năm 1928, khi y học tìm ra thuốc chữa viêm phổi, tụ huyết trùng, giang mai . .. làm cho tuổi thọ loài người tăng lên đến 65 tuổi (sự nhảy vọt lần thứ 2). Nhà y học nổi tiêng Koen cho rằng nếu loài người tự chữa được bệnh mạch vành, tim, ung thư, đứt mạch máu não...thì tuổi thọ trung bình của loài người có thể vượt qua ngưỡng 80 tuổi.

3.2.2. Mức sống sót

Mức sống sót ngược lại với mức tử vong, tức là số lượng cá thể tồn tại cho đến những thời điểm xác định của đời sống. Gọi mức tử vong chung là M thì mức sống sót là 1-M. Chỉ số mức sống sót là một chỉ số thông dụng, đặc biệt trong dân số học.

Mức tử vong cũng như mức sống sót là những chỉ số sinh thái quan trọng trong cơ chế điều chỉnh só lượng của quần thể. Những quần thể, loài có sức sinh sản cao thì thích nghi với mức tử vong lớn, ngược lại những loài có sức sinh sản thấp thích nghi với mức tử vong thấp (hay mức sống sót cao). Những loài cá đẻ trứng nổi, do chết nhiều nên buộc chúng phải đẻ nhiều, những loài thụ tinh trong đẻ ít hơn những loài thụ tinh ngoài. Những loài biết làm tổ, chăm sóc con (cá rô phi, cá lóc, các loài chim...) sinh sản không nhiều.

Để biểu thị mức sóng sót, người ta lập bảng và cũng có thể xây dựng các đồ thị. Trên đồ thị, trục tung chỉ ra mức sống sót của quần thể dưới dạng logarit hoặc bán logarit, còn trục hoành là tuổi thọ của cá thể tính bằng giá trị tương đối (%), ta sẽ có các dạng đường cong khác nhau. Dạng đường cong lồi (III) đặc trưng đối với nhiều loài động vật có xương sống bậc cao (cả của người). Dạng đường cong lõm (I) phổ biến ở những loài thân mềm (sò, vẹm...). Những loài thực vật có đường cong sống sót gần với đường cong I. Những dạng đường cong trung gian (giữa II và III) đặc trưng cho tất cả các loài mà ở chúng, mức sống sót riêng của từng nhóm tuổi thường không giống nhau.

Dạng đường cong sống sót của các cá thể cũng biến động liên quan với mật độ của quần thể.

3.3. Sự tăng trưởng số lượng của quần thể

Sự tăng trưởng số lượng của quần thể liên quan chặt chẻ với 3 chỉ số cơ bản: Mức sinh sản, mức tử vong và sự phân bố các nhóm tuổi của quần thể. Mỗi chỉ số có một ý nghĩa và giá trị riêng đối với sự tăng trưởng của quần thể.

Sự tăng trưởng, trước hết phụ thuộc vào tỷ lệ sinh sản (b) và tỷ lệ tử vong (d) trong mối tương quan:

r = b - d

ở đây: r là hệ số hay "mức độ tăng trưởng riêng tức thời" của quần thể, tức là số lượng gia tăng trên đơn vị thời gian và trên một cá thể.

Nếu r > 0 (b > d) quần thể phát triển (tăng số lượng), r = 0 (b = d) quần thể ổn định, còn r < 0 (b < d) quần thể suy giảm số lượng. Từ các chỉ số này ta có thể viết:

r = hay

rN = (1)

Đây là phương trình vi phân thể hiện sự tăng trưởng số lượng số lượng của quần thể trong điều kiện không có sự giới hạn của môi trường. Lấy tích phân đúng 2 vế của phương trình (1) ta có:

Nt= N0ert (2)

ở đây: Nt và N0 là số lượng của quần thể ở thời điểm tương ứng t và t0, e - cơ số logarit tự nhiên, t thời gian

Từ phương trình 2 lấy logarit của cả 2 vế ta có:

r =

Phương trình 2 là một phương trình hàm mũ với dạng đường cong là một nhánh của đường parabon hay có dạng chữ J. Chúng phản ánh sự tăng trưởng số lượng của quần thể trong điều kiện không bị giới hạn của các yếu tố môi trường (quần thể tăng trưởng vô hạn).

Trong thực tế, không có bất kỳ quần thể sinh vật nào có sự tăng trưởng số lượng theo dạng đường cong J (tăng trưởng vô hạn) vì: r không phải là 1 hằng số (thay đổi theo điều kiện cụ thể của môi trường), điều kiện môi trường không phải lúc nào cũng lý tưởng - thoả mãn tối ưu các nhu cầu của quần thể. Sự tăng trưởng của quần thể luôn luôn chịu sự chống đối của môi trường (các yếu tố vô sinh và hữu sinh). Số lượng của quần thể càng tăng, sức chống đối càng mạnh. Do vậy, số lượng của quần thể chỉ đạt được giá trị tối đa mà môi trường cho phép, hay nói cách khác, chỉ có thể tiệm cận với số lượng K (N<K) mà số lượng này cân bằng với dung tích môi trường (gồm thức ăn và các mối quan hệ hữu sinh và vô sinh khác). Với giới hạn đó, số lượng cá thể của quần thể không thể tăng vô hạn mà tuân theo một quy luật mới, được thể hiện dưới dạng một phương trình sau:

= rN - r N2/ K = rN (1- N/K) hay

hoặc: N =

ở đây: r - tốc độ tăng trưởng riêng tức thời; N - số lượng cá thể; K - số lượng tối đa quần thể có thể đạt được hay là tiệm cận trên; e - cơ số logarit tự nhiên và a - hằng số tích phân xác định vị trí bắt đầu của đường cong trên trục toạ độ; về mặt số lượng a = (K -N)/ N khi t = 0. Giá trị 1 - N/K chỉ ra các khả năng đối kháng của môi trường lên sự tăng trưởng số lượng của quần thể.

Ví dụ về sự tăng trưởng quần thể trong điều kiện lý thuyết và điều kiện sức tải của môi trường.

Giả sử có một quần thể với 100 cá thể ban đầu, mỗi cá thể có khả năng bổ sung trung bình 0,5 cá thể trong một khoảng thời gian t. Chúng ta xét sự tăng trưởng quần thể sau 1 khoảng thời gian trong điều kiện lý thuyết và điều kiện sức tải môi trường là 1000 cá thể.

Nếu không có sự đối kháng của môi trường thì r ® rmax tức là thế năng sinh học của loài. Những loài có rmax lớn thường có số lượng đông, kích thước nhỏ, sinh sản nhanh và chủ yếu chịu sự tác động của môi trường vô sinh (rét đậm, lũ lụt, cháy...), còn những loài có rmax nhỏ (động vật bậc cao chẳng hạn) thì có số lượng ít, tuổi thọ cao, sức sinh sản thấp, khả năng khôi phục số lượng kém và chịu ảnh hưởng chủ yếu của các yếu tố môi trường hữu sinh (bệnh tật, bị ký sinh, bị săn bắt...)

3.4. Sự dao động số lượng (sự biến động số lượng) và nguyên nhân của sự biến động số lượng cá thể của quần thể.

3.4.1 Sự dao động số lượng của quần thể

Khi quần thể hoàn thành sự tăng trưởng số lượng của mình tức là khi b = d hay khi r tiến đến 0 một cách ổn định thì số lượng quần thể có khuynh hướng dao động quanh một giá trị trung bình. Thông thường, sự dao động được gây ra bởi những biến đổi của điều kiện môi trường theo chu kỳ (ngày đêm, mùa, một số năm...) hoặc có thể bởi các yếu tố ngẫu nhiên, song ở một số quần thể sự dao động xảy ra rất đều (chuẩn) đến mức có thể coi chúng như những dạng tuần hoàn.

Sự dao động số lượng của quần thể mà G.V. Nikolski (1974) đã chỉ ra, như 1 "tiêu điểm sinh thái", ở đó phản ánh tất cả những đặc trưng sinh học cơ bản của quần thể, đặc biệt là sự sinh trưởng của các cá thể, nhịp điệu sinh sản và tử vong, mức độ sống sót và tốc độ tăng trưởng của quần thể, thông qua mức độ đảm bảo thức ăn của môi trường đối với quần thể đó.

Trừ những dao động không theo chu kỳ, gây ra bởi những nguyên nhân ngẫu nhiên như cháy rừng, bão tố, lũ lụt, dịch bệnh,...còn có những dao động theo chu kỳ. Sự dao động có chu kỳ đối với các quần thể tự nhiên có thể được phân chia:

- Dao động theo ngày đêm liên quan đến sự biến đổi của bức xạ Mặt Trời có tính luân phiên ngày và và đêm.

- Dao động số lượng theo mùa nhờ sự điều chỉnh chủ yếu của các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, thường ở vùng ôn đới và lượng mưa ở các vùng nhiệt đới)

- Dao động theo chu kỳ năm gồm: dao động được kiểm soát trước hết do những sai khác theo năm của các yếu tố bên ngoài (như nhiệt độ, lượng mưa... nằm ngoài tác động của quần thể) và dao động có liên quan trước tiên với chính động thái của quần thể (các yếu tố sinh học, như độ đảm bảo thức ăn, năng lượng, bệnh tật...). Trong đa số trường hợp, sự biến đổi số lượng từ năm này sang năm khác có liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi của một hay một vài yếu tố giới hạn của môi trường, song ở một số loài sự dao động số lượng được điều chỉnh có lẽ không phụ thuộc vào nguyên nhân bên ngoài một cách rõ rệt. Đó là sự dao động hoàn toàn mang tính "tuần hoàn".

- Sự dao động số lượng theo chu kỳ ngày đêm. Sự dao động số lượng theo chu kỳ ngày đêm là hiện tượng phổ biến của các loài sinh vật nổi (Plankton) sống trong các thuỷ vực. Các loài tảo chỉ có thể tăng trưởng và phân bào trong điều kiện chiếu sáng ban ngày, ban đêm quá trình này ngừng hẳn, hơn nữa chúng còn bị khai thác bởi động vật nổi. Do vậy, số lượng của quần thể tăng giảm theo ngày đêm. Ngược lại, nhiều loài động vật nổi (Zooplankton) lại sinh sản rất tập trung vào ban đêm, nhất là nửa đêm về sáng, làm cho số lượng của chúng tăng hơn nhiều so với ban ngày. Hơn nữa, ban ngày động vật nổi (Zooplankton) còn bị khai thác bởi vật dữ.

- Sự dao động số lượng của quần thể theo mùa. Sự dao động số lượng của quần thể theo mùa thường gặp trong thiên thiên, nhất là những loài có thời gian sinh trưởng bị giới hạn, chẳng hạn những loài có chu kỳ sống ngắn, hoặc ở những loài phân bố trong không gian theo mùa (động vật có tập tính di cư). Vì vậy, nhiều loài như muỗi, ruồi, chim,... mùa này thì nhiều còn mùa khác lại ít, thậm chí chẳng còn con nào. Ở đa số các loài côn trùng, động thực vật có tuổi thọ thấp (loại 1 năm)... số lượng quần thể không chỉ dao động theo mùa mà còn theo năm liên quan tới những biến đổi về khí hậu thời tiết cũng như các yếu tố khác của môi trường xảy ra trong suốt thời gian dài.

- Sự dao động số lượng của quần thể theo chu kỳ tuần trăng: Sự dao đông số lượng của quần thể theo chu kỳ tuần trăng thường gặp ở các loài động vật có tập tính đi kiếm ăn vào thời kỳ không có trăng và tăng các hoạt động sinh sản (giáp xác, cá...), một số loài khác lại mẫn cảm với sự chiếu sáng của pha trăng tròn, tích cực tham gia vào các hoạt động sinh sản (thỏ lớn ở rừng Malaixia, cá voi không răng...)

Mặt Trăng là yếu tố quan trọng gây ra sự dao động mực nước trên các đại dương hay còn gọi là thuỷ triều. Chu kỳ thuỷ triều rất đều đặn đã tạo nên trong đời sống của sinh vật vùng ven biển một nhịp sống rất chặt chẽ, hoạt động như một chiếc đồng hồ sinh học. Sự sinh sản của các loài rươi ở ven biển đồng bằng Bắc Bộ, ở quần đảo Fiji (Thái Bình Dương), của cá suốt (Leuresthes tenuis) sống ở ven biển California liên quan rất chặt với hoạt động của thuỷ triều.

- Sự dao động số lượng của quần thể theo chu kỳ năm: Sự dao động số lượng một cách "tuần hoàn" có thể gặp trong nhiều ở nhiều quần thể chim (Tetrao urogallus, Nyctea scandiaca..) và thú sống tại phương Bắc với những chu kỳ 3-4 năm hay 9-10 năm. Sự dao động với chu kỳ 9-10 năm của thỏ và mèo rừng là một trong những ví dụ kinh điển nhất. Theo thống kê nhiều năm, số lượng mèo rừng cứ khoảng 9-10 năm (trung bình 9,6 năm) lại đạt số lượng cực đại, rồi sau đó giảm đi. Thỏ là thức ăn của mèo rừng có chu kỳ dao động số lượng như vậy song thường bắt đầu sớm hơn khoảng 1 đến hơn 1 năm .

Những loài chuột Lemmus (Lemmus lemmus, L. sibericus) sống ở đồng rêu phương Bắc và những loài ăn thịt như những loài cáo, chim cú,... lại có chu kỳ dao động số lượng 3-4 năm.

Chuột Lemmus sống ở lục địa Âu Á trong những năm có mật độ tăng rất cao, buộc chúng phải di cư theo một hướng xác định. Do vậy, khi di chuyển qua sông, qua hồ chúng bị chết hàng loạt làm cho số lượng giảm rõ rệt. Sự giảm số lượng của quần thể cũng xảy ra ngay cả khi chuột Lemmus không tiến hành di cư.

Sự dao động số lượng có chu kỳ 3-4 năm còn gặp ở nhiều loài chim và thú khác. Một số loài còn có chu kỳ dao động số lượng 11-12 năm, liên quan chu kỳ hoạt động của Mặt Trời, ví dụ như sự dao động sản lượng đánh bắt cá cơm (Engraulis ringens) và chim ăn cá ở vùng biển Peru (nơi xãy ra hiện tượng El-nino).

Sự dao động số lượng của quần thể không có chu kỳ: Những biến động bất thường (không điều hòa) có thể thấy ở loài diệc xám (Ardea cinerea) sống tại hai địa phương khác nhau của nước Anh (Lack, 1966). Trong khoảng thời gian dài, quần thể diệc ở hai địa phương tương đối ổn định, điều đó chỉ ra rằng, những điều kiện địa phương đủ đảm bảo cho đời sống của quần thể, song trong thời gian nghiên cứu, sau những mùa đông khắc nghiệt, số lượng chim giảm đi đáng kể, qua khỏi hoàn cảnh đó đàn chim lại hồi phục. Sự đao động đồng bộ về số lượng chim ở hai địa phương như thế đều do một nguyên nhân là tăng mức tử vong của chúng trong mùa đông.

Tất nhiên, sự dao động số lượng của quần thể gây ra bởi những tác động từ bên ngoài (cả các yếu tố vô sinh và hữu sinh) lên quần thể, thông qua hoạt động chức năng của các cá thể trong quần thể mà số lượng của nó tăng lên hay giảm đi để cân bằng với điều kiện sống mới. Song sự dao động mang tính "tuần hoàn" 3-4 năm hay 9-10 năm, trong khi những dao động thiên nhiên thường lại rất không tuần hoàn, thậm chí còn trái ngược thì do nguyên nhân nào? Đây là câu hỏi phức tạp được các nhà sinh thái học thảo luận nhiều nhưng vẫn chưa có câu trả lời chính xác và thường đưa ra những quan điểm riêng, khó thống nhất. Một số cho rằng, nguyên nhân của hiện tượng trên là do điều kiện thời tiết, khí hậu gây ra.

Có quan điểm cho rằng sự dao động số lượng của quần thể ngoài tác động của các yếu tố từ môi trường thì sự dao động này có thể được gây ra bởi "những yếu tố bên trong" của quần thể như mức tăng trưởng, mức tử vong. . .

Sự "dư thừa dân số", nhất là những quần thể trong một thời gian ngắn có sự tăng trưởng theo hàm mũ, lại sống trong hệ sinh thái đơn giản, thường làm cho quần thể kém bền vững. Do vậy, trong hoàn cảnh này, số lượng của nó tăng vọt ngoài phạm vi khống chế của các yếu tố giới hạn, rồi sau đó buộc chúng phải ngừng tới mức số lượng giảm hẳn.

3.4.2 Sự điều chỉnh số lượng quần thể

Quần thể cũng như bất kỳ cá thể sinh vật nào sống trong môi trường, không phải chỉ thích nghi một cách bị động với những thay đổi của môi trường mà còn cải tạo môi trường theo hướng có lợi cho mình. Quần thể hay ở mức tổ chức cao hơn (quần xã, hệ sinh thái) sống trong môi trường vật lý xác định đều có cơ chế riêng để duy trì trạng thái cân bằng của mình với sức chịu đựng của môi trường, trước hết là điều chỉnh kích thước của chúng. Dư thừa dân số là điều rất bất lợi cho quần thể sống trong môi trường có giới hạn. Do đó, điều chỉnh số lượng phù hợp với dung tích sống của môi trường là một chức năng rất quan trọng đối với bất ký quần thể nào.

Sự điều chỉnh số lượng của quần thể phải được xem là chức năng của hệ sinh thái mà quần thể chỉ là một bộ phận cấu thành. Vì vậy, nếu cô lập quần thể khỏi hệ thống (quần xã , hệ sinh thái) chắc chắn ta không đủ cơ sở để hiểu được cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể.

Trong điều kiện tự nhiên hay trong thực nghiệm, số lượng của quần thể chịu sự chi phối bởi hai nhóm yếu tố chính: yếu tố "không phụ thuộc vào mật độ" và yếu tố "phụ thuộc vào mật độ".

Nhóm yếu tố đầu được hiểu là nếu khi mật độ quần thể biến đổi mà tác động của yếu tố đó vẫn duy trì ở một mức ổn định, hay nói cách khác ảnh hưởng tác động của nó không phụ thuộc vào kích thước quần thể. Còn nhóm thứ hai được hiểu là ảnh hưởng của chúng thường gia tăng theo mức độ tiệm cận của số lượng với giới hạn trên của kích thước quần thể, nhưng cũng có thể bị chi phối bởi mối liên hệ ngược, tức là mật độ (hay số lượng quần thể) càng tăng thì mức độ ảnh hưởng lại giảm.

Các nhóm yếu tố trên được xem như một trong các cơ chế chủ yếu ngăn chặn sự dư thừa dân số và xác lập trạng thái cân bằng bền vững. E.P Odum (1983), đã chỉ ra sự tác động của các yếu tố khí hậu (không thường xuyên) thường không phụ thuộc vào mật độ, ngược lại sự tác động của các yếu tố sinh học (Vật dữ, ký sinh, thức ăn, bệnh tật...) thường là yếu tố giới hạn phụ thuộc mật độ.

Nhìn chung, đối với phần lớn các loài, từ những sinh vật bậc thấp đến bậc cao, cơ chế tổng quát điều chỉnh số lượng của quần thể chính là mối quan hệ nội tại được hình thành ngay trong các cá thể cấu trúc nên quần thể và trong mối quan hệ của các quần thể sống trong quần xã và hệ sinh thái. G.V. Nikolski (1961, 1974), khi nghiên cứu về sự điều chỉnh số lượng ở các quần thể cá đã cho rằng, nếu điều kiện môi trường suy giảm, nhất là mức độ đảm bảo thức ăn, thì trong quần thể xảy ra:

+ Biến dị kích thước của các cá thể, tức là một bộ phận cá thể tăng trưởng bình thường, bộ phận còn lại chậm lớn, có khi còn hình thành dạng còi. Hiệu quả trước hết là giảm cạnh tranh thức ăn trong nội bộ loài.

+ Do phân ly về kích thước mà dãy tuổi bước vào sinh sản lần đầu được mở rộng, tức là bộ phận có kích thước nhỏ sẽ tham gia vào đàn đẻ trứng muộn hơn, làm giảm số trứng đẻ ra trong cùng thế hệ.

+ Sức sinh sản tuyệt đối và tương đối cũng giảm ở những cá thể tham gia vào đàn sinh sản, nhất là ở nhóm tuổi cao.

+ Chất lượng sản phẩm sinh dục thấp, khả năng thụ tinh kém, tỷ lệ trứng ung (thối) cao, sức sống của con non thấp.

+ Tăng mức tử vong của con non và những cá thể trưởng thành gầy yếu, già do bị ăn vật dữ ăn dần dần....

Hậu quả tổng hợp là giảm số lượng chung của quần thể.

Ngược lại, khi điều kiện môi trường được cải thiện thì các hiện tượng trên hoàn toàn ngược lại và hệ quả là số lượng chung của quần thể tăng lên.

Trong quá trình điều chỉnh số lượng của quần thể, mật độ của chính quần thể có vai trò cực kỳ quan trọng như một "tín hiệu sinh học" thông báo cho quần thể "biết" phải phản ứng như thế nào trước biến đổi của các yếu tố môi trường.

Ở động vật, mật độ cao tạo ra nhũng biến đổi về sinh lý và tập tính của các cá thể trong quần thể. Chẳng hạn, rệp vừng ở điều kiện thuận lợi, trong quần thể có rất nhiều con cái không có cánh, sinh sản theo kiểu đơn tính (Parthenogenese), nhưng khi điều kiện xấu và cạnh tranh trong nội bộ loài trở nên gay gắt, ở chúng xuất hiện nhũng con cái có cánh và có ưu thế trong cạnh tranh, do đó, chúng có thể rời bỏ nơi ở của mình để đi nơi khác.

Trong tập hợp con mồi - vật dữ, mối quan hệ giữa chúng là một trong các cơ chế điều chỉnh mật độ của cả hai quần thể mà B.P. Manteifel (1961) đã đưa ra như một định luật, gọi là mối quan hệ "dãy thức ăn ba bậc" (triotrophage):

Con mồi ® vật dữ 1 ® vật dữ 2...

ở đây vật dữ là yếu tố tỉa đàn, khi con mồi bị khai thác thì đồng thời lượng thức ăn do nó sử dụng cũng được giải phóng, lúc đó nguồn thức ăn của vật dữ lại giảm. Do vậy vật dữ buộc phải giảm số lượng nhờ cơ chế nội tại. Con mồi của chúng lại có cơ hội khôi phục lại số lượng, như vậy điều kiện dinh dưỡng của vật dữ lại được cải thiện. Quan hệ trên tạo nên trong thiên nhiên một cân bằng động giữa số lượng vật dữ và con mồi.

- Ký sinh - vật chủ cũng là mối quan hệ vật dữ - con mồi, có tác dụng điều chỉnh số lượng quần thể trong mối quan hệ đó.

- Cạnh tranh xảy ra trong nội bộ loài như một yếu tố phụ thuộc mật độ. Các cá thể trong quần thể bao giờ cũng có chung nguồn sống vì thế cạnh tranh là điều khó tránh khỏi. Khi mật độ của quần thể gia tăng, sức chống chịu của môi trường càng lớn, thì mức sinh sản giảm, mức tử vong tăng và dĩ nhiên số lượng cá thể của quần thể giảm.

Di cư cũng là một yếu tố phụ thuộc mật độ. Ở động vật, mật độ đông tạo ra những thay đổi về sinh lý và tập tính. Những biến đổi đó làm xuất hiện sự di cư khỏi vùng để giảm mật độ chung của quần thể. Chẳng hạn, rệp vừng trong mùa xuân, khi điều kiện thuận lợi, trong quần thể có rất nhiều con cái không có cánh, sinh sản theo kiểu đơn tính (Parthenogenese), nhưng khi điều kiện trở nên xấu và cạnh tranh trở nên gay gắt lại xuất hiện nhiều con cái có cánh. Chúng ưu thế trong cuộc cạnh tranh nhờ khả năng rời khỏi nơi chúng sinh ra. Hoặc như nhiều loài chuột (gồm cả Lemmus lemmus, L. sibericus ) lập chương trình di cư để tìm đến nơi thuận lợi hơn khi mật độ quần thể tăng hoặc khi xuất hiện những hiệu ứng phụ do mật độ quá cao như sự thay đổi ngưỡng nội tiết. Một trong những ví dụ điển hình là sự di cư của châu chấu (Locustra migratoria), khi mật độ đông chúng có những biến đổi nhiều về đặc tính sinh lý, sinh hoá và tập tính, trong quần thể gồm hai dạng sống. Một dạng là những cá thể của "pha di cư" gồm những cá thể thích sống theo đàn và dễ bị kích động bay khi có mặt, và nhất là mùi của những cá thể khác, chúng có cánh dài hơn, hàm lượng mỡ cao hơn, hàm lượng nước thấp hơn và màu tối hơn so với những cá thể thuộc "pha không di cư", thích sống đơn độc. Khi mật độ thấp, những cá thể của "pha không di cư" chiếm ưu thế, nhưng khi mật độ cao, bộ phận cánh dài, ưa sống đàn tăng lên. Khi mật độ của nhóm cánh dài tăng đủ mức thì pheromon của những cá thể trong quần thể cũng đủ để kích thích như một tín hiệu khởi động cho sự di cư của pha cánh dài.

Trong các mối tương tác dương (cộng sinh, hợp tác, tụ họp, sống theo bầy đàn, tổ chức xã hội...), mỗi quần thể đều phải lựa chọn "cái lợi" và "cái bất lợi", song cái lợi lớn hơn, còn điều bất lợi về không gian, nguồn sống...là điều bắt buộc phải chia sẻ và các mối tương tác đó cũng tham gia vào sự điều chỉnh số lượng của quần thể và được xem như là một yếu tố điều chỉnh phụ thuộc mật độ.

Chương 3

QUẦN XÃ SINH VẬT

I. Một số khái niệm chung

Quần xã sinh vật có thể được xem như một tổ hợp của các quần thể khác loài với những mối tương tác giữa chúng, sống trong một vùng địa lý xác định (hay sinh cảnh), hay tổ hợp của các loài mà chức năng sinh thái và sự biến động của chúng đều diễn ra trong mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau (Putman, 1994). Vậy, quần xã sinh vật là tập hợp các quần thể thuộc nhiều loài, phân bố trong một sinh cảnh xác định, ở đấy chúng có quan hệ với nhau và với môi trường để tồn tại và phát triển một cách ổn định theo thời gian.

Quần xã không chỉ tham gia kiểm soát các hoạt động chức năng và sự phát triển tiến hoá của các loài mà còn là một thành viên sống của các hệ sinh thái (Ecosystem). Sự có mặt của quần xã đã biến đổi môi trường vật lý thành một thực thể sinh động: hầu hết các nguyên tố trở thành những chất có hoạt tính sinh học tham gia vào cấu trúc của chất sống, sự tạo thành đất.... Quần xã không chỉ sống dựa vào môi trường mà còn cải tạo môi trường theo hướng có lợi cho sự phát triển của mình thông qua các mối quan hệ tương hỗ giữa chúng.

Quần xã sinh vật có những tính chất sau:

- Các quần xã đều có chức năng giống nhau, nhưng có thể khác nhau về cấu trúc, thành phần. Các chức năng của sinh vật phụ thuộc vào quần xã.

- Kích thước của quần xã có khác nhau. Nếu lớn, có cấu trúc và chức năng độc lập, trao đổi chất đầy đủ thì thuộc vào một hệ sinh thái hoàn chỉnh. Đó là quần xã cơ sở.

Nếu các quần xã cơ sở phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài nhất định và chịu ảnh hưởng của yếu tố môi trường với mức độ và phạm vi khác nhau có thể xem như một quần xã cơ sở phụ hay thứ cấp.

Các quần xã thường có ranh giới rõ ràng hay ngược lại, chúng có thể chuyển tiếp dần theo gradien của một tổ hợp yếu tố giới hạn nào đó và do đó sự chuyển tiếp ít rõ hơn.

Tên gọi của quần xã: Các quần xã sinh vật trong tự nhiên được gọi theo nhiều cách: có thể gọi theo địa điểm phân bố như quần xã sinh vật bãi triều, quần xã sinh vật núi đá vôi... hay theo chủng loại phát sinh như quần xã thực vật ven hồ, quần xã động vật hoang mạc... hoặc gọi theo dạng sống như quần xã sinh vật nổi (Plankton), quần xã sinh vật tự bơi (Nekton).... Người ta cũng gọi tên quần xã theo loài hay nhóm loài sinh vật ưu thế như quần xã sinh vật đồng cỏ (cỏ là cây ưu thế), quần xã cây bụi... hoặc quần xã Hai mảnh vỏ - Giun nhiều tơ (Bivalvia-Polychaeta), quần xã sồi dẻ...

II. Cấu trúc của quần xã sinh vật

Cấu trúc của quần xã được thể hiện trong các thành phần sau: thành phần loài và số lượng cá thể của từng loài với tính đa dạng sinh học của nó, cấu trúc về không gian, cấu trúc về các mối quan hệ giữa các loài tồn tại trong quần xã ...

1. Đa dạng về loài, về cấu trúc và về gen

Đa dạng sinh học là một khái niệm chỉ tất cả những loài động, thực vật, vi sinh vật, những đơn vị phân loại dưới chúng và các hệ sinh thái mà sinh vật là một đơn vị cấu thành.

Đa dạng sinh học được thể hiện dưới mọi dạng thông tin tồn tại trong quần xã mà mọi sinh vật có thể cảm nhận và truyền đạt được cho nhau qua các kênh liên lạc, ta cũng có thể nhận biết và lượng hóa được các thông tin trong quần xã.

Trong cấu trúc của quần xã, lượng thông tin về thành phần các loài sinh học, số lượng (hay sinh vật lượng, năng lượng) của các cá thể trong quần thể, về tính ưu thế hay tính bình quân của các loài, thứ bậc trong kết cấu, các mối liên hệ... đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong bước khởi đầu nghiên cứu về sinh thái học của các quần xã .

Sự đa dạng của quần xã trước tiên được thể hiện bằng độ lớn của các thông tin. C.E. Shannon (1984) đã đưa ra công thức tính lượng thông tin (hay Entropi thông tin) như sau:

H = -

trong đó, pi là xác suất xuất hiện sự kiện i của hệ và hệ có n khả năng khác nhau có thể xảy ra.

Từ công thức trên, để tính lượng thông tin trong quần xã người ta dùng lượng thông tin trung bình (Shannon và Weaveer, 1949; Margalef, 1986) như sau:

= -

ở đây, ni là vai trò của một loài i nào đó, N tổng giá trị các vai trò trong quần xã , có thể được tính bằng loga cơ số 2 (log2) để nhận ngay được giá trị bằng bit trên mỗi cá thể.

Các quần xã khác nhau có số lượng loài nhiều hay ít khác nhau, song trong số các loài của một quần xã bất kỳ, nói chung, thường có một hoặc một số loài ưu thế, nghĩa là có số lượng (sinh khối, năng suất sinh học...) tương đối lớn và thường quyết định chiều hướng phát triển của quần xã, còn phần lớn các loài khác ít hơn (chỉ số "vai trò" thấp).

Đa dạng về loài được thể hiện dưới hai hình thức cơ bản. Đó là "sự giàu có" hay độ "phong phú' về loài và tính "bình quân" (san bằng) dựa trên độ phong phú tương đối hoặc bằng các chỉ số "vai trò" và vị trí của nó trong cấu trúc của quần xã .

Để tính sự "giàu có" hay độ "phong phú" về loài, một trong những chỉ số đa dạng về loài (d), R. Margalef (1958); E.F Menhinick, (1964); H.T. Odum và nnk; (1960) đã sử dụng công thức:

d = hoặc d = hoặc d = cá thể

ở đây, S - số loài, N - số cá thể. Tính d người ta thường dùng logarit tự nhiên (loge). Chỉ số đa dạng còn dùng theo công thức E.H Simpson (1949):

d= 1- 2 hay d = 2 hay d = 2

Trong quần xã sinh vật, mức đa dạng càng cao khi diện tích phân bố của quần xã càng lớn và mức đa dạng tăng lên khi di chuyển từ vĩ độ cao xuống vĩ độ thấp, ngoài ra tính đa dạng có thể giảm đi do sự cạnh tranh ở những quần xã già trong môi trường ổn định.

Trong các quần xã đang phát triển hoặc những quần xã phân bố từ vĩ độ cao xuống vĩ độ thấp hay từ khơi vào bờ thì số lượng loài tăng lên, số lượng cá thể của mỗi loài giảm, mối quan hệ giữa chúng căng thẳng hơn. Ở những quần xã đang suy thoái hay phân bố theo chiều hướng ngược với cách phân bố trên thì số lượng loài giảm, số lượng cá thể của các loài tăng, tính ưu thế cao dần, còn mức bình quân giảm, quan hệ sinh học giữa các loài bớt căng thẳng.

Để đánh giá tính đa dạng của quần xã không chỉ sử dụng các chỉ số hình thái và sinh thái mà còn cả các chỉ số di truyền (gen).

Sự đa dạng có quan hệ trực tiếp với tính ổn định hay sự cân bằng động của hệ sinh thái. Sự đa dạng của quần xã có thể do các yếu tố sau.

- Yếu tố lịch sử.

- Yếu tố khí hậu.

- Sự không đồng nhất không gian. Môi trường càng phức tạp thì các quần xã càng đa dạng, trong đó yếu tố địa hình đóng vai trò quan trọng trong sự đa dạng của môi trường và sự hình thành các loài (Mayr, 1963).

- Ảnh hưởng của sinh sản. Sinh vật sinh sản cao thì sự đa dạng lớn

- Ảnh hưởng của cạnh tranh và phá hoại.

2. Cấu trúc về không gian của quần xã

2.1. Cấu trúc theo mặt phẳng

Sự phân bố của động thực vật theo mặt phẳng được xem như một dạng về cấu trúc của quần xã. Cũng như quần thể, quần xã phân bố theo 3 kiểu: đều, ngẫu nhiên và thành các nhóm, tùy thuộc vào sự phân bố các điều kiện sống của môi trường và bản chất sinh học của loài.

Tùy theo nồng độ muối mà các loài sinh vật phân bố rất khác nhau trong toàn vùng: (Theo Vũ Trung Tạng, 2000).

Trong sự phân bố theo mặt phẳng, các nhà sinh thái cũng đưa ra khái niệm về sự quần hợp. Theo R. Root (1967), sự quần hợp là một nhóm loài khai thác một loại sản phẩm của môi trường theo một cách như nhau, nhóm loài này không có quan hệ gì về mặt phân loại học, chúng có ổ sinh thái có thể gối lên nhau. Phân loại theo cách khai thác môi trường, quần hợp này có thể so sánh với các chi (genus) trong sơ đồ phát sinh chủng loại (phylogenese).

Theo gradien khác nhau của các yếu tố môi trường, sự phân bố của các quần thể thành dạng điểm lại rất phổ biến. Trên phạm vi toàn cầu, vùng nhiệt đới xích đạo có nhiều điều kiện thuận lợi cho sự tập trung của sinh giới.

Ngay ở vùng cửa sông, nơi chuyển tiếp giữa nước sông và nước biển ven bờ (hay vùng rộng muối - polyhaline) thực vật nổi và động vật nổi cũng tập trung phong phú nhất so với hướng đi vào bờ và hướng ra khơi (Rodriguez, 1975; Vũ Trung Tạng, 1981, 1994) .

2.2. Cấu trúc theo chiều thẳng đứng.

Theo chiều thẳng đứng của không gian, sinh vật thường phân bố theo tầng hay lớp, liên quan với sự biến đổi của hàng loạt các yếu tố của môi trường. Đối với thảm thực vật, nhất là rừng, người ta thường thấy sự phân tầng của các loài cây phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng, độ ẩm của không khí... với các tầng ưa sáng, ưa bóng và chịu bóng. Trong nước cũng có các hiện tượng tương tự đối với các loài động vật và thực vật.

