Trang 2
MỤC LỤC A. MỞ ĐẦU...............................................................................................................................3 1. Lí do chọn đề tài.....................................................................................................................3 2. Mục đích của đề tài ................................................................................................................3 B. NỘI DUNG ...........................................................................................................................4 I. KHÁI NIỆM VÀ CẤU TRÚC HỆ SINH THÁI ...................................................................4 1. Khái niệm hệ sinh thái............................................................................................................4 2. Các thành phần cấu trúc của HST..........................................................................................5 3. Các kiểu hệ sinh thái trên Trái Đất.........................................................................................6 3.1 Các hệ sinh thái tự nhiên .....................................................................................................6 3.2 Các hệ sinh thái nhân tạo......................................................................................................6 3.2 Các hệ đệm (Ecotone) ..........................................................................................................8 II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI.9 1. Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái........................................................................................9 2. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái.............................................................................11 III. CHU TRÌNH SINH – ĐỊA – HÓA ......................................................................................15 1. Khái niệm...........................................................................................................................14 2. Một số chu trình sinh - địa – hoá .......................................................................................16 IV. SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA HỆ SINH THÁI..............................................................................24 1. Diễn thế sinh thái ...........................................................................................24 2. Một số hiện tượng ảnh hưởng đến hệ sinh thái..................................................................25 V. SINH QUYỂN .......................................................................................................................25 1. Khái niệm sinh quyển ........................................................................................................25 2. Một số biện pháp bảo vệ sinh quyển..................................................................................25 3. Các khu sinh học chính trên trái đất ..................................................................................26 MỘT SỐ CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP VẬN DỤNG..................................................................27 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................47 2
Trang 3
A. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài: Hệ sinh thái là nội dung rất quan trọng và bao trùm cả các kiến thức về Sinh thái học. Việc tìm hiểu các nội dung cốt lõi và chuyên sâu về hệ sinh thái cùng những kiến thức vận dụng là rất cần thiết trong việc học tập về Sinh thái học của học sinh và giảng dạy, bồi dưỡng kiến thức của giáo viên. Bên cạnh đó, những hiểu biết rõ ràng về hệ sinh thái giúp người dạy và người học có nhận thức và hành vi đúng đắn về môi trường sinh thái trong thực tiễn. Vì vậy, đề tài tìm hiểu các kiến thức về Hệ sinh thái đã được thực hiện. 2. Mục đích của đề tài: - Tổng hợp một số nội dung kiến thức về hệ sinh thái qua đó thấy rõ vai trò, chức năng quan trọng của hệ sinh thái trong đời sống thực tiễn. - Tìm hiểu và giới thiệu một số bài tập vận dụng liên quan đến hệ sinh thái, giúp giáo viên và học sinh có nguồn tư liệu tham khảo cho việc học tập và bồi dưỡng cho các kì thi học sinh giỏi các cấp. 3
Trang 4
B. NỘI DUNG I. KHÁI NIỆM VÀ CẤU TRÚC HỆ SINH THÁI 1. Khái niệm hệ sinh thái - Hệ sinh thái (HST) là một hệ thống sinh học gồm quần xã sinh vật với môi trường vật lí mà nó sống- sinh cảnh. Trong đó các quần thể tương tác với nhau và với môi trường để hình thành các chu trình vật chất và sự chuyển hóa năng lượng. - Đặc điểm: hệ mở, tự điều chỉnh, đa dạng về kích thước. + Trong tự nhiên, HST tồn tại một cách độc lập với các thành phần cấu tạo nên nó (nghĩa là cây có thể chết nhưng rừng vẫn tồn tại). + Các thành phần cấu trúc HST tồn tại và phát triển hoàn toàn phụ thuộc vào nhau, hỗ trợ nhau, nếu rời khỏi hệ, quần thể-loài có thể bị tiêu diệt. + Một HST bất kì hay mỗi thành viên cấu trúc có chức năng riêng, đều hoạt động nhịp nhàng để tạo nên hoạt động chức năng thống nhất của cả hệ thống. Hình 1: Một hệ sinh thái ao hồ 4
Trang 5
2. Các thành phần cấu trúc của HST Các thành Đặc điểm phần Chất vô cơ (CO2, H2O, O2, muối khoáng...), chất hữu cơ( protein, 1. Vô sinh carbohydrate, lipit, vitamin, hormon...) khí hậu (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, gió…) 3. Sinh vật sản xuất Thực vật, tảo và VSV có khả năng tự dưỡng 2. Hữu 4. Sinh vật tiêu thụ Động vật ăn cỏ, ăn thịt sinh 5. Sinh vật phân giải Vi khuẩn, nấm, giun đất,….. Những điều kiện vô sinh hỗ trợ sinh vật sống phát triển bên ngoài môi trường nhưng không có sự sống riêng. Thành phần sinh học (hữu sinh) bao gồm nhiều nhóm sinh vật tự dưỡng, dị dưỡng và sinh vật trung gian tạo thành hệ thống đa dạng có liên kết chặt chẽ với nhau. - Nhóm sinh vật tự dưỡng (sinh vật sản xuất) sử dụng chính nguồn nguyên liệu vô cơ-phi sinh học để tự sản xuất chất dinh dưỡng cung cấp cho cơ thể phát triển. Đại diện phổ biến có thể kể đến là nhóm thực vật, tảo, một số nhóm vi khuẩn (khuẩn lam, khuẩn lưu huỳnh), tảo đơn bào… Quá trình quang hợp chiếm phần lớn trong quá trình phát triển của nhóm sinh vật sản xuất này. - Nhóm sinh vật dị dưỡng (sinh vật tiêu thụ). Chúng thông qua việc tìm kiếm chủ động (săn bắt, hái lượm..) theo bản năng để cung cấp năng lượng cho cơ thể. Các loài động vật là điển hình cho nhóm dị dưỡng và còn có một số vi sinh vật, nấm với khả năng tương tự. Vai trò của nhóm này cực kỳ quan trọng cho vòng tuần hoàn sinh thái trong khu vực. - Nhóm sinh vật phân giải trung gian có nhiệm vụ phân huỷ và tái tạo dinh dưỡng, giúp cân bằng hoạt động sống trong hệ sinh thái. Chúng hoạt động âm thầm và không có thiên địch như hai nhóm trên. Không gian của HST được xác định bởi chiều dài, chiều rộng, chiều cao và độ sâu, còn thời gian của hệ gồm quá khứ, hiện tại và tương lai trong lịch sử đời sống của nó. Theo Odum (1983), hệ sinh thái gồm các quá trình chức năng sau: - Quá trình chuyển hóa năng lượng của sinh vật. - Chuỗi thức ăn. 5
