Trang 1
TRẠI HÈ PHƯƠNG NAM LẦN THỨ VIII CHUYÊN ĐỀ SINH THÁI HỌC Thực hiện: Nhóm giáo viên Sinh học trường THPT Chuyên Bảo Lộc
Trang 2
LỜI MỞ ĐẦU Sinh thái học là một phần nội dung quan trọng trong chương trình sinh học trung học phổ thông cũng như trong các đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế. Thấy được tầm quan trọng này chúng tôi biên soạn chuyên đề bỗi dưỡng học sinh giỏi Sinh thái học. Chuyên đề bao gồm 2 phần: Phần 1 là các kiến thức lí thuyết về sinh thái học cá thể, quần thể, quần xã và hệ sinh thái; Phần 2 là các bài tập vận dụng. Phần 2, bài tập vận dụng chúng tôi chủ yếu sưu tầm từ các đề thi học sinh giỏi quốc gia, quốc tế trong những năm gần đây và tham khảo trong các sách bồi dưỡng học sinh giỏi hiện có. Trong thời gian ngắn, gấp rút có thể có những sai sót, cũng như một số bài tập chưa kịp trích dẫn nguồn tham khảo chúng tôi mong nhận được góp ý của quý thầy cô để chuyên đề hoàn thiện hơn. Và rất hi vọng chuyên đề này là nguồn tài liệu tham bảo bổ ích cho các em học sinh, cũng như các giáo viên dạy bồi dưỡng học sinh giỏi sinh học cấp trung học phổ thông.
Trang 3
MỤC LỤC PHẦN MỘT. TÓM TẮT LÝ THUYẾT ............................................................................ 1 CHƯƠNG I. QUẦN XÃ SINH VẬT................................................................................. 1 I. QUẦN XÃ SINH VẬT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ1 1. Khái niệm............................................................................................................ 1 2. Các đặc trưng cơ bản của quần xã....................................................................... 1 II. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ.................................... 3 1. Quan hệ hỗ trợ..................................................................................................... 3 2. Quan hệ đối kháng .............................................................................................. 4 III. SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT.................................................. 8 1. Sự nhiễu loạn....................................................................................................... 8 2. Diễn thế sinh thái ................................................................................................ 9 CHƯƠNG II. HỆ SINH THÁI ...................................................................................... 14 I. KHÁI NIỆM.......................................................................................................... 14 1. Khái niệm.......................................................................................................... 14 2. Các kiểu hệ sinh thái chủ yếu trên Trái Đất...................................................... 15 II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI .............................................................................................................. 16 1. Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn........................................................................... 16 2. Bậc dinh dưỡng................................................................................................. 16 3. Tháp sinh thái.................................................................................................... 17 4. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái.................................................................. 20 5. Năng suất sinh học ............................................................................................ 20 PHẦN HAI. BÀI TẬP VẬN DỤNG............................................................................... 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 61
Trang 4
1 PHẦN MỘT. TÓM TẮT LÝ THUYẾT CHƯƠNG I. QUẦN XÃ SINH VẬT I. QUẦN XÃ SINH VẬT VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ 1. Khái niệm - Quần xã sinh vật là một tập hợp các quần thể sinh vật thuộc nhiều loài khác nhau, cùng sống trong một không gian và thời gian nhất định. - Cácsinhvậttrongquầnxãcóquanhệgắnbóvớinhauvàvớimôitrườngsống củachúng thành một thể thống nhất. Do vậy, quần xã có cấu trúc tương đối ổn định. Các sinh vật trong quần xã thích nghi với môi trường sống của chúng 2. Các đặc trưng cơ bản của quần xã a) Đặc trưng về thành phần loài * Độ đa dạng của quần xã: - Độ đa dạng được thể hiện qua sự phong phú về số lượng loài và số lượng cá thể của mỗi loài trong quần xã. - Độ đa dạng chịu ảnh hưởng của nhân tố sinh thái vô sinh và hữu sinh - Độ đa dạng loài của quần xã gồm 2 thành phần: độ giàu loài (số lượng các loài khác nhau trong quần xã) và độ phong phú tương đối của mỗi loài (tỷ lệ cá thể của mỗi loài trên tổng số các cá thể của các loài có trong quần xã) Công thức tính độ đa dạng: Chỉ số độ đa dạng Shannon ! = −(&!'(&! + &"'(&" + &#'(&# + ⋯) A, B, C: Các loài trong quần xã p: Độ phong phú tương đối của mỗi loài (Số cá thể mỗi loài/tổng số cá thể trong quần xã) * Các loài trong quần xã - Loài ưu thế là loài có số lượng lớn trong quần xã hoặc có sinh khối cao nhất. Loài ưu thế có ảnh hưởng mạnh tới các nhân tố sinh thái của môi trường. Do đó, ảnh hưởng mạnh đến sự tồn tại và phân bố của các loài khác.