Ở ven biển, khi đi từ mép nước xuống đáy sâu, lần lượt chúng ta gặp các đai tảo lục, tảo lam rồi đến các đai tảo nâu và cuối cùng là tảo đỏ với "lá" rộng bản. Khi lên các đỉnh núi cao hay xuống các lớp đất, nước sâu, thành phần các loài và số lượng cá thể của quần thể đều thay đổI (tăng hay giảm).

Khi nghiên cứu sự phân bố của các quần xã, các nhà sinh thái học thường sử dụng chỉ số giống nhau và được biểu diễn theo công thức

S = (Sorensen, 1948)

ở đây, S (Similarity) - hệ số giống nhau; A - số lượng của các loài trong mẫu (hay địa điểm) A; B - số lượng có trong mẫu (hay địa điểm) B; C - số lượng các loài chung cho cả A và B. Phương pháp thống kê sự phân bố của các quần thể, quần xã theo gradient của các yếu tố môi trường cũng như sử dụng hệ số giống nhau được dùng rộng rãi trong nghiên cứu sinh thái học (Whittaker, 1967; Mc Intosh, 1967).

2.3. Cấu trúc về dinh dưỡng

Các loài không thể tồn tại một cách biệt lập mà chúng phải sống dựa vào nhau trong nhiều mối quan hệ, trước hết là mối quan hệ dinh dưỡng. Cách sắp xếp của các nhóm sinh vật trong quần xã theo chức năng dinh dưỡng tạo nên cấu trúc dinh dưỡng của quần xã. Cấu trúc này phản ánh hoạt động chức năng của quần xã, nhờ nó mà vật chất được chu chuyển và năng lượng được biến đổi. Các chức năng trên của quần xã thể hiện trong xích thức ăn, lưới thức ăn và tháp sinh thái.

2.3.1. Xích thức ăn

Xích thức ăn được tạo nên bởi mối quan hệ dinh dưỡng của các loài tồn tại trong quần xã, trong đó loài này bắt một loài khác làm mồi, còn về phía mình lại trở thành thức ăn cho một số loài khác tiếp theo.

Con mồi ® Vật sử dụng 1 ® Vật sử dụng 2 ® ...

Ví dụ: cỏ à sâu à ếch à rắn à chim đại bàng (Vũ Trung Tạng, 2004)

ở xích thức ăn, vật chất được chuyển từ bậc thấp đến bậc cao, càng lên bậc cao năng lượng được tích tụ trong mỗi bậc càng giảm, song chất lượng sản phẩm hay sự giàu năng lượng tính trên đơn vị sản phẩm càng lớn.

Mỗi một nhóm sinh vật trong xích thức ăn có thể khác nhau về bậc phân loại nhưng cùng sử dụng một dạng thức ăn được gọi là bậc dinh dưỡng (tức là mắt xích của xích thức ăn).

Trong các quần xã hay hệ sinh thái tự nhiên có thể gặp 3 loại xích thức ăn khác nhau: xích thức ăn chăn nuôi, xích thức ăn phế liệu và xích thức ăn thẩm thấu.

- Xích thức ăn chăn nuôi

Xích thức ăn này được khởi đầu bằng thực vật, tiếp đến là những loài "ăn cỏ" rồi đến vật ăn thịt các cấp (1,2,3...)

Xích thức ăn có dạng sau:

- Xích thức ăn phế liệu (Detritus)

Khác với xích thức ăn chăn nuôi, xích này được khởi đầu bằng phế liệu hay mùn bã, cặn vẩn, sau đó là bậc dinh dưỡng của nhũng loài ăn cặn vẩn, rồi đến các vật ăn thịt khác:

Động vật ® Động vật ® Động vật ®...

ăn phế liệu ăn thịt cấp 1 ăn thịt cấp 2

Detrit được nhiều nhóm sinh vật sử dụng như giun trong đất, còn trong vực nước là các loài thân mềm, giáp xác, giun, một số loài cá.

- Xích thức ăn thẩm thấu.

Xích thức ăn thẩm thấu có lẽ là xích thức ăn rất đặc trưng cho các hệ sinh thái ở nước với 2 tính chất: thứ nhất, nước là dung môi có thể hòa tan tất cả các muối vô cơ và những chất hữu cơ phân cực có khối lượng phân tử thấp. Thứ 2, các sinh vật sống trong nước tức là sống trong một dung dịch các chất. Đại bộ phận các loài sinh vật nhỏ bé (tảo, động vật nguyên sinh, vi khuẩn...) có khả năng dinh dưỡng các chất hữu cơ hoà tan bằng con đường thẩm thấu qua bề mặt cơ thể.

Nếu tính các nguồn thức ăn trong thủy quyển cho các loài sinh vật thuỷ sinh thì tỷ lệ của các chất hữu cơ hòa tan, detrit và các cơ thể sống là 100 : 10 : 1.

Trong tự nhiên, 3 xích thức ăn hoạt động đồng thời, tuỳ môi trường và hoàn cảnh cụ thể mà xích thức ăn nào trở nên ưu thế, xích thức ăn nào thứ yếu.

2.3.2. Lưới thức ăn

Tổ hợp các xích thức ăn sẽ hình thành nên lưới thức ăn, trong đó các loài tham gia vào các bậc dinh dưỡng của một số xích thức ăn, chúng tạo nên mối quan hệ dinh dưỡng rất phức tạp trong các quần xã hay trong các hệ sinh thái.

Tính chất phức tạp của lưới thức ăn được tạo ra do sự tham gia của nhiều loài sinh vật, nhất là những loài có phổ thức ăn rộng, tức là có khả năng tham gia vào nhiều bậc dinh dưỡng. Con người có thể xem là sinh vật tiêu thụ cuối cùng của xích thức ăn. Tuy vậy, con người có thể sử dụng nhiều loại thức ăn, bắt đầu từ thực vật đến các nhóm sinh vật tiêu thụ khác nhau.

2.3.3. Tháp sinh thái .

Tháp sinh thái là tên gọi chung của 3 loại tháp với cách sử dụng các đơn vị đo lư¬ờng khác nhau: tháp số l¬ượng (tính theo số l¬ượng cá thể), tháp sinh vật lượng (tính theo đơn vị khối lượng) và tháp năng lượng ( tính theo đơn vị năng lư¬ợng).

Tháp sinh thái đ¬ược cấu tạo bằng cách xếp chồng liên tiếp các bậc dinh dưỡng từ thấp lên cao. Do tổng năng l¬ượng (hoặc số l¬ượng hay khối lượng) liên tiếp giảm giữa các bậc dinh dưỡng nên tháp có đáy to ở dư¬ới, càng lên trên càng nhỏ dần. Tháp năng lượng luôn luôn có dạng tháp điển hình, nghĩa là tổng nguồn năng lư¬ợng của con mồi bất kỳ lúc nào cũng lớn hơn tổng nguồn năng l¬ượng của những kẻ sử dụng chúng. Đối với hai tháp còn lại (số lư¬ợng và sinh vật l¬ượng) nói chung cũng có dạng điển hình nh¬ư thế, song trong một số trường hợp, đáy (khởi đầu cho xích thức ăn) lại nhỏ hơn bậc dinh dưỡng phía trên kề liền, sau mới có thể phát triển bình thư¬ờng, tháp trở nên mất cân đối.

Sự mất cân đối của tháp số l¬ượng th¬ường gặp trong quan hệ vật chủ ký sinh, trong đó vật chủ có kích thước lớn, còn vật ký sinh có kích thước nhỏ nhưng số lượng đông. Đối với tháp sinh vật lượng, sự sai lệch đó gây ra do bậc cơ sở gồm những cơ thể có kích thước nhỏ hơn bậc trên, hơn nữa, bậc này vừa mới sản sinh ra thì phần lớn đã bị sinh vật bậc trên nó sử dụng ngay lập tức. Về mặt năng lượng thì ở cả hai mối quan hệ trên, tháp vẫn giữ dạng điển hình.

Như¬ vậy, xích thức ăn, lưới thức ăn, tháp sinh thái thể hiện mối quan hệ dinh dưỡng rất phức tạp giữa các loài, thậm chí giữa các cá thể trong quần xã, tạo nên cấu trúc chức năng của hệ thống cũng rất phức tạp không kém, đảm bảo tính ổn định của quần xã trong việc sử dụng nguồn sống một cách có hiệu quả và thích ứng đ¬ược với điều kiện môi trường thường xuyên biến động.

3. Mối quan hệ giữa các loài trong quần xã

Mối quan hệ giữa các loài trong quần xã rất đa dạng. Một trong những mối quan hệ đó đã được đề cập đến một cách chi tiết là cấu trúc dinh dư¬ỡng trong các xích thức ăn. Ngoài ra, còn hàng loạt các mối quan hệ khác rất tinh tế và cũng phức tạp. Khi các quần thể tác động lên nhau, dù bất kể trường hợp nào, có lợi hoặc bất lợi, đều gây ảnh hưởng đến sự phát triển số lượng của chúng.

Theo Lotka - Volterra:

Công thức trên thể hiện mối quan hệ giữa hai quần thể trong quần xã, trong trường hợp mang dấu (+) hai quần thể có quan hệ tạo thuận lợi cho nhau, nếu mang dấu (-) hai quần thể ức chế lẫn nhau.

3.1. Các mối tương tác âm

Các mối tương tác âm có thể được kể đến là sự hãm sinh, cạnh tranh, ký sinh vật chủ, vật dữ - con mồi.

3.1.1. Hãm sinh

Mối quan hệ hãm sinh đã đề cập đến ở chương 1. Trong mối quan hệ này ở quần xã có thể dẫn ra nhiều ví dụ khác nhau. Chẳng hạn những đại diện của các chi tảo Microcystis, Anabaena, Nodularia tiết ra chất đầu độc gan (Hepatoxin), tảo Lyngbya, Anabaena tiết ra chất gây độc cho thần kinh (Neurotoxin) đối với các loài động vật.

3.1.2. Sự cạnh tranh và chung sống

Sự cạnh tranh giữa các loài th¬ường xảy ra khốc liệt hơn so với cạnh tranh cùng loài. Đư¬ơng nhiên, các loài cạnh tranh với nhau do ổ sinh thái của chúng chồng chéo lên nhau.

Mức độ cạnh tranh mạnh hay yếu phụ thuộc vào sự chồng chéo nhiều hay ít. Ổ sinh thái của các loài càng chồng khít lên nhau, mức độ cạnh tranh càng ác liệt, dẫn đến sự cạnh tranh "loại trừ" tức là một trong hai loài thua cuộc ở mức hoặc bị tiêu diệt hoặc phải dời đi nơi khác. Cạnh tranh giữa các loài xảy ra do chung nguồn dinh dư¬ỡng, chung nơi ở. . .

Cạnh tranh được xem là một trong những động lực chủ yếu của quá trình tiến hoá sinh giới.

Sự cạnh tranh có thể dẫn đến các kết quả sau:

+ Biến động số lượng: Những loài nào có khả năng sinh sản cao, nhu cầu thức ăn thấp thường là loài chiếm ưu thế

+ Sự phân bố về địa lý: Những loài có tiềm lực như nhau sẽ dẫn đến phân bố về địa lý và nơi ở của chúng.

3.1.3. Mồi quan hệ vật dữ con mồi, ký sinh vật chủ

Mối quan hệ giữa vật dữ con mồi tạo nên xích thức ăn trong thiên nhiên, qua đó vật chất đ¬ược quay vòng và năng lượng được biến đổi. Nhờ vậy, quần xã sinh vật và các hệ sinh thái mới đ¬ược duy trì và phát triển một cách vững bền.

Mối quan hệ vật dữ con mồi là mối quan hệ rất bao trùm. Quan hệ ký sinh vật chủ là sự biến thể, một trường hợp đặc biệt của mối quan hệ trên. Trong mối quan hệ vật dữ con mồi, ai cũng hiểu vật dữ khai thác con mồi làm thức ăn, còn con mồi đã nuôi sống vật dữ. Mối quan hệ tương hỗ này, không chỉ tồn tại lâu bền trong thiên nhiên mà cũng là một trong những động lực quan trọng, giúp cho cả 2 phía song song tiến hóa không ngừng. Trong quá trình này, thông qua chọn lọc tự nhiên, vật dữ càng "tinh khôn" hơn để khai thác con mồi có hiệu quả thì con mồi càng "sắc sảo" hơn để bảo vệ mình.

Để tránh sự săn bắt của vật dữ, trong quá trình tiến hóa song hành ấy, con mồi có khả năng thích nghi về hình thái (thân trở nên gai góc...), sinh lý (đẻ nhiều), sinh hóa (sinh chất độc...), sinh thái (ngụy trang. ..) và các tập tính khác (ẩn nấp, chạy trốn...)... Ngược lại, vật dữ cũng có đ¬ược những thích nghi tương ứng để tồn tại và phát triển một cách hưng thịnh. Song trong mối quan hệ này, vật dữ "thông minh" đã "biết" khai thác con mồi một cách hợp lý để thỏa mãn nhu cầu trước mắt của mình nhưng không gây hại đến sự tồn vong của các thế hệ tương lai. Trong khai thác tài nguyên thiên nhiên, con người học được những gì trong mối quan hệ "vĩ đại" này? Mối quan hệ con mồi vật dữ là yếu tố quan trọng trong cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể, luôn luôn đưa số lượng quần thề vào trạng thái cân bằng ổn định để tồn tại vững bền trong điều kiện môi trường có giới hạn.

3.2. Các mối tương tác dương

Các mối tương tác dương nói chung đều làm lợi cho các loài, ít nhất cho 1 loài trong cuộc sống. Chúng bao gồm các dạng hội sinh; tiền hợp tác và cộng sinh, trong cách sống đó các loài nhận được những lợi ích do loài khác mang lại.

3.2.1. Hội sinh (Commensalism) .

Hội sinh là mối quan hệ giữa 2 loài, trong đó loài sống hội sinh có lợi còn loài được sống hội sinh không bị ảnh hư¬ởng gì.

Trong tự nhiên dạng quan hệ này rất phổ biến khi vật này sử dụng vật khác như¬ một giá thể để bám, làm phư¬ơng tiện vận động, kiếm ăn hay làm nơi sinh sản... Chẳng bạn, một số thân mềm (hàu, vẹm...), giáp xác (Balanus) sống bám vào các cây sống ngập nư¬ớc. Những cây sống khí sinh (phong lan) sống nhờ trên cây khác. Cá ép (Echeneis) bám vào bất kỳ một con vật lớn nào (cá mập, rùa), kể cả tàu thuyền, để đ¬ược vận chuyển đi xa. Hơn nữa, những con vật lớn khi bơi, tạo nên dòng nư¬ớc mạnh chảy qua xoang miệng cá ép, giúp cá thỏa mãn cả hai yêu cầu lấy thức ăn và hấp thụ oxy một cách dễ dàng. Rời khỏi vật bám, loài này khó sống vì đói và "ngột ngạt". Ở biển, trong tổ giun Erechis có tới 13 loài động vật nhỏ như¬ cá bống, cua, giun nhiều tơ. . . sống hội sinh với Erechis để có nơi ẩn nấp và kiếm thức ăn thừa và phân của chủ để sống.

3.2.2. Tiền hợp tác (Procooperation)

Tiền hợp tác là cách sống hợp tác đơn giản giữa các loài, chúng mang đến cho nhau những lợi ích về nhiều mặt, song cách sống này không bắt buộc. Chẳng hạn, nhiều loài chim nhỏ ăn côn trùng thích tìm đến thân các con thú lớn (ngựa vằn, lạc đà, trâu...) để tìm thức ăn là các sâu bọ sống ngoại ký sinh ở thú. Nhiều loài tôm, cá nhỏ... tìm đến sống hợp tác với cá lịch biển để bắt "chí, rận" cho cá, nhiều khi còn chui cả vào miệng cá để tìm thức ăn thừa còn bám trong kẽ răng của chủ. Cá lịch tuy là cá dữ như¬ng không hề ăn thịt những "ngư¬ời bạn" của mình. . .

3.2.3. Hỗ sinh hay cộng sinh (Mutualism hay Symbiose)

Cộng sinh hay hỗ sinh là kiểu hợp tác bắt buộc, rời nhau ra cả 2 đều không thể tồn tại được. Chẳng hạn vi sinh vật sống trong cơ quan tiêu hóa của các loài nhai lại. Vi sinh vật có khả năng phân hủy xenlulose do thú kiếm đư¬ợc, tạo ra đư¬ờng để cung cấp thức ăn cho cả 2.

Các loài tảo cộng sinh với san hô (gọi là Zooxantheles) sống trong mô mềm của san hô, nhận CO2, muối khoáng... từ san hô, thực hiện quá trình quang hợp tạo nên tinh bột để nuôi sống san hô và chính mình. Nhiều loài mối (của họ Termitidae) gặm được gỗ nhưng không tiêu hóa được; loài động vật nguyên sinh (bộ Hypermastigina) sống trong ruột mối lại phân giải đ¬ược bột gỗ để tạo nên đ¬ường nuôi sống cả hai. Khi mối lột xác, động vật nguyên sinh cũng sống tiềm sinh trong kén của mình. Chúng rời khỏi kén để hoạt động khi mối lột xác xong và bắt đầu gặm gỗ.

Một số loài kiến nhiệt đới còn biết "trồng nấm" trong vườn lá cây của nhà mình. Kiến kiếm lá về tổ rồi cấy nấm lên trên đó và chăm sóc một cách cẩn thận để thu hoạch. M. M. Martin (1970) chỉ ra rằng, trong hệ thống kiến nấm, xích thức ăn detrit đư¬ợc rút ngắn và sự phân hủy lá diễn ra nhanh hơn. Kiến "biết" thay đổi các nhóm vi sinh vật để nâng cao hiệu quả phân hủy lá và các loài nấm thuộc bộ nấm Đảm (Basidiomycetes) bao giờ cũng đư¬ợc cấy vào giai đoạn cuối cùng. Nếu lá trong vườn lá đ¬ược kiến "bón phân" từ chất thải của mình thì nấm, t¬ương tự như¬ kiểu đơn canh (Monoculture), sinh sản rất nhanh trên lá t¬ơi, đảm bảo cho kiến nguồn thức án phong phú. Để duy trì lối canh tác đơn canh có năng suất cao, kiến phải mất nguồn năng l¬ượng lớn, như¬ng lại nhận đư¬ợc năng l¬ượng mới khá dồi dào từ sự phân hủy cellulose do nấm đảm nhận.

Nấm và tảo sống cộng sinh với nhau chặt chẽ tới mức tạo nên một dạng sống tưởng như một ngành phân loại độc lập. Đó là Địa y.

Khi quần xã đạt được trạng thái cân bằng ổn định thì các mối tương tác dương và tương tác âm cũng trở nên cân bằng và sự chung sống hoà bình giữa các loài tăng lên.

Chương 4

HỆ SINH THÁI

Hệ sinh thái cũng như những đơn vị chức năng trong sinh giới, các hoạt động của nó nói riêng hay toàn bộ sinh quyển nói chung làm cho thế giới ngày nay ngày càng phát triển và trở nên ổn định vững chắc. Mọi cá thể, mọi quần thể và quần xã sinh vật, những thành viên sống cấu trúc nên hệ cũng được thừa hưỡng những thành quả đó để phát triển và tiến hoá không ngừng. Con người, đương nhiên cũng là một trong những thành viên của hệ sinh thái.

I. Định nghĩa.

Hệ sinh thái là tổ hợp của một quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà quần xã đó tồn tại, trong đó các sinh vật tư¬ơng tác với nhau và với môi trường để tạo nên chu trình vật chất (chu trình sinh-địa-hoá) và sự chuyển hóa của năng lư¬ợng.

Ví dụ: Ao, hồ, một khu rừng, một con sông, thậm chí một vùng biển...là những hệ sinh thái điển hình.

Hệ sinh thái lại trở thành một bộ phận cấu trúc của một hệ sinh thái duy nhất toàn cầu hay còn gọi là sinh quyển (Biosphere).

Thuật ngữ "Hệ sinh thái" (Ecosystem) đ¬ược A. Tansley nêu ra vào năm 1935 và trở thành phổ biến, đ¬ược sử dụng rộng rãi nhất vì nó không chỉ bao hàm các hệ sinh thái tự nhiên mà cả các hệ sinh thái nhân tạo, kể cả con tàu vũ trụ. Đư¬ơng nhiên, tàu vũ trụ là một hệ thống kín, đang hư¬ớng đến trạng thái mở khi con ngư¬ời tạo ra trong đó quá trình tự sản xuất và tiêu thụ nhờ tiếp nhận nguồn năng lư¬ợng và vật chất từ bên ngoài. Thuật ngữ hệ sinh thái của A. Tansley còn chỉ ra nhũng hệ cực bé (Microecosystem), đến các hệ lớn nh¬ư một khu rừng, cánh đồng rêu (Tundra), biển, đại d¬ương và hệ cực lớn như¬ sinh quyển.

Hệ sinh thái luôn là một hệ động lực hở và tự điều chỉnh, bởi vì trong quá trình tồn tại và phát triển, hệ phải tiếp nhận cả nguồn vật chất và năng l¬ượng từ môi tr¬ường.

Do là một hệ động lực cho nên hoạt động của hệ tuân theo các định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động học. Định luật I cho rằng: năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, còn định luật thứ II có thể phát biểu d¬ưới nhiều cách, song trong sinh thái học cho rằng: năng lượng khi chuyển từ bậc dinh dưỡng này sang bậc dinh dưỡng khác, hiệu suất sử dụng luôn nhỏ hơn 100%.

Bản thân hệ sinh thái hoàn chỉnh và toàn vẹn nh¬ư một cơ thể, cho nên tồn tại trong tự nhiên, hệ cũng có một giới hạn sinh thái xác định. Trong giới hạn đó, khi chịu một tác động vừa phải từ bên ngoài, hệ sẽ phản ứng lại bằng cách sắp xếp lại các mối quan hệ trong nội bộ và toàn thể hệ thống phù hợp với môi trư¬ờng thông qua những "mối liên hệ ngược" để duy trì sự ổn định của mình trong điều kiện môi tr¬ường biến động.

Các hệ sinh thái, đ¬ược đặc trư¬ng 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 không gian giữa các thành viên sống và không sống, vào đặc tính chung của môi trư¬ờng 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 đư¬ợc thiết lập phù hợp với các quá trình mà chúng đảm bảo cho vật chất đư¬ợc quay vòng và năng lư¬ợng đ¬ược biến đổi. Do hoạt động của hệ trư¬ớc hết là của quần xã sinh vật, các nguyên tố hoá học di chuyển không ngừng d¬ưới dạng các chu trình để tạo nên các hợp chất hữu cơ từ các chất khoáng và n¬ước, còn năng l¬ượng từ dạng nguyên khai (quang năng - ánh sáng Mặt Trời) đư¬ợc chuyển thành dạng năng l¬ượng hóa học (hoá năng) chứa trong cơ thể thực vật, động vật thông qua các quá trình quang hợp (ở thực vật) và đồng hóa (ở động vật) rồi chuyển đổi thành nhiệt thông qua quá trình hô hấp của chúng.

II. Cấu trúc của hệ sinh thái

Một hệ sinh thái điển hình đ¬ược cấu trúc bởi các thành phần cơ bản sau đây:

- Sinh vật sản xuất (Producer - P)

- Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C)

- Sinh vật phân hủy (Decomposer - D)

- Các chất vô cơ (CO2, O2 , H2O, CaCO3...) .

- Các chất hữu cơ (protein, lipid, glucid, vitamin, enzym, hoocmon,...)

- Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, l¬ượng m¬ưa...).

Thực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành phần sau là môi trường vật lý mà quần xã đó tồn tại và phát triển.

+ Sinh vật sản xuất (Producer - P) là những sinh vật tự d¬ưỡng (autotrophy), gồm các loài thực vật có màu xanh và một số nấm, vi khuẩn có khả năng quang hợp hoặc hóa tổng hợp.

+ Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C) là những sinh vật dị d¬ưỡng (heterotrophy) bao gồm¬ tất cả các loài động vật và những vi sinh vật không có khả năng quang hợp và hóa tổng hợp, nói một cách khác, chúng tồn tại đư¬ợc là dựa vào nguồn thức ăn ban đầu do các sinh vật tự dưỡng tạo ra.

Tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ của chúng, được chia ra:

- Sinh vật tiêu thụ bậc 1 (C1): bao gồm những loài động vật ăn thực vật.

- Sinh vật tiêu thụ bậc 2 (C 2): 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) có thể là sinh vật ăn thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 2 làm thức ăn. Cũng có thể là ký sinh trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc1 hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn xác chết.

+ Sinh vật phân hủy (Decomposer - D) là tất cả các vi sinh vật dị dư¬ỡng, sống hoại sinh (saprophy).

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 đ¬ược xem là sinh vật tiêu thụ, còn một số loài động vật trong hệ sinh thái cũng đư¬ợc xem là sinh vật phân hủy. Khác với vi sinh vật, động vật tham gia vào quá trình phân hủy ở giai đoạn thô, giai đoạn trung gian, còn vi sinh vật phân hủy các chất ở giai đoạn cuối cùng, giai đoạn khoáng hóa.

Ngoài cấu trúc theo thành phần, hệ sinh thái còn có 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 hóa năng lư¬ợng của hệ.

- Xích thức ăn trong hệ.

- Các chu trình sinh địa hóa diễn ra trong hệ.

- Sự phân hóa trong không gian và theo thời gian.

- Các quá trình phát triển và tiến hoá của hệ.

- Các quá trình tự điều chỉnh.

Một hệ sinh thái cân bằng là một hệ trong đó 4 quá trình đầu tiên đạt đư¬ợc trạng thái cân bằng động t¬ương đối với nhau. Sự cân bằng của tự nhiên, nghĩa là mối quan hệ của quần xã sinh vật với môi tr¬ường vật lý mà quần xã đó tồn tại đ¬ược 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 còn là kết quả của các quá trình điều chỉnh, đ¬ược diễn đạt bằng ngôn ngữ phân tích hệ thống như¬ chuỗi các "mối liên hệ ngư¬ợc" trong phạm vi của dòng năng l¬ượng, trong các xích thức ăn, các chu trình sinh địa hóa và tính đa dạng của cấu trúc.

Mỗi một chức năng của hoạt động chức năng lại chứa đựng các phần cấu trúc riêng. Chẳng hạn, đối với các chức năng thứ 1, thứ 2 và thứ 8 nêu trên gồm sinh vật quang hợp, sinh vật ăn thực vật, vật dữ, vật ký sinh, cộng sinh, sinh vật l¬ượng của chúng, và trong mối quan hệ khác, nh¬ư sự bốc hơi nước, lư¬ợng mư¬a, sự xói mòn và lắng đọng. Đối với chức năng 4 và 5 gồm quá trình tăng trư¬ởng và tái sản xuất vật chất, những tác nhân sinh học và vật lý đối với mức tử vong, sự di cư, nhập cư¬ trong hệ sinh thái cũng như¬ sự phát triển của các đặc tính thích nghi...

Với đặc tính cấu trúc đa dạng như¬ thế, hệ sinh thái ngày càng hướng đến trạng thái cân bằng ổn định và tồn tại vô hạn nếu không chịu những tác động mạnh, vư¬ợt quá ngư¬ỡng chịu đựng của mình.

III. Các ví dụ về hệ sinh thái

Như¬ trên đã đề cập, các hệ sinh thái gồm những hệ tự nhiên và nhân tạo.

1. Các hệ sinh thái tự nhiên

Sinh quyển là một hệ sinh thái khổng lồ và duy nhất của hành tinh. Nó đ¬ược cấu tạo bởi tổ hợp các hệ sinh thái dư¬ới đất, trên mặt đất và dư¬ới nư¬ớc. Chúng có quan hệ và gắn bó với nhau một cách mật thiết bằng chu trình vật chất và dòng năng l¬ượng ở phạm vi toàn cầu. Do vậy, ta có thể tách hệ thống lớn nêu trên thành những hệ độc lập tư¬ơng đối, mặc dù trên một dãy liên tục của tự nhiên, ranh giới của phần lớn các hệ không thật rõ ràng. Dư¬ới đây, chúng ta sẽ quan sát một vài hệ sinh thái điển hình như¬ là những ví dụ.

1.1. Rừng quốc gia Cúc Phương.

Rừng Cúc Phư¬ơng là một bộ phận rất nhỏ của khu sinh học rừng mư¬a nhiệt đới, ở độ cao trung bình 300 - 400m. Những nét nổi bật của hệ sinh thái rừng quốc gia Cúc Phư¬ơng được biểu hiện nh¬ư sau:

Thành phần sinh giới rất đa dạng, gồm 1944 loài thuộc 908 chi của 229 họ thực vật; 71 loài và phân loài thú, trên 320 loài và phân loài chim, 33 loài bò sát, 16 loài ếch nhái, hàng ngàn loài chân khớp và những loài động vật không x¬ương sống khác, sống ở các sinh cảnh khác nhau. Trong chúng, nhiều loài còn sót lại từ kỷ thứ Ba như¬ cây Kim giao (Podocarpus fleuryi), những loài có ý nghĩa trong nghiên cứu tiến hóa như¬ dương xỉ thân gỗ (Cyathea podophylla) và C. contaminans); nhiều loài 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 vư¬ợt tán với cây cao 15 - 30 m hay 40 - 50m, điển hình là chò chỉ (Parashorea chinensis), gội nếp (Aglaia gigantea), vù hư¬ơng (Ciannamomum balansae), lát hoa (Chukrasia tabularis), mun (Diospyros mun) v.v. Những hiện t¬ượng sinh thái tiêu biểu của rừng mư¬a 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 loài cây thuộc họ Lan (Orchidaceae), nhiều cây "bóp cổ" thuộc chi Đa (Ficus), chi Chân chim (Schefflera) . . . , nhiều cây ký sinh thuộc họ Tầm gửi (Loranthaceae), nhiều cây có rễ bạnh lớn như¬ sấu cổ thụ (Dracontomelum duperreanum)...

Rừng Cúc Phư¬ơng đang tồn tại ở trạng thái cân bằng ổn định, do đó, cấu trúc về thành phần loài, sự phân hóa trong không gian, cũng như¬ cấu trúc về các mối quan hệ sinh học và những hoạt động chức năng rất đa dạng và phức tạp. .

2. Hồ tự nhiên là một ví dụ điển hình cho các hệ sinh thái ở n¬ước: tất nhiên cũng như¬ các hệ sinh thái trên cạn, hồ nhận nguồn vật chất từ bên ngoài do sự bào mòn từ mặt đất sau các trận m¬ưa... và năng l¬ượng từ bức xạ Mặt Trời.

Khí dioxyt cacbon (CO2), muối khoáng và n¬ước là nguyên liệu thiết yếu cho các loài thực vật ở n¬ước hấp thụ để tạo nên nguồn thức ăn sơ cấp là tinh bột thông qua quá trình quang hợp. Những loài động vật thủy sinh, chủ yếu là giáp xác thấp (Cladocera, Copepoda)... sử dụng thực vật sống trôi nổi (thực vật phù du: Phytoplankton), cá trắm cỏ ... ăn cỏ n¬ước để tạo nên nguồn thức ăn động vật đầu tiên cho các sinh vật ăn thịt khác và ng¬ười. Tất cả nhũng chất bài tiết, chất trao đổi và xác sinh vật bị phân hủy bởi vô số các vi sinh vật yếm khí hay kỵ khí đến giai đoạn khoáng hóa cuối cùng. Ở chúng, một phần có thể lắng xuống đáy, còn phần lớn lại tham gia vào quá trình tổng hợp các chất bởi các loài sinh vật trong hồ.

Biển, đại dư¬ơng là những hệ sinh thái khổng lồ. Trong thiên nhiên ta còn gặp những hệ sinh thái cực bé (Microecosystem) nh¬ư trư¬ờng hợp các detrit đã đề cập đến ở trên.

3. Các hệ sinh thái nhân tạo

Các hệ sinh thái nhân tạo tức là những hệ sinh thái do con ng¬ười tạo ra. Chúng cũng rất đa dạng về kích cỡ , về cấu trúc . . . , lớn như¬ các hồ chứa, đồng ruộng, nư¬ơng rẫy canh tác, các thành phố, đô thị... và nhỏ nh¬ư những hệ sinh thái thực nghiệm (một bể cá cảnh, một hệ sinh thái trong ống nghiệm...). Nhiều hệ có cấu trúc đa dạng chẳng kém các hệ sinh thái tự nhiên (như¬ thành phố, hồ chứa...) song cũng có những hệ có cấu trúc đơn giản, trong đó, quần xã sinh vật với loài ưu thế được con người lựa chọn cho mục đích sử dụng của mình, chẳng hạn nh¬ư đồng ruộng, nư¬ơng rẫy . . . Những hệ như¬ thế thường không ổn định. Sự tồn tại và phát triển của chúng hoàn toàn dựa vào sự chăm sóc của con ngư¬ời. Nếu không có sự chăm sóc, hệ sẽ suy thoái và nhanh chóng đ¬ược thay thế bằng một hệ tự nhiên khác ổn định hơn

4. Mối quan hệ giữa quần xã sinh vật và môi trường.

Giữa môi trư¬ờng và quần xã sinh vật có mối liên quan chặt chẽ trên cơ sở tư¬ơng tác lẫn nhau thông qua các "mối liên hệ ngư¬ợc". Các nghiên cứu chỉ ra rằng, một trong nhữ¬ng đặc tính quan trọng của mối tư¬ơng tác đó là tỷ lệ giữa sinh khối và "giá thể" hay sinh cảnh của quần xã. Tỷ lệ này càng nhỏ, trong điều kiện cân bằng ổn định thì tác động của quần xã lên sinh cảnh càng yếu và tính ổn định của môi trư¬ờng hư¬ớng đến việc làm tăng độ bền vững của toàn hệ thống càng kém hiệu quả.

Theo quy luật, thành phần không sống (hay giá thể) trong thủy quyển lớn hơn nhiều lần so với các hệ sinh thái trên cạn. Sinh vật lư¬ợng trung bình của sinh vật trên cạn đạt đến 12 - 13 kg/m2, còn ở dưới n¬ước chỉ khoảng 10g/m2 (tính theo khối l¬ượng khô), nghĩa là nhỏ hơn 1000 lần. Điều khác biệt ở chỗ, trên cạn sinh vật phân bố theo chiều thẳng đứng chỉ vào khoảng mấy chục mét, còn ở d¬ưới n¬ước chúng lặn xuống sâu đến hàng trăm thậm chí hàng ngàn mét từ mặt xuống đáy.

Mặc dù theo khối l¬ượng, thành phần sống trong hệ rất nhỏ so với thành phần chung sống, song vai trò hoạt động và tính chủ đạo của nó lại rất lớn trong các chu trình sinh địa hóa. Chẳng hạn thành phần hoá học của biển cũng như trầm tích đáy của nó chủ yếu được quyết định bởi hoạt động sống của sinh vật (Odum, 1983).

Sự hình thành đất canh tác cũng là minh chứng rõ rệt cho vai trò cải tạo đất của các nấm, vi khuẩn, những loài động vật nhỏ bé (giun đất) và thực vật.

Khi thích nghi với môi trường, quần xã sinh vật không ngừng phát triển do sự tiến hoá liên tục của các loài. Sinh cảnh rõ ràng có ảnh hưởng lên sự phát triển tiến hoá của sinh vật, nhưng không hoàn toàn là nguyên nhân trực tiếp của quá trình đó. Ngược lại, sự thay đổi của sinh cảnh dưới ảnh hưởng của quần xã khó quan sát được trong thời gian ngắn, nhưng trong quá trình lịch sử địa chất lại rất lớn lao, ví dụ sự tạo thành các đảo san hô ở Nam Thái Bình Dương, sự biến đổi của hồ thành rừng...

Qua đó thấy rằng các thành viên cấu tạo nên quần xã càng ở bậc tiến hoá cao, càng đứng cuối xích thức ăn, càng có đóng góp nhiều cho quần xã trong việc làm biến đổi môi trường.