Trang 6
- 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 hóa của hệ. - Các quá trình tự điều chỉnh. Sự cân bằng của tự nhiên, nghĩa là mối quan hệ của quần xã với môi trường vật lí mà nó tồn tại, ít biến dộng theo thời gian. Đó chính là kết quả cân bằng của 4 phạm trù đầu tiên trong các hệ sinh thái lớn. Sự cân bằng còn do các quá trình tự điều chỉnh, được diễn đạt bằng ngôn ngữ phân tích hệ thống nưh chuỗi “các mối liên hệ ngược”. 3. Các kiểu hệ sinh thái trên Trái Đất 3.1 Các hệ sinh thái tự nhiên HST tự nhiên được hình thành do hoạt động của các quy luật tự nhiên, ví dụ như các hồ tự nhiên, một khoảng rừng, một đầm lầy. Có thể HST rất nhỏ như một giọt nước hay phân tử hữu cơ,… 3.2 Các hệ sinh thái nhân tạo Được hình thành do hoạt động của con người như: các hồ chứa, thành phố, nương rẫy, một bể cá cảnh, thậm chí cả các bể cực nhỏ được tạo ra trong phòng thí nghiệm mà trong đó một chu trình sinh học xảy ra một cách hoàn thiện. Chỉ tiêu Hệ sinh thái tự nhiên Hệ sinh thái nhân tạo Ví dụ Rừng mưa nhiệt đới,… Rừng trồng, đồng ruộng,.. Số lượng loài ( độ đa dạng) Nhiểu ít Nguồn gốc vật chất và năng Ánh sáng mặt trời và trong tự Ánh sáng mặt trời và con lượng nhiên người cung cấp Độ ổn định và tự điều chỉnh Cao Thấp 6
Trang 8
3.2 Các hệ đệm (Ecotone) Các hệ sinh thái trong tự nhiên không có giới hạn rõ ràng, giữa chúng là một vùng chuyển tiếp hay hệ đệm. Hệ đệm là một HST chuyển tiếp giữa các HST lớn nằm kế nhau mà chúng có những đặc điểm đặc trưng tương phản nhau. Sự tồn tại và phát triển của hệ đệm không chỉ phụ thuộc vào những nhân tố của chính môi trường vật lí mà nó tồn tại (địa hình, thổ nhưỡng, khí hậu thủy văn,…) mà còn chịu ảnh hưởng và bị chi phối bởi các hệ lân cận. - Bìa rừng là nơi chuyển tiếp giữa rừng và đồng cỏ: - Đất ngập nước là vùng chuyển tiếp giữa nơi đất cao và nơi nước sâu của thủy vực. - Vùng cửa sông là nơi chuyển tiếp giữa nước ngọt và nước mặn. Hình 3: Sông Ba Lai ở Bến Tre- một cửa đổ ra biển của dòng sông Mekong Về không gian, hệ đệm -vùng đệm là vùng giáp ranh giữa 2 hệ sinh thái chính, nên thường nhỏ hẹp hơn 2 hệ chính, nên số lượng loài thường ít hơn. Tuy ít loài hơn, nhưng độ đa dạng sinh học lại cao hơn, do khả năng biến dị nội bộ các loài tăng. Thêm vào đó, nó có một số đặc điểm của từng quần xã chính giáp ranh với nó và đặc điểm mà cả hai quần xã chính không có, nên thường xuất hiện các loài không hề có ở hai hệ chính, hiệu quả này gọi là tác động rìa hoặc hiệu ứng rìa (edge effects). Vùng đệm có hệ thực vật chuyển tiếp giữa hai quần xã khác nhau, do đó kéo theo hệ động vật khác nhau. Một vùng đệm có thể tồn tại dưới dạng vành đai rộng hoặc có thể khá nhỏ; chẳng hạn như vùng đệm giữa phá với rừng, nơi hai quần xã hòa quyện với nhau thường là lớn, còn vùng đệm giữa ao với ruộng lại nhỏ. Trong vùng có tác động rìa, thường gặp những loài động vật cần một khu vực trung gian để chúng thực hiện tập tính tán tỉnh (ve vãn), làm tổ hoặc tìm kiếm thức ăn. 8
Trang 9