Trang 5
2 Ví dụ: Cây thích ngọt – một loài cây chiếm ưu thế trong nhiều quần xã rừng miền Đông Bắc Mỹ, có ảnh hưởng chủ yếu tới các nhân tố vô sinh như che bóng và đất, từ đó ảnh hưởng tới các loài khác sống xung quanh. - Nguyên nhân một loài có thể trở thành loài ưu thế: Loài ưu thế cạnh tranh thắng trong môi trường có nguồn sống giới hạn Loài ưu thế là loài tránh được vật ăn thịt và tránh được bệnh tật Loài có sinh khối lớn trong môi trường mới đến gọi là loài xâm lấn (loài ngoại lai). Chúng từ nơi khác đến, vượt ra khỏi vùng phân bố tự nhiên của chúng. Những loài như vậy có thể sẽ không phải đối đầu với các loài ăn thịt trong tự nhiên và các tác nhân gây bệnh ở môi trường mới, khiến sự sinh trưởng của chúng không bị khống chế như trong môi trường ban đầu của chúng - Loài chủ chốt có vai trò kiểm soát và khống chế hoạt động của các loài khác trong quần xã. Loài chủ chốt không nhất thiết phải có số lượng lớn cá thể. Loài chủ chốt kiểm soát cấu trúc quần xã nhờ vai trò sinh thái chủ chốt của nó (Lưu ý: Loài chủ chốt có thể là một hoặc một vài loài khác nhau) - Loài ngẫu nhiên là loài có tần số xuất hiện và độ phong phú trong quần xã thấp. - Loài thứ yếu là loài đóng vai trò thay thế cho loài ưu thế khi loài ưu thế bị suy vong - Loài đặc trưng là loài chỉ có ở quần xã xác định hoặc là loài có số lượng nhiều hơn hẳn và có vai trò quan trọng so với các loài khác trong quần xã (trường hợp này có thể là loài ưu thế) - Loài cơ sở là loài làm thay đổi môi trường vật lý một cách mạnh mẽ ở quy mô lớn thông qua tập tính hoặc do thu nhận sinh khối từ môi trường. Những ảnh hưởng của loài cơ sở tới các loài khác có thể là dương tính hoặc âm tính, phụ thuộc vào nhu cầu của loài khác b) Phân bố trong không gian của quần xã - Phân bố cá thể trong không gian của quần xã phụ thuộc vào nhu cầu sống của từng loài. Sự phân bố cá thể trong tự nhiên có xu hướng làm giảm bớt mức độ cạnh tranh giữa các loài và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn sống từ môi trường.
Trang 6
3 - Quần xã phân bố theo chiều thẳng đứng, hoặc phân bố theo chiều ngang trên mặt đất. Quần xã phân bố theo chiều ngang phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, địa hình của khu vực phân bố. - Quần xã gồm nhiều nhóm sinh vật có các chức năng dinh dưỡng khác nhau: Nhóm sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ (VD: cây xanh,…) Nhóm sinh vật dị dưỡng gồm sinh vật tiêu thụ (động vật ăn sinh vật tự dưỡng và động vật ăn động vật) và sinh vật phân giải chất hữu cơ thành chất vô cơ c) Mối quan hệ giữa số lượng loài và số lượng cá thể của loài - Khi số lượng loài tăng lên thì số lượng cá thể của mỗi loài phải giảm đi - Khi đi từ cực đến xích đạo (vĩ độ cao đến vĩ độ thấp), hay từ vùng biển khơi vào bờ, số lượng loài tăng nhưng số lượng cá thể của mỗi loài lại giảm và ngược lại - Khi đi từ mặt đất lên các đỉnh núi hoặc đi từ mặt đại dương xuống đáy sâu, số lượng loài và số lượng cá thể mỗi loài đều giảm do điều kiện môi trường càng trở nên khắc nghiệt với đời sống các loài II. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ 1. Quan hệ hỗ trợ - Quan hệ cộng sinh: là quan hệ hợp tác chặt chẽ (bắt buộc) và tất cả các loài tham gia cộng sinh đều có lợi. Một số đặc điểm: + Tất cả các cá thể đều có lợi + Các cá thể cộng sinh thường ở với nhau trong hầu hết quá trình sống + Cộng sinh đôi khi kéo theo sự tiến hóa các đặc điểm thích nghi của cả 2 loài, sự thay đổi của một loài có thể liên quan tới khả năng sống sót và sinh sản của loài khác Ví dụ: Hầu hết cây có hoa có các đặc điểm thích nghi như có mật hoa hoặc quả hấp dẫn động vật đến thụ phấn và phát tán cho cây. Đến lượt mình nhiều động vật có đặc điểm thích nghi giúp chúng tìm và hút mật. - Quan hệ hợp tác là quan hệ giữa hai hay nhiều loài, sự hợp tác mang lại cho mỗi bên những lợi ích cần thiết. Khác với cộng sinh, quan hệ hợp tác không phải là quan hệ chặt
Trang 7