5. Tính bền vững của hệ sinh thái.

Một hệ sinh thái được xem là bền vững khi hệ duy trì được trạng thái của nó không đổi theo thời gian, hay tính bền vững là "sức ì" của nó trước những huỷ hoại, hay sự mềm dẽo, tức là khả năng quay trở lại trạng thái ban đầu sau khi bị tác động huỷ hoại của ngoại lực, hay cuối cùng là biên độ (độ lệch) biến động của hệ để phản ứng lại những biến đổi của môi trường mà trong giới hạn đó hệ vẫn có thể quay trở lại trạng thái ban đầu.

Dạng đặc tr¬ưng của tính bền vững đối với một hệ là sự biến đổi có chu kỳ ổn định khi những yếu tố giới hạn của môi trư¬ờng cũng xuất hiện một cách tuần hoàn.

Những ví dụ sau đây chỉ ra tính bền vững khác nhau của các hệ sinh thái trong tự nhiên trư¬ớc những biến cố của môi trư¬ờng. Năm 1970 ở biển Đỏ do mực nư¬ớc đột nhiên xuống thấp 3 ngày, tại đỉnh các rạn san hô có đến 90% các polyp bị chết. Ng¬ười ta hy vọng rằng, những rạn này có thể quay về trạng thái ban đầu phải vào cuối thế kỷ. Hệ sinh thái san hô Great Barrier ở Australia bị sao biển hủy diệt 11% vào trư¬ớc những năm 1973, như¬ng đến nay vẫn chư¬a khôi phục lại hoàn toàn. Vào năm 1972, ở bờ biển Thái Bình D¬ương thuộc Hoa Kỳ, loài nhím Strongilocentrotus sp. sinh sản như¬ vũ bão đã hủy diệt gần như¬ hoàn toàn một loài tảo thuộc chi Nereocysta, song chỉ 2 năm sau loài tảo này đã trở lại trạng thái ban đầu.

Nhiều nhà sinh thái học cho rằng, tính đa dạng càng tăng thì sự bền vững của các quần thể riêng biệt cấu trúc nên quần xã càng giảm (do kích thư¬ớc quần thể nhỏ lại). Song, để nâng cao sự bền vững của hệ thống thì cấu trúc dinh dư¬ỡng phải trở nên phức tạp hơn. Ở nơi nào sinh vật tiêu thụ có phổ thức ăn rộng thì chúng có thể nhanh chóng chuyển sang sử dụng loại thức ăn có độ phong phú cao nhất. Do đó, sinh vật tiêu thụ ít chịu tác động đối với sự biến động số l¬ượng của các nhóm thức ăn riêng biệt. Trong các hệ sinh thái đơn giản hơn, sự dinh dưỡng của sinh vật tiêu thụ bị giới hạn bởi một số loại con mồi và như¬ vậy, sự dao động về số lư¬ợng của con mồi thư¬ờng gây ra sự biến đổi mạnh số l¬ượng của sinh vật tiêu thụ.

Một trong những hậu quả quan trọng của sự biến đổi của các hệ sinh thái là sự diệt vong của các loài riêng biệt. Như¬ A.X. Constantinov (1984) đã nêu vào kỷ Phấn trắng tại các vực n¬ước ở vĩ độ 00- 500 N, những loài thuộc trùng lỗ (Foraminifera) sống nổi bị tuyệt diệt nhanh hơn so với các loài sống trong các vực n¬ước ở cao hơn 500 N. Qua 25 triệu năm kể từ sau khi khu hệ đó được hình thành, tại những thuỷ vực trên chúng chỉ còn được giữ lại tương ứng là 14% và 28%; qua 45 triệu năm sau nữa 8% và 18%, qua 70 triệu năm 0% và 10% (Riclefs, 1979). Nói một cách khác, trong các hệ sinh thái thuộc vĩ độ thấp thành phần loài của Foraminifera kém ổn định hơn so với các hệ sinh thái ở vĩ độ cao.

6. Các chu trình vật chất và dòng năng lượng trong hệ sinh thái

6.1. Các chu trình vật chất

6.1.1 Quá trình tổng hợp và phân huỷ các chất

Như¬ một cơ thể hoàn chỉnh, hệ sinh thái cũng thực hiện chức năng sống cơ bản của mình là "đồng hóa" và "dị hóa" hay nói một cách khác là tổng hợp các chất và phân hủy chúng hoặc quá trình sản xuất và tiêu thụ. Hai quá trình này giúp cho hệ tồn tại phát triển để đạt đến trạng thái tr¬ưởng thành, cân bằng ổn định trong môi trư¬ờng.

Trên phạm vi toàn cầu, từ khi xuất hiện sự quang hợp và sự phân huỷ, hai quá trình này đã thúc đẩy quá trình phân hóa và tiến hóa của thế giới sinh vật, đồng thời làm giàu cho sinh quyển bằng "của ăn của để", khi mà sức sản xuất đã vư¬ợt lên mức tiêu thụ toàn cầu.

6.1.1.1 Quá trình tổng hợp các chất

Quá trình tổng hợp các chất đ¬ược tiến hành bằng 2 phư¬ơng thức: Quang hợp và hoá tổng hợp.

Những cây xanh sống trên Trái Đất có khả năng quang hợp, mỗi năm sản xuất ra khoảng 100 tỷ tấn chất hữu cơ để nuôi sống những nhóm sinh vật khác. Trong quang hợp, diệp lục (chlorophyl) đóng vai trò rất quan trọng, nh¬ư một chất xúc tác, giúp cho cây sử dụng đ¬ược năng lượng Mặt Trời để biến đổi cacbon đioxyt (CO2) và nư¬ớc thành cacbon hyđrat, đồng thời thải ra khí oxy (O2) phân tử theo công thức :

CO2 + 2H2O Năng lượng Mặt trời (CH2O) + H2O + O2

Như¬ vậy, bất kỳ ở nơi nào có mặt cây xanh, có ánh sáng Mặt Trời, nước, khí cacbonic (CO2) và muối khoáng thì nơi đó xuất hiện quá trình quang hợp, nơi đó nguồn thức ăn sơ cấp đ¬ược tạo thành. Ở nơi nào thành phần cây xanh đa dạng, ánh sáng càng nhiều, muối khoáng giàu có, nơi đó sức sản xuất sơ cấp càng lớn. Rừng ẩm nhiệt đới, các rạn san hô, các cửa sông... là những bằng chứng hùng hồn cho nhũng nhận định ở trên.

+ Quang hợp của vi khuẩn

Những vi khuẩn có màu đều có khả năng tiếp nhận năng l¬ượng từ ánh sáng Mặt Trời để thực hiện quá trình quang hợp. Phần lớn chúng đóng vai trò không đáng kể trong sản xuất nguồn thức ăn sơ cấp, song chúng lại có khả năng hoạt động ở những điều kiện hoàn toàn không thích hợp cho các loài thực vật khác. Do vậy, chúng có vai trò nhất định trong các chu trình sinh địa hóa.

Trong quang hợp, chất bị oxy hóa (cho điện tử) không phải là nư¬ớc mà là những chất vô cơ chứa lư¬u huỳnh như¬ hydro sunphua (H2S) chẳng hạn, với sự tham gia của vi khuẩn l¬ưu huỳnh xanh và đỏ (Chlorobacteriaceae và Thiorhodaceae), hoặc các hợp chất vô cơ với sự tham gia của các nhóm vi khuấn không l¬ưu huỳnh đỏ và nâu (Athiorhodaceae) thì quá trình đó không giải phóng oxy phân tử.

CO2 + 2H2S Năng lượng mặt trời (CH2O) + H2O + 2S

Từ những ví dụ trên, công thức quang hợp có thể viết d¬ưới dạng tổng quát.

CO2 + 2H2A Năng lượng mặt trời (CH2O) + H2O + 2A

ở đây chất khử (hay chất bị oxy hóa) tức là chất cho điện tử là H2A có thể là nư¬ớc hoặc các chất vô cơ hay hữu cơ chứa l¬ưu huỳnh, còn A có thể là oxy phân tử hay l¬ưu huỳnh nguyên tố.

- Quá trình hóa tổng hợp

Quá trình hóa tổng hợp với sự tham gia của một số nhóm vi khuẩn xác định không cần ánh sáng Mặt Trời, song lại cần oxy để oxy hóa các chất. Các vi khuẩn hóa tổng hợp lấy năng lượng từ phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ để đư¬a cacbon dioxyt vào trong thành phần của chất tế bào. Những hợp chất vô cơ đơn giản trong hóa tổng hợp đư¬ợc biến đổi, chẳng hạn từ amoniac thành nitrit, nitrit thành nitrat, sunphit thành l¬ưu huỳnh, sắt 2 thành sắt 3... với sự tham gia của các nhóm vi khuẩn Beggiatoa (ở nơi giàu Sunphat) và vi khuẩn Azotobacter, v.v. Hoặc như Thyobacillus rất phong phú trong các suối nước nóng giàu lưu huỳnh, vi khuẩn nitơ (Pseudomonas, Nitrobacter...) có mặt trong nhiều công đoạn của chu trình nitơ. Những vi khuẩn như thế có thể phát triển trong bóng tối, nhưng đa số chúng cần O2. Vi khuẩn hóa tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại (thứ sinh) các hợp chất cacbon hữu cơ chứ không tham gia vào việc tạo thành nguồn thức ăn sơ cấp, nói một cách khác, chúng sống nhờ vào những sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ được tạo ra bởi quá trình quang hợp của cây xanh hay vi khuẩn quang hợp khác.

Nhờ khả năng hoạt động trong bóng tối ở các lớp trầm tích, trong đất hay trên đáy các thủy vực, vi khuẩn hóa tổng hợp không chỉ lôi cuốn các chất dinh d¬ưỡng vào sản xuất chất hữu cơ mà còn sử dụng cả nguồn năng lư¬ợng "rơi vãi" mà các sinh vật tiêu thụ không tài nào tiết kiệm được trong cuộc sống của mình.

Trong phạm vi rộng của sự tiến hóa, ngư¬ời ta chỉ chia sinh vật thành 2 dạng chính: sinh vật tự dư¬ỡng và sinh vật dị dư¬ỡng, còn các dạng trung gian khác, tuy cũng có những giá trị nhất định trong sinh giới, song chúng không đặc trư¬ng và không phổ biến.

6.1.1.2. Quá trình phân hủy các chất

Quá trình phân hủy các chất trong tự nhiên xảy ra theo các dạng chính:

+ Hô hấp hiếu khí hay oxy hóa sinh học, trong đó chất nhận điện tử (hay là chất oxy hóa) là oxy phân tử. Hô hấp hiếu khí ng¬ược với quá trình quang hợp, tức là các chất hữu cơ bị phân giải để cho sản phẩm cuối cùng là khí cacbon dioxyt (CO2) và n¬ước. Do đó, tất cả các loài động thực vật, cũng như¬ đa số đại diện của Monera và Protista mới có năng l¬ượng để duy trì mọi hoạt động sống và cấu tạo nên chất sống riêng cho mình.

+ Hô hấp kỵ khí xảy ra không có sự tham gia của oxy phân tử. Chất nhận điện tử (hay chất oxy hóa) không phải là O2 mà là chất vô cơ hay chất hữu cơ khác. Nhiều vi sinh vật hoại sinh (vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh) tiến hành phân hủy các chất trong điều kiện không có oxy. Chẳng hạn, vi khuẩn mê tan phân giải các hợp chất hữu cơ để tạo thành khí mê tan (CH4) bằng cách khử cacbon hữu cơ hoặc vô cơ (cacbonat) trong các đáy ao hồ. Vi khuẩn mê tan còn tham gia vào việc phân hủy phân gia súc và phân của các loài nhai lại khác. Vi khuẩn Desulfovibrio khử sunphat trong các trầm tích biển sâu để tạo thành H2S như¬ ở biển Đen.

- Sự lên men: Đó là quá trình hô hấp kỵ khí, như¬ng các chất hữu cơ bị oxy hóa (chất khử) cũng là chất nhận điện tử (chất oxy hóa). Trong quá trình này xảy ra sự khử hydro, kéo theo là sự bẻ gãy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản hơn.

Tham gia vào quá trình lên men có các vi sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt hoặc kỵ khí tuỳ ý. Trong tr¬ường hợp lên men bởi vi sinh vật kỵ khí tùy ý, ở điều kiện có oxy, vi sinh vật chuyển sang hô hấp hiếu khí.

Những vi sinh vật sống kỵ khí, kỵ khí tùy ý, hiếu khí khi tham gia vào các quá trình hô hấp và phân hủy các chất đều đóng vai trò rất lớn trong các hệ sinh thái.

Tổng hợp các chất rồi lại phân hủy chúng, nói chung, là chức năng hoạt động của các quần xã sinh vật. Nhờ vậy, vật chất đư¬ợc quay vòng còn năng l¬ượng đư¬ợc biến đổi.

Phân hủy là kết quả của cả các quá trình vô sinh và hữu sinh. Những vụ cháy rừng hay cháy đồng cỏ là yếu tố giới hạn, song cũng là yếu tố điều chỉnh quan trọng của tự nhiên. Nhờ sự phân hủy, trong môi trường còn xuất hiện hàng loạt các chất "ngoại tiết" (exocrine), tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động sống của các thành viên cấu tạo nên quần xã.

Những sinh vật phân hủy (bao gồm cả những loài động vật) tham gia vào việc phân giải các chất ở nhiều công đoạn khác nhau, từ thô đến tinh, và bằng nhiều cách với sự có mặt của hàng loạt các loại enzym đặc trưng mà không một sinh vật nào có đủ. Nhờ vậy, ngay cả các chất khó phân hủy nhất nh¬ư cellulose, lignin hay các hợp chất humic... cũng không thể tồn tại được, mà bị phân hủy tới cùng.

Tóm lại, trong quá trình hô hấp hay phân huỷ vật chất bởi các nhóm sinh vật, sản phẩm được hình thành chủ yếu là CO2, H2O, song trong quá trình đó cũng có thể diễn ra chưa đến giai đoạn kết thúc, ở điều kiện như vậy, chất hữu cơ vẫn còn chứa một ít năng lượng nhất định sẽ được các nhóm sinh vật khác sử dụng và phân huỷ đến cùng.

6.1.2. Các chu trình vật chất

Chu trình vật chất chính là con đường chuyển động vòng tròn của vật chất qua xích thức ăn trong hệ sinh thái và môi trường. Do đó, vật chất thường được sử dụng lặp đi lặp lại nhiều lần. Đến nay, người ta đã biết có khoảng 40 nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn Mendeleev tham gia vào thành phần cấu tạo các chất sống, sau đó bị vi sinh vật phân huỷ rồi lại trở lại môi trường, rồi lại được sinh vật thu hồi tạo nên các hợp chất mới.

Trong những nguyên tố đã biết, một số có vai trò rất quan trọng như O, H, N,C, P, S... tham gia cấu tạo nên các hợp chất của sự sống như protein, lipit, gluxit, các enzym, hoocmon....

Phụ thuộc vào nguồn dự trữ, trong thiên nhiên có 2 dạng chu trình cơ bản: Chu trình các chất khí và chu trình các chất lắng đọng. Dạng chu trình thứ 1, nguồn dự trữ tồn tại trong khí quyển và trong nước, còn dạng chu trình 2, nguồn dự trữ nằm trong võ Trái Đất hoặc trong các trầm tích đáy.

Chu trình các chất khí được đặc trưng bởi nguồn dự trữ lớn trong khí quyển (cacbon diôxit, oxy, nitơ, ôxit lưu huỳnh, hơi nước...) dễ dàng bổ sung cho phần trao đổi với các quần xã; phần vật chất bị thất thoát khỏi chu trình do lắng đọng hoặc tạm thời tách khỏi chu trình ít hơn nên phần quay trở lại chu trình để tái sử dụng nhiều hơn so với các chu trình lắng đọng.

Các chất lắng đọng có nguồn dự trữ từ trong vỏ Trái Đất, còn phần lưu động của chúng tham gia vào chu trình được tách ra từ nguồn dự trữ thông qua quá trình phong hoá vật chất hoặc do hoạt động của nền công nghiệp. Đó là chu trình các chất như phôtpho, lưu huỳnh, silic, sắt, mangan... Trong khi vận động và trao đổi, vật chất thường bị thất thoát khỏi chu trình nhiều hơn so với chu trình các chất khí, chủ yếu do lắng đọng xuống vùng biển sâu.

6.1.2.1. Chu trình nước (H2O) trên hành tinh

Nước trên hành tinh tồn tại dưới 3 dạng: rắn, lỏng và hơi với thể tích khoảng 1,39 tỷ km3. Chúng chuyển dạng cho nhau nhờ sự thay đổi của nhiệt độ trên bề mặt trái đất. Trong điều kiện hiện tại, nước chủ yếu chứa trong các biển và đại dương (chiếm 97,6% tổng số) dưới dạng lỏng, khoảng 2,08% nước nằm ở thể rắn (băng), tập trung chính ở 2 cực Trái Đất. Nước sông, hồ rất ít, chỉ khoảng 230 nghìn km3 (gồm cả hồ nước mặn), một ít (khoảng 67000 km3) tạo nên độ ẩm của đất, khoảng 4 triệu km3 nước ngầm có khả năng trao đổi tích cực và 14000 km3 dưới dạng hơi nước có mặt trong khí quyển. Chu trình nước có thể được mô tả như sau:

Nhờ năng lượng Mặt trời, nước ở bề mặt đất, đại dương bốc hơi. Khi lên cao, nhiệt độ tầng đối lưu giảm, nước tạo thành mây và ngưng tụ thành mưa, thành tuyết rơi xuống bề mặt trái đất, rồi lại theo các dòng chảy về đại dương. Do vậy, nước tuần hoàn trên toàn Trái Đất.

Từ chu trình nay chúng ta thấy rằng chỉ có năng lượng bức xạ khổng lồ của Mặt Trời mới làm nên những kỳ tích như vậy. Nước theo chu trình, song phân bố không đồng đều trên hành tinh (theo không gian và thời gian). Chu trình nước xãy ra trên phạm vi toàn cầu, tham gia vào việc điều hoà khí hậu trên toàn hành tinh. Chu trình này do đó còn có tên gọi là chu trình nhiệt - ẩm

6.1.2.2. Chu trình Cacbon (C)

Cacbon là một trong những nguyên tố quan trọng tham gia vào cấu trúc của cơ thể, chiếm đến 49% trọng lượng khô. Cacbon tồn tại trong sinh quyển dưới các dạng chất vô cơ, hữu cơ và trong cơ thể sinh vật (Bảng 4.1)

Bảng 4.1. Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn) (Bolin et al, 1979)

- Khí quyển

- Nước đại dương

- Trong trầm tích

- Cơ thể sinh vật

- Nhiên liệu hoá thạch

+ Tổng cacbon hữu cơ

+ Tổng cacbon vô cơ 692

35.000

> 10.000.000

3.432 (đang sống 592 và chết 2840)

5.000

8.432

10.035.692

Cacbon tham gia vào chu trình ở dạng khí cacbon dioxit (CO2) có trong khí quyển. Trong khí quyển hàm lượng CO2 rất thấp, chỉ khoảng 0,03%, nhưng các dạng dự trữ cacbon rất phong phú và đa dạng (đó là than đá, dầu mỏ, khí đốt, CaCO3). Có thể mô tả quá trình tham gia của cacbon dưới dạng CO2 vào và ra khỏi hệ sinh thái như sau: (đối với môi trường trên cạn).

Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và chuyển hoá thành những chất hữu cơ (đường, lipit, protein...) trong sinh vật sản xuất (thực vật), các hợp chất này là thức ăn cho sinh vật tiêu thụ các cấp (C1, C2, C3,...), cuối cùng xác bả thực vât, sản phẩm bài tiết của sinh vật tiêu thụ và xác của chúng được sinh vật phân huỷ (nấm, vi khuẩn) qua quá trình phân huỷ và khoáng hoá, tạo thành các dạng C bán phân giải, các hợp chất trung gian và C trong chất hữu cơ không đạm và cuối cùng thành CO2 (và H2O), CO2 lại đi vào khí quyển rồi lại được thực vật sử dụng. Qua đây, chúng ta nhận thấy rằng ở trong môi trường, C là chất vô cơ nhưng khi được quần xã sinh vật sử dụng thì đã được biến đổi thành C hữu cơ (tham gia cấu tạo nên các chất hữu cơ khác nhau của cơ thể sinh vật). Trong quá trình vận động, cacbon ở nhóm sinh vật sản xuất, các chất hữu cơ tổng hợp được, chỉ một phần được sử dụng làm thức ăn cho sinh vật tiêu thụ còn phần lớn tích tụ ở dạng sinh khối thực vật (như rừng, thảm mục rừng...).

Trong quá trình hoạt động sống, các thành phần của quần xã sinh vật sẽ trã lại cacbon dưới dạng CO2 cho khí quyển thông qua quá trình hô hấp, sự cháy rừng và thảm mục rừng cũng trả lại cacbon cho khí quyển.

Ở môi trường nước, C ở dạng hoà tan như cacbonat (CO32-) và bicacbonat (HCO3-) là nguồn dinh dưỡng C cho các sinh vật thuỷ sinh. C ở môi trường nước sẽ chu chuyển qua chuổi thức ăn trong thuỷ vực, bắt đầu từ thực vật thuỷ sinh đến động vật thuỷ sinh cở nhỏ (giáp xác) rồi đến động vật thuỷ sinh cở lớn (cá, tôm, cua...). Nhờ hoạt động nghề cá, 1 lượng lớn C sẽ được trã lại cho khí quyễn, bên cạnh đó trong chuỗi thức ăn tự nhiên, các loài chim (ăn cá, tôm...) cũng phần nào đóng góp vào việc giải phóng C vào khí quyển. Trong chu trình C ở môi trường nước, C bị lắng đọng do xác động vật thuỷ sinh có Ca chết tạo nên CaCO3 (đá vôi) làm chu trình bị gián đoạn. Các trầm tích này khi được con người khai thác thì C trở về chu trình.

Trong khí quyển, cacbon luân chuyển nhanh hơn, khoảng 0,1 năm đối với Cacbon monooxyt (CO), 3,6 năm đối với Metan (CH4) và 4 năm đối với Cacbon dioxyt (CO2). Tuy vậy trong chu trình C, vẫn có những giai đoạn C bị giữ lại một thời gian rất dài (người ta gọi đó là các chu trình phụ không kín).

Trong 100 năm qua, hàm lượng khí CO2 tăng lên là do tăng sử dụng nhiên liệu hoá thạch, huỷ hoại rừng (làm diện tích rừng bị thu hẹp) và canh tác nông nghiệp. Nồng độ CO2 khí quyển gia tăng từ 290 ppmv (0,029%) (ở thế kỷ 19) lên đến 325 ppmv (0,0325%) (ngày nay). Điều này chứng tỏ con người đã can thiệp quá mạnh vào chu trình CO2.. Cũng nên biết rằng CO2 là 1 trong 5 khí nhà kính (CO2, CFC, CH4, O3, NO2) gây nên hiệu ứng nhà kính (Greenhouse effect), làm cho trái đất nóng lên. Trong hỗn hợp khí nhà kính, CO2 là thành phần chính của hỗn hợp khí này và chiếm tỷ lệ tương đối cao: 47%, CFC 19%, CH4 15%, O3 7%, NO2 12%. Theo tính toán của các nhà khoa học, khi nồng độ CO2 trong khí quyển tăng gấp đôi, thì nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên khoảng 30C. Các số liệu quan trắc cho thấy, nhiệt độ trái đất đã tăng lên 0,50C trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do thay đổi nồng độ CO2. Dự báo, nếu không có biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên 1,5 - 4,50 C vào năm 2050 và sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng, tác động mạnh mẽ tới nhiều mặt của môi trường trái đất, có thể nêu lên như sau:

- Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm tan băng ở 2 cực và dâng cao mực nước biển. Như vậy nhiều vùng sản xuất lương thực trù phú, các khu đông dân cư, các đồng bằng lớn, các thành phố lớn, nhiều đảo thấp có thể bị chìm trong nước biển.

- Sự nóng lên của trái đất sẽ làm thay đổi điều kiện sống bình thường của các loài sinh vật trên trái đất. Một số loài thích nghi với điều kiện sống mới sẽ thuận lợi phát triển. Trong khi đó nhiều loài sẽ bị thu hẹp môi trường sống hoặc bị tiêu diệt do không kịp thích nghi với các biến đổi của môi trường sống.

- Khí hậu trái đất sẽ bị biến đổi sâu sắc, các đới khí hậu có xu hướng di chuyển về phía hai cực của trái đất. Toàn bộ điều kiện sống của tất cả quốc gia bị xáo động. Hoạt động sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ hải sản ...bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

- Nhiều loại bệnh tật mới đối với con người xuất hiện, các loại bệnh dịch lan tràn, sức khoẻ của con người bị suy giảm.

6.1.2.3. Chu trình nitơ (N)

Nitơ là một nguyên tố có nguồn dự trữ khá giàu trong khí quyển, chiếm gần 80% thể tích, gấp gần 4 lần thể tích khí oxy. Nitơ là thành phần quan trọng cấu thành nguyên sinh chất tế bào, là cấu trúc của protein... Nitơ phân tử (Nitơ tự do - N2) có nhiều trong khí quyển, nhưng chúng không có hoạt tính sinh học đối với phần lớn các loài sinh vật, chỉ một số rất ít các loài sinh vật có khả năng đồng hoá được nitơ ở dạng này. Các loài thực vật có thể sử dụng được nitơ ở dạng muối như nitrat - đạm dễ tiêu (NO3-) hoặc ở dạng ion amon (NH4+), NO2....

Chu trình nitơ về cơ bản cũng tương tự như các chu trình khí khác, được sinh vật sản xuất hấp thụ và đồng hoá rồi được chu chuyển qua các nhóm sinh vật tiêu thụ, cuối cùng bị sinh vật phân huỷ trả lại nitơ phân tử cho môi trường. Tuy nhiên quá trình này diễn ra phức tạp hơn nhiều, tuy vậy chu trình nitơ là chu trình xảy ra nhanh và liên tục. Do tính chất phức tạp của chu trình bao gồm nhiều công đoạn theo từng bước: sự cố định đạm, sự amôn hoá, nitit hoá, nitrat hoá và phản nitrat.

+ Sự cố định đạm (Nitrogen fixation)

Cố định đạm trước hết đòi hỏi sự hoạt hoá phân tử nitơ để tách nó thành 2 nguyên tử (N2 ® 2N), trong cố định nitơ sinh học thì đó là bước đòi hỏi năng lượng là 160 Cal/mol. Khi kết hợp nitơ với hydro tạo thành amoniac (N +H ® NH3). Tất cả các sinh vật cố định nitơ đều cần năng lượng từ bên ngoài, mà các hợp chất cacbon đóng vai trò đó để thực hiện những phản ứng nội nhiệt (Endothermic). Trong quá trình cố định đạm, vai trò điều hoà chính là 2 loại enzym: nitrogenase và hydrogenase; chúng đòi hỏi nguồn năng lượng rất thấp.

Trong tự nhiên, cố định đạm xảy ra bằng con đường hoá - lý và sinh học, trong đó con đường sinh học có ý nghĩa nhất và cung cấp 1 khối lượng lớn đạm dễ tiêu cho môi trường đất. Sự cố định đạm bằng điện hoá và quang hoá trung bình hàng năm tạo ra 7,6 triệu tấn (4-10kg/ha/năm), còn bằng con đường sinh học khoảng 54 triệu tấn .

Những sinh vật có khả năng cố định đạm là vi khuẩn và tảo. Chúng gồm 2 nhóm chính: Nhóm sống cộng sinh (phần lớn là vi khuẩn, một số ít tảo và nấm) và nhóm sống tự do (chủ yếu là vi khuẩn và tảo).

Ngoài những vi khuẩn cố định đạm cần năng lượng lấy từ nguồn cacbon bên ngoài, còn có loài vi khuẩn tía (Rhodopseudomonas capsulata) có thể sinh sống bằng nitơ phân tử trong điều kiện kỵ khí mà ánh sáng được sử dụng như một nguồn năng lượng (Madigan và nnk, 1979).

Những vi khuẩn có khả năng cố định nitơ gồm các loài của chi Rhizobium sống cộng sinh với các cây họ Đậu để tạo nên các nốt sần ở rễ, cố định được một lượng lớn nitơ. Ví dụ, cỏ 3 lá (Trifolium sp.) và đậu chàm (Medicago sp.) cố định được 150 - 400kg/ha/năm. Đến nay, người ta đã biết được xạ khuẩn sống cộng sinh trong rễ của 160 loài cây thuộc 8 chi của 8 họ thực vật khác nhau. Ngoài các loài của chi Alnus, các loài khác đều thuộc các chi Ceanothus, Comptonia, Eleagnus, Myrica, Casuarina, Coriaria, Araucaria và Ginkgo (Torrey, 1978) và chúng sống tập trung ở vùng ôn đới.

Trong môi trường nước, vi sinh vật cố định nitơ khá phong phú. Ở đây thường gặp những loài vi khuẩn kỵ khí thuộc các chi Clostridium, Methano, Bacterium, Methanococcus, Desulfovibrio và một số vi sinh vật quang hợp khác. Ở những nơi thoáng khí thường gặp các đại diện của Azotobacteriaceae (như Azotobacter) và các loài tảo lam (vi khuẩn lam Cyanobacteria) thuộc các chi Anabaena, Aphanozinemon, Nostoc, Microcystis, Nodularia, Gloeocapsa ... Để hoạt hoá nitơ, những sinh vật tự dưỡng sử dụng năng lượng của quá trình quang hoá hoặc hoá tổng hợp, còn các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng năng lượng chứa trong các hợp chất hữu cơ có sẵn trong môi trường.

- Quá trình amon hoá (Ammoniafication) hay khoáng hoá (Mineralization).

Sau khi gắn kết hợp chất nitơ vô cơ (NO3-) thành dạng hữu cơ (thường là nhóm amin- NH2) thông qua sự tổng hợp protein và acid nucleic thì phần lớn chúng lại quay trở về chu trình như các chất thải của quá trình trao đổi chất (urê, acid uric...) hoặc chất sống (protoplasma) trong cơ thể chết. Rất nhiều vi khuẩn dị dưỡng, Actinomycetes và nấm trong đất, trong nước lại sử dụng các hợp chất hữu cơ giàu đạm, cuối cùng chúng thải ra môi trường các dạng nitơ vô cơ (NO2-, NO3- và NH3). Quá trình đó được gọi là amôn hoá hay khoáng hoá. Quá trình này là các phản ứng giải phóng năng lượng hay phản ứng ngoại nhiệt.

- Quá trình nitrat hoá (Nitrification)

Quá trình biến đổi của NH3, NH4+ thành NO2-, NO3- được gọi là quá trình nitrit hoá và nitrat hoá hay gọi chung là quá trình nitrat hoá. Quá trình này phụ thuộc vào pH của môi trường và xảy ra chậm chạp, Trong điều kiện pH thấp, tuy không phải tất cả, quá trình nitrat trải qua hai bước:

- Bước đầu: Biến đổi amôn hay amoniac thành nitrit

2NH4+ + 3O2 Oxi hoá 2NO2 + 4H+ + Năng lượng

- Tiếp theo: Biến đổi nitrit thành nitrat

2NO2 +O2 Oxi hoá 2NO3 + Năng lượng

Những đại diện của chủng vi sinh vật Nitrosomonas có thể biến đổi amoniac thành nitrit, một chất độc thậm chí với hàm lượng rất nhỏ. Những vi sinh vật khác như Nitrobacter lại dinh dưỡng bằng nitrit, tiếp tục biến đổi nó thành nitrat. Những vi sinh vật nitrit hoá đều là những sinh vật tự dưỡng hoá tổng hợp, lấy năng lượng từ quá trình oxy hoá. Chẳng hạn, Nitrosomonas khi chuyển hóa amoniac thành NO2- sinh ra năng lượng 65 Cal/mol, còn Nitrobacter tạo ra năng lượng 17 Cal/mol. Chúng sử dụng một phần năng lượng này để kiếm nguồn cacbon từ việc khử CO2 hay HCO3-. Như vậy, khi thực hiện điều này để tự tăng trưởng, chúng đã sản sinh ra một lượng đáng kể nitrit hoặc nitrat cho môi trường.

Nitrat (cũng như nitrit) dễ dàng lọc khỏi đất, đặc biệt trong đất chua. Nếu không được thực vật đồng hoá, chúng có thể thoát ra khỏi hệ sinh thái này để đến hệ sinh thái khác qua sự chu chuyển của nước ngầm.

- Quá trình phản nitrat hoá (Denitrification)

Do quá trình phản nitrat đến nitơ phân tử chỉ xảy ra trong điều kiện kỵ khí hay kỵ khí một phần, nên quá trình này thường gặp trong đất yếm khí và trong đáy sâu của các hồ, các biển...không có oxy hoặc giàu các chất hữu cơ đang bị phân huỷ.

Nhờ chu trình này mà nitơ phân bố dưới nhiều dạng và nhiều khu vực khác nhau trên trái đất.

Bảng 2: Nitơ trong sinh quyển (triệu tấn) (Delwich, 1970)

+ Khí quyển:

Chất hữu cơ

- Trong cơ thể

- Không sống

Nitơ vô cơ của đất

Trong vỏ trái đất

+ Hoà tan trong đại dương:

Dạng hữu cơ:

- Trong cơ thể

- Không sống

Nitơ vô cơ (trong nước)

Trong trầm tích

Tổng nitơ hữu cơ:

Tổng nitơ vô cơ:

3.800.000

772

12

760

140

14.000.000

20.000

901

1

900

100

4.000.000

1.673

21.820.240

Chu trình Ni-tơ (I. Deshmukh, 1986 )

6.1.2.4. Chu trình photpho (Phosphor - P)

Như một thành phần cấu trúc của axit nucleic, lipitphotpho và nhiều hợp chất có liên quan với phốt pho, phốt pho là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng bậc nhất trong hệ thống sinh học. Tỷ lệ phốt pho so với các chất khác trong cơ thể thường lớn hơn tỷ lệ như thế bên ngoài mà cơ thể có thể kiếm được và ở nguồn của chúng. Do vậy, photpho trở thành yếu tố sinh thái vừa mang tính giới hạn, vừa mang tính điều chỉnh.

Thực vật đòi hỏi photpho vô cơ cho dinh dưỡng. Đó là orthophotphat (PO43-). Trong chu trình khoáng điển hình, photphat sẽ được chuyển cho sinh vật sử dụng và sau lại được giải phóng do quá trình phân huỷ. Tuy nhiên, đối với photpho trên con đường vận chuyển của mình bị lắng đọng rất lớn. D.R. Lean (1973) nhận ra rằng, sự "bài tiết" phốt pho hữu cơ của thực vật phù du cũng dẫn đến sự tạo thành các chất keo ngoài tế bào mà chúng xem như các phần tử vô định hình chứa phốt pho trong nước hồ. Ở biển, sự phân huỷ sinh học diễn ra rất chậm, khó để phốt pho sớm trở lại tuần hoàn. Tham gia vào sự tái tạo này chủ yếu là nguyên sinh động vật (Protozoa) và động vật đa bào (Metazoa) có kích thước nhỏ.

Sự mất phốt pho gây ra bởi 2 quá trình diễn ra khác nhau. Sự hấp thụ vật lý của trầm tích và đất có vai trò quan trọng trong việc kiểm tra hàm lượng photpho hoà tan trong đất và các hồ. Ngược lại, sự lắng đọng, thường kết hợp photpho với nhiều cation khác như nhôm, canxi, sắt, mangan... do đó, tạo nên kết tủa lắng xuống.

Sự lắng chìm của phốt pho còn gắn với các hợp chất của lưu huỳnh như FeS, Fe2S3 trong chu trình lưu huỳnh và cả với quá trình phản nitrat.