Vùng đệm có thể biến đổi do chính các sinh vật sống trong các hệ. Chẳng hạn, cây sậy tạo thành một vành đai như "thắt lưng" quanh hồ ôn đới (hình 3). Quần thể sậy luôn có xu hướng phát triển, tích lũy chất hữu cơ và kết quả là có thể "xâm lược" hệ sinh thái hồ. Hình 4: Hệ sinh thái vùng đệm giữa rừng và hồ (Nguồn https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1913833 II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI 1. Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái a. Chuỗi thức ăn * Khái niệm: Chuỗi thức ăn là một dãy các loài có mối quan hệ dinh dưỡng với nhau. Mỗi loài là một mắt xích, vừa tiêu thụ mắt xích phía trước, vừa bị mắt xích phía sau tiêu thụ. * Phân loại: - Chuỗi thức ăn mở đầu bằng SVSX - Chuỗi thức ăn bằng SV ăn mùn bã hữu cơ. 9
Trang 10
b. Lưới thức ăn * Khái niệm: - Lưới thức ăn: Tập hợp các chuỗi thức ăn được kết nối với nhau bằng những mắt xích chung. - Mắt xích chung là loài tham gia vào nhiều chuỗi thức ăn. * Đặc điểm: - Tính phức tạp của lưới thức ăn phụ thuộc: Sự đa dạng về loài và số lượng loài đa thực. - Quần xã càng phức tạp, tính ổn định và bền vững càng cao. c. Bậc dinh dưỡng * Khái niệm: Tất cả các loài có cùng mức dinh dưỡng hợp thành một bậc dinh dưỡng. * Đặc điểm: - Trong chuỗi thức ăn, mỗi loài là 1 bậc dinh dưỡng. - Trong lưới thức ăn, mỗi bậc dinh dưỡng gồm nhiều loài, mỗi loài có thể thuộc nhiều bậc dinh dưỡng. Các bậc dinh dưỡng tồn tại trong HST có thể trở thành yếu tố kiểm soát hay khống chế nhau theo hướng từ trên xuống hay từ dưới lên. Mô hình đơn giản dựa vào quan hệ giữa các bậc dinh dưỡng gắn kế được dùng để xem xét tổ chức quần xã. Ví dụ, khi xem xét 3 mối quan hệ xảy ra giữa thực vật (V chỉ thảm thực vật) và động vật ăn thực vật (H): V→H hay VH hay VH Mũi tên chỉ sự thay đổi sinh khối của một bậc dinh dưỡng dẫn đến thay đổi bậc dinh dưỡng khác. V→H thể hiện sự gia tăng thảm thực vật sẽ làm tăng số lượng hoặc sinh khối của động vật ăn cỏ, nhưng ngược lại thì không đúng. Trong trường hợp đó động vật ăn thực vật bị giới hạn bởi thảm thực vật, nhưng thảm thực vật không bị giới hạn bởi động vật. Ngược lại, V H thể hiện sinh khối của động vật ăn thực vật tăng sẽ làm giảm độ phong phú của thảm thực vật, nhưng ngược lại thì không đúng. Mũi tên hai chiều (+) thể hiện dòng phản hồi theo cả 2 hướng, mỗi bậc dinh dưỡng rất nhạy cảm với sự thay đổi về sinh khối của bậc dinh dưỡng kia. Hai mô hình phổ biến của tổ chức quần xã : mô hình từ dưới lên và từ trên xuống. + Kiểu liên kết V → H thuộc mô hình từ dưới lên: Mô hình này cho rằng ảnh hưởng là một chiều từ bậc dinh dưỡng bên dưới tới bậc dinh dưỡng cao hơn. Trong trường hợp đó, có hay không có dinh dưỡng khoáng (N) trong đất sẽ khống chế số lượng thực vật (V), thực vật khống chế số lượng động vật ăn cỏ (H), đến lượt động vật ăn cỏ lại khống chế động vật ăn thịt (P). Mô hình đơn giản từ đáy lên là : N→V→H→P. 10
Trang 11
Để thay đổi cấu trúc của một quần xã sinh vật từ dưới lên chúng ta cần thay đổi sinh khối ở bậc dinh dưỡng thấp nhất, thay đổi đó sẽ được truyền qua toàn bộ lưới thức ăn. Ví dụ, nếu bạn bón thêm khoáng dinh dưỡng làm tăng sinh trưởng của thực vật thì sinh khối của các bậc dinh dưỡng cao hơn cũng sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nếu bạn thả thêm hoặc loại bỏ động vật ăn thịt ra khỏi quần xã có mô hình từ dưới lên thì sẽ không ảnh hưởng đến các bậc dinh dưỡng thấp hơn. + Mô hình kiểm