4 chẽ và không nhất thiết phải có (không bắt buộc) (dễ hình dung là giống với sự hợp tác giữa con người với người, không bắt buộc). - Quan hệ hội sinh là quan hệ hợp tác trong đó một loài có lợi còn loài kia không có lợi nhưng cũng không có hạigì(kiểugiúpbạnnhặt cáitẩy,cáibút).Có2hiện tượng hội sinh phổ biến: + Hiện tượng ở nhờ Nhiều loài động vật không xương sống sống nhờ trong các hang của động vật gặm nhấm, trong tổ kiến, tổ mối... trong hang, chúng được bảo vệ và tránh được điều kiện khí hậu bất lợi. Các loài gặm nhấm, kiến, mối cũng không bị hại gì. + Hiện tượng phát tán nhờ thường gặp ở các loài động vật nhỏ phát tán tới nơi ở mới nhờ các động vật có kích thước lớn hơn hoặc có khả năng di chuyển mạnh Ví dụ: Mọt bột không có khả năng tự di chuyển xa nơi ở, tuy nhiên nhờ có chùm lòng và giác bám bám vào cơ thể côn trùng và chuột nhà nên chúng được phát tán đi xa. 2. Quan hệ đối kháng a) Quan hệ cạnh tranh và sự phân ly ổ sinh thái - Quan hệ cạnh tranh khác loài xuất hiện khi các cá thể khác loài tranh giành nhau nguồn sống và tất cả các loài đều bị ảnh hưởng bất lợi, hạn chế sự tăng trưởng và tỷ lệ sống sót của chúng. - Quan hệ cạnh tranh không loại trừ không có loài nào hoàn toàn thắng thế mà tất cả các loài đều bị bất lợi như nhau. - Quan hệ cạnh tranh loại trừ xuất hiện khi một loài sử dụng nguồn sống hiệu quả hơn dẫn tới sinh sản nhanh hơn và có thể khiến loại trừ loài cạnh tranh kém hơn. Quan hệ cạnh tranh loại trừ sẽ có loài thắng thế (bị hại ít hơn) còn loài khác bị thua (bị hại nặng hơn). Lưu ý: Hãy nhớ là trong quá trình cạnh tranh, loài thắng thế cũng ít nhiều bị hại. - Tổng cộng các nguồn sống vô sinh và hữu sinh trong môi trường được loài sử dụng gọi là ổ sinh thái của loài đó. Ổ sinh thái miêu tả “cách sống” của loài (miêu tả cách một loài phản ứng lại với sự phân bố của tài nguyên và đối thủ cạnh tranh và thay đổi ngược lại chính những yếu tố đó).
Trang 8
5 Hai loài không thể cùng tồn tại lâu dài trong quần xã nếu chúng có ổ sinh thái giống hệt nhau. Các loài tương tự nhau về mặt sinh thái vẫn có thể cùng tồn tại trong quần xã nếu có một số khác biệt rõ rệt trong các ổ sinh thái của chúng. Cạnh tranh giữa các loài có ổ sinh thái giống hệt nhau mà không dẫn đến sự tuyệt chủng một loài nào thì đó là do trong số các loài cạnh tranh đã có loài có sự thay đổi ổ sinh thái. Sự phân ly ổ sinh thái cho phép các loài tương tự nhau cùng tồn tại và làm giảm sự cạnh tranh giữa chúng trong quần xã. - Ổ sinh thái cơ sở là tiềm năng loài đó có thể chiếm cứ. Ổ sinh thái thực tế chỉ là một phần của ổ sinh thái cơ sở mà loài thực sự chiếm giữ trong một môi trường nhất định. - Trong một số trường hợp, giữa các quần thể cách ly địa lý của các loài khác nhau nhưng có quan hệ họ hàng gần gũi có nhiều đặc điểm hình thái tương tự nhau và các sinh vật sử dụng cùng loại nguồn sống. Ngược lại, khi không có sự cách ly địa lý (có vùng phân bố trùng nhau), các quần thể này luôn cạnh tranh nhau giành nguồn sống dẫn tới sự khác biệt về hình thái và khác biệt về sử dụng nguồn sống. - Xu hướng các tính trạng phân hóa mạnh hơn ở các quần thể khác loài cùng sống trong một khu vực địa lý so với khi cách ly địa lý được gọi là sự thay thế tính trạng, qua đó giúp giảm sự cạnh tranh b) Quan hệ vật ăn thịt và con mồi (động vật ăn động vật) - Một loài là động vật thường xuyên giết chết và ăn thịt một loài khác - Ăn và tránh bị ăn thịt là điều kiện để có được sự thành đạt sinh sản. Do vậy, cả vật ăn thịt và con mồi đều có chiều hướng tiến hóa theo hướng giúp đạt hiệu quả cao hơn trong sinh sản. - Một số đặc điểm thích nghi ở động vật ăn thịt để tìm kiếm thức ăn: Hầu hết vật ăn thịt đều có các giác quan nhạy bén giúp chúng định vị và nhận biết con mồi Có vuốt nhọn, răng, nọc độc, vòi chích,..giúp bắt và hạ gục con mồi Nhiều đặc điểm thích nghi làm con mồi khó phát hiện ra chúng trong môi trường - Một số đặc điểm thích nghi ở con mồi để tránh bị ăn thịt:
Trang 9
6 + Tập tính ẩn náu, lẩn trốn và sống thành bầy đàn. Phát ra tiếng động cảnh báo, qua đó cả đàn hợp sức tấn công lại vật ăn thịt hoặc chạy trốn + Màu sắc ngụy trang (màu sắc lẫn với môi trường) khiến chúng khó bị kẻ thù phát hiện. + Các con vật tự vệ nhờ chất độc thường có màu sắc cảnh báo sặc sỡ. Màu sắc sặc sỡ là đặc điểm thích nghi hiệu quả vì có bằng chứng cho thấy vật ăn thịt đặc biệt thận trọng khi bắt các con mồi có màu sắc sặc sỡ + Tự vệ bằng cách bắt trước hình dạng của loài khác. Trong kiểu bắt trước Batesian, một loài ăn được hoặc vô hại bắt trước hình dạng của loài không ăn được hoặc loài có hại. + Trong kiểu bắt trước Mullerian, hai hoặc nhiều loài không ăn được (ăn không ngon hoặc độc) trông rất giống nhau. Mỗi loài đều cùng có lợi vì không ăn được nên vật ăn thịt sẽ nhanh chóng thích nghi nhằm tránh các con mồi có hình dạng đặc biệt như vậy. c) Quan hệ động vật ăn thực vật và thực vật - Động