Xương, răng động vật chìm xuống đáy sâu đại dương cũng mang đi một lượng phốt pho đáng kể. Song sự tạo thành guano (chất thải của chim biển) hàng nghìn năm dọc bờ tây của Nam Mỹ (Chi lê, Peru) lại là mỏ phân photphat cực lớn. Trên đảo Hoàng Sa, Trường Sa, phân chim trộn với đá vôi san hô trong điều kiện "dầm" mưa nhiệt đới cũng đã hình thành mỏ phân lân quan trọng như thế.

Chu trình Phospho (nguồn www.materials.edu)

6.1.2.5. Chu trình lưu huỳnh (S)

Lưu huỳnh, một nguyên tố giàu thứ 14 trong vỏ Trái Đất, là thành phần rất quan trọng trong cấu trúc sinh học như các axit amin, cystein, metionin và chu trình của nó đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa các muối dinh dưỡng khác như oxy, phốt pho... Trung tâm của chu trình lưu huỳnh có liên quan với sự thu hồi sunphat (SO2-) của sinh vật sản xuất qua rễ của chúng và sự giải phóng và biến đổi của lưu huỳnh ở nhiều công đoạn khác nhau, cũng như những biến đổi dạng của nó, bao gồm sunphua hydryl (-SH), sunphua hydro (H2S), thiosunphat (SO2-) và lưu huỳnh nguyên tố. Tương tự như chu trình nitơ, chu trình lưu huỳnh rất phức tạp, song lại khác với chu trình ni tơ ở chỗ nó không lắng đọng vào những bước "đóng gói" riêng biệt như sự cố định đạm, amon hóa...

+ Sự đồng hóa và giải phóng lưu huỳnh bởi thực vật

Lưu huỳnh đi vào xích dinh dưỡng của thực vật trên cạn qua sự hấp thụ của rễ dưới dạng sunphat (CaSO4, Na2SO4) hoặc sự đồng hóa trực tiếp các axit amin được giải phóng do sự phân hủy của xác chết hay các chất bài tiết.

Trong điều kiện yếm khí, axit sunphuric (H2SO4) có thể trực tiếp bị khử cho sunphit, bao gồm hydrosunphit do các vi khuẩn Escherichia và Proteus (SO42+ + 2H+ = H2S + 2O2).

Sunphat cũng bị khử trong điều kiện kỵ khí để cho lưu huỳnh nguyên tố hay sunphit, bao gồm hydrosunphit, do các vi khuẩn dị dưỡng như Desulfovibrio, Escherichia và Aerobacter. Những vi khuẩn khử sunphat yếm khí là những loài dị dưỡng, sử dụng sunphat như chất nhận hydro trong oxy hóa trao đổi chất, tương tự như vi khuẩn phản nitrat sử dụng nitrit hay nitrat.

Sự có mặt số lượng lớn của hydro sunphit ở tầng sâu kỵ khí trong phần lớn các hệ sinh thái ở nước là thù địch của hầu hết sự sống. Chẳng hạn, ở biển Đen do giàu sunphat, vi khuẩn Desulfovibrio trong quá trình phân hủy đã sinh ra một khối lượng lớn H2S tồn tại rất lâu ở đáy, cản trở không cho bất kỳ một loài động vật nào có thể sống ở đây, kể cả trong tầng nước dưới độ sâu 200m.

Sự tồn tại của các loài vi khuẩn khử sunphat như Methanococcus thermolithotrophicus và Methanobacterium thermautotrophium ở nhiệt độ rất cao (70 - 1000C). Có thể giải thích được quá trình hình thành H2S trong các vùng đáy biển sâu (Hydrothermal), các giếng dầu... (Stetter và nnk., 1987). Ở trạng thái cân bằng thì chất độc của loài này đe dọa loài khác, hoạt động của loài này chống lại hoạt động của loài kia, hoặc hỗ trợ cho nhau. Những vi khuẩn lưu huỳnh là một bằng chứng. Vi khuẩn lưu huỳnh không màu như các loài của Beggiatoa oxy hóa hydrosunphit đến lưu huỳnh nguyên tố, các đại diện của Thiobacillus, loài thì oxy hóa lưu huỳnh nguyên tố đến sunphat, loài thì oxy hóa sunphit đến lưu huỳnh. Ngay đối với một số loài trong một giống, quá trình oxy hóa chỉ có thể xuất hiện khi có mặt oxy, còn đối với loài khác khả năng kiếm oxy cho sự oxy hóa lại không thích hợp vì chúng là vi khuẩn tự dưỡng hóa tổng hợp, sử dụng năng lượng được giải phóng trong quá trình oxy hóa để khai thác cacbon bằng một phản ứng khử cacbon dioxit.

6CO2 + 12 H2S → C6H12O6 + 6 H2O + 12S

Các vi khuẩn màu xanh rõ ràng có thể oxy hóa sunphit chỉ đến lưu huỳnh nguyên tố, trong khi đó, vi khuẩn màu đỏ có thể thực hiện oxy hóa đến giai đoạn sunphat:

6CO2 + 12H2O + 3H2S → C6H12O6 + 6 H2O + 3 SO42- + 6H+

- Lưu huỳnh trong khí quyển

Lưu huỳnh trong khí quyển được cung cấp từ nhiều nguồn: sự phân hủy hay đốt cháy các chất hữu cơ, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sự khuếch tán từ bề mặt đại dương hay hoạt động của núi lửa. Những dạng thường gặp trong khí quyển là SO2 cùng với những dạng khác như lưu huỳnh nguyên tố, hydro sunphit. Chúng bị oxy hóa để cho lưu huỳnh trioxit (SO3) mà chất này kết hợp với nước tạo thành axit sunphuric (H2SO4).

Lưu huỳnh trong khí quyển phần lớn ở dạng H2SO4 và được hoà tan trong mưa.

- Lưu huỳnh trong trầm tích

Về phương diện lắng đọng, chu trình lưu huỳnh có liên quan tới các "trận mưa" lưu huỳnh khi xuất hiện các cation sắt và canxi (calcium) cũng như sắt sunphua không hòa tan (FeS, Fe2S3, FeS2 hoặc dạng kém hòa tan (CaSO4), sắt sunphua (FeS) được tạo thành trong điều kiện kỵ khí có ý nghĩa sinh thái đáng kể. Nó không tan trong nước có pH trung tính hay nước có pH kiềm.

Chu trình lưu huỳnh trong sinh quyển diễn ra cả ở 3 môi trường: đất, nước và không khí, trong cả điều kiện yếm khí và kỵ khí. Chìa khóa của quá trình vận động là sự tham gia của các vi khuẩn đặc trưng cho từng công đoạn:

- Sự chuyển hóa của hydro sunphit (H2S) sang lưu huỳnh nguyên tố, rồi từ đó sang sunphat (SO42-) do hoạt động của vi khuẩn lưu huỳnh không màu hoặc màu xanh hay màu đỏ.

- Sự oxy hóa hydro sunphit thành sunphat lại do sự phân giải của vi khuẩn Thiobacillus.

- Sunphat bị phân hủy kỵ khí để tạo thành hydro sunphit là nhờ hoạt động của vi khuẩn Desulfovibrio.

Chu trình lưu huỳnh trên phạm vi toàn cầu được điều chỉnh bởi các mối tương tác giữa nước - khí - trầm tích và của các quá trình địa chất - khí hậu - sinh học.

Chu trình lưu huỳnh trong tự nhiên

(nguồn: http://jan.ucc.nau.edu/doetqp/courses/env440/lectures)

6.1.2.6. Chu trình của các nguyên tố thứ yếu

Những nguyên tố thứ yếu với nghĩa rộng, gồm các nguyên tố hóa học thực thụ và cả những hợp chất của chúng. Những nguyên tố này có vai trò quan trọng đối với sự sống, song thường không phải là những chất tham gia vào thành phần cấu trúc và ít có giá trị đối với hệ thống sống. Những nguyên tố thứ yếu thường di chuyển giữa cơ thể và môi trường để tạo nên các chu trình như các nguyên tố dinh dưỡng khác. Tuy nhiên, nói chung, chúng là các chu trình lắng đọng.

Rất nhiều chất không thuộc các nguyên tố dinh dưỡng, nhưng cũng tập trung trong những mô xác định của cơ thể do sự tương đồng về mặt hóa học với các nguyên tố quan trọng cho sự sống. Sự tập trung nhiều khi gây hại cho cơ thể, chẳng hạn những chất phóng xạ, chì, thủy ngân....

Hiện nay, các nhà sinh thái học và môi trường rất quan tâm đến các chu trình này, bởi vì sau cuộc Cách mạng Công nghiệp, con người đã thải ra môi trường quá nhiều các chất mới lạ, độc hại, không kiểm soát nổi. Khi các chất tích tụ trong cơ thể, ở hàm lượng thấp, sinh vật có thể chịu đựng được do các phản ứng thích nghi, song ở hàm lượng vượt ngưỡng, sinh vật khó có thể tồn tại. Tuy nhiên, cần hiểu rằng, rất nhiều chất độc hiện tại, tồn tại trong đất, trong nước... với hàm lượng rất thấp, không trực tiếp gây ảnh hưởng tức thời đến hoạt động sống của sinh vật ở các bậc dinh dưỡng thấp, nhưng vẫn có thể làm hại cho những sinh vật ở cuối xích thức ăn do cơ chế "khuếch đại sinh học", nghĩa là tần số tích lũy các chất độc tăng theo các bậc dinh dưỡng.

6.2. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái và sự phân bố năng suất sơ cấp

Các hệ sinh thái hay toàn sinh quyển tồn tại và phát triển một cách bền vững là nhờ nguồn năng lượng vô tận của Mặt Trời. Sự biến đổi của năng lượng Mặt Trời thành hóa năng trong quá trình quang hợp là điểm khởi đầu của dòng năng lượng trong các hệ sinh thái. Năng lượng Mặt Trời được truyền xuống hành tinh bằng các dòng bức xạ ánh sáng.

Số lượng và cường độ chiếu sáng thay đổi theo ngày đêm và theo mùa, theo các vĩ độ và độ lệch của các vị trí trên Trái Đất so với Mặt Trời cũng như môi trường mà các chùm bức xạ phải vượt qua trước khi đạt đến bề mặt hành tinh.

Những biến đổi xảy ra liên tiếp như thế là chìa khóa của chiến lược năng lượng của cơ thể cũng như của hệ sinh thái:

Như vậy, khác với vật chất, năng lượng được biến đổi và vận chuyển theo dòng qua các xích thức ăn rồi thoát khỏi hệ dưới dạng nhiệt, do vậy, năng lượng chỉ được sử dụng một lần, trong khi vật chất được sử dụng lặp đi, lặp lại nhiều lần.

6.2.1. Đặc trưng của năng lượng môi trường

Năng lượng Mặt Trời được chuyển xuống bề mặt Trái Đất dưới dạng sóng ánh sáng (sóng điện từ). Sinh vật sống trên đó đều chịu sự chi phối của dòng năng lượng bức xạ trực tiếp từ Mặt Trời và từ bức xạ nhiệt sóng dài của các vật thể gần. Cả 2 yếu tố trên quy định mọi điều kiện khí hậu và thời tiết trên bề mặt hành tinh (nhiệt độ không khí, bốc hơi nước tạo độ ẩm và mưa,...), còn một phần nhỏ của năng lượng bức xạ được thực vật hấp thụ và sử dụng trong quang hợp để tạo nên nguồn thức ăn sơ cấp. Phần năng lượng này được đánh giá chung vào khoảng từ 0,1 đến 1,6% tổng lượng bức xạ. D.M. Gates (1965) xác định rằng, bức xạ Mặt Trời xuống đến ngưỡng trên của khí quyển có cường độ 2 cal/cm2/phút. Khi phải qua lớp khí quyển, cường độ đó giảm nhanh. Trái Đất chỉ còn nhận được không quá 67% cường độ ban đầu, vào khoảng 1,34 cal/cm2/phút. Hơn nữa, trong tầng khí quyển nhiều thành phần này (hơi nước, các loại khí, bụi...), bức xạ không chỉ giảm đi một cách đơn giản mà còn biến đổi phức tạp do sự phản xạ, tán xạ.... Sự suy giảm cũng rất khác nhau đối với mỗi thành phần của phổ ánh sáng. Chẳng hạn, trong ngày nhiều mây, phần ánh sáng thuộc phổ hồng ngoại thay đổi rất mạnh, trong khi đó, phần ánh sáng thuộc phổ nhìn thấy và tử ngoại lại ít biến động.

Nhìn chung, năng lượng bức xạ khi đạt đến bề mặt Trái Đất trong một ngày đẹp trời (quang mây), chứa 10% bức xạ tử ngoại, 45% thuộc phổ ánh sáng nhìn thấy và 45% thuộc các tia có bước sóng nằm trong dải hồng ngoại. Bức xạ tử ngoại khi xâm nhập xuống Trái Đất đã bị tầng ôzôn hấp thụ và phản xạ lại vũ trụ tới 90% tổng lượng của nó. Lượng còn lại đủ thuận lợi cho đời sống của sinh vật. Nếu tỷ lệ này tăng, nhiều hiểm họa sẽ xảy ra, đe dọa đến sự sống còn của muôn loài. Bức xạ sóng dài chủ yếu tạo nhiệt và bị hấp thụ nhanh chóng, nhất là trên lớp nước mặt của đại dương. Các nghiên cứu đã xác định rằng, khoảng 99% tổng năng lượng nằm trong vùng phổ ánh sáng có bước sóng từ 0,136 đến 4,000 micron; khoảng 50% nguồn năng lượng đó (gồm cả ánh sáng nhìn thấy với bước sóng 0,38 - 0,77) có ý nghĩa sinh thái quan trọng đối với đời sống của sinh giới, đặc biệt đối với sinh vật sản xuất.

Điều kiện tồn tại của sinh vật được xác định chủ yếu bởi dòng bức xạ chung, nhưng đối với năng suất sinh học của các hệ sinh thái và đối với chu trình của các yếu tố dinh dưỡng trong các hệ thì tổng bức xạ Mặt Trời xâm nhập vào sinh vật tự dưỡng có ý nghĩa và quan trọng hơn nhiều. Thực vậy, dòng bức xạ chung bị chia xẻ ra nhiều phần, tất nhiên mỗi phần đều có nhũng đóng góp cho sự sống (bảng 4.3)

Bảng 3. Sự phát tán năng lượng bức xạ mặt trời (%) trong sinh quyển (Hulbert, 1971)

Các dạng biến đổi Tỷ lệ (%)

Phản xạ trở lai

Biến đổi trực tiếp thành nhiệt

Làm bốc hơi nước và mưa

Tạo gió, sóng, dòng

Quang hợp của thực vật 30,0

46,0

23,0

0,2

0,8

6.2.2. Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái

Trong tổng số năng lượng rơi xuống hệ sinh thái, thì chỉ khoảng 50% đóng vai trò quan trọng đối với sự tiếp nhận của sinh vật sản xuất, tức là phần năng lượng chủ yếu thuộc phổ nhìn thấy, hay còn gọi là "bức xạ quang hợp tích cực". Nhờ nguồn năng lượng này, thực vật thực hiện quá trình quang hợp để tạo ra nguồn thức ăn sơ cấp, khởi đầu cho các xích thức ăn. Như vậy, thực vật là sinh vật duy nhất có khả năng "đánh cắp lửa Mặt Trời" để làm nên những kỳ tích trên hành tinh: nguồn thức ăn ban đầu và dưỡng khí (O2), những điều kiện thuận lợi, đảm bảo cho sự ra đời và phát triển hưng thịnh của mọi sự sống khác, trong đó có con người. .

Sản phẩm của quá trình quang hợp do thực vật tạo ra được gọi là "tổng năng suất sơ cấp" hay "năng suất sơ cấp thô" (ký hiệu là PG). Nó bao gồm phần chất hữu cơ được sử dụng cho quá trình hô hấp của chính thực vật và phần còn lại dành cho các sinh vật dị dưỡng.

Trong hoạt động sống của mình, thực vật sử dụng một phần đáng kể tổng năng suất thô. Mức độ sử dụng tùy thuộc vào đặc tính của quần xã thực vật, vào tuổi, nơi phân bố (trên cạn, dưới nước, theo vĩ độ, độ cao...).

Chẳng hạn, các loài thực vật đồng cỏ còn non thường chỉ tiêu hao 30% tổng năng lượng sơ cấp, còn ở đồng cỏ già lên đến 70%. Rừng ôn đới sử dụng 50 - 60%, còn rừng nhiệt đới 70 - 75%. Nhiều nghiên cứu đã đánh giá rằng, hô hấp của sinh vật tự dưỡng dao động từ 30 đến 40% tổng năng suất sơ cấp, do đó, chỉ khoảng 60 - 70% còn lại (thường ít hơn) được tích lũy làm thức ăn cho sinh vật dị dưỡng. Phần này được gọi là "năng suất sơ cấp nguyên" (ký hiệu là PN).

Từ mức sử dụng trung bình nêu trên của sinh vật sản xuất, tổng năng lượng sơ cấp nguyên tích tụ trong mô thực vật trên toàn sinh quyển được đánh giá là 6 x 1020 calo-gam/năm, trong đó khoảng 70% thuộc về các hệ sinh thái trên cạn, còn 30% được hình thành trong các hệ sinh thái ở nước, chủ yếu là các đại dương. Những hệ sinh thái nông nghiệp hiện đại đóng góp chưa vượt quá 10% của tổng năng suất nguyên toàn hành tinh, vào khoảng 10 tỷ tấn.

Năng suất sơ cấp nguyên, tức là phần chất hữu cơ còn lại trong thực vật, được động vật ăn cỏ sử dụng và đồng hóa để tạo nên chất hữu cơ động vật đầu tiên của xích thức ăn. Nguồn này lại tiếp tục được chia xẻ cho những loài ăn thịt, hay vật dữ sơ cấp, rồi từ vật dữ sơ cấp, vật chất và năng lượng lại được chuyển cho vật dữ thứ cấp để đến bậc dinh dưỡng cuối cùng mà xích thức ăn có thể đạt được. Tất nhiên, trong quá trình vận chuyển như thế, vật chất và năng lượng bị hao hụt rất nhiều dưới các dạng:

- Không sử dụng được (bức xạ không được hấp thụ, mai, xương cứng của động vật, gai, rễ... của thực vật...)

- Sử dụng, nhưng không đồng hóa được, thải ra dưới dạng chất bài tiết (nước tiểu, phân) ở động vật, sự rụng lá ở cây.

- Mất dưới dạng nhiệt do quá trình hô hấp để lấy năng lượng cho hoạt động sống của sinh vật.

Có thể minh hoạ dòng năng lượng đi qua 3 mắt xích (thực vật, sinh vật tiêu thụ cấp 1, sinh vật tiêu thụ cấp 2) của một xích thức ăn đơn giản như sau:

Dòng năng lượng đi như sau:

L - Tổng năng lượng bức xạ chung, LA - ánh sáng rơi vào hệ sinh thái; PG - Tổng năng suất sơ cấp hay năng suất sơ cấp thô hay hiệu quả quang hợp (A); PN - Năng suất sơ cấp nguyên; P : Sản lượng thứ cấp (của sinh vật tiêu thụ); NU - Năng lượng không được sử dụng (lắng đọng hay xuất khẩu); NA - năng lượng không được sinh vật tiêu thụ đồng hóa (chất bài tiết); R - Hô hấp. Những con số phía dưới - thứ tự của các đại lượng năng lượng được tích tụ ở các bậc dinh dưỡng trong quá trình vận chuyển (tính bằng Kcal/ m2/ ngày đêm) (Odum, 1983).

Từ những thất thoát trên, năng lượng còn lại tích tụ trong cơ thể của nhóm này có thể làm thức ăn cho một nhóm khác cũng rất thay đổi ở từng bậc dinh dưỡng, phụ thuộc vào đặc tính của từng loài, nhóm loài và các điều kiện của môi trường. Có thể minh họa sự thất thoát năng lượng khi vận chuyển trong hệ sinh thái như sau (bảng 4.4).

Bảng 4.4. Dòng năng lượng trong các hệ sinh thái hồ và suối và hiệu suất tích tụ năng lượng trong các bậc dinh dưỡng (Lindeman, 1942 và H. Odum, 1957)

Năng lượng Hồ Cedar Bog, Minnesota Suối Silver, Florida

Cal/m2/năm (%) Cal/m2/năm (%)

Bức xạ mặt trời (S)

Bức xạ hữu hiệu (ES) 1.188.720

? 1.700.000

4.100

Sinh vật sản xuất (A)

Sản lượng thô (PGA)

Hiệu suất ( PGA/ S hay ES)

Hô hấp (R)

Mất đi do hô hấp (R/PGA)

Sản lượng tinh (PNA)

Bị phân hủy hay không được sử dụng

1.113

234

879

0,10

21,00

83,10

2.0810

11.977

8.833

1,2 hay 5,1

57,60

61,90

Sinh vật ăn cỏ (B)

Sản lượng thô (PGB)

Hiệu suất đồng hóa (PGB/PNA)

Hô hấp

Mất do hô hấp

Sản lượng tinh PNB

Bị phân hủy hay không được sử dụng

148

44

104

16,80

29,70

70,20

3.368

1.890

1.478

38,10

56,10

72,70

Sinh vật ăn thịt (C)

Sản lượng thô PGC

Hiệu suất PGC/PNB

Hô hấp

Mất do hô hấp

Sản lượng tinh PNC

Bị phân hủy hay không sử dụng được

31

18

13

29,8

58,10

100,00

404

329

73

27,30

81,40

100,00

Tổng thất thoát do hô hấp

Tổng thất thoát do phân hủy

Tổng thất thoát do không sử dụng được 296

310

507 26,60

27,90

45,50 14.196

5.060

1.554 68,20

24,30

7,50

Trong phạm vi sinh quyển, các nhà khoa học xác đinh rằng, cứ chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp sang bậc dinh dưỡng cao kề liền, trung bình năng lượng mất đi 90% , tức là năng lượng tích tụ ở bậc sau chỉ đạt 10% của bậc trước. Chính vì vậy, sống dựa vào nguồn thức ăn nào, sinh vật chỉ có thể phát triển số lượng của mình trong giới hạn của nguồn thức ăn đó cho phép.

6.2.3. Sự phân bố của năng suất sơ cấp trong sinh quyển

Nói chung, năng suất sinh học (Productivity) của một hệ sinh thái là khả năng hay điều kiện tốt đảm bảo cho sự thành tạo năng suất hay là mức độ giàu có, phì nhiêu của hệ.

E. P. Odum (1983) nhấn mạnh rằng, năng suất sinh học của hệ thống hay sản lượng của các thành phần cấu trúc nên quần thể hoàn toàn không thể xác định được bằng cách cân hay đếm một cách đơn giản những cơ thể có mặt, mặc dù những dẫn liệu về mùa màng thu hoạch trên mặt đất là cơ sở để đánh giá đúng đắn năng suất sinh học sơ cấp, nếu như đại lượng đo đạc của các sinh vật đủ lớn và chất sống được tích lũy theo thời gian không bị phát tán.

Đối với mặt đất, năng suất sơ cấp phân bố tập trung chủ yếu trên bề mặt, ở dưới sâu rất ít. Hơn nữa trong vùng vĩ độ thấp, sinh khối trên mặt đất cao hơn so với vùng vĩ độ trung bình. Ngược lại, dưới mặt đất, sinh khối thực vật ở vùng vĩ độ trung bình cao hơn so với vĩ độ thấp.

Ở vùng nhiệt đới xích đạo, nếu rừng bị chặt trắng, những trận mưa rào sẽ nhanh chóng rửa trôi lớp đất mõng màu mỡ này, và trời nắng, nhất là vào mùa khô, nước bốc hơi sẽ kéo lên bề mặt những oxyt sắt, nhôm... làm cho đất bị kết vón trở thành đá ong hoá. Tuy nhiên, ở vùng vĩ độ thấp, nền nhiệt cao quanh năm, độ ẩm và lượng mưa lớn nên năng suất sinh học của các hệ sinh thái tự nhiên rất cao.

Bảng 4.5. Đánh giá năng suất sơ cấp của các hệ sinh thái trong sinh quyển (Dẫn từ O. Dum. 1983)

Các hệ sinh thái Diện tích (106km2) PG

(kcal/m2/năm) Tổng PG

(106kcal/m2/năm)

Biển:

Khơi đại dương

Khối nước gần bờ

Vùng nước trồi

Cửa sông và rạn san hô

Tổng số

326,0

34,0

0,4

2,0

362,4

1.000

2.000

6.000

20.000

32,6

6,8

0,2

4,0

43,6

Trên cạn:

Hoang mạc và đồng rêu

Đồng cỏ và bãi chăn thả

Rừng khô

Rừng lá kim ôn đớI Bắc bán cầu

Đất cày cấy (không đầu tư hay đầu tư ít)

Rừng ẩm ôn đớI

Các hệ nông nghiệp thâm canh

Rừng ẩm thường xanh nhiệt đớI và cận nhiệt đớI

Tổng số

40,0

42,0

9,4

10,0

10,0

4,9

4,0

14,7

135,0

200

2.500

2.500

3.000

3.000

8.000

12.000

20.000

0,8

10,5

2,4

3,0

3,0

3,9

4,8

29,0

57,4

Tổng số chung và giá trị trung bình PG (Không tính nơi băng tuyết và số liệu được làm tròn) 500,0 2.000 100,0

Ở biển và đại dương sự sống phân bố theo chiều thẳng đứng sâu hơn, dĩ nhiên tầng quang hợp (tầng tạo sinh) chỉ nằm ở lớp nước được chiếu sáng, tập trung ở độ sâu nhỏ hơn 100m, thường ở 50 - 60m, tuỳ thuộc vào độ trong của khối nước. Nước gần bờ có độ trong thấp, nhưng giàu muối dinh dưỡng do dòng lục địa mang ra, còn nước ở khơi có độ trong cao, nhưng nghèo muối. Vì thế, năng suất sơ cấp trong vùng nước nông vùng thềm lục địa trở nên giàu hơn. Năng suất sơ cấp của các vực nước thuộc vĩ độ trung bình cao hơn nhiều so với vùng nước thuộc các vĩ độ thấp, vì ở các vĩ độ thấp, khối nước quanh năm bị phân tầng, ngăn cản sự luân chuyển muối dinh dưỡng từ đáy lên bề mặt, trừ những khu vực nước trồi (Upwelling). Ngược lại ở vĩ độ ôn đới, khối nước trong năm có thể được xáo trộn từ 1 đến 2 lần, tạo điều kiện phân bố lại nguồn muối dinh dưỡng trong toàn khối nước.

7. Sự phát triển và tiến hoá của hệ sinh thái

7.1. Những khái niệm

Sự phát triển của hệ sinh thái còn được gọi là "diễn thế sinh thái" (Ecological succession). Diễn thế sinh thái là quá trình biến đổi của hệ sinh thái hay quần xã sinh vật từ trạng thái khởi đầu (hay tiên phong) qua các giai đoạn chuyển tiếp để đạt được trạng thái ổn định, tồn tại lâu dài theo thời gian. Đó là trạng thái đỉnh cực (Climax).

Trong quá trình diễn thế xảy ra những thay đổi lớn về cấu trúc thành phần loài, các mối quan hệ sinh học trong quần xã... tức là quá trình giải quyết các mâu thuẫn phát sinh trong nội bộ quần xã và giữa quần xã với môi trường, đảm bảo về sự thống nhất toàn vẹn giữa quần xã và môi trường một cách biện chứng. Sự diễn thế xảy ra do những biến đổi của môi trường vật lý, song dưới sự kiểm soát chặt chẽ của quần xã sinh vật, và do những biến đổi của các mối tương tác cạnh tranh - chung sống ở mức quần thể. Như vậy, trong quá trình này, quần xã giữ vai trò chủ đạo, còn môi trường vật lý xác định đặc tính và tốc độ của những biến đổi, đồng thời giới hạn phạm vi của sự phát triển đó.

Nếu không có những tác động ngẫu nhiên thì diễn thế sinh thái là một quá trình định hướng, có thể dự báo được. Một cánh đồng hoang để lâu ngày sẽ trở thành trãng cây bụi rồi biến thành rừng, một ao hồ nông theo thời gian sẽ bị lấp đầy thành đồng cỏ rồi phát triển thành rừng.

Dựa trên những tiêu chuẩn xác định (như động lực, giá thể, ...) diễn thế sinh thái được xếp thành các dạng sau đây:

Nếu dựa vào động lực của quá trình thì diễn thế chia thành 2 dạng: nội diễn thế (autogenic succession) và ngoại diễn thế (allogenic succession).

Ngoại diễn thế xảy ra do tác động hay sự kiểm soát của lực hay yếu tố bên ngoài. Chẳng hạn, một cơn bão đổ bộ vào bờ, hủy hoại một hệ sinh thái nào đó, buộc nó phải khôi phục lại trạng thái của mình sau một khoảng thời gian. Sự cháy rừng hay cháy đồng cỏ cũng kiểm soát luôn quá trình diễn thế của rừng và đồng cỏ,... . .

Nội diễn thế được gây ra bởi động lực bên trong của hệ sinh thái. Trong quá trình diễn thế này, loài ưu thế của quần xã đóng vai trò chìa khóa và thường làm cho điều kiện môi trường vật lý biến đổi đến mức bất lợi cho mình, nhưng lại thuận lợi cho sự phát triển của một loài ưu thế khác, có sức cạnh tranh cao hơn thay thế. Sự thay thế liên tiếp các loài ưu thế trong quần xã cũng chính là sự thay thế liên tiếp các quần xã này bằng các quần xã khác cho đến quần xã cuối cùng, cân bằng với điều kiện vật lý - khí hậu toàn vùng.

Nếu dựa vào "giá thể" thì diễn thế gồm 2 dạng: diễn thế sơ cấp (hay nguyên sinh) và diễn thế thứ cấp (hay thứ sinh).

- Diễn thế thứ cấp (Diễn thế thứ sinh) xảy ra trên một nền (giá thể) mà trước đó từng tồn tại một quần xã nhưng đã bị tiêu diệt.

- Diễn thế sơ cấp (Diễn thế nguyên sinh), ngược với trường hợp trên, xảy ra trên một nền (giá thể) mà trước đó chưa hề tồn tại một quần xã sinh vật nào hoặc là chưa có bất kỳ một "mầm móng" của sinh vật xuất hiện trước đây (mầm móng của sinh vật là những dạng tồn tại của sinh vật và có thể phát triển thành 1 cá thể như các bào tử, phấn hoa, thân chồi ngầm, trứng....).

Ngoài ra, người ta còn phân biệt thêm 1 kiểu diễn thế khác, đó là diễn thế phân huỷ. Là kiểu diễn thế xãy ra trên một giá thể mà giá thể đó dần dần biến đổi theo hướng bị phân huỷ qua mỗi quần xã trong quá trình diễn thế. Diễn thế này không dẫn đến quần xã đỉnh cực. Đó là trường hợp diễn thế của quần xã sinh vật trên một thân cây đỗ hay trên một xác động vật, ngườI ta còn gọi kiểu diễn thế này là diễn thế tạm thời.

Khuynh hướng diễn thế được xác định bởi phức hợp quần thể các loài trong phạm vi môi trường vật lý cho phép. Ví dụ như, trong vùng quá lạnh hay quá khô hạn, giai đoạn rừng chẳng bao giờ đạt tới. Các quần xã bậc cao có chăng chỉ gồm những cây bụi hoặc những loài của hệ thực vật nguyên sơ.

Sự diễn thế của cây rừng ngập mặn (mangroves) ở vùng cửa sông nhiệt đới Nam Bộ cũng là một ví dụ sinh động cho loại diễn thế này. Ở cửa sông các bãi bùn còn lùng nhùng, yếm khí... không thích hợp cho đời sống nhiều loài thực vật, duy có các loài bần trắng (Sonneratia alba), mắm trắng (Avicennia alba)...là những loài cây tiên phong đến bám trụ ở đây. Sự có mặt và phát triển của chúng làm cho nền đất được củng cố và tôn cao, đặc biệt ở giai đoạn trưởng thành, quần xã này đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện của các loài mắm lưỡi đòng (Avicennia officinalis), tiếp sau là đước (Rhizophora mucronata), dà quánh (Ceriops decandra), xu vối (Xylocarpus granatum), vẹt khang (Burguiera sexangula), dây mủ (Gymnanthera nitida),... phát triển, hình thành nên một quần xã hỗn hợp rất ưu thế. Trong điều kiện đó, các cây tiên phong không cạnh tranh nổi phải tàn lụi và lại di chuyển ra ngoài. Đất ngày một cao và chặt lại, độ muối tăng dần... khi tiến ra biển. Điều đó làm cho quần xã rừng hỗn hợp trên cũng suy tàn ngay trên mảnh đất xâm lược sau một thời kỳ ổn định để rồi lại theo gót cây tiên phong chinh phục vùng đất mới. ở phía sau, điều kiện môi trường lại thích hợp cho sự cư trú và phát triển hưng thịnh của các nhóm thực vật khác như chà là (Phoenix paludosa), giá (Excoecaria agallocha), thiên lý biển (Finlaysonia maritima). .. Xa hơn nữa về phía lục địa là những thảm thực vật nước ngọt, đặc trưng cho vùng đất chua phèn

Hình 13. Sơ đồ về sự diễn thế nguyên sinh

Nếu dựa vào mối quan hệ giữa sự tổng hợp (P) và phân hủy (R) của quần xã sinh vật, diễn thế lại chia thành 2 dạng khác: diễn thế tự dưỡng và diễn thế dị dưỡng.

Diễn thế tự dưỡng là sự phát triển được bắt đầu từ trạng thái với sức sản xuất hay sự tổng hợp các chất vượt lên quá trình phân hủy các chất, nghĩa là P/R > 1, còn diễn thế dị dưỡng ngược lại, được bắt đầu ở trạng thái P/R<1. Cần nhớ rằng, trong diễn thế tự dưỡng với P lớn hơn R thì hệ sinh thái đang tích lũy chất hữu cơ và sinh khối (B), do đó, tỷ số B/P, B/R hoặc B/E (ở đây E = P + R, trong đó E là tổng năng suất sơ cấp) sẽ tăng, tương ứng là sự giảm của tỷ số P/B. Những ví dụ về diễn thế tự dưỡng và dị dưỡng có nhiều, chẳng hạn, sự diễn thế của rừng ngập mặn nêu trên và một hồ nước thải tương ứng. Giai đoạn đầu tiến hóa của sinh quyển cũng là kiểu diễn thế dị dưỡng.

Những dạng diễn thế được phân chia ở trên xảy ra tùy thuộc vào những hoàn cảnh cụ thể, vào đặc tính riêng biệt của từng hệ sinh thái, trong một số không ít trường hợp, chúng có quan hệ với nhau, tác động lẫn nhau.

7.2. Quá trình diễn thế và những khuynh hướng biến đổi của các chỉ số sinh thái liên quan đến quá trình đó

Như trên đã đề cập, diễn thế sinh thái được khởi đầu từ quần xã tiên phong rồi trải qua các quần xã trung gian để đạt đến trạng thái ổn định cuối cùng. Đó là dãy diễn thế (hay các giai đoạn của một quá trình diễn thế). Đi đôi với quá trình diễn thế của thảm thực vật là sự biến đổi một cách phù hợp của khu hệ động vật, từ những động vật không xương sống đến những loài động vật có xương sống có kích thước lớn, sống dưới mặt đất, sống trên mặt đất hay trên cây... Đối với động vật thì thảm thực vật không chỉ là nơi sống mà còn là nơi sinh sản, là nguồn dinh dưỡng.

Sự gắn bó này là hữu cơ thông qua mối quan hệ dinh dưỡng, theo quy luật "rau nào, sâu ấy", "bọ nẹt, dẻ cùi"...

Quá trình diễn thế đã được mô tả bằng nhiều ví dụ ở những phần trên về kiểu diễn thế nguyên sinh. Trong phần này, chúng ta có thể xem xét một ví dụ về diễn thế thứ cấp trong một vùng ở Đông Nam Hoa Kỳ được E.P. Odum (1959) dẫn ra ở bảng 4.6 đối với các loài chim sống trong đó.