soát/ khống chế từ trên xuống: Vật ăn thịt là sinh vật chủ yếu khống chế tổ chức quần xã, trong đó vật ăn thịt hạn chế động vật ăn cỏ, động vật ăn cỏ hạn chế thực vật và thực vật hạn chế lượng chất dinh dưỡng mà thực vật hấp thu cho sinh trưởng và sinh sản của chúng. Mô hình đơn giản từ trên xuống là : NVH P. Mô hình này còn được gọi là mô hình thác dinh dưỡng. Ví dụ, ở quần xã hồ có 4 bậc dinh dưỡng, khi loại bỏ động vật ăn thịt bậc cao nhất sẽ làm tăng số lượng động vật ăn thịt sơ cấp, sau đó sẽ làm giảm số lượng động vật ăn cỏ, làm tăng số lượng thực vật phù du phytoplankton, và làm giảm nồng độ các chất dinh dưỡng khoáng. Nếu trong hồ chỉ có 3 bậc dinh dưỡng, loại bỏ động vật ăn thịt sơ cấp → tăng số lượng đông vật ăn thực vật → làm giảm số lượng thực vật→tăng mức dinh dưỡng khoáng trong nước. 2. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái a. Phân bố năng lượng trên Trái Đất - Cường độ bức xạ mặt trời tác động lên Trái Đất thay đổi theo vĩ độ, độ cao và thời gian. * Sự vận động của dòng năng lượng trong hệ sinh thái: Hình 5: Sơ đồ khái quát về chuyển hóa năng lượng trong HST 11
Trang 12
b. Đặc điểm của dòng năng lượng trong hệ sinh thái: Năng lượng luân chuyển thành dòng và được tích tụ trong cơ thể dưới dạng hóa năng ở các bậc dinh dưỡng trong chuỗi thức ăn. Một phần năng lượng được cơ thể sự dụng để tăng trưởng, tích lũy trong các mô, còn phần lớn biến đổi thành nhiệt qua hô hấp thoát ra ngoài môi trường. Do đó, năng lượng chỉ được sử dụng một lần. Các nghiên cứu đánh giá rằng, trong sinh quyển khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao liền kề, trung bình năng lượng thất thoát tới 90%, có nghĩa là sinh vật tiêu thụ ở bậc sau chỉ tích tụ được 10% năng lượng của bậc trước nó. Đương nhiên, tùy thuộc vào đặc tính của loài và môi trường, hệ số này rất biến động. Ví dụ, năng lượng chi phí cho hô hấp của sư tử và báo trên các đồng cỏ nhiệt đới lên đến 99%, do đó, kích thước quần thể của các loài này nhỏ đến mức không đủ để tạo ra quần thể ăn thịt tiếp theo cao hơn. Hình: Sự thất thoát năng lượng khi chuyển qua các bậc sinh dưỡng trong chuỗi thức ăn Năng lượng thất thoát theo 3 con đường chính: + Năng lượng chứa trong các sản phẩm mà sinh vật tiêu thụ không sử dụng. + Năng lượng sử dụng từ thức ăn nhưng không đồng hóa mà thải ra môi trường dưới dạng các chất bài tiết và chất trao đổi. + Năng lượng mất đi qua dạng nhiệt của hô hấp. Do năng lượng thất thoát qua mỗi bậc dinh dưỡng là quá lơn, nên chuỗi thức ăn không thể kéo dài, thường 3-4 bậc đối với HST trên cạn và 6-7 bậc đối với HST ở nước. c. Hiệu suất sinh thái: 12
Trang 13
Là phần trăm giữa năng lượng tích lũy ở bậc dinh dưỡng cao so với bậc dinh dưỡng thấp hơn. Eff = Ci/PG; hoặc Eff = Ci/PN .. hay Eff = Ci+1/Ci Eff: là hiệu suất sinh thái hay hiệu suất đồng hóa. Ci: năng lượng của bậc dinh dưỡng 1 (hay đang xét). PG: năng lượng sinh vật sơ cấp. PN: năng lượng sơ cấp tinh. Phần lớn năng lượng truyền trong hệ sinh thái bị tiêu hao qua quá trình hô hấp, tạo nhiệt …chỉ có khoảng 10 % năng lượng truyền lên bậc dinh dưỡng cao nhất. d. Sản lượng sơ cấp và sản lượng thứ cấp của HST Sản lượng sinh vật sơ cấp được hình thành chủ yếu từ quang hợp của thực vật và tảo, gọi là sản lượng sơ cấp thô -hay tổng sản lượng sơ cấp (kí hiệu PG). Sinh vật tự dưỡng sử dụng một phần năng lượng cho sự tồn tại và phát triển của cơ thể- kí hiệu là PR. Phần năng lượng còn lại chứa trong cơ thể thực vật là sản lượng sơ cấp tinh (kí hiệu là PN)., có thể dùng để nuôi các sinh vật dị dưỡng. PG-PR=PN Sản lượng sinh vật thứ cấp của HST được sinh vật dị dưỡng sinh ra trong quá trình đồng hóa thức ăn. Sản lượng này biến động bởi nhiều nguyên nhân: + Nguồn thức ăn sơ cấp (sử dụng được hết hay chỉ 1 phần). 13