vật là loài được lợi, ăn các bộ phận của thực vật và tảo - Một số đặc điểm thích nghi ở động vật ăn thực vật để tìm kiếm thức ăn: + Một số loài côn trùng có cơ quan nhận biết hóa chất ở chân giúp phân biệt được thực vật độc hoặc không độc, giàu dinh dưỡng hay nghèo dinh dưỡng + Một số thú có giác quan kiểm tra mùi vị của thực vật, phân biệt thực vật có thể ăn và không thể ăn. + Có răng và hệ tiêu hóa chuyên biệt thích nghi với tiêu hóa thực vật. - Một số đặåc điểm thích nghi ở thực vật để tránh bị ăn: Tiết các chất độc hoặc cây có gai. d) Một số quan hệ cạnh tranh khác - Quan hệ ức chế - cảm nhiễm là quan hệ giữa hai hay nhiều loài, trong đó loài này (vô tình) ức chế sự sinh trưởng, phát triển của loài kia bằng nhiều cách.
Trang 10
7 Ví dụ: Một loài trong quá trình sống đã vô tình gây hại cho các loài khác vì đã tiết vào môi trường chất độc ảnh hưởng tới loài ở xung quanh - Quan hệ kí sinh - vật chủ là quan hệ của một loài sống nhờ trên cơ thể của loài khác, lấy các chất nuôi sống cơ thể từ loài đó. Sinh vật kí sinh không giết ngay sinh vật chủ mà gây bệnh, lấy chất dinh dưỡng từ sinh vật chủ làm nó yếu dần. + Sinh vật kí sinh không có đời sống tự do mà chuyên hóa hẹp và phụ thuộc vào đời sống của sinh vật chủ + Sinh vật nửa kí sinh có khả năng tự dưỡng nhưng không tổng hợp đủ chất dinh dưỡng nuôi cơ thể, chúng sống nhờ vật chủ + Sinh vật kí sinh hoàn toàn hoàn toàn lấy dinh dưỡng từ vật chủ, không có khả năng tự dưỡng e) Hiện tượng khống chế sinh học và kiểm soát sinh học Hai mô hình phổ biến của tổ chức quần xã (mô hình quần xã) là: Mô hình từ dưới lên và mô hình từ trên xuống. - Mô hình quần xã tổ chức theo kiểu từ dưới lên cho rằng ảnh hưởng là một chiều từ bậc dinh dưỡng bên dưới tới bậc dinh dưỡng cao hơn. 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. Dinh dưỡng trong đất sẽ khống chế số lượng thực vật; thực vật khống chế số lượng động vật ăn cỏ; động vật ăn cỏ khống chế số lượng động vật ăn thịt. Ảnh hưởng thường là liên tục dương (+) hoặc liên tục âm (-). Ví dụ: Bón thêm dinh dưỡng khoáng 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 thêm hoặc loại bỏ động vật ăn thịt ra khỏi quần xã có mô hình từ dưới lên thì sẽ ảnh hưởng không đáng kể đến các bậc dinh dưỡng thấp hơn (chỉ ảnh hưởng bậc dinh dưỡng cao hơn nó). - Mô hình quần xã tổ chức theo kiểu từ trên xuống cho rằng 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 ảnh hưởng này là một chiều từ bậc dinh dưỡng cao xuống bậc dinh dưỡng thấp hơn. Mô hình này còn được gọi là mô hình thác dinh dưỡng. Vật
Trang 11
8 ăn thịt khống chế động vật ăn cỏ; động vật ăn cỏ khống chế thực vật; thực vật khống chế lượng chất dinh dưỡng trong đất. Ảnh hưởng thường là luân phiên + và – hoặc – và + 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 (bậc 3), sẽ làm giảm số lượng động vật ăn cỏ, làm tăng số lượng thực vật và làm giảm nồng độ các chất dinh dưỡng khoáng. Tuy nhiên, nếu thêm hoặc bớt sinh khối ở bậc dinh dưỡng thấp sẽ không ảnh hưởng đến bậc dinh dưỡng cao hơn nó (chỉ ảnh hưởng đến bậc dinh dưỡng thấp hơn nó). Lưu ý: Để có thể xác định sinh khối của các bậc dinh dưỡng khi tác động thì cần phải xác định xem quần xã này tuân theo mô hình từ trên xuống hay từ dưới lên - Khống chế sinh học là hiện tượng số lượng cá thể của một loài bị khống chế ở một mức nhất định, không tăng quá cao hoặc giảm quá thấp do tác động của các mối quan hệ hỗ trợ hoặc đối kháng giữa các loài trong quần xã. - Kiểm soát sinh học là biện pháp sử dụng các sinh vật để khống chế sự phát triển về số lượng của các sinh vật khác và thường áp dụng mô hình từ trên xuống Ví dụ: Ở các hồ nước có 3 bậc dinh dưỡng, khi loại bỏ cá trong hồ có thể cải thiện được chất lượng nước hồ, do việc đó làm cho số lượng của động vật phù du tăng lên, từ đó làm giảm quần thể tảo. III. SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT 1. Sự nhiễu loạn - Nhiễu loạn là sự kiện như bão tố, hỏa hoạn, ngập lụt, hạn hán,...làm thay đổi một quần xã bằng cách loại bỏ các sinh vật (cá thể bị chết) khỏi quần xã hoặc làm thay đổi nguồn sống của quần xã. - Các kiểu nhiễu loạn, tần số của chúng và mức độ khắc nghiệt của nhiễu loạn thay đổi ở mỗi quần xã. - Giả thuyết nhiễu loạn ở mức trung bình cho rằng mức độ nhiễu loạn ở mức trung bình có thể tạo ra các điều kiện thúc đẩy độ đa dạng loài tăng cao hơn so với tác động của nhiễu loạn ở mức cao hoặc thấp.