Bảng 6. Diễn thế thứ cấp của vùng núi Đông Nam Hoa Kỳ (E. P. Odum, 1959).

Hệ thực vật ưu thế Cỏ

đa dạng Cây thân thảo Cây thân thảo và cây bụi Rừng thông Sồi dẻ (Đỉnh cực)

Tuổi của các giai đoạn (năm) 1-2 2-3 15 20 25 35 60 100 150-200

Thành phần loài chim với mật độ không thấp hơn 5 loài ở mỗi giai đoạn

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

Ammodramus savannarum

Sturnella neglecta

Spizella pusilla

Geothlipus trichas

Icteria virens

Richmondena cardinalis

Pipilio erythrophthalmus

Aimophila aedtivalis

Dendroica discolor

Vireo griceus

Dendroica pinus

Piranga rubra

Troglodytes lydovicianus

Parus carolinensis

Polioptila caerulea

Sitta pusilla

Contopus virens

Colibria sp.

Parus bicolor

Vibreo flavifrons

Wilsonia citrina

Vibreo olivaceus

Dendrocopus villosus

D. pubescens

Myiarchus crinitis

Hylocichla mustelina

Cocysus americanus

Mniotilta varia

Oporornis formosus

Empiodonas virescens

Tổng số (Kể cả các loài hiếm gặp không đưa vào bảng) 10

5

15 30

10

40 25

15

35

15

5

5

5

110

2

48

18

16

4

8

8

6

8

136

25

9

13

6

6

16

6

87

8

10

10

4

4

34

13

4

2

2

93

3

14

15

5

43

13

5

5

13

2

10

9

6

3

3

3

1

1

1

1

158

20

15

55

15

20

5

5

1

10

10

5

30

10

3

2

10

5

1

239

23

10

10

5

13

3

10

15

7

11

43

5

5

6

23

9

8

5

5

238

Trong quá trình tự diễn thế, những khuynh hướng thay đổi các đặc tính chủ yếu của hệ sinh thái cũng được E.P. Odum (1969) tổng kết lại trong 6 nội dung với 23 đặc điểm khác nhau, thể hiện ở 2 trạng thái: đang phát triển và trạng thái đỉnh cực (bảng 4.7)

Bảng 4.7: Các khuynh hướng trong sự phát triển của hệ sinh thái (E.P. Odum, 1969).

Những thuộc tính của hệ sinh thái Giai đoạn chưa

thành thục Giai đoạn

thành thục

A. Chiến lược năng lượng của quần xã sinh vật

Sản lượng thô và hô hấp của quần xã (P/R) >< 1 » 1

Sản lượng thô và sinh vật lượng (P/B) Cao Thấp

Sinh vật lượng/ đơn vị dòng năng lượng (B/E) Thấp Cao

Sản lượng nguyên (hoa lợi) của quần xã Cao Thấp

Các xích thức ăn Đường thẳng (chủ yếu ăn cỏ) Kiểu mạng (chủ yếu ăn phế liệu)

B. Cấu trúc của quần xã

Tổng vậtchất hữu cơ Nhỏ Lớn

Chất dinh dưỡng vô cơ Ngoại sinh học Nội sinh học

Đa dạng: giàu về loài Thấp Cao

Đa dạng: tính bình quân Thấp Cao

Đa dạng sinh hoá Thấp Cao

Tính hỗn tạp về sự phân tầng và phân lớp (đa dạng về kết cấu) Được tổ chức kém Được tổ chức tốt

C. Lịch sử đời sống

Đặc trưng hoá về ổ sinh thái Rộng Hẹp

Kích thước cơ thể Nhỏ Lớn

Chu kỳ sống Ngắn, đơn giản Dài, phức tạp

D. Chu trình các chất dinh dưỡng

Nhịp điệu trao đổi chất dinh dưỡng (cơ thể và môi trường) Nhanh Chậm

Vai trò của mùn bã (detrit) trong sự tái tạo Không quan trọng Quan trọng

E. Áp lực chọn lọc

Dạng tăng trưởng Tăng trưởng nhanh, chọn lọc "r" Kiểm tra ngược, chọn lọc "K"

Sản phẩm của quá trình sản xuất Số lượng Chất lượng

F. Cân bằng chung

Cộng sinh trong Kém phát triển Phát triển

Bảo tồn chất dinh dưỡng Nghèo Tốt

Tính ổn định (chống lại sự xáo động từ bên ngoài) Kém Tốt

Entropy Cao Thấp

Thông tin Thấp Cao

Như vậy, rõ ràng là quá trình phát triển tiến hoá của hệ sinh thái diễn ra do:

- Những biến đổi của các điều kiện môi trường vật lý dưới sự kiểm soát chặt chẽ của quần xã sinh vật.

-Cấu trúc lại thành phần loài và số lượng cá thể của từng loài phù hợp với mối quan hệ cạnh tranh - chung sống giữa những loài cấu trúc nên quần xã trong điều kiện cân bằng mới của quần xã với môi trường. Đương nhiên, sự diễn thế diễn ra từ từ qua từng giai đoạn và có định hướng.

Về mặt logic, có thể xác nhận rằng, trong diễn thế có sự đóng góp của các quá trình xảy ra ở cả mức hệ thống và cả mức quần thể. Tuy nhiên, trong sinh thái học hiện đại, những vấn đề này cũng như một số quan niệm khác về diễn thế vẫn chưa hoàn toàn thống nhất và tiếp tục được tranh cãi giữa các trường phái khoa học.

Sự hiểu biết về diễn thế sinh thái cho phép ta chủ động điều khiển sự phát triển của diễn thế theo hướng có lợi cho con người bằng những tác động lên điều kiện sống như: cải tạo đất, đẩy mạnh các biện pháp chăm sóc, phòng trừ sâu bệnh, tiến hành các biện pháp thuỷ lợi để bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên.

7.3. Khái niệm về đỉnh cực (Climax)

Một hệ sinh thái hay một quần xã trong quá trình diễn thế nếu không bị những yếu tố hủy hoại tác động vào thì cuối cùng cũng sẽ đạt được trạng thái ổn định. ở giai đoạn này, những quần thể quan trọng cũng ổn định, mức sinh tử, cả dòng năng lượng và sinh khối đều nằm trong trạng thái cân bằng, sản lượng và sự "nhập khẩu" của hệ cân bằng với tổng lượng hô hấp và xuất khẩu của hệ. Các khuynh hướng biến đổi của hệ thống đã được mô tả và chỉ ra ở bảng trên (bảng 4.4) ở đây, cần nhấn mạnh rằng, quần xã đỉnh cực hầu như ít có khuynh hướng làm biến đổi môi trường.

Thực tế, tổ chức phức tạp, cấu trúc hữu cơ đa dạng và sự trao đổi chất ở điều kiện cân bằng đã tạo cho hệ thống khả năng chống đỡ với những biến động của môi trường vật lý và khả năng tồn tại lâu dài. Song điều cần nhớ rằng, quần xã cao đỉnh không tĩnh mà nó vẫn biến đổi một cách rất chậm chạp và những biến đổi đó sẽ xảy ra nhanh nếu môi trường, cả môi trường vật lý và sinh học có những biến động lớn. Chẳng hạn, một số năm trước, cây thích (Acer sp.) là loài phổ biến của rừng đỉnh cực thuộc phần lớn các vùng phía đông bắc Mỹ, nhưng chúng bị hủy hoại do nấm nên ở rừng đỉnh cực hiện tại trong vùng, những cây ưu thế trước đó (Acer sp.) đã được thay bằng loài ưu thế khác (Keeton and Gould, 1993). Ở một phần thời gian xảy ra quá trình diễn thế khó có thể phân biệt rõ ràng giữa giai đoạn đỉnh cực và các giai đoạn sớm gần nó.

Theo Keeton và nnk., (1993) trong nhiều thập kỷ, nhiều nhà sinh thái học Hoa Kỳ cho rằng, tất cả các quá trình diễn thế trong một không gian rộng lớn đều quy tụ vào một dạng đỉnh cực, nghĩa là chỉ có một kiểu quần xã đỉnh cực chung (hoặc đơn đỉnh cực) (Monoclimax) cho toàn vùng, những quần xã ưu thế đang tồn tại thời gian rồi cũng sẽ quy về đỉnh cực chung đó. Do vậy, rừng sồi ở đông bắc Mỹ và quần xã vân sam trắng - linh sam thơm ở một số vùng thuộc Canada mới được xem là các quần xã đỉnh cực.

Phần lớn các nhà sinh thái học hiện đại đã phủ nhận quan điểm đỉnh cực chung (monoclimax). Họ cho rằng, sự tập trung của các loài đặc trưng đối với một quần xã đã biết chính là sản phẩm của những điều kiện môi trường địa phương. Môi trường này ổn định lâu dài thì quần xã sống trên đó cũng ổn định lâu dài, tạo nên các dạng đỉnh cực địa phương hay đỉnh cực thổ nhưỡng, đặc trưng cho điều kiện thổ nhưỡng - khí hậu riêng của vùng.

Ranh giới giữa những quần xã trên một dãy liên tục thường khó phân định vì chúng là những thành phần của dãy, biến đổi từ từ. Do đó, sự khác nhau giữa các quần xã đỉnh cực trong phần lớn các vùng khác nhau chỉ là tương đối và không thật rõ ràng. Như vậy, hiển nhiên sẽ không có một đỉnh cực chung nào cho một vùng rộng lớn, nhất là trong đó xuất hiện những điều kiện thổ nhưỡng - khí hậu không hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, gắn tất cả các quần xã đỉnh cực của một vùng rộng lớn vào một đỉnh cực chung, duy nhất cũng có hiệu quả trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi nghiên cứu những biến đổi về cấu trúc các quần xã theo gradient của các yếu tố môi trường.

Chương 5

SINH QUYỂN

VÀ CÁC KHU SINH HỌC

I. Sự tiến hoá của sinh quyển và thế giới sinh vật.

1. Sự ra đời và tiến hóa của sinh quyển

Khi sự sống chưa xuất hiện, Trái Đất còn là một hành tinh chết. Bao quanh nó là quyển khí đầy ni tơ, hydro, cacbon dioxyt, amoniac, clo, ôxít lưu huỳnh, hơi nước... do núi lửa phun ra. từ Mặt Trời,tia tử ngoại chiếu ngập tràn xuống bề mặt hành tinh. Nhờ đó, hơi nước bị phân ly, tạo ra một lượng oxy rất không đáng kể và sự tiến hóa hóa học được khởi đầu. Nhiều chất hữu cơ phức tạp như acid amin, một thành phần quan trọng để cấu tạo nên các hệ thống sống nguyên thủy xuất hiện. Lớp ôzôn (ozone - O3) được hình thành tuy rất mỏng, song kết hợp với tầng nước đã dệt nên bức màn chắn tia tử ngoại rất hiệu quả, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống đầu tiên ra đời ở vùng nước nông của đại dương cổ, cách chúng ta chừng 3 tỷ năm. Những mầm sống nguyên sơ là những thể kỵ khí, tương tự như nấm men, đã tồn tại suốt một thời gian dài đầy khắc nghiệt nhờ năng lượng kiếm được bằng con đường lên men. Hiệu suất của dạng hô hấp này rất thấp so với hô hấp hiếu khí, nên mầm sống nguyên thủy không thể tiến hóa xa hơn giai đoạn tồn tại của cơ thể tiền nhân - Prokaryote. Sau đó, có lẽ, áp lực của sự chọn lọc tự nhiên do thiếu nguồn thức ăn hữu cơ đã thúc đẩy sự xuất hiện quá trình quang hợp. Nhờ vậy, lượng oxy tăng lên đạt đến 3-4% của mức hiện nay hay khoảng 0,6% của khí quyển. Bộ mặt hành tinh có những biến đổi lớn, từ tiến hóa hóa học sang tiến hóa sinh học, từ tiến hóa dị dưỡng sang kiểu tiến hóa tự dưỡng nhờ sự ra đời và phân bố nhanh chóng của sinh vật có nhân thật - Eukaryote trên bề mặt các đại dương. Tiếp theo, thực vật cũng đã có 1 bước tiến hoá lớn - chuyển từ môi trường nước lên môi trường cạn, đã tiến chiếm lục địa. Hô hấp hiếu khí và nguồn thức ăn sơ cấp ngày một phong phú, tạo khả năng cho sự ra đời và phát triển của những sinh vật đa bào phức tạp ở kỷ Cambri, sự bùng nổ tiến hóa của các dạng sống mới xảy ra như thân lỗ, san hô, thân mềm, rong biển, tổ tiên của thực vật có hạt và động vật có dây sống.

Trong các giai đoạn khác nhau của nguyên đại Cổ sinh (Palaeozoi), cuộc sống dưới nước và trên cạn trở nên chật hẹp. Hàm lượng khí oxy dần đạt được mức như hiện nay (20% thể tích khí quyển), chế độ tự dưỡng thay thế cho chế độ dị dưỡng và trở nên thống trị trên hành tinh. Sự phát triển ồ ạt của thực vật trên cạn đủ đảm bảo cho sự xuất hiện

những nhóm động vật lớn như Bò sát cổ đại, Chim, Thú và cuối cùng, một triệu năm trước đây con người ra đời.

Sự tiến hóa của sinh vật như các nhà khoa học đã phác thảo, dẫn đến những biến đổi và thúc đẩy sự tiến hóa của môi trường vật lý và hóa học. Nhờ đó, sinh quyển được khai sinh và tiến hóa.

Sinh quyển là một vùng sống mỏng, đạt đến độ cao 6-7 km so với mặt biển, trên 10 km ở độ sâu cực đại của đại dương và vài chục mét dưới mặt đất, bao gồm 350.000 loài thực vật, trên 1,3 triệu loài động vật đã được xác định và rất nhiều các loài vi sinh vật. Chúng tạo nên sự cân bằng với nhau và với môi trường, đưa đến trạng thái ổn định của toàn sinh quyển.

1.2. Sự tiến hóa của sinh vật và đa dạng sinh học

1.2.1. Sự tiến hóa của sinh vật .

Sự tiến hóa bao gồm cả chọn lọc tự nhiên của Darwin và đột biến gen ở mức độ loài được rộng rãi các nhà khoa học thừa nhận. Tuy nhiên, cho đến nay cũng chưa có sự thống nhất về cơ chế của nó, đặc biệt vai trò tương đối nào của 3 cơ chế chủ yếu: chọn lọc, đột biến và tính ngẫu nhiên; vai trò nào của sự chọn lọc ở các mức tổ chức sinh học cao (đồng tiến hóa và sự chọn lọc nhóm).

Các loài sống trong những vùng địa lý khác nhau hoặc bị ngăn cách bởi chướng ngại không gian được gọi là loài "khác vùng phân bố" (Allopatric) hay còn gọi là loài dị hình. Nếu những loài sống trong cùng một địa phương thì chúng được gọi là loài "cùng vùng phân bố" (Sympatric) hay còn gọi là loài đồng hình. Sự hình thành loài dị hình được xem như cơ chế chủ yếu của sự hình thành loài mới. Theo quan điểm truyền thống, 2 phần của 1 quần thể giao phối tự do với nhau cũng có thể bị cách ly về không gian (sống trên các đảo hay ở 2 bên sườn núi cao). Theo thời gian, sự cách ly đó đủ đạt để có được sự cách ly về di truyền nếu như chúng không có cơ hội tiếp xúc với nhau (không có sự trao đổi gen). Điều đó cho phép chúng tồn tại như những loài riêng biệt trong các ổ sinh thái khác nhau. Đôi khi, những sự khác nhau đó có thể tăng lên do sự dịch chuyển các dấu hiệu. Nếu vùng phân bố của 2 loài gần nhau về nguồn gốc lại chồng chéo lên nhau thì ở chúng xuất hiện sự phân ly (Divergent) theo một hay một số dấu hiệu về hình thái, sinh lý hay tập tính trong vùng giao nhau đó, còn sự đồng quy (Convergent) lại xuất hiện trong các phần không chồng chéo, trên đó mỗi loài sống riêng biệt. L.L. Brown và E.O. Wilson (1956) đã giải thích những hiện tượng đó và cho ví dụ về dịch chuyển các dấu hiệu theo kiểu tương tự như trên.

Một ví dụ khác về chọn lọc tự nhiên nhanh gây ra do con người. Đó là "màu công nghiệp". Tác nhân này đã "quét" cho bướm một màu đen trong những vùng công nghiệp phát triển ở nước Anh. Nhờ vậy, trên các thân cây trong vùng, bướm bị "bôi đen" sống sót tốt hơn so với những bướm trắng do chim ăn bướm khó phát hiện (Kettlewell, 1956).

- Chọn lọc nhân tạo: Đó là sự chọn lọc gây ra do con người với mục đích làm cho các loài thích nghi với nhu cầu của mình.

- Đồng tiến hóa: Đó là kiểu tiến hóa của các quần xã sinh vật, nghĩa là quá trình tiến hóa của các mối tương tác giữa các sinh vật mà trong đó sự trao đổi thông tin di truyền giữa các nhóm rất hạn chế hoặc hoàn toàn không có, bao gồm cả các tác động có chọn lọc của 2 nhóm lớn với nhau, phụ thuộc vào nhau một cách mật thiết về mặt sinh thái như thực vật và động vật ăn cỏ, động vật lớn và vi sinh vật sống cộng sinh với nhau, ký sinh và vật chủ, vật dữ - con mồi...

Đồng tiến hóa còn gặp nhiều trong thiên nhiên như sự phát triển của các cây bao báp và sự vươn dài cổ và chân của hươu cao cổ. Con người càng nâng cao độc tính của thuốc diệt côn trùng thì trên đồng ruộng lại xuất hiện càng nhiều những côn trùng kháng thuốc.

- Chọn lọc nhóm: Khi mô tả tính đa dạng và phức tạp tới mức ngạc nhiên của sinh giới, các nhà khoa học đã cho rằng, chọn lọc nhóm còn gây tác động vượt lên mức loài và sự đồng tiến hoá.

Chọn lọc nhóm là kiểu chọn lọc tự nhiên trong các nhóm sinh vật mà chúng không nhất thiết phải liên quan chặt chẽ với nhau bằng các mối tương tác bắt buộc. Về mặt lý thuyết, chọn lọc nhóm mang tính đào thải hay duy trì ở tần số thấp những tính trạng có thể bất lợi đối với sự sống sót của các cá thể phải mang gen riêng biệt trong quần thể loài, nhưng lại có giá trị chọn lọc trong nội bộ quần thể và quần xã.

Mặc dù chọn lọc nhóm đã đưa ra được những lý luận chặt chẽ và thoả đáng, nhưng mức độ ảnh hưởng của nó lên quá trình tiến hóa còn chưa thật rõ ràng. Một số nhà khoa học (Saunders và Ho, 1976) cho rằng, do tính phức tạp của môi trường nên không thể chỉ giải thích sự tiến hóa của các loài bằng sự chọn lọc ở mức loài và cá thể, mà phải bằng sự chọn lọc ở mức cao hơn như sự chọn lọc nhóm... song, G.C. Williams (1966), S. Levin và Mayr (1981)... lại phủ định và cho rằng, chưa hẳn, chọn lọc nhóm đã là một trong các cơ chế chủ yếu của quá trình tiến hóa.

1.2.2. Tiến hoá đồng quy và song song của các loài và sự hình thành các loài đồng hình

Trong mối quan hệ giữa cơ thể và môi trường, chúng ta thường gặp những sinh vật thuộc các nhóm phát sinh chủng loại (Phyletic) khác nhau nhưng lại giống nhau về cả hình dạng và tập tính, sống trong những điều kiện môi trường như nhau. Sự giống nhau như thế đã bác bõ ý kiến cho rằng, mỗi một môi trường chỉ tồn tại một và chỉ một loài sinh vật mà thôi. Các bằng chứng tiến hoá chỉ ra rằng, do sự phân ly ngày một xa của các dòng tiến hoá, một số sinh vật đã mất đi sự tương đồng (Homologus) về cấu trúc bên trong của cơ thể đã từng có từ một tổ tiên chung, để có được sự giống nhau một cách tương tự (Analogus) về hình dạng bên ngoài hoặc tập tính của chúng. Quá trình tiến hoá làm xuất hiện các hiện tượng đó được gọi là tiến hoá đồng quy.

Trong các ví dụ như thế thì những lực chọn lọc giống nhau đã hoạt động để tạo được sự giống nhau ở những sinh vật ngay từ những điểm xuất phát khác nhau trong quá trình tiến hoá. Ta cũng có một loạt các sự kiện làm ví dụ để chỉ ra sự tiến hoá song song của các nhóm sinh vật có quan hệ về mặt phát sinh chủng loại (Phylogenetic).

Như vậy, rõ ràng rằng sự xuất hiện của các nòi, các dạng sinh thái...tạo nên sự phân ly (Divergent) và tiến hóa của các loài, còn quá trình tiến hóa đồng quy và tiến hóa song song lại đưa đến những dạng đồng hình, Do đó, làm phong phú thêm đời sống trong sinh giới, trong điều kiện môi trường rất đa dạng.

1.3. Đa dạng sinh học (Biodiversity)

Đa dạng sinh học là sự giàu có, phong phú và đa dạng về nguyên liệu di truyền, về loài và các hệ sinh thái. Vì vậy, đa dạng sinh học bao gồm sự đa dạng ở mức độ phong phú các gen trong quần thể gọi là đa dạng di truyền hay đa dạng gen, đa dạng ở mức độ loài là sự phong phú các loài gọi là đa dạng loài; và sự phong phú về các hệ sinh thái - đa dạng hệ sinh thái.

Hiện tại, tổng số các loài trong sinh quyển được đánh giá vào khoảng 3 - 70 triệu loài, nhưng mới biết tên 1,4 triệu loài, tức là gần 2% tổng số (Raven and Wilson, 1992; Groombridge, 1992,...) (bảng 5.1). Nhiều nhóm phân loại lớn còn biết rất ít như vi sinh-vật, côn trùng... Ngay ở những nhóm động vật bậc cao như thú, trong thế kỷ này khoa học cũng đã được bổ sung thêm một số loài mới.

Bảng 8. Số lượng các loài hiện sống đã được mô tả

Stt Giới , ngành và bậc phân loại thấp hơn Tên phổ thông Số lượng loài

đã được mô tả

(1) (2) (3) (4)

I Virus 1.000

II Monera

Bacteria

Myxoplasma

Cyanophycota Khởi sinh

Vi khuẩn

Vi khuẩn

Vi khuẩn lam 4.760

3.000

60

1.700

III Fungi

Zygomycota

Ascomycota

Basidiomycota

Oomycota

Chitridomycota

Acrasiomycota

Myxomycota Nấm

Nấm tiếp hợp

Nấm túi

Nấm đảm

Nấm trứng

Nấm cổ

Nấm nhầy tế bào

Nấm nhầy hợp bào 46.983

665

26.850

16.000

580

575

13

500

IV Algae

Chlorophyta

Phaeophyta

Rhodophyta

Chryrophyta

Pyrrophyta

Euglenophyta Tảo

Tảo lục

Tảo nâu

Tảo đỏ

Tảo vàng

Tảo giáp

Tảo mắt 26.900

7.000

1.500

4.000

12.500

1.100

800

V Plantae

Bryophyta

Psilophyta

Equisetophyta

Lycopodiophyta

Polypodiophyta

Pinophyta

Magnoliophyta

- Magnoliopsida

- Liliopsida Thực vật

Rêu

Lá thông

Cỏ tháp bút

Thông đất

Dương xỉ

Thông (Hạt trần)

Ngọc Lan (Hạt kín)

- Lớp Ngọc Lan

- Lớp Hành 248.428

16.600

9

15

1.275

10.000

529

220.000

170.000

50.000

VI Protozoa

Protozoa chung Động vật nguyên sinh

Động vật nguyên sinh 30.800

30.800

VII Invertebrata

Porifera

Cnidaria, Ctenophora

Platyhelminthes

Nematoda

Annelida

Mollusca

Echinodermata

Arthropoda

Các ngành thứ yếu khác Động vật không xương sống

Thân lỗ

Ruột khoang và sứa lược

Giun dẹt

Giun tròn

Giun đốt

Thân mềm

Da gai

Chân khớp 989.761

5.000

9.000

12.200

12.000

12.000

50.000

6.100

874.161

9.300

VIII Chordata

Tunicata

Cephalochordata

Vertebrata:

Agnatha

Chondrichthyes

Osteichthyes

Amphibia

Reptilia

Aves

Mammalia Động vật có dây sống

Động vật có bao

Đầu sống

Có xương sống:

Không hàm

Cá sụn

Cá xương

Lưỡng cư

Bò sát

Chim

Thú 43.853

1.250

23

63

843

18.150

4.184

6.300

9.034

4.000

Tổng số các loài đã xác định được 1.392.485

(Wilson và Peter Eds, 1988)

Đa dạng sinh học ở Việt Nam.

Do điều kiện địa hình và khí hậu đa dạng nên ở Việt Nam đã hình thành hệ động vật và thực vật rất phong phú. Sự phong phú thành phần loài sinh vật ở Việt nam được thể hiện ở bảng sau:

Nhóm sinh vật Số loài đã xác định được (SV) Số loài có trên thể giới (SW) Tỷ lệ % SV/SW

1.Thực vật nổi

-nước ngọt

-biển

1.438

537

2.Rong, cỏ

-nước ngọt

-biển

Khoảng 20

677

3.Thực vật ở cạn

-Rêu

-Nấm lớn Khoảng 11.400

1.030

826 220.000

22.000

50.000 5

4,6

1,6

4.Động vật không xương sống ở nước

-nước ngọt

-biển

Khoảng 800

Khoảng 7.000

5. ĐVKXS ở đất Khoảng 1.000

6. Giun sán ký sinh ở gia súc 161

7. Côn trùng 7.750

8.Cá

-nước ngọt

-biển

Trên 700

2.038 19.000 13

9.Bò sát

Bò sát biển 260

21 6.300 5

10.Lưỡng cư 120 4.184 2,9

11.Chim 840 9.040 9,3

12.Thú

Thú biển 310

17 4.000 7,5

(Nguồn: Viện sinh thái và tài nguyên sinh vật, 2005)

Đa dạng sinh học có rất nhiều giá trị trong đời sống của tự nhiên và của con người. Theo J. Mc Neely và nnk (1991) giá trị đó được thể hiện trong các khía cạnh sau:

- Các hệ sinh thái của trái đất là cơ sở sinh tồn của sự sống cho cả trái đất và cả con người. Các hệ sinh thái đảm bảo cho sự chu chuyển oxy và các nguyên tố dinh dưỡng khác trên toàn hành tinh. Chúng duy trì tính ổn định và sự màu mỡ của đất nói riêng hay của hành tinh nói chung. Các hệ sinh thái bị suy thoái thì tính ổn định và sự mềm dẽo; linh động của sinh quyển cũng bị thương tổn.

- Các hệ sinh thái tự nhiên có giá trị thực tiễn rất cao: Rừng hạn chế sự xói mòn của mặt đất và bờ biển, điều tiết dòng chảy, loại trừ các cặn bã làm cho dòng chảy trở nên trong và sạch; các bãi cỏ biển, các rạn san hô...ở thềm lục địa làm giảm cường độ phá hoại của sóng, dòng biển, là nơi nuôi dưỡng, cung cấp thức ăn và duy trì cuộc sống cho hàng vạn loài sinh vật biển.

- Duy trì và cung cấp nguồn gen và là kho dự trữ các nguồn gen quý - hiếm cho cây trồng và vật nuôi cho tương lai.

- Nhiều loài động thực vật được sử dụng làm thức ăn cho con người, cho gia súc, làm thuốc, lấy gỗ làm nhà; phục vụ cho phát triển kinh tế, làm chất đốt lấy năng lượng, làm cây cảnh...Hiện tại, đã thống kê được 30.000 loài cây có những phần ăn được, nhưng chỉ mới khoảng 7.000 loài được trồng hoặc thu hái làm thức ăn, trong đó có 20 loài đã cung cấp đến 90% lượng tinh bột trên toàn thế giới.

- Sinh vật trong quá trình tiến hoá đã tồn tại và phát triển một cách bền vững và hài hoà với nhau, tạo nên một thiên nhiên đa dạng, phong phú và hấp dẫn, làm nền tảng cho mọi cảm hứng về thẩm mỹ, nghệ thuật và văn hóa của con người.

Với những giá trị to lớn mà đa dạng sinh học đã đem đến cho loài người, đương nhiên, chúng phải được tồn tại như một quyền lợi hiển nhiên mà chúng đã giành được trong cuộc đấu tranh sinh tồn đầy khắc nghiệt. Con người liệu có hiểu điều đó và tại sao lại hủy diệt chúng, những loài sinh vật đã nuôi sống chính con người? .

II. Các khu sinh học (Biome)

Các hệ sinh thái trong sinh quyển tồn tại ở hai môi trường có sự khác biệt nhau rất nhiều về đặc tính lý - hoá và sinh học. Đó là môi trường trên cạn và môi trường dưới nước, môi trường dưới nước lại được chia thành môi trường nước ngọt và nước mặn.

1. Các khu sinh học trên cạn.

Ở trên cạn, các thảm thực vật ở trạng thái cao đỉnh khí hậu (Climatic climax) hay còn được gọi là các quần hệ thực vật (Formation), chúng chiếm sinh khối rất lớn và gắn liền với khí hậu địa phương, do đó có tên là quần xã cảnh quan vùng địa lý hay gọi là khu sinh học (Biome). Biome là một hệ sinh thái lớn, có giới hạn tương đối và đặc trưng bởi khí hậu đặc thù, là quần xã lớn bao gồm các loài động vật sống trong quần hệ thực vật và đặc tính chủ yếu cho phép phân chia và nhận dạng các khu sinh học chính là các dạng sống (cây cỏ, cây bụi, cây gỗ...).

Trên lục địa, ở nhiều vùng do điều kiện khí hậu rất khác nhau, đặc biệt là nhiệt độ và lượng mưa đã hình thành các khu sinh học chính như đài nguyên (đồng rêu) ở Bắc Cực và núi cao (Alpin), rừng lá kim, rừng lá rộng rụng lá ôn đới...Độ cao địa hình cũng ảnh hưởng mạnh đến các hệ sinh thái, những thay đổi các quần hệ thực vật khi độ cao tăng cũng giống như sự thay đổi từ vùng khí hậu nóng đến vùng khí hậu lạnh. Dưới đây, chúng ta xem xét đặc tính của từng khu sinh học một cách khái quát.

Hình 14: Sự phân bố các khu sinh học theo lượng mưa và nhiệt độ

(theo Purves, http://www.sinauer.com/)

1.1. Đồng rêu hay đài nguyên (Tundra)

Hình 15: Khu phân bố của lãnh nguyên

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Đồng rêu bao quanh Bắc cực, Greenland và một vòng vòng đai phần bắc của lục địa Âu - Á, Bắc Mỹ. Đây là một đồng bằng không cây cối, nhiều đầm lầy giá lạnh, băng tuyết. Nhiệt độ rất thấp, độ ngưng tụ hơi nước rất kém, mùa sinh trưởng của sinh vật ngắn (khoảng 60 ngày); nền đất bị đông cứng. Do đó, đời sống rất khắc nghiệt. Số lượng loài thực vật ít, chủ yếu là cỏ bông, rêu và địa y. Động vật đặc trưng cho vùng là hươu tuần lộc (Rangifer tarandus), hươu kéo xe (R. caribou), thỏ, chó sói Bắc cực, Lemmus, Tarmigan, gấu trắng Bắc cực, chim cánh cụt . . . Chúng có thời gian ngủ đông dài, nhiều loài chim sống thành đàn lớn, di cư xa xuống vùng vĩ độ thấp để tránh rét vào mùa đông.

1..2. Rừng lá kim (Taiga)

Hình 16: Khu phân bố của rừng lá kim

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Khu sinh học này nằm kế sau đồng rêu về phiá nam. ở Siberi diện tích của thảm thực vật này rất lớn, đạt diện tích khoảng 85 triệu cây số vuông (14.000 km x 6.000 km). Kéo dài từ Bắc Mỹ sang Châu Âu. Đặc trưng của vùng là đất bị phủ băng tuyết, mùa đông cực kỳ lạnh và khắc nghiệt nhưng không bằng khu sinh học đồng rêu. Lượng mưa thấp, khoảng 300 - 500mm/năm. Đất nghèo muối dinh dưỡng, thuộc loại Potzon, đất chua và có tầng thảm mục cây lá kim bán phân huỷ dày. Trong vùng có nhiều đầm lầy, hồ, suối...

Thực vật gồm cây lá kim thường xanh, thân thẳng, ken dày, che bóng như các loài thông (Pinus). Cây bụi và thân thảo do đó, kém phát triển. Dọc theo những nơi có nước là dương liễu, bạch dương, phong, linh sam (Abies); vân sam (Epicea); thông rụng lá (Larix)... các loài cây này là giá thể cho các loài nấm, địa y... phát triển phong phú. Trong vùng còn có mặt các loài cây lớn, cổ thụ như cây Sồi (Sequoia) khổng lồ, cao đến trên 80 m với đường kính 12m và sống đến 3000 năm. Cây Sồi sống ở ven biển còn cao hơn (110 m, sống 2000 năm). . .

Hệ động vật đa dạng hơn so với đồng rêu. Ngoài các loài côn trùng, những động vật bậc cao gồm hươu Canada (Cervus canadaensis), nai sừng tấm (Alches machlis), thỏ, linh miêu, cáo, chó sói, gấu..., chim định cư không nhiều.

Điều kiện môi trường có ảnh hưởng rõ rệt đối với các loài động vật, chúng có tập tính di cư, sự ngủ đông hoặc dự trữ thức ăn.

1.3. Rừng lá rộng rụng lá theo mùa vùng ôn đới

Hình 17: Khu phân bố của rừng lá rộng rụng lá theo mùa vùng ôn đới

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Trước đây loại rừng này đã bao phủ phần phía đông của Bắc Mỹ, toàn bộ châu Âu, một phần lãnh thổ Trung Quốc, Nhật Bản, châu Đại Dương và phần nam của châu Mỹ La Tinh. Nền văn minh của châu Âu, Bắc Mỹ, Viễn Đông phát triển đã huỷ diệt thảm thực vật này. Khu sinh học này có lượng mưa vừa phải (700 - 1.200mm/năm), ấm về mùa hè, nhưng mùa đông vẫn khắc nghiệt. Đất giàu chất hữu cơ và có lớp thảm mục dày, tầng đất dày và giàu sét ở lớp dưới.

Thành phần loài thực vật của vùng rất đa dạng về chi; loài và được phân thành nhiều tiểu vùng. ở Bắc Mỹ với những loài đặc trưng là thông trắng, thông đỏ, sến đỏ (ở phía đông Bắc Mỹ)..., song đã bị khai thác bừa bãi vào những năm 80 và 90 của thế kỷ XIX. Các tiểu vùng khác có nhiều loài cho gỗ cứng như sồi; hồ đào; dẻ gai.

Hệ động vật giàu có về thành phần loài và số lượng, từ côn trùng đến thú lớn. Thú có nhiều như hươu, lợn rừng, chó sói, cáo, các loài gặm nhấm... Những loài động vật sống trên cây cũng rất đa dạng như sóc, chuột sóc, nhiều loài chim leo trèo như gõ kiến, nhiều loài côn trùng (sâu bọ) ăn gỗ. Chu kỳ biến động theo mùa rõ rệt, Nhiều loài có tập tính di cư xa, nhiều loài ngủ đông, đặc biệt số loài hoạt động ban ngày nhiều hơn hẳn số loài hoạt động ban đêm.

1.4 Rừng mưa nhiệt đới

Hình 18: Khu phân bố của rừng mưa nhiệt đới

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Đây là thảm thực vật phát triển phong phú nhất trong các thảm thực vật trên Trái Đất, quê hương của các loài lim, lát, samu, tếch, đinh, ... Rừng mưa nhiệt đới tạo thành một vành đai quanh xích đạo, tập trung nhiều ở lưu vực sông Amazone (Braxin); Công gô và khu vực ấn Độ - Malaixia với số loài giàu nhất thế giới..