Trang 14
+ Hiệu quả sử dụng và đồng hóa thức ăn (lượng chất có thể tiêu hóa và hấp thu, chất phù hợp làm nguyên liệu cho đồng hóa của cơ thể). + Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình dinh dưỡng của các nhóm sinh vật. Đối với HST trên cạn, hiệu suất sử dụng năng lượng của các bậc sinh dưỡng thấp hơn so với các HST dưới nước do: HST trên cạn HST dưới nước Năng lượng không được sử dụng là quá lớn, Phần năng lượng chứa trong thực vật thủy nhất là từ thực vật đến động vật ăn cỏ. sinh dễ sử dụng, dễ tiêu hóa, nên phần không được sử dụng ít hơn trên cạn (VD: TV đơn bào dễ dàng được ăn và tiêu hóa cả cơ thể) Năng lượng chi phí cho hô hấp của các loài Môi trường nước thuận lợi cho hoạt động động vật, nhất là động vật săn mồi là quá hay di chuyển của động vật, nên phần năng nhiều lượng thất thoát ít hơn. e. Tháp sinh thái * Khái niệm: là biểu đồ hình tháp mô tả định lượng mối quan hệ dinh dưỡng giữa các bậc dinh dưỡng trong quần xã. * Phân loại: - Tháp số lượng (1): Được xây dựng dựa trên số lượng cá thể sinh vật ở mỗi bậc dinh dưỡng. - Tháp sinh khối (2): Được xây dựng dựa trên khối lượng tổng số của tất cả các sinh vật trên một đơn vị diện tích hay thể tích ở mỗi bậc dinh dưỡng. 14
Trang 15
- Tháp năng lượng (3): Được xây dựng dựa trên số năng lượng được tích lũy trên một đơn vị diện tích hay thể tích, trong một đơn vị thời gian ở mỗi bậc dinh dưỡng. Tháp năng lượng luôn có dạng chuẩn (đáy rộng, đỉnh hẹp do thất thoát năng lượng qua các bậc dinh dưỡng), tháp số lượng và tháp sinh khối có ngoại lệ. III. CHU TRÌNH SINH – ĐỊA - HÓA 1. Khái niệm Chu trình sinh địa hóa là sự tuần hoàn vật chất qua các dạng khác nhau giữa sinh vật và môi trường trong hệ sinh thái. Có thể hiểu chu trình sinh địa hóa là quá trình trao đổi không ngừng của các nguyên tố hóa học giữa môi trường và quần xã sinh vật, đồng thời xảy ra sự đổi mới liên tục các chất dinh dưỡng chứa trong mô sinh vật thông qua chuỗi thức ăn. + Chu trình sinh địa hóa được chia thành 3 giai đoạn: Các phân tử chất dạng vô cơ từ môi trường được chuyển vào cơ thể sinh vật sản xuất, được tổng hợp thành thức ăn sơ cấp thông qua quang hợp. Các nguyên tố hóa học có trong thức ăn cung cấp cho sinh vật dị dưỡng, được truyền qua các bậc dinh dưỡng khác nhau. Các nguyên tố hóa học được trả lại môi trường qua các chất bài tiết, chất thải, xác chết của thực vật động vật nhờ hoạt động phân giải của các nhóm vi sinh vật, gọi là khoáng hóa thành chất cô cơ trả lại môi trường. Vi sinh vật được xem là “vệ sinh viên môi trường”, đồng thời là nhóm gắn kết môi trường với quần xã sinh vật và tham gia khép kín các chu trình sinh địa hóa. 15
Trang 16