Trang 12
9 Hình 1. Chỉ số cường độ nhiễu loạn - Nhiễu loạn ở mức độ cao làm giảm độ đa dạng loài do tạo ra sự căng thẳng về môi trường, vượt quá sức chịu đựng của nhiều loài. Nhiễu loạn ở mức độ cao sẽ làm cho những loài sinh trưởng chậm hoặc di chuyển, phát tán chậm bị tuyệt chủng. - Nhiễu loạn ở mức độ thấp làm giảm độ đa dạng loài do sự cạnh tranh quá mạnh của loài ưu thế ngăn cản sự phát triển của các loài cạnh tranh kém hơn (do ít nhiễu loạn nên môi trường ít thay đổi, loài ưu thế sẽ phát triển tốt) - Nhiễu loạn ở mức trung bình có thể làm tăng đa dạng loài do tạo ra chỗ ở cho các loài cạnh tranh kém hơn. Nhiễu loạn ở mức độ trung bình hiếm khi tạo ra các điều kiện quá khắc nghiệt, vượt quá khả năng chịu đựng hoặc vượt quá khả năng phục hồi của các loài trong quần xã 2. Diễn thế sinh thái - Diễn thế sinh thái là quá trình biến đổi tuần tự của quần xã qua các giai đoạn, tương ứngvớisựbiếnđổicủamôitrường.Trongquátrìnhdiễnthế,songsong với quá trình biến đổi quần xã là quá trình biến đổi về điều kiện tự nhiên của môi trường như khí hậu, thổ nhưỡng,... - Quá trình diễn thế phát triển từ quần xã nghèo nàn, có độ đa dạng thấp sang quần xã phát triển, có độ đa dạng cao gọi là diễn thế đi nên và ngược lại gọi là diễn thế suy thoái - Có 2 loại diễn thế sinh thái: Diễn thế nguyên sinh và diễn thế thứ sinh
Trang 13
10 + Diễn thế nguyên sinh Hình 2. Các giai đoạn của diễn thế sinh thái * Diễn thế nguyên sinh: là diễn thế khởi đầu từ môi trường gần như không có sự sống. Gồm: + Giai đoạn khởi đầu: Các sinh vật đầu tiên phát tán tới hình thành nên quần xã mới + Giai đoạn giữa: Các quần xã sinh vật biến đổi tuần tự, thay thế lẫn nhau + Giai đoạn cuối: Hình thành quần xã tương đối ổn định (quần xã đỉnh cực) Thường thì dạng sống đầu tiên xuất hiện trong diễn thế nguyên sinh là các sinh vật nhân sơ tự dưỡng hoặc dị dưỡng và nguyên sinh vật. Địa y và rêu nảy mầm từ bào tử do gió đưa tới là những sinh vật quang hợp có kích thước lớn tới định cư. Đất dần được hình thành khi đá chịu tác động của thời tiết và các chất hữu cơ tích tụ từ xác của những sinh vật tới định cư đầu tiên. Khi đã có đất, một số loài cây có khả năng sinh trưởng nhanh và kích thước lớn hơn như cỏ, cây bụi, cây gỗ tới định cư thay thế địa y và rêu. Hạt của các cây này được gió hoặc động vật đem từ các vùng xung quanh tới. Cuối cùng, quần xã hình thành với thảm thực vật phát triển. * Diễn thế thứ sinh: là diễn thế xuất hiện ở môi trường đã có một quần xã sinh vật từng sống, nhưng quần xã đó đã bị hủy diệt do những thay đổi của tự nhiên hoặc do hoạt động của con người. Quần xã mới được hình thành, thay thế quần xã bị hủy diệt.