Khí hậu vùng nhiệt đới nóng và ẩm, nhiệt độ trung bình năm cao (24 - 300C) và gần như ổn định quanh năm, lượng mưa lớn (đến 4500mm), có nơi lượng mưa đạt kỷ lục cao như Camơrun (l0.170 mm/năm). Đất đa dạng, giàu chất dinh dưỡng.

Đặc trưng của rừng mưa nhiệt đới là phân tầng, tán hẹp chen nhau, thường có 5 tầng, trên cùng là các tầng ưa sáng với nhiều cây cao, trung bình 46 - 55m, có khi đến 60m. Có nhiều dây leo thân gỗ, nhiều loài cây sống khí sinh, bì sinh. Cây dây leo có khi dài tới 240m với đường kính 15 cm, phổ biến trong rừng là cây "bóp cổ". Cây thân thảo trong rừng nhiệt đới không phải là cỏ mà là tre nứa... cao đến 20 m. Cây thân gỗ, bì sinh, cây leo phủ kín không cho ánh sáng lọt xuống nền đất rừng, do vậy, trên mặt đất cây cỏ nghèo nàn, chỉ có những loài cây cây chịu bóng ưa ẩm, các loài nấm, mốc, địa y mọc trên lá mục, trên thân cây. Các loài thực vật nhiệt đới có nhiều đặc điểm như hoa trái phát triển xung quanh thân cây; cây phát triển bạnh gốc hay có rễ phụ, rễ bò nổi trên mặt đất.

Động vật giới đa dạng và phong phú về thành phần loài. Do tán rừng là thảm liên tục nên nhiều nhóm động vật chuyên sống ở đây, giỏi leo trèo, di chuyển từ cây này sang cây khác như khỉ, vượn, sóc bay cầy bay. Dưới đất là voi, lợn rừng, bò rừng, trâu rừng, hươu, hoẵng, nai, gấu, hổ, báo... Ngoài ra động vật không xương sống cũng rất phong phú và đa dạng, đặc biệt là côn trùng, nhện, bọ cạp, muỗi, vắt... rất nhiều.

Ở một số nơi, còn có kiểu rừng mưa biến đổi. Đó là rừng rụng lá vào mùa khô do hoạt động của gió mùa và rừng hỗn giao ở vùng nhiệt đới núi cao.

Rừng mưa nhiệt đới được mệnh danh là lá phổi xanh của hành tinh, nhưng hiện tại đang bị thu hẹp một cách nhanh chóng do khai thác quá mức và do đốt rừng làm rẫy.

1.5. Savan

1.5.1. Thảo nguyên và savan nhiệt đới.

Hình 19: Khu phân bố của Savan nhiệt đới

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Savan nhiệt đới là thảm thực vật thân cỏ, có một số ít cây gỗ hay nhóm cây gỗ phân bố trong vùng, lượng mưa cao (1.000 - 1500 mm), nhưng có một hoặc hai mùa khô kéo dài, thường xuất hiện những đám cháy. Vùng rộng lớn nhất của khu sinh học này nằm ở Trung và Đông Phi, sau nữa là vùng Nam Mỹ và châu Đại Dương.

Thành phần các loài thực vật nghèo, ưu thế là những loài thuộc chi các Panicum, Pennisetum, Adropogon, Imperata . . . của họ Cỏ (Poaceae). Cảnh quan savan châu Phi còn rải rác những cây keo Acacia tán phẳng, có gai, những cây thuộc họ Đậu (Fabaceae), cây bao báp (Adansonia) và các loài cây cọ thuộc họ Cau dừa (Palmae). Đây cũng là nơi tập trung những đàn lớn sơn dương, gơ nu, trâu, ngựa vằn . . . thuộc tập đoàn móng guốc và những loài ăn thịt chúng như sư tử, báo, linh cẩu . . ., Chim gồm đại bàng. . . rất điển hình.

1.5.2. Thảo nguyên vùng ôn đới

Hình 19: Khu phân bố của thảo nguyên vùng ôn đới

(Nguồn: http://www.radford.edu/~swoodwar/classes/geog235/biomes/intro.html)

Thảo nguyên vùng ôn đới phân bố ở những nơi có lượng mưa trung bình năm nằm giữa hoang mạc và rừng (250-750 mm). Sự tồn tại của khu sinh học này phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng mưa theo mùa, dung tích nước của đất. Độ ẩm của đất là giới hạn hàng đầu đối với sự phân giải các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Những thảo nguyên rộng lớn tập trung ở nội đia Âu - Á, Bắc và Nam Mỹ và châu Đại Dương

Ở Bắc Mỹ, thảo nguyên phân thành thảo nguyên cỏ cao với các loài thân cỏ cao 150-240cm như Andropogon gerardi, Panicum virgatum, Sorghastrum natans và Spartina pectinata; thảo nguyên cỏ thấp trung bình (60 - 120cm) như Andropogon scoparius, Stipa spartea, Sporobolus heterolepis . . . và thảo nguyên cỏ thấp (dưới 60 cm) với các loài Buchloe dactyloides, Bouteloua gracilis, Poa sp...

Động vật trong vùng là những loài ăn cỏ, ưu thế là tập đoàn móng guốc và nhiều loài ăn thịt như sư tử, chó rừng. . .

Diện tích các thảo nguyên bị thu hẹp đáng kể do con người chuyển chúng thành các đồng cỏ chăn nuôi hoặc do chăn thả quá mức đưa đến sự nghèo kiệt và hoang mạc hóa.

1.6. Hoang mạc

Hoang mạc phân bố trong vùng có lượng mưa rất thấp (dưới 250 mm/năm), đôi khi có cả ở nơi có lượng mưa lớn hơn nhưng phân bố không đều, khả năng ngấm và bốc hơi nhanh. Nhiệt độ chênh lệch giữa ngày - đêm và các mùa rất lớn. Những hoang mạc tuyệt đối không có mưa là Chile và trung Sahara. Các hoang mạc lớn thường tạo nên vành đai liên tục quanh Trái Đất ở khoảng giữa chí tuyến Bắc và chí tuyến Nam về 2 phía của vùng nhiệt đới xích đạo. Ở Bắc bán cầu, hoang mạc lớn nhất là Sahara (9 triệu km2). Các hoang mạc khác gồm Á Rập, Thổ Nhĩ Kỳ, Iran, Ấn Độ, Taklamakhan và Go bi. ở Bắc Mỹ, phần tây Hoa Kỳ hoang mạc mở rộng tới Mexico (Gritbađin, Mohavơ, Sonoran, Chihuahua). Phía nam xích đạo có hoang mạc Patagoni (Achentina), Atacama (Chile), Kalahari (châu Phi) và hoang mạc châu Đại Dương (chiếm 44% lục địa châu Đại Dương).

Thực vật hoang mạc rất nghèo, trừ các "ốc đảo", gồm những cây trốn hạn (cây 1 năm duy trì ở dạng hạt, phát triển nhanh trong thời gian có mưa rồi chết) và cây chịu hạn (rụng lá vào mùa không mưa, lá biến thành gai, hoặc cây mọng nước như cây xương rồng (Saguaro), khi trưởng thành nặng 10 tấn; trong đó 80% là nước. Những cây hoặc có rễ ăn rất sâu xuống đất hoặc rễ lan rộng trên mặt đất để hút sương, song thân cây lại rất thấp và nhỏ. . . Những loài tiêu biểu cho hoang mạc là Acacia, Uca, Aga, xương rồng, ngải, đại kích...

Động vật là những loài thích nghi với điều kiện khô hạn, nóng, gồm những loài ăn đêm, các loài động vật có xương sống cở lớn như lạc đà một bướu, linh dương, báo, sư tử, ngoài ra các loài gặm nhấm trong đất rất phong phú. Chim phần lớn là chim chạy... Tuy khắc nghiệt, nhưng hoang mạc đã nuôi một khối lượng động vật khá lớn. Côn trùng nhiều vô kể. Những loài đặc trưng là chuột nhảy (Dipodonys), chuột Gecbin, thằn lằn, chó dingo (Australia), chó hoang (Phi), các loài cáo...

Sự thích nghi với đời sống hoang mạc rất rõ rệt, biểu hiện ở những đặc điểm chống khô, nóng như một số có khả năng lấy nước từ nội bào (lạc đà), thải phân khô. Ngoài ra, có hiện tượng di cư theo mùa, ngủ hè hay có dự trữ thức ăn, sinh sản đồng loạt vào những thời kỳ có độ ẩm cao.

2.2. Các khu sinh học theo độ cao

Theo sườn núi, đi từ chân lên đỉnh, những điều kiện của môi trường vật lý thay đổi dần dần: nhiệt độ giảm, trên những đỉnh cao là các chỏm băng; lượng mùn bã tích đọng giảm; độ ẩm, chế độ gió, sự chiếu sáng, nhất là ở các sườn núi khác nhau cũng biến đổi đáng kể. Tất cả những yếu tố đó làm cho các quần xã biến đổi theo hướng tương tự như khi ta đi từ xích đạo lên Bắc Cực.

Tùy theo các vùng núi mà thảm thực vật được phân thành 4 - 5 khu sinh học chính với nhiều phân vùng. ở đây giữa các quần xã có mối liên hệ chặt chẽ với nhau tích cực hơn so với các vùng đồng bằng. Cùng với điều đó; những quần xã giống nhau trên núi lại bị cách ly nhau bởi vì các núi thường bị đứt đoạn. Do sự cách ly và điều kiện đặc biệt của địa hình, ngoài những loài chung với đồng bằng ở nơi chuyển tiếp, các quần xã núi cao còn có những loài riêng, đặc trưng cho mình.

Bảng 9. Sự thay đổi của hệ thực vật theo độ cao ở các vĩ độ (Good, 1953)

Phân tầng theo vĩ độ địa lý Phân tầng theo độ cao (m)

0 - 1000 1000 - 2000 2000 - 4000 4000 - 6000

Nhiệt đới (0 - 200)

Cận nhiệt đới (20 - 400)

Ôn đới (40 - 600)

Bắc và Nam cực (40 - 600) Nhiệt đới

Cận nhiệt đới

Ôn đới

Bắc cực và Alpine Cận nhiệt đới

Ôn đới

Bắc cực và Alpine

- Ôn đới

Bắc cực và Alpine

-

- Bắc cực và Alpine

-

-

-

2.3. Ở dưới nước

Nước chiếm 73% tổng diện tích (71% là đại dương và 2% là nước ngọt) và chiếm trên 97% tổng khối lượng nước của trái đất. Phân biệt giữa nước ngọt và nước biển là độ muối NaCl của nước. Nước ngọt có độ muối thấp hơn 0,50/00, còn nước biển chính thức có độ muối 30 - (32) - 400/00; giữa nước ngọt và nước biển là nước lợ. Nước có độ muối trên 400/00 là quá mặn, đặc trưng cho những hồ ven biển ở nơi có khí hậu khô hạn và ở Biển Chết.

2.3.1. Các hệ sinh thái dòng chảy

Trên đại lục các dòng chảy cùng với lưu vực của chúng hình thành nên các vùng ngập nước quan trọng và những châu thổ màu mỡ. Hơn nữa khi sông đổ vào các vùng biển có thuỷ triều còn tạo nên các hệ sinh thái cửa sông (Estuary) giàu tiềm năng vào bậc nhất. Trên lục địa những hệ thống sông lớn phải kể đến là sông Missisipi ở Bắc Mỹ, Amazone ở Nam Mỹ, sông Nil và Congô ở châu Phi, sông Volga ở châu Âu, Sông Hằng Hà, Hoàng Hà, Dương Tử, Cửu Long ở châu Á.

Đặc trưng chính của các hệ sông này là nước luôn luôn vận động, điều kiện sống trong sông luôn luôn biến động theo mùa nước cạn và nước lũ. Sinh vật sống trong sông, suối là các loài thích nghi với điều kiện nước chảy, giàu oxy, tuy nhiên có sự khác biệt đáng kể giữa các quần xã phân bố ở những phần khác nhau của dòng chảy: thượng lưu, trung lưu và hạ lưu. Nhìn chung sinh giới trong sông suối nghèo. Đa dạng sinh học và sản lượng các loài tăng theo hướng từ thượng nguồn xuống hạ lưu, từ giữa dòng vào bờ.

Sông suối là con đường giao lưu giữa lục địa - biển, không chỉ cho các loài di cư sông - biển, biển - sông mà còn là hành lang xâm nhập của các nhóm sinh vật biển vào nước ngọt trong quá khứ và hiện tại, góp phần vào sự hình thành khu hệ động vật nước ngọt, nhất là các vùng ở vĩ độ thấp. Sông, suối còn là nơi duy trì nguồn gen của các loài thuỷ sinh vật cho các vực nước tĩnh thuộc lưu vực của chúng (Vũ Trung Tạng, 1991), đồng thời là nơi cung cấp nhiều giá trị cho cuộc sống của con người (thuỷ sản, giao thông, năng lượng, nước tưới cho nông nghiệp, cảnh quan du lịch...).

2.3.2.Các thuỷ vực nước tĩnh.

Các thuỷ vực nước tĩnh gồm dạng ao, hồ, đầm và những hang nước. Chúng được tạo thành do nhiều nguyên nhân khác nhau. Nguồn gốc, sự phân bố và những đặc điểm hình thái. . . quyết định đến điều kiện môi trường, kéo theo chúng là sự phân bố, đặc tính của quần xã sinh vật và năng suất sinh học của thuỷ vực. Trên thế giới có 20 hồ lớn với độ sâu trên 400m. Nhiều hồ lớn, như hồ Baical (Siberi, Nga) chứa tới 20% lượng nước ngọt của hành tinh. Những hồ nước ngọt nổi tiếng là hệ thống hồ lớn (Great Lakes) ở Bắc Mỹ; Tanganyika, Victoria (châu Phi); hệ thống hồ nước mặn ở Nam Âu - Trung Á: Caspien, Aral. Hồ Baical rất cổ, ra đời cách chúng ta trên 1 triệu năm, lại rất sâu (trung bình trên 700m) là nơi lưu trữ nhiều dạng đặc hữu của động, thực vật ở mức độ cao (giống và họ) nên được mệnh danh là bảo tàng sống của thế giới sinh vật cổ. ở các hồ sâu, khối nước bị phân tầng bởi nhiệt, trong đó hình thành 3 vùng khác nhau về nhiệt độ: tầng trên (epilimnion) ấm, nước được xáo trộn tốt, tầng giữa (metalimnion), gradient nhiệt thay đổi nhanh theo độ sâu, trở thành lớp ngăn cách giữa nước tầng mặt và nước ở đáy, tầng cuối cùng là tầng đáy (hypolimnion), nhiệt độ nước thấp và ổn định. ở vùng ôn đới, sự phân tầng này chỉ xuất hiện trong mùa hè và mùa đông (mùa đông có sự phân tầng ngược), song trong mùa xuân và thu lại không còn hiện tượng phân tầng, còn ở vùng vĩ độ thấp sự phân tầng thường là vĩnh cửu. Do vậy, sức sản xuất của các hồ ôn đới lớn hơn nhiều so với các hồ ở vĩ độ thấp và ở cận cực.

Theo chiều ngang, hồ được chia thành vùng gần bờ và xa bờ, đặc trưng bởi sự phân bố của các loài thực vật sống bám vào đáy.

Dựa vào sức sản xuất người ta cũng chia hồ thành các dạng giàu dinh dưỡng (Eutrophic), nghèo dinh dưỡng (Oligotrophic), mất dinh dưỡng (Distrophic) và phú dưỡng (Eutrophication) do hoạt động của con người, làm tăng quá mức lượng muối dinh dưỡng, nhất là N, P đưa đến sự nở hoa của nước.

Hồ là hệ sinh thái nước ngọt rất điển hình, được sinh ra, phát triển để đạt đến trạng thái cân bằng ổn định. Nhiều hồ, nhất là hồ nông, cũng rơi vào tình trạng suy thoái và diệt vong trong lịch sử đời sống của mình.

2.3.3. Các hệ cửa sông (Estuary)

Vùng cửa sông là nơi chuyển tiếp sông - biển, trong đó có sự xáo trộn của nước ngọt với nước biển do hoạt động của thủy triều. Do vậy, độ muối của nước nằm ở vị trí trung gian giữa nước ngọt và nước mặn, 0,5 : 30 (400/00), biến động theo chu kỳ mùa của khí hậu và hoạt động của thủy triều.

Vùng cửa sông được hình thành do nhiều nguyên nhân, chủ yếu là sự sụt lún của một bộ phận lục địa ven bờ hay do sự nâng tương đối của mực nước biển. Những vùng sụt lún không được đền bù tạo nên các cửa sông hình phễu, còn những sông nhiều phù sa thường tạo nên các cửa sông kiểu châu thổ; xét theo quá trình động lực của khối nước thì các đầm phá cũng là dạng đặc biệt của hệ cửa sông (Vũ Trung Tạng, 1982, 1994).

Các vùng cửa sông trên thế giới ra đời cách chúng ta khoảng dưới 3000 năm, sau biển tiến lần cuối cùng của kỷ thứ Tư.

Đặc trưng chung của vùng cửa sông, sự phân bố của các quần xã sinh vật và năng suất sinh học của chúng được đề cập đến trong nhiều tài liệu.

Đặc trưng chung của hệ cửa sông là: .

- Nằm ở cửa các con sông và lân cận cửa sông. Điều kiện môi trường, nhất là độ muối, luôn luôn biến động do hoạt động của dòng sông và hoạt động của thủy triều.

- Phân bố vào vùng cửa sông là những loài sinh vật biến thẩm thấu, chủ yếu có nguồn gốc biển. Sinh vật cửa sông chính thức có số lượng loài không nhiều; về mặt lịch sử phân bố, chúng có tuổi trẻ hơn so với những sinh vật sống trong các hệ tự nhiên khác, nhưng số lượng cá thể của quần thể đông, tạo nên sản lượng khai thác cao cho vùng. Hơn nữa, đây là "cái bẫy" bẫy mọi nguồn muối dinh dưỡng nên năng suất sinh học của vùng cửa sông tương đương như năng suất sinh học của rạn san hô và rừng mưa nhiệt đới.

- Con đường vận động của vật chất và năng lượng chính trong các hệ cửa sông là xích thức ăn khởi đầu bằng phế liệu (detrit). Do đó, sản phẩm khai thác chính trong vùng, đặc biệt ở các vùng cửa sông nhiệt đới là tôm, thân mềm, cá đáy các loại...

Vùng cửa sông là hệ giàu có, đồng thời cũng là hệ hỗ trợ, duy trì tiềm năng cho vùng biển xa bờ. Hiện tại, vùng bị sức ép từ nhiều phía: khai thác tài nguyên quá mức ngay trong vùng, bị ảnh hưởng lớn do việc đắp đập, xây dựng hồ chứa và nhà máy thủy điện ở trung, thượng lưu; bị ô nhiễm bởi các chất thải từ lục địa mang ra, bởi dầu từ khai thác và vận chuyển dầu ở vùng cửa sông và thềm lục địa.

2.3.4. Biển và đại dương

Biển và đại dương là những hệ sinh thái khổng lồ, chúng có quan hệ với nhau bởi hệ thống dòng, ít bị chia cắt như lục địa. Diện tích của biển và đại dương là 361 triệu cây số vuông (71% diện tích bề mặt hành tinh), phân bố đến độ sâu tối đa 11023m, còn trung bình của Thái Bình Dương là 3.710m. Tổng khối nước lã 13.700 geogram (1 geogram = 1020g hay 1014 tấn).

Đặc trưng chính của đại dương là chứa nước mặn (S0/00 > 300/00), có hệ thống dòng chảy phức tạp ở trên bề mặt và dưới sâu, hệ thống dòng đối lưu (phân kỳ và hội tụ)... hoạt động của gió, của thủy triều... Tất cả chúng tạo nên những biến đổi phức tạp về các điều kiện vật lý hải dương, khí tượng. . . trên mỗi vùng biển. Hơn nữa, nhũng biến đổi này còn tác động mạnh lên lục địa và khí quyển. Sự tương tác lục địa - biển - khí quyển điều hòa cân bằng nhiệt - ẩm, kéo theo là mọi điều kiện khác nữa của môi trường ở phạm vi toàn cầu, tạo điều kiện thuận lợi cho toàn sinh quyển tồn tại và phát triển bền vững.

Tuỵ nhiên, biển và đại đương cũng không hoàn toàn đồng nhất về cấu trúc, những đặc trưng về địa hình, về điều kiện khí tượng hải văn, về mối tương tác lục địa - biển - khí quyển và về sự phân bố của sự sống. Do đó, đại dương được chia thành 2 phần chính: đáy (benthic) và khối nước (pelagic) với các tiểu vùng khác nhau.

(hình V.8 CSSTH. Vũ Trung Tạng. Tr. 216).

Vùng thềm lục địa đạt đến độ sâu 200m, nằm kề lục địa, có độ dốc thấp, chiếm khoảng 11% diện tích đáy đại dương, được phủ chủ yếu bởi trầm tích có nguồn gốc lục địa. Trên nó là khối nước gần bờ (Neritic), nơi được chiếu sáng đẩy đủ, giàu muối dinh dưỡng, nhưng chịu ảnh hưởng mạnh của mối tương tác lục địa - biển - khí quyển. Đây là vùng có tiềm năng sinh học lớn. Cùng với một phần dốc lục địa, vùng thềm lục địa đã cung cấp tới 95% tổng sản lượng hải sản khai thác được trên toàn thế giới.

Vùng đáy sâu tiếp sau thềm lục địa là dốc lục địa, nơi chuyển tiếp giữa thềm lục địa và lòng chảo đại dương, chiếm khoảng 7% tổng diện tích. Ở đây xuất hiện nhiều rãnh vực (Canon) như một phương tiện chuyển tải những trầm tích từ thềm lục địa xuống đáy đại dương, song bề mặt của chúng khá gồ ghề, nhiều đảo, đảo ngầm và các ám tiêu san hô.

Lòng chão đại dương bằng phẳng hơn, tuy nhiên trên phạm vi lớn của các đại dương, địa hình đáy mỗi nơi mỗi khác. Giữa Đại Tây Dương, đáy xuất hiện mặt "Trường Sơn" cao chạy theo hướng Bắc - Nam, còn ở Thái Bình Dương lại được đặc trưng bởi hàng loạt các hố sâu trên 6 - 7km, chẳng hạn, những rãnh chạy dọc bờ phía tây châu Mỹ như Peru - Chilê, sâu 8.055m, dài 5900km; ở giữa và phần tây của nó là rãnh Tonga (sâu l0.800 m và dài 1.400 km), Kurile - Kamchatka (sâu l0542 m và dài 2.200km)... và hố sâu nhất là Marianas viền phía đông - đông bắc quần đảo Philippine với độ sâu ll.023m, kéo dài 2.550km...

Lòng chảo đại dương chủ yếu được phủ bởi trầm tích sinh học, đặc biệt là xác trùng phóng xạ, trùng lỗ, vỏ tảo silic, hạt mịn.

Trong khối nước, tầng mặt (Epipelagic) là nơi được chiếu sáng (Photic), còn phía dưới là tầng tối vĩnh cửu (Aphotic). Nhiệt độ nước giảm từ tầng mặt tới tầng đáy. Tầng đáy nước lạnh và ổn định hơn nhiều so với tầng nước mặt. áp suất cột nước tăng dần với tỷ lệ cứ 10m độ sâu tăng 1 atmotphe. Tất nhiên, nhiệt độ tầng mặt biến thiên phụ thuộc vào nhiệt độ khí quyển và vào vĩ độ địa lý

Hoạt động của thủy triều cũng là đặc trưng nổi bật của các đại dương. Do điều kiện sống như thế, nên sinh vật sống trong biển và đại dương có nhiều nét khác biệt với những loài sống ở trên cạn. Trước hết, sinh vật ở biển có tuổi lịch sử cổ hơn so với sinh vật sống trên cạn. Chúng có số lượng loài sinh học ít hơn, nhưng sự biến dị di truyền cao, nhất là ở vùng ven bờ. Sinh vật sản xuất chính là các loài tảo đơn bào sống trôi nổi trong tầng nước. Có thể nói, ở biển thực vật thì "đi", còn nhiều nhóm loài động vật lại "đứng".

Hiện nay người ta đã xác định, trong số 63 lớp động vật thì 52 lớp có mặt ở đại dương, trong đó 31 lớp chỉ có ở biển mà không có trong lục địa; trong 33 lớp thực vật thì ở biển và đại dương gặp 10 lớp, trong đó 5 lớp chỉ sống ở nước mặn. Trong các đại dương đến nay đã biết trên 200.000 loài, gồm các sinh vật sống trôi nổi (Plankton), sinh vật sống đáy (Phytobenthos và Zoobenthos), động vật tự bơi (Nekton) như cá, mực, thú biển... và sinh vật sống trên màng nước (Pleiston và Neiston). Chúng quan hệ với nhau bằng nhiều mối quan hệ trong nội bộ và với môi trường để tạo nên hệ sinh thái khổng lồ - Hệ sinh thái biển.

Theo đánh giá của Vinogradov và nnk (1984), sản lượng sơ cấp của biển và đại dương thuộc các vùng như sau:

- Vùng quá giàu dinh dưỡng (0,7 triệu km2) là 1,5 tỷ tấn C/năm.

- Vùng giàu dinh dưỡng (50 triệu km2) là 21,9 tỷ tấn C/năm.

- Vùng dinh dưỡng trung bình (182 triệu km2) là 36.,9 tỷ tấn C/năm.

- Vùng nghèo dinh dưỡng (128 triệu km2) là 4,7 tỷ tấn C/năm.

Toàn đại dương (361 triệu km2) là 65 tỷ tấn C/năm.

Tổng sản lượng sinh vật của đại dương được đánh giá như sau: 550 tỷ tấn thuộc Phytoplankton, 0,2 tỷ tấn - Phytobenthos; 53 tỷ tấn - Zooplankton; 3 tỷ tấn- Zoobenthos và 0,2 tỷ tấn thuộc Nekton. Tổng sản lượng sinh vật chung cho thực vật là 550,2 tỷ tấn, còn động vật là 56,2 tỷ tấn.

Từ sản lượng trên, hàng năm nghề cá trên thế giới đã khai thác một lượng lớn hải sản, cung cấp khoảng 20% lượng đạm động vật cho con người. Hiện tại, nghề cá trên thế giới đã đạt sản lượng gần 100 triệu tấn mỗi năm, trong đó cá chiếm 83%, thân mềm 7,1%, giáp xác 4,6%, tảo 4,1%, số còn lại là giun biển, da gai và thú biển.

Nguồn lợi đại dương cũng có hạn, sức chịu đựng về khai thác hải sản của nó không thể vượt quá 100 triệu tấn năm. Do vậy, để đáp ứng nhu cầu của con người ngày một tăng thì chiến lược tới đối với nghề biển của thế giới là phát triển nuôi trồng hải sản (Mariculture) kể cả vùng nước lợ và biển gần bờ.

Nước ta nằm ngay trên bờ biển Đông với bờ biển dài trên 3260 km và một thềm lục địa rộng lớn ước tính khoảng 1 triệu cây số vuông, cùng với trên 3000 đảo và quần đảo, trong đó quần đảo lớn phải kể đến là Hoàng Sa và Trường Sa. Do nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa và kề với trung tâm phát sinh và phát tán của hệ động vật Ấn Độ - Tây Thái Bình Dương nên biển có mức đa dạng cao; thực vật nổi hiện biết 573 loài, tảo lớn 650 loài, động vật nối trên 470 loài, động vật đáy 6.400 loài, chủ yếu là thân mềm và giáp xác. Cá gần 2.000 loài, rùa biển 5 loài, rắn biển trên 10 loài, và thú biển trên 10 loài, trong đó loài bò biển (Dugong dugong) là dạng đặc hữu cho tổng vùng nước nhiệt đới Ấn Độ - Tây Thái Bình Dương. Nguồn lợi hải sản tập trung trong các hệ sinh thái đặc trưng như cửa sông (Estuary), rừng ngập mặn (Mangrove), các rạn san hô (Coral reef), các bãi cỏ biển (Seagrass), rong tảo và tạo nên sản lượng khai thác đáng kể.

Theo các đánh giá hiện nay, trữ lượng cá vào khoảng 3 triệu tấn, khả năng khai thác trên 1,1 triệu tấn. Từ năm 1981 đến năm 1997 sản lượng hải sản khai thác tăng từ 400 đến 1087 nghìn tấn, gấp trên 2 lần. Song, nghề cá nước ta tập trung chính ở vùng sát bờ, nên nguồn lợi hải sản bị giảm sút ở mức báo động. Nghề nuôi trồng cũng đã đạt gần đến giới hạn chịu đựng của bờ biển, lại nuôi quảng canh, năng suất thấp, đang trở thành yếu tố hủy hoại nhiều hơn (Vũ Trung Tạng, 1998). Nguồn lợi hải sản nước ta, nhất là ở vùng nước gần bờ, đang đứng trước những thử thách lớn: khai thác quá mức, khai thác bằng nhiều công cụ mang tính hủy diệt như dùng chất độc, dùng thuốc nổ và xung điện; môi trường bị xáo động và bắt đầu bị ô nhiễm bởi dầu, các kim loại nặng trên một số vùng.

Biển và đại dương nói chung đang còn nhiều điều bí ẩn, chẳng kém gì vũ trụ, là niềm hy vọng của nhân loại trong tương lai, song cũng đang phải đối mặt với nạn ô nhiễm ngày càng trầm trọng và sự khai thác quá mức của con người.

Chương 6.

DÂN SỐ, TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

I. Dân số và nạn nhân mãn

Con ngưòi hiện đại (Homo sapiens) là nấc thang tiến hoá cao nhất của sinh giới. Con người thuộc bộ Linh trưởng (Primates) cùng với tinh tinh (Chimpanze), vượn người (Gorilla) và vượn cáo (Lemur). Theo kết quả phân tích, khoảng 98% các vật liệu di truyền của con người hiện đại tương tự như tinh tinh, chỉ 2% là sai khác, tạo cho chúng ta có thế đứng thẳng và bộ não lớn hơn. Bộ não của con người hiện đại cũng phát triển hơn so với tổ tiên trước đây.

Con người ra đời là một thành viên mới của hệ sinh thái, song có một vị trí đặc biệt, khác xa với những loài động vật. Vị trí duy nhất này được tạo nên bởi 2 tính chất quy định bản chất của con người. Đó là bản chất "sinh vật" được kế thừa và phát triển hoàn hảo hơn một bất kỳ một sinh vật nào và bản chất "văn hoá" mà bất kỳ một loài sinh vật nào cũng không thể có. Bản chất sinh vật và văn hoá phát triển song song, biến đổi và tiến hoá theo từng giai đoạn lịch sử và quyết định cả mối tương tác của con người và môi trường.

Những hoạt động của con người, bao gồm cả tư duy, đều là những quá trình sinh lý, sinh hoá diễn ra trong các cơ quan chức năng, đồng thời những hoạt động đó cũng chứa đựng cả bản chất văn hoá (sự lựa chọn thức ăn, đối tượng, mức độ tác động, tập quán...). Văn hóa xã hội và ngôn ngữ, nét đặc trưng của loài người, cũng là thành phẩm của quá trình tiến hoá cao nhất của vật chất hữu cơ mà tiêu biểu là bộ não (Nguyễn Đình Khoa, 1987). Chính vì lẽ đó, con người không chỉ là một thành viên, một bộ phận của sinh quyển mà còn trở thành "chúa tể" của muôn loài, có đầy đủ năng lực và quyền uy chinh phục thiên nhiên, cai quản sinh giới. Tuy nhiên, chúng ta cũng không nên quên rằng con người tồn tại và phát triển được là nhờ vào thiên nhiên, vào sinh giới, những cái đã có lịch sử tiến hoá trước, rất xa so với lịch sử tiến hoá của con người. Nền văn minh của con người và chính cả con người sẽ bị huỷ diệt, nếu sinh giới và thiên nhiên bị con người quá lạm dụng đến mức cạn kiệt và suy tàn.

- Dân số và sự gia tăng dân số.

Báo động đầu tiên về mức mất cân đối giữa sự tăng trưởng dân số và nguồn lương thực của con người được nêu lên bởi nhà kinh tế học người Anh Thomas Robert Malthus (1766 - 1834). Trong luận thuyết của mình, ông cho rằng: dân số khi không được kiểm soát sẽ tăng theo cấp số nhân, còn nguồn sống của con người (tài nguyên) lại tăng theo cấp số cộng, do đó dịch bệnh, nạn đói, chiến tranh...là yếu tố giới hạn và yếu tố điều chỉnh số lượng quần thể người...Thuyết "nhân mãn" của Malthus đã bị các nhà chính trị tiến bộ và các nhà sinh học kịch liệt phản đối. Họ cho rằng sự "bùng nổ dân số" là hiện tượng nhất thời và về mặt tự nhiên, đường cong dân số cũng phải đạt đến tiệm cận (sự tăng trưởng của quần thể sẽ bị giới hạn bởi sức chứa hay khả năng chịu đựng của môi trường). Về bản chất sinh học, con người có rmax thấp, mức tử vong có thể giảm và giảm đến một giới hạn nhất định, nhưng mức sinh sản có thể giảm đến tận cùng, vì thế trong thực tế nhiều quần cư ổn định và có số lượng lớn những hoạt động không sinh sản, đồng thời có khả năng sáng tạo để điều chỉnh mức sinh sản của mình. Từ đó cho thấy rằng để tránh bùng nổ dân số, con người không cần có sự can thiệp của dịch bệnh hay của chiến tranh mà mỗi gia đình, mối quốc gia tự lự chọn lấy những biện pháp để điều chỉnh dân số với điều kiện kinh tế xã hội.

1.1 Sự gia tăng dân số thế giới

Các số liệu thống kê về dân số chỉ mới có được từ năm 1650, nên các ước tính về dân số thế giới và sự biến động của nó ở những thời gian trước đó chỉ dựa trên cơ sở suy luận.

Từ số liệu mật độ dân của các bộ lạc nguyên thuỷ còn sống đến ngày nay thì vào năm 8000 Trước Công Nguyên, dân số thế giới chỉ vào khoảng 5 triệu người. Kể từ đó đến nay, dân số thế giới tăng dần và đến đầu Công Nguyên đã có khoảng 200 - 300 triệu người, năm 1650 khoảng 500 triệu người và tăng gáp đôi lên thành 1 tỷ vào năm 1850, sau đó tăng gấp đôi lần nữa thành 2 tỷ vào khoảng năm 1930. Cần lưu ý rằng, không chỉ dân số gia tăng mà cả "chỉ số gia tăng dân số" cũng tăng. Chỉ số gia tăng dân số là thông qua khoảng thời gian mà sau đó dân số tăng gấp đôi.

Nếu giữ khuynh hướng như hiện tại, sự cân bằng dân số của thế giới sẽ xuất hiện vào năm 2110 với số lượng đạt đến 10,5 tỷ người, tức là gấp 2 lần dân số của năm 1990. Nếu tốc độ sinh giảm nhanh hơn, thì điểm dừng của dân số sẽ đến sớm hơn, vào khoảng nă 2040 với dân số 8 tỷ, vượt dân số năm 1990 là 86% và nếu tốc độ sinh giảm hơn hiện tại thì điểm cân bằng sẽ rơi vào năm 2130 với 14,2 tỷ người, hơn 2 lần dân số hiện nay.

Để chỉ ra xu thế phát triển của dân số, trong dân số học, người ta dùng chỉ số "thời gian dân số tăng gấp đôi". Đây là một trong những chỉ số quan trọng trong dự báo sự phát triển dân số trong tương lai và cũng qua chỉ số này có thể suy luận được thực trạng dân số trong quá khứ.

Kích thước dân số thế giới tăng dần theo lịch sử phát triển của loài người. Từ các số liệu đã có về dân số loài người từ khi xuất hiện đến nay, có thể được nêu ra trong bảng 6.1.