Hình 6: Sơ đồ tổng quát về chu trình trao đổi vật chất trong tự nhiên + Chu trình sinh địa hóa giúp duy trì sự cân bằng vật chất trong sinh quyển. Chu trình sinh địa hóa được chia thành 2 dạng: chu trình các chất khí và chu trình các chất lắng đọng. Trong mỗi chu trình đều có nguồn dự trữ và vốn lưu động, được phân biệt giữa chúng ở bảng sau: Bảng so sánh giữa chu trình các chất khí và chu trình các chất lắng đọng Chu trình các chất khí Chu trình các chất lắng đọng Nguồn dự trữ từ khí quyển như: hơi nước, Nguồn dự trữ từ lớp vỏ phong hóa của trái CO2, O2, N2, NOx, SOx,… đất như: P, Fe, Al,.. Sau khi đi qua chu trình, vật chất ít bị thất Sau khi đi qua chu trình, vật chất thất thoát thoát nhiều do lắng đọng Vận động nhanh, không gây mất cân bằng Vận động chậm chạp, thường gây mất cân cục bộ. bằng cục bộ. 2. Một số chu trình sinh - địa – hoá a. Chu trình nước Hiện nay có 2 chu trình nước diễn ra chính trong vòng tuần hoàn. Cụ thể: 16
Trang 17
Chu kỳ tuyệt vời của nước: Nó tồn tại ở đại dương, khi bốc hơi theo không khí theo gió mang tới các lục địa. Sau đó tạo thành các cơn mưa rơi xuống có thể là tuyết, mưa dạng lỏng và nước sẽ về biển. Đại dương sẽ thông qua các mạch nước ngầm tạo thành chu trình mạch nước ngầm. Chu kỳ nhỏ của nước: Quy trình này là một phần nước của đại dương khi nước bốc hơi lên trên bầu khí quyển. Cuối cùng tạo thành mưa và rơi xuống bên dưới đại dương. Thực vật lấy nước từ đất qua hệ rễ, rồi dẫn truyền lên thân, đến lá và thoát ra ngoài (97-99% lượng nước lấy vào), phần còn lại làm nguyên liệu đồng hóa chất hữu cơ và dẫn truyền các chất trong cây. Sự tăng trưởng của thực vật tỉ lệ thuận với cường độ thoát hơi nước và sự sự thoát hơi nước được xem là chiến lược sống tồn tại của thực vật (đặc biệt là thực vật trên cạn). Con người và những động vật khác đều cần nước cho sự sống, lượng nước – hay độ ẩm quyết định độ đa dạng của hệ sinh thái trên trái đất. Trên hành tinh nước tồn tại ở 3 dạng: lỏng, rắn và khí. Dưới tác động của nhiệt, nước chuyển dạng cho nhau và vận động, tạo nên chu trình nước hay còn gọi là chu trình nhiệt-ẩm toàn cầu. Đại dương đóng vai trò là cổ máy điều hòa chu trình nước, góp phần điều hòa khí hậu toàn cầu. Tuy nhiên, trên trái đất, lượng nước phân bố không đồng đều theo cả không gian và thời gian do các quá trình động lực của khí quyển. nhiều vùng nhiều tháng không có nước, nhưng nhiều nơi nhiều tháng lại quá nhiều nước. nhiều nơi có nước, con người không thể sử dụng được do nước ô nhiễm. Hiện nay, toàn cầu đang lâm vào tình trạng khủng hoảng sinh thái về nước, nhất là đối với nước sạch cho sinh hoạt của con người. Tiết kiệm sử dụng và bảo vệ sự trong sạch của nước là chiến lược sống còn cho sự phát triển của nền văn minh nhân loại. b. Chu trình Carbon dioxide (CO2) 17
Trang 18
Hình 7: Chu trình Carbon Carbon là nguyên tố quan trọng tham gia cấu tạo nên cơ thể sinh vật, chiếm đến 60% khối lượng khô. Carbon tồn tại trong khí quyển ở 2 dạng vô cơ và hữu cơ, kể cả chất chứa trong cơ thể sinh vật. Nguồn CO2 trong khí quyển chiếm tỉ lệ rất ít so với Oxygen và Nitrogen, chiếm khoảng 0,03% thể tích. CO2 là sản phẩm của quá trình hô hấp, sự cháy các chất hữu cơ, nhưng là nguồn sống cho thực vật. Lượng CO2 trong khí quyển thường không ổn định, dao động theo mùa liên quan đến mùa sinh dưỡng của thực vật toàn cầu, mùa sử dụng nguyên liệu hóa thạch của con người và sự trao đổi theo mùa của khí quyển và đại dương. Những tài liệu của Schlesinger (1977) về các dòng CO2 vận động trong sinh quyển và cán cân bằng CO2 được ghi nhận như sau: Lượng phát thải = Sự trao đổi trong chu trình CO2 Nhiên liệu hóa thạch + Phá rừng trên cạn = Gia tăng trong khí quyển+ Đại dương tiếp nhận + Bể tiếp nhận chưa xác định. 18