Trang 14
11 Diễn thế thứ sinh cũng là biến đổi tuần tự của một dãy các quần xã nối tiếp, trong điều kiện thuận lợi, diễn thế thứ sinh có thể dẫn đến một quần xã ổn định, tuy nhiên chỉ ở trạng thái không đỉnh cực – trạng thái quần xã ổn định nhưng có độ đa dạng thấp hơn - Các giai đoạn của diễn thế thứ sinh: + Giai đoạn khởi đầu: Quần xã sinh vật bị hủy diệt + Giai đoạn giữa: Các quần xã biến đổi tuần tự, thay thế lẫn nhau + Giai đoạn cuối: Trong điều kiện thuận lợi, hình thành quần xã sinh vật tương đối ổn định. Trong điều kiện không thuận lợi, hình thành quần xã sinh vật suy thoái - Cơ sở của diễn thế sinh thái là sự tương tác của các thành phần trong nội bộ quần xã (nguyên nhân bên trong) với vai trò quan trọng của loài ưu thế và sự tương tác giữa quần xã với ngoại cảnh (nguyên nhân bên ngoài) + Nguyên nhân bên trong: Sự cạnh tranh gay gắt giữa các loài trong quần xã. Loài ưu thế đóng vai trò quan trọng nhất trong diễn thế. Hoạt động mạnh mẽ của loài ưu thế sẽ làm thay đổi điều kiện sống, tạo cơ hội cho nhóm loài khác có khả năng cạnh tranh cao hơn trở thành loài ưu thế mới + Nguyên nhân bên ngoài: Sự thay đổi môi trường vật lí, khí hậu, thường gây nên những biến đổi sâu sắc về cấu trúc của quần xã. Mưa bão, lũ lụt, hạn hán, núi lửa... là các yếu tố sinh thái ngoại cảnh gây chết hàng loạt các loài sinh vật. Ở vùng bị huỷ diệt, quần xã sinh vật mới dần hình thành và phát triển. _ Sự tác động của ngoại cảnh lên quần xã gây sự đào thải những loài kém thích ứng, duy trì những loài sinh vật thích nghi với điều kiện sống mới. Cứ như vậy, quần xã biến đổi từ dạng này sang dạng khác, hình thành nên quần xã ổn định. - Quần xã cũng tác động ngược trở lại làm thay đổi ngoại cảnh Ví dụ: trong quần xã, hoạt động của giun đất làm cho đất thêm thoáng khí, nhờ đó mà quá trình phân giải hữu cơ của nhiều loài sinh vật đất được thuận lợi, tạo điều kiện cho các loài thực vật phát triển. Hoạt động trồng cây gây rừng góp phần làm thay đổi môi trường tự nhiên, độ che phủ của rừng tăng cao, đất rừng thêm màu mỡ và độ ẩm ướt là điều kiện thuận lợi cho nhiều loài sinh vật phát triển. - Các nhân tố địa lý sinh học ảnh hưởng tới đa dạng sinh học của quần xã.
Trang 15
12 * Thay đổi theo vĩ độ - Qua quá trình tiến hóa, sự đa dạng loài tăng ở những quần xã có nhiều sự kiện hình thành loài. Quần xã nhiệt đới già hơn quần xã ôn đới và quần xã vùng cực nên ở vùng nhiệt đới có độ đa dạng loài cao hơn. Ngoài ra, quần xã vùng cực và ôn đới đã phải “bắt đầu lại” nhiều lần do kỳ băng hà làm hủy diệt các quần xã - Ở các quần xã trên cạn, hai nhân tố khí hậu liên quan tới đa dạng sinh học là năng lượng mặt trời và lượng nước sẵn có, cả hai yếu tố đó đều tương đối caoở vùng nhiệt đới.Mức độ bốc hơi nước và thoát hơi nước cũng liên quan tới độ đa dạng của, hai yếu tố này cũng cao nhất ở vùng nhiệt đới * Ảnh hưởng của diện tích - Nếu tất cả các nhân tố khác là tương đương nhau thì quần xã càng có diện tích địa lý lớn thì càng có nhiều loài sinh sống. - Diện tích lớn nên có nhiều nguồn sống, nhiều nơi ở giúp cho các sinh vật có thể tồn tại và phát triển. - Diện tích giúp giảm mối quan hệ cạnh tranh cùng loài và tăng sự hỗ trợ cùng loài. Giúp phân ly ổ sinh thái, nhiều loài có thể cùng tồn tại, tăng sự đa dạng. Hình 3. Các kiểu khí hậu, đai áp và kiểu gió theo vĩ độ - Từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao: Cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm giảm dần. - Đới nóng (nhiệt đới):
Trang 16