Bảng 6.1. Kích thước dân số ở các giai đoạn và thời gian dân số tăng gấp đôi

Thời gian Dân số

(triệu người) Thời gian tăng gấp đôi

(năm)

8000 trước Công Nguyên

1650 sau Công Nguyên

1850 sau Công Nguyên

1930 sau Công Nguyên

1975 sau Công Nguyên 5

500

1000

2000

4000 1500

200

80

45

≈ 35 - 37

Từ số liệu nêu trên, nếu dân số người là 5 triệu ở thời điểm 8000 năm Trước Công Nguyên (TCN) và đạt đến 500 triệu vào năm 1650 thì trong khoảng thời gian đó, dân số người có 6 - 7 lần thời gian tăng gấp đôi:

Dân số: 5 - 10 - 20 - 40 - 80 - 160 - 320 - 640 (triệu)

Lần gấp đôi: 1 2 3 4 5 6 7

Như vậy, trong thời kỳ đầu tiên, để tăng gấp đôi dân số cần một thời gian trung bình là 1500 năm. Tiếp theo, thời gian này ngày một rút ngắn. Dân số thế giới đạt 4 tỷ được ghi nhận vào năm 1975. Tính theo chỉ số gia tăng dân số vào năm 1970, thời gian tăng gấp đôi dân số lúc đó được tính là 36 năm. Nếu thể hiện sự biến động dân số trên hệ toạ độ thông thường, khó có thể nhận biết rõ "chỉ số gia tăng dân số", nhưng nếu đặt trên trục toạ độ logarit thì trên đồ thị chỉ ra 3 dạng đường cong khác nhau tương ứng với 3 giai đoạn đặc trưng cho lịch sử dân số loài người: Cách mạng văn hoá, Cách mạng nông nghiệp và Cách mạng công nghiệp.

1.2. Nạn nhân mãn

Có thể nêu lên 1 cách khái quát lịch sử gia tăng dân số của loài người như sau:

- Từ khởi thuỷ tới cuộc cách mạng nông nghiệp đến năm 7000 - 5500 trước Công Nguyên.

Tổ tiên loài người xuất hiện cách đây vài triệu năm (Autralopithecus và họ hàng), ước tính có khoảng 125.000 người và tập trung sống ở nơi mà ngày nay gọi là Châu Phi. Ngay từ khi ấy, tổ tiên của chúng ta đã có một nền văn hoá sáng tạo- được gọi là cách mạng văn hoá thời nguyên thuỷ, truyền từ đời trước cho đời sau. Thời kỳ này, văn hoá được truyền bằng miệng từ người già cho người trẻ trong các bộ lạc. Nội dung gồm săn bắt, hái lượm, chế biến thức ăn, quy ước xã hội, cách xác định kẻ thù... Do có một nền văn hoá như vậy nên đã có thể phân biệt loài người và loài vật. Sự tiến hoá loài người gắn liền với sự phát triển của bộ não. Não bộ phát triển vừa là kết quả, vừa là động lực cho sự phát triển văn hoá xã hội tiếp theo.

Sự tiến hoá về văn hoá đã có một số tác động phụ tới sự gia tăng dân số. Dân số thời kỳ này có tỷ lệ sinh khoảng 400/00 - 500/00. Tiến bộ về văn hoá làm giảm ít nhiều tỷ lệ chết. Tỷ lệ chết thấp dưới mức tỷ lệ sinh một ít và tỷ lệ tăng dân số thời kỳ này được tính là 0,0004%

- Giai đoạn cách mạng nông ngiệp (Từ năm 7000 - 5500 trước Công Nguyên đến 1650)

Hậu quả của cuộc cách mạng văn hoá đối với dân số loài người là không đáng kể, nếu đem so sánh với thành quả của cuộc cách mạng nông nghiệp đem lại sau này. Các nghiên cứu khảo cổ cho thấy, nền canh tác nông nghiệp đã xuất hiện vào khoảng năm 7000 - 5500 trước Công Nguyên ở vùng Trung Đông. Đây thực sự là bước ngoặc quyết định đến lịch sử tiến hoá của loài người. Kết quả của nó là tỷ lệ sinh tăng lên trong khi tỷ lệ chết giảm đi do tự túc được lương thực, thực phẩm, nguồn dinh dưỡng phong phú hơn nên tỷ lệ sinh tăng, sau đó là việc sản xuất được thức ăn tại chỗ, cho phép con người định cư tại một nơi. Con người đã có dự trữ thức ăn để dùng lâu dài.

Vào cuối giai đoạn cách mạng nông nghiệp, sự gia tăng dân số không được tiếp diễn liên tục như trước, có lúc tăng, có lúc giảm nhưng nhìn chung vẫn tăng. Nền văn minh loài người lúc tiến triển, lúc tụt hậu, suy thoái, lúc thời tiết thuận lợi, lúc khó khăn mất mùa, rồi bệnh dịch, chiến tranh... tất cả đều là các yếu tố tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến dân số.

- Sự tăng dân số vào giai đoạn tiền công nghiệp (1650 - 1850)

Giữa thế kỷ XVII là một giai đoạn tương đối ổn định và hoà bình sau chế độ phong kiến. Cùng với cuộc cách mạng nông nghiệp ở Châu Âu thì cuộc cách mạng thương mại cũng đang trở thành động lực chính. Hàng loạt cây con nuôi trồng mới đã xuất hiện. Trồng trọt và hăn nuôi phát triển, nạn đói kém bị đẩy lùi, dịch bệnh ít xãy ra. Kết quả là dân số thế giới, đặc biệt là Châu Âu dân số tăng vọt. Dân số Châu Âu và Nga tăng từ 103 triệu lên 144 triệu người. Diện tích đất đai không còn hạn chế, nhiều quốc gia và dân tộc trở nên giàu có, dân số tăng nhanh. Nhờ khai phá Tây Bán Cầu có 2 giống cây trồng mới có sản lượng cao được biết đến là ngô và khoai tây.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, dân số Châu Âu gia tăng rõ ràng thì ở Châu Á tình hình tăng dân số gặp nhiều khó khăn. Trong thời gian từ năm 1650 đến 1750 dân số Châu Á chỉ tăng 50 - 75%. Ở Trung Quốc sau khi nhà Minh sụp đổ (năm 1644) có một thời kỳ hoà bình, cuộc sống thịnh vượng, tỷ lệ chết giảm và 2 cây trồng quan trọng là ngô và khoai tây cũng đã được trồng và kết quả là dân số cũng tăng.

Cùng với Châu Âu, dân số Châu Á tăng 2 lần thì người Châu Âu đã sang lập nghiệp ở Tân thế giới khiến vùng đất của Châu Mỹ ngày một tăng, từ 4 triệu năm 1790 lên 23 triệu vào năm 1850.

Châu Phi không có ghi chép thống kê, ước tính thời gian này số dân vào khoảng 100 triệu người.

- Sự chuyển tiếp (Transition) dân số năm 1850 - 1930.

Các tiến bộ về nông nghiệp, công nghiệp, giao thông rồi đến các tiến bộ về y tế, vệ sinh dịch tễ đã làm cho tỷ lệ chết ở Châu Âu giảm từ 22 - 240/00 dân/ năm xuống còn 18 - 200/00 dân/ năm vào năm 1900.

Đến cuối thế kỷ XIX, xuất hiện một giai đoạn mà tỷ lệ sinh của các nước phương tây giảm theo một khuynh hướng khác, đánh dấu một tiến trình dân số thế giới mới mà ta gọi là sự chuyển tiếp dân số. Sự chuyển tiếp dân số này là sự giảm tỷ lệ sinh kéo theo sự giảm tỷ lệ chết do quá trình công nghiệp hoá. Quá trình chuyển tiếp dân số không chỉ diễn ra ở thành thị mà cả ở nông thôn. Hiện đại hoá sản xuất nông nghiệp làm cho nhu cầu gia đình đông con mất ưu thế, kết quả là tỷ lệ sinh giảm.

- Sự gia tăng dân số của thế giới ở thế kỷ XX.

Quá trình chuyển tiếp dân số ở các nước phương tây tiếp diễn và kéo dài sang cả thế kỷ XX. Mặc dù, tỷ lệ sinh giảm và một số lượng lớn dân di cư sang Châu Mỹ, nhiều nước Châu Âu vẫn có dân số tăng đáng kể.

Tỷ lệ tăng bình quân hàng năm của dân số thế giới là khoảng 0,8%. Từ năm 1850 - 1950 dân số thế giới tăng từ 1 tỷ lên 2,5 tỷ người. Trong khoãng thời gian này dân số Châu Á tăng chưa đến 2 lần, Châu Âu và Châu Phi tăng 2 lần, Bắc Mỹ tăng 6 lần và Nam Mỹ tăng 5 lần.

Sang thế kỷ XX khuynh hướng trên thay đổi dần. Đến những năm 1930 một vài nước ở Châu Âu có tỷ lệ sinh giảm xuống nhanh hơn tỷ lệ chết và làm cho sự gia tăng dân số chững lại. Sau chiến tranh thế giới thứ II, điều kiện sống được cải thiện, tỷ lệ sinh tăng cao hơn tỷ lệ chết nhiều để bù lại những tổn thất về người trong chiến tranh. Tình trạng này kéo dài đến những năm 1960. Sau những năm 40 - 50 do đẩy lùi được dịch bệnh nên tỷ lệ chết giảm đáng kể. Những yếu tố tạo nên sự chuyển tiếp dân số ở các nước phát triển hầu như lại không có được ý nghĩa như ở các nước kém phát triển. ở các nước này tỷ lệ sinh vẫn cao.

Tóm lại, nếu không có biện pháp giảm tỷ lệ tăng dân số thì sang thế kỷ XXI dân số thế giới khó tránh khỏi sự bùng nổ.

1.3. Vấn đề dân số và môi trường ở Việt Nam

1.3.1 Dân số Việt Nam

Các số liệu thống kê dân số Việt Nam thực sự chỉ có sau năm 1979. Trước đó cũng có một vài số liệu có thể dùng để tham khảo: năm 1943 dân số Việt Nam xấp xĩ 21 triệu người, đến năm 1975 là 47,64 triệu người.

Theo kết quả tổng điều tra dân số Việt Nam năm 1989 cho biết, dân số Việt Nam là 64.412.000 người, so với dân số năm 1979 là 52.741.000 người, tức là gia tăng 22% trong 10 năm, với tỷ lệ tăng dân số hàng năm là 2,2%. Tỷ lệ giới tính chung cho cả nước là 94,7 nam trên 100 nữ. Tỷ lệ giới tính của dân số dưới 15 tuổi là 106 nam trên 100 nữ. Việt Nam là nước có cấu trúc dân số trẻ. Dân số từ 15 tuổi trở xuống chiếm 39% tổng dân số. Tỷ lệ gia tăng dân số năm 1990 là 2,29%.

Bảng 6.2. Biến động dân số Việt nam theo thời gian

Năm 1939 1945 1970 1976 1980 1985 1989 1990 1997 2005

Dân số (triệu) 18 25 39 49 54 60 64,4 66,1 76,7 83,5

Qua số liệu ở bảng 6.2 cho thấy dân số Việt Nam đã tăng từ 18 triệu người vào năm 1945 lên 76,7 triệu người vào năm 1997, tức là tăng hơn 4 lần trong vòng gần 60 năm.

Cấu trúc và tháp tuổi dân số Việt Nam theo thành phần tuổi và giới tính năm 2005 được trình bày ở bảng 6.3

Bảng 6.3. Cấu trúc dân số Việt Nam theo thành phần tuổi và giới tính năm 2005 (nguồn: The world factbook)

Lứa tuổi Nam Nữ Tổng số

0-14 12.065.777 11.212.299 23278076

15-64 27.406.456 28.024.250 55430706

>65 1.889.585 2.937.209 4.826.794

Những vùng có tỷ lệ tăng trưởng dân số cao là Tây Nguyên, miền núi và trung du Bắc Bộ, Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Hồng. Mức tăng trưởng dưới 2% gặp ở duyên hải Trung Bộ và đồng bằng sông Cửu Long.

Dân số Việt Nam tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ. Mật độ dân số đã tăng từ 160/km2 vào năm 1979 lên 195 người/km2 vào năm 1989. Mật độ dân số ở các vùng thưa dân như miền núi tăng nhanh do nhập cư từ các miền đến. Dân số thành thị tăng chậm từ 19,2% năm 1979 lên 20,1% năm 1989. Trong vòng 5 năm 1984 - 1989 đã có 4,5% dân số di chuyển nơi sống: trong tỉnh là 2% và ngoài tỉnh là 2,5%. Luồng di chuyển khác tỉnh chủ yếu từ Bắc vào Nam và từ đồng bằng Bắc Bộ và duyên hải miền Trung lên Tây Nguyên. Năm 1989 tỷ lệ dân số chưa có việc làm chiếm 5,8%. Có 71% lao động làm nông nghiệp, 12% lao động làm công nghiệp.

Theo dự báo, dân số Việt Nam sẽ tăng như sau (Bảng 6.4):

Bảng 6.4. Dự báo dân số Việt Nam tăng

Đơn vị: 1000 người

Thời

gian

Chỉ số 2000 2005 2010 2015 2020

Tổng số 81.523 88.071 94.200 99.824 104.722

- Nam 40.598 43.934 47.063 49.917 52.387

- Nữ 40.925 43.934 47.063 49.907 52.335

- Thành thị 22.556 27.017 33.597 40.590 47.817

- Nông thôn 58.003 60.134 59.729 58.410 56.133

(Nguồn: Uỷ Ban Quốc Gia Dân Số - Kế Hoạch Hoá Gia Đình, 1989)

Sự gia tăng dân số đang tạo nên sức ép lớn đối với thiên nhiên, môi trường cũng như đời sống kinh tế xã hội của bất kỳ quốc gia nào hiện tại. Việc kiểm soát sự phát triển dân số là nhiệm vụ hàng đầu trong chiến lược quốc gia đối với sự phát triển một nền kinh tế xã hội bền vững ở nước ta, cũng như đối với các nước đang phát triển khác.

II. Tài nguyên và sự suy thoái tài nguyên

1 Khái niệm và phân loại tài nguyên

1.1 Khái niệm

Theo nghĩa rộng, tài nguyên môi trường bao gồm tất cả các nguồn nguyên liệu, nhiên liệu, năng lượng, thông tin có trên trái đất và trong vũ trụ bao la mà con người có thể sử dụng để phục vụ cho đời sống và sự phát triển của mình. Trong mỗi bối cảnh xã hội nào thì hoạt động kinh tế của con người cũng là quá trình sử dụng năng lượng để biến đổi vật chất từ dạng này sang dạng khác có ích cho cuộc sống. Do vậy, vật chất - mà tài nguyên thiên nhiên là một dạng cụ thể của nó, được con người biến đổi mà không làm biến mất nó trong quá trình hoạt động. Vật chất đề cập ở đây cần phải hiểu cả 2 dạng: hữu hình và vô hình. Có thể nói rằng, tài nguyên là tất cả các dạng vật chất, tri thức, thông tin được con người sử dụng để tạo ra của cải vật chất hay tạo ra giá trị sử dụng mới. Xã hội loài người càng phát triển thì số loại hình tài nguyên và số lượng mỗi loại tài nguyên được con người sử dụng, khai thác ngày càng gia tăng.

1.2. Phân loại tài nguyên

Tài nguyên có thể chia làm hai loại lớn: tài nguyên thiên nhiên và tài nguyên xã hội. Tài nguyên xã hội là một dạng tài nguyên đặc biệt của trái đất, thể hiện bởi sức lao động chân tay và trí óc, khả năng tổ chức và chế độ xã hội, tập quán, tín ngưỡng của các cộng đồng người.

Trong Khoa học môi trường, tài nguyên thiên nhiên được chia thành ba loại (hình 15):

- Tài nguyên tái tạo: Tài nguyên tái tạo là tài nguyên có thể tự duy trì hoặc tự bổ sung một cách liên tục nếu được quản lý, sử dụng một cách hợp lý và khôn ngoan.

Tài nguyên thiên nhiên tái tạo được có thể kể ra như: Tài nguyên sinh học, tài nguyên năng lượng mặt trời, nước, gió, đất canh tác...

- Tài nguyên không tái tạo: Tồn tại một cách hữu hạn và sẽ mất đi hoặc hoàn toàn bị biến đổi không còn giữ được tính chất ban đầu sau quá trình sử dụng. Các khoáng sản, nhiên liệu hoá thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt...), các thông tin di truyền bị mai một không giữ lại được là những nguồn tài nguyên thiên nhiên không tái tạo được.

- Tài nguyên vĩnh cửu: loại tài nguyên có liên quan trực tiếp hay gián tiếp đến năng lượng mặt trời. Có thể xem năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên vô tận, chúng ta có thể phân ra:

+ Năng lượng trực tiếp: là nguồn năng lượng chiếu sáng trực tiếp, giá trị định lượng có thể tính được

+ Năng lượng gián tiếp: là những dạng năng lượng gián tiếp của bức xạ mặt trời bao gồm: gió, sóng biển, thuỷ triều,...

Theo bản chất tự nhiên, tài nguyên còn được phân loại như: Tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, tài nguyên biển,...

2. Sự suy thoái tài nguyên

Trong quá trình lịch sử, loài người sử dụng tài nguyên môi trường để phục vụ cho nhu cầu tồn tại và phát triển đời sống của mình, chúng ta biết rằng các nguồn tài nguyên nhất là tài nguyên thiên nhiên đều có hạn trong khi đó việc sử dụng tài nguyên của con người có thể nói là vô hạn, chính vì thế đã đưa đến những hậu quả rất nặng nề do khai thác các dạng tài nguyên, làm suy giảm đa dạng sinh học, huỷ hoại và gây ô nhiễm môi trường sống.

- Ảnh hưởng của dân số đến tài nguyên: Dân số tăng thì nhu cầu sử dụng tài nguyên tăng lên do sự phát triển của xã hội, kinh tế và kỹ thuật. Nhưng chỉ có một số tài nguyên được sử dụng và điều này gây mất cân bằng trong tự nhiên.

- Ảnh hưởng của dân số đến sự ô nhiễm: Sự tăng dân số tác động đến quá trình ô nhiễm do chất thải công nghiệp, quá trình sinh hoạt và làm giảm chất lượng môi trường sống. Lượng tài nguyên sử dụng càng nhiều thì lượng chất thải ô nhiễm càng lớn.

- Ảnh hưởng của tài nguyên đến dân số:

+ Ảnh hưởng tích cực vì do phát hiện và đưa vào sử dụng các loại nhiên liệu mới (dầu hoả, than đá, khí đốt làm tăng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, kinh tế, xã hội cũng như cải thiện điều kiện sống, làm tăng tỷ lệ sinh, tăng dân số và thêm vào đó, giúp cho con người có thể sống ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt.

+ Ảnh hưởng tiêu cực vì tăng dân số sẽ phải sử dụng quá nhiều tài nguyên.

- Ảnh hưởng của tài nguyên đến sự ô nhiễm: Khối lượng tài nguyên và trình độ kỹ thuật có thể làm thay đổi lượng chất ô nhiễm thải ra (do chất thải tham gia vào các chu trình trong tự nhiên và các quá trình sinh học).

- Ảnh hưởng của ô nhiễm đến dân số: Sự ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến xã hội, kinh tế, dến sự gia tăng dân số do có thể gia tăng tỷ lệ bệnh và tỷ lệ tử vong. Nó làm thay đổi cách suy nghĩ, cư xử của con người đối với môi trường cũng như thay đổi luật pháp và thúc đẩy tìm ra nguồn tài nguyên và kỹ thuật mới.

- Ảnh hưởng của sự ô nhiễm đến tài nguyên: Lượng chất ô nhiễm có trong không khí có thể phá huỷ các yếu tố tự nhiên khác. Do đó, cần ban hành các luật mới nhằm làm giảm việc khai thác cạn kiệt một số tài nguyên, thúc đẩy tìm ra các phương pháp kỹ thuật và nguồn tài nguyên mới.

Trong khuôn khổ của giáo trình, chúng tôi xin sơ lược sự suy giảm một số tài nguyên ở trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay.

2.1. Sự suy thoái tài nguyên đất

2.1.1. Trên thế giới, đất không bị phủ băng có diện tích là 13.251 triệu ha, chiếm 91,53% tổng diện tích lục địa, trong đó chỉ có 1500 triệu ha (11%) dùng để trồng trọt, 24% diện tích đất được dùng làm đồng cỏ chăn nuôi, 32% là rừng và đất rừng, 32% diện tích đất còn lại được sử dụng với các mục đích khác nhau (Theo UNEP, 1987). Hiện nay, theo đánh giá của FAO trong diện tích đất trồng trọt thì đất cho năng suất cao chiếm 14%, đất cho năng suất trung bình chiếm 28% và đất cho năng suất thấp chiếm 58%. Trong tương lai, có thể khai phá và đưa vào sử dụng nông nghiệp khoảng 15 - 20%, tối đa khoảng 3200 triệu ha, gấp hơn hai lần diện tích đất đang sử dụng hiện nay. Nhưng rõ ràng, trên phạm vi toàn thế giới đất tốt thì ít, đất xấu thì nhiều và quỹ đất ngày càng bị thoái hoá.

Nguyên nhân gây ra sự tổn thất và suy thoái đất rất đa dạng, trước hết phải kể đến là sự mất rừng hoặc khai thác rừng đến cạn kiệt (gây xói mòn, làm đá ong hoá, làm mất nước, sạt lở...) đã đóng góp tới 37%, chăn thả quá mức (làm chặt đất, giảm độ che phủ của cây cỏ) 34%, hoạt động nông nghiệp (mặn hoá thứ sinh do tưới tiêu không hợp lý; dùng quá nhiều phân bón hoặc hoàn toàn không dùng phân bón làm xói mòn đất; ô nhiễm đất do phân bón, các hợp chất bảo vệ thực vật và ô nhiễm sinh học) 28% và hoạt động công nghiệp (sử dụng đất làm bãi thải gây ô nhiễm môi trường đất...) 1%

2.1.2. Ở Việt Nam: Việt Nam có diện tích tự nhiên gần 33 triệu ha, trong đó diện tích đang sử dụng là 22.226.830 ha, chiếm 68,83% tổng quỷ đất. Còn 10.667.577 ha đất chưa sử dụng, chiếm 33,04% diện tích đất tự nhiên. Đất nông nghiệp ít, chỉ có 8,146 triệu ha, chiếm 26,1% diện tích tự nhiên (Tổng cục Địa chính, 1999).

Với đặc điểm đất đồi núi chiếm 3/4 toàn lãnh thổ lại nằm trong vùng nhiệt đới, mưa nhiều và tập trung, nhiệt độ không khí cao, các quá trình khoáng hoá diễn ra rất mạnh trong đất nên dễ bị rữa trôi, xói mòn, nghèo chất hữu cơ và chất dinh dưỡng dẫn đến thoái hoá đất. Đất đã bị thoái hoá rất khó có thể khôi phục lại trạng thái màu mỡ ban đầu. Nguyên nhân của quá trình thoái hoá đất có thể là:

- Quá trình rửa trôi và xói mòn đất: Đây là quá trình phổ biến vì 3/4 diện tích đất tự nhiên là đồi núi, có độ dốc cao, lượng mưa lớn lại tập trung 4 - 5 tháng trong mùa mưa, chiếm tới 80% tổng lượng mưa năm. Ngoài ra, quá trình xói mòn, rửa trôi gia tăng do hoạt động của con người mà đặc trưng là: mất rừng, đốt nương làm rẫy và canh tác không hợp lý trên đất dốc.

- Quá trình hoang mạc hoá: Theo định nghĩa của FAO thì hoang mạc hoá là quá trình tự nhiên và xã hội phá vỡ cân bằng sinh thái của đất, thảm thực vật, không khí và nước ở các vùng khô hạn và bán ẩm ướt... Quá trình này xãy ra liên tục, qua nhiều giai đoạn, dẫn đến giảm sút hoặc huỷ hoại hoàn toàn khả năng dinh dưỡng của đất trồng, giảm thiểu các điều kiện sinh sống và làm gia tăng sinh cảnh hoang tàn". Chỉ tiêu quan trọng nhất để xác định độ hoang mạc hoá là tỷ lệ lượng mưa hàng năm so với lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng trong giới hạn từ 0,05 - 0,65 (Công ước chống sa mạc hoá). Hiện nay hiện tượng hoang mạc hoá thể hiện rõ nhất trên đất trống đồi núi trọc, không còn lớp phủ thực vật, địa hình dốc, chia cắt mạnh, nơi có lượng mưa thấp (700 - 1500mm/năm), lượng bốc hơi tiềm năng đạt 1000 - 1800mm/năm (Ninh Thuận, Bình Thuận, Cheo Reo, Sông Mã, Yên Châu). Ở Việt Nam, do hậu quả của việc phá rừng, đốt rừng bừa bãi, sử dụng đất không bền vững qua nhiều thế hệ (du canh, du cư, độc canh, quãng canh...) nên đất bị thoái hoá nghiêm trọng, nhiều nơi mất khả năng sản xuất và khả năng hoang mạc hoá ngày càng phát triển.

2.2.2. Suy thoái tài nguyên nước

Nước là yếu tố chủ đạo của hệ sinh thái, là nhu cầu cơ bản của mọi sự sống trên trái đất và cần thiết cho mọi hoạt động kinh tế - xã hội của loài người. Nước là tài nguyên tái tạo được, sau một thời gian nhất định được dùng lại. Tài nguyên nước bao gồm nước trong khí quyển, nước mặt, nước dưới đất (nước ngầm), nước biển và đại dương. Hàng năm lượng nước mưa (nguồn cung cấp nước ngọt chủ yếu) chiếm khoảng 105.000km3, trong đó 2/3 lượng nước quay lại khí quyển do bốc hơi bề mặt và sự thoát hơi nước của thực vật, 1/3 lượng nước còn lại là dòng chảy bề mặt và nước ngầm đổ theo sông suối chảy ra biển. Nếu 35.000km3 nước mỗi năm là nguồn cung cấp nước tiềm tàng cho con người, thì với dân số hiện tại, bình quân có chừng 18 lít nước ngày, quá thừa cho nhu cầu sinh lý (2 lít/người/ngày). Song thực tế không phải như vậy, trung bình mỗi người cần đến 250lít nước/ ngày. Ở các nước công nghiệp cần gấp 6 lần giá trị trên, còn ở các nước nông nghiệp, nhất là những nơi khô nóng thì lượng nước sử dụng còn lớn hơn.

Người ta tính rằng, trên phạm vi toàn cầu nước dùng cho sinh hoạt chiếm 6% tổng số, cho công nghiệp 21%, số còn lại dành cho nông nghiệp. Ngoài lượng nước bề mặt, việc khai thác nước ngầm đã trở thành cứu cánh cho sự thiếu hụt nước, Hiên tại, lượng nước ngầm được khai thác trên toàn cầu đã vượt 35 lần so với 30 năm trước. Nạn thiếu hụt nước còn xảy ra do suy thoái rừng và mất rừng, do nước (nước mặt và nước ngầm) và đất bị ô nhiễm.

Tại Việt Nam hội thảo quốc gia về nước thế kỷ XXI, tầm nhìn và hành động tới 2005 tại Hà Nội đã thông qua tầm nhìn về nước là: Sử dụng tổng hợp, bảo vệ tài nguyên nước vững bền và phòng chống có hiệu quả các tác hại về nước.

Khái niệm an ninh về nước của thế giới được hiểu là:

- Nước ngọt và hệ sinh thái được cải thiện

- Ủng hộ sự phát triển bền vững và ổn định chính trị

- Ai cũng có nước sạch để dùng với giá cả hợp lý, đảm bảo sức khoẻ và năng lực sản xuất

- Con người được bảo vệ khỏi các nguy hiểm do nước gây ra

Ở Việt Nam, tài nguyên nước rất phong phú và dồi dào, đặc biệt tiềm năng nước ngọt còn rất lớn, lượng nước trung bình đầu người đạt 17.000km3/năm, cao gần gấp 3 lần hệ số đảm bảo nước trung bình trên thế giới. Cùng với nước mặt, trữ lượng nước ngầm khá cao, theo E. K. Alan (1998) thì tổng số trữ lượng động tự nhiên nước dưới đất toàn lãnh thổ chưa kể phần hải đảo là 1513,45 m3/s nhưng phân bố không đều trong các vùng địa chất thủy văn. Hiện nay, nhịp điệu khai thác nước ngầm khoảng 10 triệu m3/ ngày. Nhìn chung, chất lượng nước bề mặt và nước ngầm còn tốt, thỏa mản được các nhu cầu kinh tế xã hội, hệ thông sông ngòi Việt Nam có khả năng cung cấp ổn định cho các ngành một lượng nước khoảng 100 - 150 km3/năm. Nạn ô nhiễm nước do hoạt động con người còn mang tính chất cục bộ, chỉ xuất hiện ở một vài địa phương. Khó khăn hiện nay trên con đường phát triển là phần lớn người dân chưa được dùng nước sạch và còn phải đối mặt với nạn lụt lội và hạn hán xảy ra hàng năm. Theo Trần Hiếu Nhuệ (2000), ở nước ta hiện nay có khoảng 621 đô thị lớn nhỏ, trong đó có 78 đô thị có số dân từ 15.000 người trở lên, chiếm tổng số khoảng 12 triệu người hay 80% tổng số dân đô thị. Số đô thị còn lại thuộc đô thị nhỏ. Hiện nay, chỉ gần 1/2 dân số đô thị được cấp nước, tiêu chuẩn cấp nước mới đạt 50 - 60 lít/người/ngày, tổng lượng nước cấp cho các đô thị đạt công suất 2,6 triệu m3/ngày, trong đó 2/3 từ nguồn nước mặt và 1/3 từ nước dưới đất. Riêng ở nông thôn mới đảm bảo cấp được "nước sạch" cho 32% dân số ở nông thôn. Trong đó sử dụng nước giếng khoan, giếng đào, nước từ sông ngòi không qua xử lý khoảng 28%, nước mưa 10% còn lại là các nguồn khác.

2.2.3. Suy thoái tài nguyên khoáng sản

Khoáng sản được phát sinh từ trong lòng đất và chứa trong vỏ trái đất, trên bề mặt, đáy biển và hòa tan trong nước đại dương. Khoáng sản rất đa dạng về nguồn gốc và chủng loại, được chia thành 2 nhóm chính.

- Khoáng sản kim loại: gồm các kim loại thường gặp và có trữ lượng lớn (nhôm, sắt, mangan, titan, magiê...) và kim loại hiếm (đồng, chì, kẽm, thiếc, vàng, bạc, bạch kim, thủy ngân, molipđen...)

- Khoáng sản phi kim loại gồm các quặng (phốt phat, sunphat, clorit, sodium...), các nguyên liệu dạng khoáng (cát, sỏi, thạch anh, đá vôi...) và dạng nhiên liệu hóa thạch (than dá, dầu mỏ, khí đốt...). Nước cũng được xem là dạng khoáng (nước ngầm, nước biển chứa khoáng).

Người ta đánh giá rằng, trữ lượng sắt, nhôm, titan, crôm, magiê, vanadi...còn khá lớn, chưa có nguy cơ cạn kiệt; trữ lượng bạc, đồng, bismut, thủy ngân, amian, chì, kẽm, thiếc, molipden...không lớn và đang ở mức báo động, còn trữ lượng barit, fluorit, graphit, gecmani, mica...còn rất nhỏ và có nguy cơ cạn kiệt hoàn toàn.

Hiện nay, để giải quyết nhu cầu sử dụng khoáng sản người ta đã tiến hành khai khoáng ở biển, một phần là do ở lục địa 1 số loại khoáng không có hoặc trở nên hiếm (iot, brôm, dầu mỏ, khí đốt...), phần khác, người ta đã khai thác khoáng dưới các dạng "đa kim"; một số khoáng có hàm lượng tập trung cao (mangan, sắt, niken, côban, đồng và các nguyên tố phóng xạ). Chỉ tính riêng dầu mỏ và khí đốt, ở trên thế giới đã có đến hơn 400 điểm và có trữ lượng 1400 tỷ tấn đã được phát hiện.

Nước ta nằm trên bản lề của vành đai kiến tạo và sinh khoáng cở lớn của thế giới: Thái Bình Dương và Địa Trung Hải. Do vậy, khoáng sản nước ta khá phong phú về chủng loại, đa dạng về nguồn gốc. Hiện nay chúng ta đã biết có hơn 3500 mỏ và điểm quặng của 80 loại khoáng sản, trong đó hơn 32 loại và trên 270 mỏ đã được đưa vào khai thác hoặc thiết kế khai thác. Những khoáng có trữ lượng lớn là đá vôi, apatit, cao lanh, than, trong đó than được đánh giá khoãng 3 tỷ tấn, bôxít vài tỷ tấn, thiếc hàng chục ngàn tấn. Sắt có trữ lượng khá lớn có thể đến hàng trăm triệu tấn. những khoáng vật quý như vàng, đá quý, đá ngọc, kẽm, ăngtimoan, các nguyên tố phóng xạ... cũng rất có triển vọng.

Dầu mỏ và khí đốt tập trung ở đồng bằng ven biển và thềm lục địa, trữ lượng được đánh giá vào khoảng 1500 triệu tấn.

Trong điều kiện kinh tế còn thấp, kỹ thuật còn lạc hậu, công nghiệp mỏ nước ta không chỉ gây sự lãng phí về tài nguyên, mà còn hủy hoại môi trường một cách nghiêm trọng. Chẳng hạn như khu mỏ Quảng Ninh, trong hơn 100 năm qua đã khai thác hơn khoảng 200 triệu tấn than, ngoài việc triệt hạ gần như hầu hết rừng tự nhiên trên đó, các mỏ còn thải ra khoảng hơn 1.600 triệu tấn đất đá, tạo nên những "núi" chất thải cao hàng trăm mét, những bãi thải rộng hàng nghìn ha. Mặt đất bị đào bới nham nhở; các sông suối bị bồi lấp; tắc nghẽn; bãi triều bị xâm lấn; rừng ngập mặn bị tàn lụi; nước bị ô nhiễm bởi cám than; nhiều loài động vật trên cạn và dưới nước vốn có trong vùng cũng được thay thế bằng những loài khác hoặc biến mất (Vũ Trung Tạng, 1998).

2.2.4. Tài nguyên sinh vật và rừng - sự suy thoái của chúng

2.2.4.1. Tài nguyên rừng và nguyên nhân suy thoái rừng trên thế giới

Tài nguyên sinh vật là nguồn sống chính của loài người, nền tảng của mọi nền văn minh trong lịch sử phát triển của nhân loại. Tài nguyên sinh vật có giá trị cho cuộc sống của con người là rừng và các động vật hoang dã sống trong rừng, là các nguồn lợi thủy sản chứa trong các sông, hồ, đồng ruộng, đặc biệt tiềm tàng trong các biển và đại dương.

Rừng là yếu tố quan trọng nhất của sinh quyển và có ý nghĩa lớn trong sự phát triển kinh tế xã hội, sinh thái và môi trường. Trên thực tế rừng đã có lịch sử phát triển lâu dài nhưng những hiểu biết về rừng chỉ mới thực sự có được từ thế kỷ thứ XIX. Theo quan điểm học thuyết sinh thái học, rừng được xem là hệ sinh thái điển hình trong sinh quyển (Tansley, 1935; Vili, 1957; Odum, 1966). Rừng là sự thống nhất trong mối quan hệ biện chứng giữa sinh vật - trong đó thực vật với các loài cây gỗ giữ vai trò chủ đạo, đất và môi trường. Rừng là dạng đặc trưng và tiêu biểu nhất của tất cả các hệ sinh thái trên cạn, đồng thời cũng là đối tượng tác động sớm nhất và mạnh nhất của con người.