Trang 19
Đại dương có thể hấp thu 33% lượng khí CO2 từ đốt nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu phần trên bề mặt nước- một bể chứa CO2 khổng lồ. Đất rừng ôn đới bắc bán cầu là bể chứa CO2 lớn nhất trong các khu sinh học trên cạn (có thể lên đến 50%) Rừng nhiệt đới Trung và Nam Mỹ có sự gia tăng sinh khối trung bình hàng năm là 1 tấn/ha/năm, tương đương với 0,62 tấn CO2/ha/năm, nên thảm thực vật ở đây đã thu hồi 40% lượng CO2 khí quyển. (theo Phillips và cộng sự-1998). Sự gia tăng khí CO2 hiện nay diễn ra nhanh chóng chủ yếu do các hoạt động của con người, gây nên hiện tượng ô nhiễm không khí, đồng thời tạo nên hiệu ứng nhà kính. c. Chu trình Nitrogen (N2) N2 chiếm gần 80% thể tích khí quyển, được gọi là một khí trơ, song đóng vai trò quan trọng cho đời sống của sinh vật và trở thành yếu tố giới hạn đối với sự phát triển của chúng. Chu trinh vận đọng của nguyên tố Nitrogen được thể hiện qua sơ đồ bên dưới. Khởi đầu cho chu trình là nitrate (NO- ) và amoni (NH- ) được thực vật, tảo (sinh vật sản xuất) 3 4 hấp thu tạo thành các amino acid và các chất hưu cơ khác, cấu tạo nên tế bào và cơ thể thực vật, đồng thời làm nguồn thức ăn cho sinh vật khác. Thông qua các bậc dinh dưỡng trong chuỗi thức ăn, N dược trả lại môi trường dưới dạng hữu cơ trong xác sinh vật, hoặc dạng NH3 (chất thải của động vật)…. Các vi sinh vật sẽ khoáng hóa để chuyển N trong các chất hữu cơ thành dạng vô cơ: NH , NO- 4 , NO- hay N trả lại môi trường khí quyển và khép kín chu trình. 2 3 2 Một số giai đoạn chuyển hóa trong chu trình: - Cố định Nitrogen (Nitrofixation) Quá trình này được thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật. Chúng lấy năng lượng từ ngoài (từ các chất hữu cơ) cùng sự có mặt của các enzyme nitrogenase và hydrogenase. Nhờ các enzyme đã làm giảm năng lượng hoạt hóa cho việc bẻ gãy các liên kết ba rất bền trong phân tử N2. Phương trình tổng quát của quá trình cố định Nitrogen: Vi sinh vật có khả năng cố định Nitrogen gồm 2 nhóm chính là: Loại sống cộng sinh (phần lớn là vi khuẩn lam, vi khuẩn, một số ít là nấm) và loại sống tự do (chủ yếu là vi khuẩn). 19
Trang 20
Vi khuẩn cố định đạm, như Rhizobium trong rễ cây họ đậu và Frankia sống cộng sinh với cây bắp cải, sử dụng enzyme nitrogenase để chuyển đổi khí nitơ (N2) trong không khí thành amoniac (NH3). - Quá trình amon hóa (amonification) hay khoáng hóa (mineralization): Chuyển đổi nitơ hữu cơ từ xác sinh vật thành Amoni (𝑁𝐻+), nhờ hoạt động của vi khuẩn amôn hóa: 4 Nitrogen gen trong chất hữu cơ (xác sinh vật chết) → 𝑁𝐻+ 4 Hay R-NH → 𝑁𝐻+ 2 4 - Quá trình Nitrate hóa Quá trình nitrat hóa là một phần quan trọng của chu trình nitơ trong tự nhiên, gồm hai bước chính: + Oxy hóa Amoni (𝑁𝐻+): Đây là bước đầu tiên, trong đó vi khuẩn nitrat hóa 4 như Nitrosomonas chuyển đổi NH + thành nitrit (NO -). Phản ứng này được mô tả bởi phương 4 2 trình: + Chuyển đổi Amoniac thành Nitrit (NO -): Quá trình này tiếp tục với việc nitrit (NO -) được 2 2 oxy hóa thành nitrat (NO -) bởi vi khuẩn như Nitrobacter. Phản ứng hóa học cụ thể như sau: 3 Quá trình này có ý nghĩa rất lớn trong hệ sinh thái và nông nghiệp, giúp chuyển hóa các dạng nitơ độc hại thành dạng dễ hấp thụ cho cây trồng. 20
Showing the first 20 pages. Download the document to see it all.
Comments (0)
No comments yet. Be the first!