13 + Quanh năm có góc chiếu ánh sáng mặt trời lớn. + Thời gian chiếu sáng trong năm chênh nhau ít. + Lượng nhiệt hấp thụ được tương đối nhiều nên quanh năm nóng + Gió tín phong (mậu dịch) thổi thường xuyên + Lượng mưa trung bình: 1000mm – 2000mm - Hai đới ôn hòa (ôn đới): + Lượng nhiệt, ánh sáng nhận được ít hơn vùng nhiệt đới + Các mùa thể hiện rõ ràng trong năm + Gió tây ôn đới thổi thường xuyên + Lượng mưa trung bình: 500 – 1000mm - Hai đới lạnh (hàn đới): + Khí hậu lạnh, băng tuyết quanh năm + Gió đông cực thổi thường xuyên + Lượng mưa trung bình: 500mm - Các đai khí áp nằm xen kẽ nhau kể từ xích đạo có đai khí áp thấp, gió thổi từ đai khí áp cao đến đai khí áp thấp - Gió Tây ôn đới thổi từ vĩ độ 30o đến 60o ở cả hai bán cầu. Gió thổi theo hướng Tây (từ Tây sang Đông). Gió ẩm, mang mưa nhiều - Gió Mậu dịch thổi từ 30o về xích đạo ở cả hai bán cầu. Gió thổi theo hướng Đông (từ Đông sang Tây). Gió khô, mang ít mưa - Gió Đông cực thổi từ vĩ độ 90o đến 60o ở cả hai bán cầu. Gió thổi theo hướng Đông (từ Đông sang Tây). Gió lạnh, khô - Nhiệt độ càng cao, không khí càng chứa được nhiều hơi nước. Khi không khí đạt bão hòa hơi nước sẽ tạo thành mưa. Gió Mậu dịch thổi từ các đai khí áp cao ở hai chí tuyến về phía đai khí áp thấp Xích đạo (hướng Đông Bắc ở bán cầu Bắc và Đông Nam ở bán cầu Nam). Gió Mậu dịch di chuyển tới các vùng có nhiệt độ cao hơn, nên không khí chứa được nhiều hơi nước, lâu đạt trạng thái bão hòa. Gió Tây ôn đới xuất phát từ các đai khí áp cao chí tuyến thổi về phía đai khí áp thấp ôn đới (ở bán cầu Bắc hướng Tây nam, ở bán cầu Nam hướng Tây bắc). Như vậy, gió Tây ôn đới thổi về vùng có khí hậu
Trang 17
14 lạnh hơn, sức chứa hơi nước giảm theo nhiệt độ, hơi nước trong không khí nhanh chóng đạt tới độ bão hòa, vì thế gió Tây ôn đới luôn ẩm ướt và gây mưa. Lưu ý: “Đảo” ở phần này chỉ một khoảng đất được bao quanh bởi một môi trường không thuận lợi cho các loài sinh sống ở khu đất đó. Hình 4. Số lượng loài trên đảo - Hai yếu tố quyết định số lượng loài trên các đảo là tỷ lệ các loài mới nhập cư lên đảo và tỷ lệ loài bị tuyệt chủng trên đảo. Khi số lượng loài trên đảo tăng, tỷ lệ nhập cư của các loài mới đến đảo giảm (khó giành nguồn sống nên nhập cư đến chết luôn). Đảo càng nhiều loài thì cạnh tranh giành nguồn sống càng mạnh mẽ nên mức độ tuyệt chủng càng cao. - Các đảo nhỏ có tỷ lệ nhập cư thấp vì các đảo nhỏ sẽ có ít khả năng hứng được các sinh vật phát tán tới đảo. Tỷ lệ tuyệt chủng cao hơn đảo lớn do có ít nguồn sống và môi trường không đa dạng nên khó phù hợp với các loài mới nhập cư. - Hai đảo có diện tích tương đương. Đảo nào gần đất liền hơn sẽ có tỷ lệ cá thể nhập cư lớn hơn và tỷ lệ tuyệt chủng thấp hơn (do mấy con cùng loài từ đất liền đến đảo nên không bị tuyệt chủng) các đảo xa đất liền. CHƯƠNG II. HỆ SINH THÁI I. KHÁI NIỆM 1. Khái niệm a) Hệ sinh thái:
Trang 18
15 - Hệ sinh thái bao gồm quần xã sinh vật và sinh cảnh (môi trường vô sinh của quần xã). Các sinh vật trong quần xã luôn tác động lẫn nhau và tác động qua lại với các thành phần vô sinh của sinh cảnh. Hệ sinh thái là một hệ thống mở và tự điều chỉnh, tồn tại dựa vào nguồn vật chất và năng lượng từ môi trường. Hoạt động của hệ sinh thái tuân theo các quy luật như bảo toàn năng lượng, bảo toàn vật chất,… - Thành phần cấu trúc của hệ sinh thái gồm: + Thành phần vô sinh là môi trường vật lý (sinh cảnh) + Thành phần hữu sinh là quần xã sinh vật: • Sinh vật sản xuất: Là những sinh vật tự dưỡng, có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để tổng hợp nên các chất hữu cơ • Sinh vật sản xuất chủ yếu là là thực vật, một số vi sinh vật quang hợp,… • Sinh vật tiêu thụ: Là những sinh vật dị dưỡng, gồm các động vật ăn thực vật và động vật ăn động vật • Sinh vật phân giải: Là những sinh vật dị dưỡng nhưng chúng sử dụng xác chết làm nguồn dinh dưỡng, phân giải xác chết của sinh vật thành các chất vô cơ của môi trường - Một hệ sinh thái luôn có sự trao đổi vật chất và năng lượng với các hệ sinh thái khác. + Bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ nơi này sang nơi khác, chuyển đổi từ dạng này sang dạy khác + Bảo toàn khối lượng: Giống bảo toàn năng lượng 2. Các kiểu hệ sinh thái chủ yếu trên Trái Đất * Các hệ sinh thái tự nhiên - Hệ sinh thái tự nhiên trên cạn - Hệ sinh thái tự nhiên dưới nước + Hệ sinh thái nước mặn + Hệ sinh thái nước ngọt + Hệ sinh thái dưới nước theo cấu trúc thẳng đứng + Hệ sinh thái dưới nước theo cấu trúc nước chảy (VD: Suối) * Các hệ sinh thái nhân tạo