Việc hình thành các kiểu rừng có liên quan chặt chẽ giữa sự hình thành các thảm thực vật tự nhiên với vùng địa lý và điều kiện khí hậu. Trong mỗi kiểu rừng được hình thành thì khí hậu, đất đai và độ ẩm sẽ xác định thành phần cấu trúc và tiềm năng phát triển của thảm thực vật rừng.. Các kiểu thảm thực vật rừng quan trọng trên thế giới là:

Rừng lá kim (rừng Taiga) vùng ôn đới có thành phần khá đồng nhất, phân bố chủ yếu ở Bắc Mỹ, Châu Âu, Bắc Trung Quốc và một số vùng núi cao nhiệt đới. Kiểu rừng này có năng suất thấp hơn vùng nhiệt đới,

Rừng rụng lá ôn đới phân bố ở vùng thấp hơn và gần vùng nhiệt đới hơn, chủ yếu ở Đông Bắc Mỹ, Nam Mỹ, Châu Âu, một phần Trung Quốc, Nhật Bản, Australia.

Rừng mưa nhiệt đới có độ Đa dạng sinh học cao nhất. Phân bố chủ yếu ở vùng xích đạo thuộc lưu vực sông Amazone (Nam Mỹ), sông Congo (Châu Phi), Ấn Độ, Malaysia. Trong đó dãi rừng Ấn Độ - Malaysia có sự đa dạng sinh học trên một đơn vị diện tích là cao nhất, có tới 2.500 - 10.000 loài thực vật trong một khu vực hẹp và có tới 7 tầng cây với các loài cây quý như lim (Erythrophleum sp), gụ (Sindora sp), chò chỉ (Shorea chinensis), lát (Chukrasia sp). Do có sự biến đổi phức tạp về chế độ mưa, gió mùa và nhiệt độ, rừng nhiệt đới thường rất phức tạp cả về thành phần loài và cấu trúc của rừng.

Dựa vào chức năng cơ bản mà thực chất là dựa vào tính chất và mục đích sử dụng, rừng được chia thành 3 loại chính như sau:

+ Rừng phòng hộ được sử dụng cho mục đích bảo vệ nguồn nước, bảo vệ đất, chống xói mòn, hạn chế thiên tai, điều hòa khí hậu, bảo vệ môi trường. Rừng phòng hộ lại được chia thành 3 loại là rừng phòng hộ đầu nguồn, rừng phòng hộ chống cát bay, rừng phòng hộ chắn sóng ven biển.

+ Rừng đặc dụng được sử dụng cho các mục đích đặc biệt như bảo tồn thiên nhiên, mẫu chuẩn hệ sinh thái, bảo tồn nguồn gen động thực vật rừng, phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, bảo vệ di tích lịch sử, văn hóa và danh lam thắng cảnh cho nghỉ ngơi du lịch. Rừng đặc dụng bao gồm các vườn quốc gia, các khu bảo tồn thiên nhiên, các khu văn hóa - lịch sử và môi trường.

+ Rừng sản xuất bao gồm các loại rừng sử dụng để sản xuất kinh doanh gỗ, lâm đặc sản rừng, động vật rừng và kết hợp bảo vệ môi trường.

Sự suy giảm diện tích rừng và suy thoái rừng. Theo tài liệu mới công bố của Quỹ bảo vệ động vật hoang dã (WWF, 1998), trong thời gian 30 năm (1960 - 1990) độ che phủ rừng trên toàn thế giới đã giảm đi gần 13%, tức diện tích rừng đã giảm đi từ 37 triệu km2 xuống 32 triệu km2, với tốc độ giảm trung bình 160.000km2/năm. Sự mất rừng lớn nhất xãy ra ở các vùng nhiệt đới, ở Amazone (Braxin) trung bình mỗi năm rừng bị thu hẹp 19.000km2 trong suốt hơn 20 năm qua. Bốn loại rừng bị hủy diệt khá lớn là rừng hỗn hợp và rừng ôn đới lá rộng 60%, rừng lá kim khoảng 30%, rừng ẩm nhiệt đới khoảng 45% và rừng khô nhiệt đới lên đến khoảng 70%. Châu Á là nơi mất rừng nguyên sinh lớn nhất, khoảng 70%. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến làm mất rừng trên thế giới, tập trung chủ yếu vào các nhóm nguyên nhân sau đây:

- Mở rộng diện tích đất nông nghiệp để đáp ứng nhu cầu sản xuất lương thực, trong đó những người sản xuất nhỏ du canh là nguyên nhân quan trọng nhất. Rowe (1992) cho rằng, có đến 60% rừng nhiệt đới bị chặt phá hàng năm là do nguyên nhân này. Hiện nay mở rộng diện tích nông nghiệp ở Châu Á và Châu Phi đang xãy ra với tốc độ mạnh hơn so với Châu Mỹ La Tinh.

- Nhu cầu lấy củi: Chặt phá rừng cho nhu cầu lấy củi đốt cũng là nguyên nhân quan trọng làm cạn kiệt tài nguyên rừng ở nhiều vùng. Lượng gỗ sử dụng làm chất đốt trên thế giới đã tăng từ 600 triệu m3 vào năm 1963 lên 1.300 triệu m3 vào năm 1983. Hiện nay vẫn còn khoảng 1,5 tỷ người chủ yếu dựa vào nguồn gỗ củi cho nấu ăn. Riêng ở Châu Phi đã có 180 triệu người thiếu củi đun.

- Chăn thả gia súc: Sự chăn thả trâu bò và các gia súc khác đòi hỏi phải mở rộng các đồng cỏ cũng là nguyên nhân làm giảm diện tích rừng. Ở Châu Mỹ La Tinh, có khoảng 35% rừng bị chặt phá do những người sản xuất nông nghiệp nhỏ. Phần còn lại do chăn thả súc vật. Riêng ở Nam Mỹ việc mở rộng diện tích đồng cỏ với tốc độ 20 nghìn km2/năm trong giai đoạn 1950 - 1980. Còn ở Braxin, khoảng 3/4 diện tích rừng bị phá hủy ở vùng Amazone đến 1980 có liên quan trực tiếp đến việc nuôi bò.

- Khai thác gỗ và các sản phẩm rừng: Việc đẩy mạnh khai thác gỗ cũng như các tài nguyên rừng khác cho phát triển kinh tế và xuất khẩu cũng là nguyên nhân dẫn đến làm tăng tốc độ phá rừng ở nhiều nước. Hiện nay việc buôn bán gỗ xãy ra mạnh mẽ ở vùng Đông Nam Á, chiếm đến gần 50% lượng gỗ buôn bán trên thế giới. Ví dụ, ở Malaisia rừng nguyên sinh che phủ gần như toàn bộ đất nước vào năm 1990, đến năm 1960 đã có trên 1/2 diện tích rừng bị khai thác gỗ cho xuất khẩu. Còn ở Philippine, đến năm 1980 rừng đã bị phá hủy khoảng 2/3 diện tích, trong đó khai thác gỗ cho xuất khẩu chiếm một phần lớn.

- Phá rừng để trồng cây công nghiệp và cây đặc sản; nhiều diện tích rừng trên thế giới đã bị chặt phá lấy đất trồng cây công nghiệp và các cây đặc sản phục vụ cho kinh doanh. Mục đích là để thu được lợi nhuận cao mà không quan tâm đến lĩnh vực môi trường. Ở Thái Lan, một diện tích lớn rừng đã bị chặt phá để trồng sắn xuất khẩu, hoặc trồng côca để sản xuất sôcôla. Ở Pêru, nhân dân phá rừng để trồng côca; diện tích trồng côca ước tính chiếm 1/10 diện tích rừng của Pêru. Các cây công nghiệp như cao su, cọ dầu cũng đã thay thế nhiều vùng rừng nguyên sinh ở các vùng đồi thấp của Malaisia và nhiều nước khác.

- Cháy rừng: Cháy rừng là nguyên nhân khá phổ biến ở các nước trên thế giớI và có khả năng làm mất rừng một cách nhanh chóng. Ví dụ, năm 1977 đã xảy ra cháy rừng ở nhiều nước thuộc Châu Âu, Châu Á và Châu Mỹ. Chỉ tính riêng ở Indonesia trong một đợt cháy rừng (năm 1977) đã thiêu hủy gần 1 triệu ha rừng. Còn ở Mỹ, trong năm 2000 đã có 2,16 triệu ha rừng bị cháy.

Ngoài ra còn có nhiều nguyên nhân khác cũng trực tiếp hoặc gián tiếplàm tăng quá trình phá rừng trên thế giới. Đó là các chính sách quản lý rừng, chính sáh đất đai, chính sách về di cư, định cư và các chính sách kinh tế xã hội khác. Các dự án phát triển kinh tế xã hội như xây dựng đường giao thông, các công trình thủy điện, các khu dân cư hoặc khu công nghiệp cũng làm gia tăng đáng kể tốc độ mất rừng ở nhiều nơi trên thế giới.

2.2.4.2. Tài nguyên rừng và nguyên nhân suy thoái rừng ở Việt Nam

Năm 1943, diện tích rừng Việt Nam ước tính có khoảng 14,3 triệu ha (Maurand, 1943), vớI tỷ lệ che phủ là 43,8%; trên mức an toàn sinh thái là 33%. Năm 1976 giảm xuống còn 11 triệu ha vớI tỷ lệ che phủ còn 34%. Năm 1985 còn 9,3 triệu ha và tỷ lệ che phủ là 30%. Năm 1995 còn 8 triệu ha và tỷ lệ che phủ là 28%. Năm 1999 cả nước có 10,88 triệu ha rừng và độ che phủ là 33% (Jyrki và cộng sự, 1999). Diện tích rừng bình quân cho 1 người là 0,13 ha (1995), thấp hơn mức trung bình ở Đông Nam Á (0,42%).

Trong thời kỳ 1945 - 1975 cả nước mất khoảng 3 triệu ha rừng, bình quân 100.000 ha năm. Quá trình mất rừng diễn ra nhanh hơn ở giai đoạn 1975 - 1990: Mất 2,8 triệu ha, bình quân 140.000 ha/ năm. Nguyên nhân chính làm mất rừng trong giai đoạn này là do dân số tăng nhanh, nạn đốt nương làm rẫy tràn lan, quá trình khai hoang lấy đất trồng các cây công nghiệp như cà phê, chè, cao su và khai thác gỗ xuất khẩu. Tuy nhiên từ những năm 1990 - 1995, do công tác trồng rừng được đẩy mạnh đã phần nào làm cho diện tích rừng tăng lên.

Về chất lượng, trước năm 1945 rừng nước ta có trữ lượng gỗ vào khoảng 200 - 300m3/ha, trong đó các loài gỗ quí như đinh, lim, sến, táu, nghiến, trai, gụ là rất phổ biến. Những cây gỗ có đường kính 40 - 50cm chiếm tới 40 - 50% trữ lượng của rừng. Rừng tre nứa với những cây tre có đường kính 18 - 20cm, nứa 4 - 6cm và vầu 8 - 12cm rất phổ biến (Hoàng Hòe, 1998). Hiện nay chất lượng rừng đã giảm sút đáng kể, chỉ còn chủ yếu là rừng nghèo có giá trị kinh tế không cao. Trữ lượng gỗ rừng năm 1993 ước tính khoảng 525 triệu m3 (trung bình 76 m3/ha). Tốc độ tăng trưởng trung bình của rừng Việt Nam hiện nay là 1 - 3m3/ha/năm, đối với rừng trồng có thể đạt 5 - 10 m3/ha/năm (Castren, 1999).

Ngoài tài nguyên gỗ, rừng Việt Nam cũng rất giàu có về các loài tre nứa (khoảng 40 loài có ý nghĩa thương mại và khoảng 4 tỷ cây tre nứa); Song mây có khoảng 400 loài ; hàng năm khai thác khoảng 50.000 tấn..

Trong rừng Việt Nam cũng phong phú về các loài dược liệu, hiện đã biết được 3800 loài (Viện Dược liệu, 2002), trong đó có nhiều loài đã được biết và khai thác phục vụ cho việc chế biến thuốc. Nhiều loài cây cho chất thơm, tanin, tinh dầu và dầu béo. Ngoài ra, rừng còn cung cấp nhiều loại sản phẩm quý khác như cánh kiến, nấm, mật ong, hoa lan, thịt thú rừng.

Hiện nay, có rất nhiều loài thực vật quý hiếm có nguy cơ bị tuyệt chủng cần được bảo vệ như: cẩm lai (Dalbergia bariaensis), trầm hương (Aquilaria crassna) sam bông (Amentotaya argotenia), thông tre (Podocarpus neriifolius), gõ đỏ (Afzelia xylocarpa), trắc (Dalbergia cochinchinensis), giao xẻ tua (Sterospermum ferebriatum), gạo bông len (Bombax insigne).

Các loài động vật quý hiếm như: báo gấm (Neophelis nebulosa), voọc quần đùi trắng (Trachipythecus francoisi delaconri), gà lôi hồng tía (Lophura diardi), trĩ sao (Rheinartia ocellata), chồn bạc má (Megogale personata geeoffrory), cu li lớn (Nycticebus coucang boddaert), bò tót (Bos gaurus), cà tong (Cervus eldi), hổ (Panthera tigris).

Những nguyên nhân chính làm suy thoái rừng ở Việt Nam

Có thể nêu ra các nguyên nhân chính gây nên sự mất rừng và làm suy thoái rừng ở nước ta là:

- Đốt nương làm rẫy; sống du canh du cư; trong tổng số diện tích rừng bị mất hàng năm thì khoảng 40 - 50% là do đốt nương làm rẫy. Ở Đắc Lắc trong thời gian từ 1991 - 1996 mất trung bình 3.000 - 3.500 ha rừng/ năm, trong đó trên 1/2 diện tích rừng bị mất do làm nương rẫy.

- Chuyển đất có rừng sang đất sản xuất các cây kinh doanh, đặc biệt là phá rừng để trồng các cây công nghiệp như cà phê ở Tây Nguyên chiếm 40 - 50% diện tích rừng bị mất trong khu vực.

- Khai thác quá mức vượt khả năng phục hồi tự nhiên của rừng.

- Do ảnh hưởng của bom đạn và các chất độc hóa học trong chiến tranh, riêng ở miền Nam đã phá hủy khoảng 2 triệu ha rừng tự nhiên.

- Do khai thác không có kế hoạch, kỹ thuật khai thác lạc hậu làm lãng phí tài nguyên rừng.

- Do cháy rừng, nhất là các rừng tràm, rừng thông, rừng khộp rụng lá.

2.2.5. Sự suy giảm các hệ sinh thái ở nước và nguồn lợi thủy sản

Các hệ sinh thái nước ngọt rất đa dạng về loại hình, về thành phần sự sống phân bố trong đó và về cấu trúc chức năng sinh thái cũng như giá trị của chúng đối với thiên nhiên và con người. Chúng là những bộ phận cùng với vùng nước biển ven bờ đến độ sâu 6m, cấu trúc nên đất ngập nước của toàn thế giới. Tổng diện tích đất ngập nước vào khoảng 8,558 km2, chiếm 6,4% tổng diện tích lục địa.

Đất ngập nước có những chức năng sinh thái quan trọng trong việc điều tiết nước ngầm, khống chế lũ lụt và ổn định đường bờ, thanh lọc cặn vẫn nhưng duy trì chất dinh dưỡng, xuất khẩu sinh khối... Do vậy, đất ngập nước chứa đựng những sản phẩm có giá trị như tài nguyên rừng, động vật hoang dã và chăn nuôi, tài nguyên nước và nông nghiệp. Các hệ sinh thái đất ngập nước duy trì mức đa dạng sinh học cao, đồng thời còn là những cảnh quan văn hóa độc đáo.

Hoạt động của con người trong quá trình phát triển đã gây ra những tổn thất lớn lao đối với các hệ sinh thái đất ngập nước, từ việc loại bỏ chúng hay biến đổi chúng thành các hệ sinh thái nghèo kiệt đến việc làm cho chúng bị ô nhiễm bởi chất thải, bị hủy hoại dưới các trận mưa acid... Theo FAO, trên thế giới hiện có khoảng 40 triệu ha, tức 20% đất ngập nước được tưới tiêu nhưng do úng, phèn hóa và mặn hóa... phần lớn bị bỏ hoang hàng năm.

Ở nước ta, nhiều hệ sinh thái đất ngập nước cũng biến đổi rất mạnh: hàng loạt hồ chứa ra đời, nhiều dòng sông bị ngăn chận bởi đập, hàng trăm ngàn ha bãi triều được bao bọc bởi đê lấy đất cho nông nghiệp và mở rộng các ao tôm, gần 40% diện tích rừng ngập mặn ven biển bị chặt phá...

Biển và đại dương là các hệ sinh thái giàu tiềm năng thiên nhiên, song hiện nay cũng không tránh khỏi hiểm họa gây ra bởi con người. Nhiều biển nội địa đang trong tình trạng kêu cứu như biển Baltic, Địa Trung Hải... Nguyên nhân dẫn đến sự suy thoái đa dạng sinh học và nguồn lợi hải sản là khai thác quá mức, hủy hoại các hệ sinh thái ven bờ (rừng ngập mặn, bãi cỏ ngầm, rạn san hô...). Nơi giàu nguồn lợi đồng thời hỗ trợ cho sự phát triển phồn thịnh của các vùng nước xa bờ, do nước bị ô nhiễm, nhất là dầu và các chất phóng xạ...

Theo WWF (1988) sản lượng hải sản của thế giới trong giai đoạn 1990 - 1995 trung bình đạt 84 triệu tấn /năm, gấp 2 lần năm 1960. Với sản lượng đó thì nghề cá thế giới đã vượt lên sức chịu đựng của đại dương (82 - 100 triệu tấn/năm). Theo FAO, trong năm 1994 khoảng 60% nguồn lợi cá đại dương hoặc đã được khai thác đến giới hạn cho phép hoặc đã rơi vào tình trạng suy giảm. Theo WWF (1988), trên cơ sở phân tích tình trạng của116 loài cá chính, từ năm 1970 đến nay có 40% các quần thể cá khai thác đã bị suy kiệt, 25% duy trì sản lượng của mình, số còn lại (35%) đang có chiều hướng tăng lên, tuy nhiên tình trạng chung của biển thể hiện qua chỉ số tổng hợp (chỉ số sức sống hay "sức khỏe" của hành tinh) đang trong tình trạng suy giảm.

Nghề cá nước ta trong gần nửa thế kỷ qua hoạt động trong vùng nước nông, chưa vượt quá 30m (độ sâu), do vậy đã rơi vào tình trạng có thể gọi là suy sụp, với năng suất khai thác trên đơn vị cường lực giảm từ 1,15 (1982) xuống 0,50 (1997). Nhiều hệ sinh thái ven bờ bị hủy diệt, chất lượng nước biển cũng không còn trong sạch nữa. Do đó, phát triển đánh cá xa bờ là lối thoát duy nhất của nghề cá nhằm tránh khỏi sự suy đổ hoàn toàn .

3. Những vấn đề môi trường ở Việt Nam

3.1. Xói mòn và sa mạc hóa

- Quá trình rửa trôi và xói mòn đất: Đây là quá trình phổ biến vì 3/4 đất tự nhiên là đồi núi, có độ dốc cao, lượng mưa lớn lại tập trung vào 4 - 5 tháng mùa mưa, chiếm đến 80% tổng lượng mưa năm. Tuy nhiên, quá trình rửa trôi; xói mòn càng gia tăng do hoạt động của con người mà đặc trưng là:

+ Mất rừng

+ Đốt nương làm rẫy

+ Canh tác không hợp lý trên đất dốc

- Quá trình hoang mạc hóa: Theo định nghĩa của FAO thì: "Hoang mạc hóa là quá trình tự nhiên và xã hội phá vỡ cân bằng sinh thái của đất, thảm thực vật, không khí và nước ở các vùng khô hạn và bán ẩm ướt... Quá trình này xãy ra liên tục, qua nhiều giai đoạn, dẫn đến giảm sút hoặc hủy hoại hoàn toàn khả năng dinh dưỡng của đất trồng, giảm thiểu các điều kiện sinh sống và làm gia tăng sinh cảnh hoang tàn". Chỉ tiêu quan trong để xác định độ hoang mạc hóa là tỷ lệ lượng mưa hàng năm so với lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng trong giới hạn từ 0,05 - 0,65 (Công ước chống sa mạc hóa). Hiện nay, hoang mạc hóa thể hiện rõ nhất trên đất trống, đồi núi trọc, nơi không còn lớp phủ thực vật, địa hình dốc, chia cắt, nơi có lượng mưa thấp (700 - 800mm; 1.500mm/năm, lượng bốc hơi tiềm năng đạt 1.000mmm - 1.800mm/năm) (Ninh Thuận, Bình Thuận, Cheo Reo, Sông Mã, Yên Châu).

Ở Việt Nam do hậu quả của việc chặt phá rừng, đốt rừng bừa bãi, sử dụng đất không bền vững, qua nhiều thế hệ (du canh, du cư, độc canh, quảng canh) nên đất bị thoái hóa nghiêm trọng, nhiều nơi mất khả năng sản xuất và xu hướng hoang mạc hóa ngày càng phát triển, nhất là ở các vùng đất trống đồi núi trọc. Tác động tổng hợp của các điều kiện tự nhiên và hoạt động kinh tế xã hội của con người là 2 quá trình đồng hành và làm xuất hiện các quá trình dẫn đến hoang mạc hóa ở Việt Nam:

- Đất bị thoái hóa nghiêm trọng do xói mòn, rửa trôi.

- Nạn cát bay ở vùng ven biển.

- Đất bị mặn hóa, chủ yếu là mặn hóa thứ sinh do tưới tiêu không đúng quy trình kỹ thuật.

- Đất bị phèn hóa do chặt phá rừng tràm, rừng ngập mặn để làm nông nghiệp, làm các vùng nuôi trồng thủy sản.

- Đất thoái hóa do canh tác nông nghiệp hoặc chăn thả quá mức ở vùng đất dốc làm xuất hiện kết von đá ong.

- Đất thoái hóa do khai thác mỏ, đãi vàng bừa bãi, đặc biệt là những nơi khai thác tự phát của tư nhân không có kế hoạch làm trôi tầng đất mặt, lộ đá gốc.

3.2. Khai thác rừng:

Tài nguyên rừng được khai thác chủ yếu là các loại gỗ và tre nứa. Gỗ được khai thác phục vụ cho các mục đích gia dụng và sản phẩm gỗ xẻ phục vụ cho các ngành kinh tế khác nhau. Gỗ cho sản xuất giấy và gỗ chuyên dùng khác (gỗ trụ mỏ, ván sàn) chiếm tỷ trọng nhỏ. Phần lớn gỗ được sản xuất tiêu thụ trong nội địa, chiếm 98% gỗ tròn, 92% gỗ xẻ và 80% sản phẩm giấy. Nếu tính theo đầu người về gỗ xẻ và sản phẩm giấy của nước ta chỉ đạt 0,0094 m3 và 1,3kg/năm (1989); trong khi cùng thời gian này ở Indonesia là 0,038 m3 và 4,6kg/năm.

Một phần gỗ và các lâm đặc sản như quế, dầu hồi, hạt điều, cánh kiến được được xuất khẩu sang các nước như Liên Xô cũ, Nhật Bản, Hồng Kông, Singapore, Thái Lan. Nhìn chung giá trị xuất khẩu lâm sản ở nước ta chỉ chiếm tỷ trọng nhỏ trong nền kinh tế quốc doanh. Ví dụ như giá trị xuất khẩu lâm sản năm 1989 chiếm tỷ trọng 3,6% (65 triệu USD) trong tổng kim ngạch xuất khẩu của kinh tế quốc dân, hoặc như năm có giá trị xuất khẩu cao 1986 cũng chỉ đạt 80,1 triệu USD chiếm 9,7% tổng kim ngạch xuất khẩu. các sản phẩm xuất khẩu đa số là sản phẩm thô không có sức cạnh tranh cao, do vậy thị trường thu hẹp dần như cánh kiến đỏ, quế làm cho giá cả xuống thấp. Chế biến nhựa thông chủ yếu dùng trong thị trường nội địa.

Việc chế biến gỗ của nước ta gặp nhiều khó khăn do máy móc phương tiện cũ kỹ lạc hậu, hiệu suất trung bình sản phẩm ở các xưởng cưa chỉ đạt 35 - 45%. Hơn nữa do tính chất chức năng máy móc và nguyên liệu đầu vào hạn chế nên mặt hàng gỗ xẻ ít phong phú.

Rừng tự nhiên nước ta tuy có nhiều loại gỗ quý có giá trị nhưng phần lớn đều đã bị khai thác, chỉ còn lại những cây gỗ có đường kính không lớn, cong hoặc có những khuyết tật. Thêm vào đó, thành phần chủng loại gỗ trong rừng rất phức tạp nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác, nhất là khai thác ở quy mô công nghiệp. Một khó khăn khác trong khai thác gỗ là hệ thống đường giao thông chưa phát triển. Máy móc xe cộ cho khai thác vận chuyển còn yếu và thiếu dẫn đến lãng phí gỗ.

Hiện nay nước ta đã cho phép việc khai thác gỗ và tre nứa ở các rừng giàu và trung bình (Rừng gỗ có trữ lượng trên 80 m3, rừng tre, luồng có từ 3 - 3,5 nghìn cây/ha trở lên; rừng nứa, vầu có từ 6 - 7 nghìn cây/ ha trở lên). Chỉ được tiến hành khai thác chọn lọc, cường độ chặt chỉ giới hạn không quá 35% đối với gỗ và 50% đối với tre nứa theo tổng trữ lượng toàn vùng.

3.3. Mất đa dạng sinh học

Như đã đề cập ở phần trước, số lượng loài sinh vật trong sinh quyển đã được xác định 1.392.485 cũng chỉ là tương đối. Theo UNEP (1995), hiện tại số loài đã được mô tả lên đến 1.750.000 loài, dao động trong số lượng loài có thể có, từ 3.635.000 đến 111.655.000 loài.

Trong tiến trình lịch sử của sự phân hóa và tiến hóa, số lượng các loài còn nhiều gấp bội, song chúng đã bị tiêu diệt phần lớn do những biến động lớn lao của vỏ Trái Đất và của khí hậu toàn cầu. Con người đóng góp vào nạn diệt chủng của các loài chỉ sau khi họ ra đời và phát triển nền văn minh của mình và cũng là tác nhân chủ yếu làm mất đa dạng sinh học.

Sự mất đa dạng sinh vật ở Việt Nam cũng giống như trên thế giới ngày càng một gia tăng, tốc độ suy giảm đa dạng sinh vật ngày một tăng do ảnh hưởng các hoạt động của con người vào tự nhiên. Trên thực tế, tốc độ suy giảm đa dạng sinh vật của nước ta nhanh hơn nhiều so với các quốc gia trong khu vực.

Nguyên nhân của sự mất đa dạng sinh vật ở Việt Nam: có thể nêu ra một số nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học như sau.

- Nguyên nhân trực tiếp:

+ Sự mở rộng đất nông nghiệp: mở rộng đất canh tác nông nghiệp bằng cách lấn vào đất rừng, đất ngập nước là một trong những nguyên nhân quan trọng nhất làm suy thoái đa dạng sinh học

+ Khai thác gỗ: trong giai đoạn từ năm 1985 đến 1991, các lâm trường quốc doanh đã khai thác rừng bình quân 3,5 triệu m3 gỗ/năm, thêm vào đó khoảng 1-2 triệu m3 ngoài kế hoạch. Số gỗ này nếu qui ra diện tích thì khoảng 80.000ha bị mất mỗi năm. Hơn nữa, nạn chặt trộm gỗ xảy ra ở nhiều nơi, kết quả là rừng bị cạn kiệt nhanh chóng cả về diện tích và chất lượng, nhiều loài có nguy cơ tuyệt chủng.

+ Khai thác củi: hàng năm, một lượng củi khoảng 21 triệu tấn được khai thác từ rừng để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt trong gia đình. Lượng củi này nhiều gấp 6 lần lượng gỗ xuất khẩu hàng năm.

+ Khai thác các sản phẩm ngoài gỗ: các sản phẩm ngoài gỗ như song mây, tre nứa, lá, cây thuốc được khai thác cho những mục đích khác nhau. Đặc biệt, khu hệ động vật hoang dã đã bị khia thác một cách bừa bãi.

+ Cháy rừng: trong số 9 triệu ha rừng còn lại thì 56% có khả năng bị cháy trong mùa khô. Trung bình hàng năm khoảng từ 25.000 đến 100.000 ha rừng bị cháy, nhất là vùng cao nguyên miền Trung.

+ Xây dựng cơ bản: việc xây dựng cơ bản như giao thông, thuỷ lợi, khu công nghiệp, thuỷ điện,...cũng là một nguyên nhẩntực tiếp làm mất đa dạng sinh học.

+ Chiến tranh: trong giai đoạn từ 1961 đến 1975 đã có khoảng 13 triệu tấn bom và 72 triệu lít chất độc hoá học rãi xuống chủ yếu ở phía Nam đã huỷ diệt khoảng 4,5 triệu ha rừng.

- Nguyên nhân sâu xa:

+ Tăng dân số: dân số tăng nhanh là một trong nhưũng nguyên nhân chính làm suy giảm đa dạng sinh học ở Việt Nam. Sự gia tăng dân số đòi hỏi tăng nhu cầu sinh hoạt: lương thực, thực phẩm và các nhu cầu thiết yếu khác trong khi tài nguyên thì hạn hẹp, nhất là đất cho sản xuất nông nghiệp. Hệ quả tất yếu là dẫn đến việc mở rộng đất nông nghiệp vào đất rừng và làm suy giảm đa dạng sinh học.

+ Sự di dân: từ những năm 60, chính phủ đã động viên khoảng 1 triệu người từ vùng đồng bằng lên khai hoang và sinh sống ở vùng núi, cuộc di dân này đã làm thay đổi sự cân bằng dân số ở miền núi. Những năm 1990, nhiều đọt di cư tự do từ các tỉnh phía Bắc và Bắc Trung Bộ vào các tỉnh phía Nam, Tây nguyên sự di dân này đã ảnh hưởng rõ rết đến đa dạng sinh học của vùng này.

+ Sự nghèo đói: với gần 80% dân số ở nông thôn, vì vậy phụ thuộc phần lớn vào nông nghiệp và tài nguyên thiên nhiên. Trong các khu bảo tồn được nghiên cứu, 90% dân địa phương sống dựa vào nông nghiệp và khai thác rừng. Người nghèo không có vốn để đầu tư lâu dài, sản xuất và bảo vệ tài nguyên, học buộc phải khai thác, bóc lột ruộng đất của mình, làm cho tài nguyên càng suy thoái một cách nhanh chóng.

+ Một số nguyên nhân sâu xa khác có thể nói như: chính sách kinh tế vĩ mô, chính sách kinh tế cộng đồng, chính sách sử dụng đất, lâm nghiệp, du canh du cư cũng đã tác động không nhỏ đến thực trạng suỷ giảm đa dạng sinh học ở Việt Nam chúng ta.

3.4. Ô nhiễm môi trường

Ô nhiễm môi trường là khái niệm để chỉ sự xuất hiện của một chất lạ trong môi trường tự nhiên hoặc làm biến đổi thành phần, tỷ lệ về hàm lượng của các yếu tố có sẵn, gây độc hại cho cơ thể sinh vật và con người nếu như hàm lượng của các chất đó vượt khỏi giới hạn thích nghi tiềm tàng của cơ thể.

Sự ô nhiễm môi trường có thể là hậu quả của các hoạt động tự nhiên, như hoạt động núi lửa, thiên tai lũ lụt, bão,... hoặc các hoạt động do con người thực hiện trong công nghiệp, giao thông, chiến tranh và công nghệ quốc phòng, trong sinh hoạt, trong đó công nghiệp được xem là nguyên nhân lớn nhất.

Chất gây ô nhiễm môi trường rất đa dạng về nguồn gốc và chủng loại, tuy vậy chúng được phân chia thành 3 nhóm lớn: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí. Mỗi dạng có thể chứa đựng nhiều chất, từ các hóa chất, các kim loại nặng, đến chất phóng xạ và vi trùng. Nhiệt cũng là tác nhân trực tiếp hay gián tiếp gây nên sự ô nhiễm môi trường.

Ô nhiễm môi trường đang trở thành hiểm họa đối với đời sống của sinh giới và cả đối với con người ở bất kỳ phạm vi nào, từ quốc gia, khu vực đến toàn cầu. Ô nhiễm môi trường là sản phẩm của quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra trên 200 năm nay. Ô nhiễm hiện nay đã lan tràn vào mọi nơi, từ đất, nước đến khí quyển, từ bề mặt đất đến các lớp sâu của đất và của đại dương.

Việt Nam chúng ta đang trong quá trình hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước, hơn nữa sự đô thị hóa cũng như giao thông vận tải chưa phát triển vì thế sự ô nhiễm môi trường nói chung chưa xãy ra trên diện rộng, nhưng ô nhiễm môi trường đã xãy ra cục bộ, từng lúc, từng nơi. Có thể nêu ra như sau:

3.4.1. Ô nhiễm môi trường nước. Hiện nay tình trạng ô nhiễm và suy thoái nguồn nước (nước mặt và nước ngầm) đang xãy ra phổ biến ở nhiều nơi, đặc biệt là ở các khu đô thị và các thành phố công nghiệp. Chẳng hạn như nước ngầm đang được khai thác ở một số nhà máy nước thành phố Hà Nội cũng đã bị ô nhiễm như Pháp Vân, Mai Động hoặc như ở thành phố Hồ Chí Minh nước ngầm bắt đầu bị nhiễm mặn và suy giảm khả năng khai thác.

3.4.2 Ô nhiễm không khí.

Mặc dù đất nước chúng ta nền công nghiệp chưa phát triển nhưng ô nhiễm không khí đã xãy ra. Ở Hà Nội, tại khu vực nhà máy dệt 8 - 3, nhà máy cơ khí Mai Động. Khu công nghiệp Thượng Đình, khu công nghiệp Văn Điển, nhà máy Rượu...không khí đều đã bị ô nhiễm nặng. Ở Hải Phòng , ô nhiễm nặng ở khu nhà máy Xi mămg, nhà máy Thủy Tinh và Sắt tráng men...Ở Việt Trì, ô nhiễm nặng xung quanh nhà máy Supe phốtphát Lâm Thao, nhà máy Giấy, nhà máy Dệt. Ở Ninh Bình và Phả Lại ô nhiễm nặng do nhà máy Nhiệt điện, các nhà máy vật liệu xây dựng, lò vôi. Ở thành phố Hồ Chí Minh và cụm công nghiệp Biên Hòa không khí cũng bị ô nhiễm bởi nhiều nhà máy. Hầu như tất cả các nhà máy hóa chất đều gây ô nhiễm không khí. Dân cư sống ở các vùng nói trên thường mắc các bệnh đường hô hấp, da và mắt

3.4.3. Ô nhiễm đất.

Hiện nay chưa thấy có tài liệu nào đề cập đến môi trường đất bị ô nhiễm bởi các tác nhân công nghiệp, nông ngiệp nhưng đất đã bị ô nhiễm bởi tác nhân sinh học. Đó là do tập quán dùng phân bắc và phân chuồng tươi theo các hình thức (bón lót, pha loãng để tưới,...) trong canh tác vẫn còn phổ biến. Tại vùng trồng rau Mai Dịch, Từ Liêm, Hà Nội mật độ trứng giun đũa là 27,4 trứng/100g đất, trứng giun tóc 3,2 trứng/100g đất (Trần Khắc Thi, 1966). Theo điều tra của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (1993 - 1994) tại một số vùng trồng rau, người dân chủ yếu sử dụng phân bắc tươi với liều lượng khoảng từ 7 - 12 tấn/ha. Do vậy trong 1 lít nước mương máng của khu trồng rau có tới 360 E. coli ; ở giếng nước công cộng là 20, còn trong đất lên tới 2 x 105/100g đất. Chính vì thế, khi điều tra sức khỏe người trồng rau thường xuyên sử dụng phân bắc tươi có tới 60% số người tiếp xúc với phân bắc từ 5 - 20 năm bị bệnh thiếu máu và các bệnh ngoài da.