Trang 19
16 - Hệ sinh thái nhân tạo rất đa dạng về kích cỡ và cấu trúc. Nhiều hệ sinh thái nhân tạo có kích thước lớn, sau một thời gian dài phát triển mang nhiều đặc điểm giống với hệ sinh thái tự nhiên. - Hệ sinh thái nhân tạo có số loài hạn chế, độ đa dạng thấp do con người chủ động lựa chọn loài ưu thế phục vụ mục đích sử dụng của con người Do đó, hệ sinh thái nhân tạo thường không ổn định. - Ngoài nguồn năng lượng sử dụng giống như các hệ sinh thái tự nhiên, để duy trì hệ sinh thái và có hiệu quả sử dụng cao, người ta còn bổ sung thêm một nguồn vật chất và năng lượng, thực hiện các biện pháp cải tạo hệ sinh thái II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI 1. Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn a) Chuỗi thức ăn: - Chuỗi thức ăn thể hiện mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài trong quần xã. Mỗi loại là một mắt xích của chuỗi. Một mắt xích vừa có nguồn thức ăn là mắt xích phía trước, vừa là nguồn thức ăn của mắt xích phía sau. - Có 2 loại chuỗi thức ăn: + Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật tự dưỡng. Ví dụ: Cây cải " Sâu " Chim sâu " Diều hâu. + Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật phân giải chất hữu cơ Ví dụ: Chất hữu cơ " Giun đất " Ếch đồng " Rắn. b) Lưới thức ăn: là tập hợp các chuỗi thức ăn, trong đó một loài có thể tham gia đồng thời vào nhiều chuỗi thức ăn khác nhau. 2. Bậc dinh dưỡng - Sinh vật sản xuất (bậc dinh dưỡng cấp 1) là các sinh vật tự dưỡng có khả năng tổng hợp và tích lũy các chất hữu cơ từ chất vô cơ và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời. - Sinh vật tiêu thụ gồm nhiều bậc dinh dưỡng khác nhau: + Sinh vật tiêu thụ cấp 1 (bậc dinh dưỡng cấp 2) gồm các động vật ăn sinh vật sản xuất ( Ví dụ: thực vật). + Sinh vật tiêu thụ cấp 2 (bậc dinh dưỡng cấp 3) gồm các động vật ăn sinh vật tiêu
Trang 20
17 thụ cấp 1. + Sinh vật tiêu thụ cấp 3 (bậc dinh dưỡng cấp 4) gồm các động vật ăn sinh vật tiêu thụ cấp 2. Cứ tương tự như trên có thể xác định các sinh vật tiêu thụ cấp cao hơn. Bậc cuối cùng gọi là bậc dinh dưỡng cấp cao nhất Tùy thuộc vào nguồn thức ăn mà một loài động vật có thể sử dụng một hoặc vài mắt xích thức ăn khác nhau. Ví dụ: Chim sẻ vừa ăn hạt vừa ăn côn trùng nên là sinh vật tiêu thụ cấp 1 và cấp 2. - Sinh vật phân giải là dạng sinh vật tiêu thụ nhận năng lượng từ những chất hữu cơ không sống (VD: xác chết, phân,…). Sinh vật phân giải giúp tái sinh các nguyên tố hóa học theo chu trinh từ sinh vật tiêu thụ quay trở lại sinh vật sản xuất. Chúng biến đổi chất hữu cơ từ tất cả các bậc dinh dưỡng thành chất vô cơ, được sinh vật sản xuất sử dụng. Không có quá trình phân giải, tất cả sự sống sẽ ngừng lại do xác chết sinh vật chất thành động và thành phần hóa hóa để tổng hợp các chất hữu cơ mới sẽ cạn kiệt. Trong môi trường ấm áp, độ ẩm cao sinh vật phân giải chất hữu cơ thường sinh trưởng nhanh và quá trình phân giải diễn ra nhanh hơn. Quá trình phân giải trong đất diễn ra chậm hơn trong điều kiện quá khô đối với sinh vật phân giải hoặc quá ướt làm hạn chế quá trình hấp thụ oxy của chúng hoặc các hệ sinh thái có nhiệt độ quá lạnh và ẩm ướt. 3. Tháp sinh thái a) Tháp số lượng - Tháp số lượng được xây dựng dựa trên số lượng cá thể sinh vật ở mỗi bậc dinh dưỡng. - Những bậc dinh dưỡng cao thường có số lượng cá thể ít hơn bậc dinh dưỡng thấp là do động vật có kích thước nhỏ thường có mức sinh cao hơn động vật có kích thước lớn. Hình 5. Tháp số lượng
评论 (0)
暂无评论。快来抢沙发吧！