Cơ chế hoạt động của hệ sinh thái

Hệ sinh thái là hệ thống các quần thể sinh vật và thành phần của môi trường sống bao quanh trong một quan hệ chặt chẽ và tương tác với nhau.

Trong hệ sinh thái có 2 loại nhân tố: nhân tố vô sinh (nhân tố phi sinh học) và nhân tố hữu sinh (nhân tố sinh học). Nhân tố phi sinh học bao gồm nhân tố vật lý và nhân tố hóa học của môi trường sống. Nhân tố sinh học chính là các cơ thể sống trong hệ sinh thái như: động - thực vật và con người.

Hệ sinh thái xét về cấu trúc có 4 thành phần cơ bản: các yếu tố môi trường, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ và sinh vật phân hủy.

- Sinh vật sản xuất là thực vật và các vi khuẩn có khả năng tự tổng hợp chất dinh dưỡng từ các chất vô cơ và ánh sáng mặt trời (sinh vật tự dưỡng).

- Sinh vật tiêu thụ (sinh vật dị dưỡng) lấy chất dinh dưỡng từ sinh vật sản xuất thông qua tiêu hóa thức ăn.

+ Sinh vật tiêu thụ bậc 1: động vật ăn cỏ. Sinh vật tiêu thụ bậc 2: là động vật ăn thịt bậc 1. Sinh vật tiêu thụ bậc 3 là động vật ăn thịt bậc 2,...

- Sinh vật phân hủy: bao gồm các vi khuẩn và nấm có chức năng phân hủy xác chết và ăn thức ăn thừa, chuyển chúng thành các yếu tố môi trường.

Giữa các thành phần trên luôn có sự trao đổi về vật chất, năng lượng và thông tin. Quan hệ dinh dưỡng giữa các thành phần trên trong hệ sinh thái được thực hiện thông qua chuỗi thức ăn. Chuỗi thức ăn là dòng chuyển động của vật chất và năng lượng của hệ sinh thái, bắt đầu ở thực vật và kết thúc ở sinh vật tiêu thụ bậc cao và sinh vật phân hủy. Có 2 loại chuỗi thức ăn: chuỗi thức ăn thực vật và chuỗi thức ăn phân hủy. Tập hợp các chuỗi thức ăn cùng tồn tại trong một hệ sinh thái tạo thành mạng lưới thức ăn. Trong một mạng lưới thức ăn một sinh vật có thể giữ các vị trí dinh dưỡng khác nhau trong chuỗi thức ăn khác nhau.

* Cân bằng Hệ sinh thái: là một trạng thái mà ở đó số lượng của các quần thể ở trạng thái ổn định, hướng tới sự thích nghi cao nhất với điều kiện môi trường.

Hệ sinh thái tự cân bằng nhờ vào cơ chế điều hòa mật độ trong quần thể và khống chế sinh học giữa các quần thể. Sự điều hòa mật độ trong một quần thể là sự thống nhất mối liên quan giữa tỷ lệ sinh sản và tỷ lệ tử vong, nhờ đó mà tốc độ sinh trưởng của quần thể được điều chỉnh. Mặt khác số lượng cá thể của một quần thể bị số lượng cá thể của quần thể khác kìm hãm. Vì vậy mà số lượng cá thể trong quần thể luôn ở trạng thái thích hợp với môi trường. Đồng thời số lượng quần thể luôn dao động trong một thế cân bằng, từ đó toàn bộ quần xã sinh vật cũng dao động trong thế cân bằng tạo nên trạng thái cân bằng trong quần xã.

Hệ sinh thái có khả năng tự duy trì và tự điều chỉnh để giữ nguyên tính ổn định của mình. Hệ sinh thái tự nhiên tự điều chỉnh các thành phần của nó thông qua chuỗi thức ăn và dòng thông tin liên tục giữa các thành phần. Nhờ vậy, hệ sinh thái tự nhiên thường không bao giờ vượt ngưỡng, trong khi các hệ nhân tạo đều có thể vượt ngưỡng của nó.

Hệ sinh thái tự duy trì và tự điều chỉnh tính ổn định của nó thông qua 3 cơ chế: điều chỉnh tốc độ dòng năng lượng đi qua hệ; điều chỉnh tốc độ chuyển hóa vật chất bên trong hệ và điều chỉnh bằng tính đa dạng sinh học của hệ. Tốc độ dòng năng lượng trong hệ sinh thái được điều chỉnh bằng việc tăng hoặc giảm sự quang hợp và tiêu thụ thức ăn. Tốc độ chuyển hóa vật chất trong hệ sinh thái được điều chỉnh bằng tốc độ phân hủy xác động thực vật, tốc độ của vòng tuần hoàn sinh địa hóa. Điều này có thể chứng minh bằng sự phân hủy nhanh xác động thực vật ở trong rừng nhiệt đới, so với tốc độ phân hủy chậm ở khu đất trồng cùng điều kiện khí hậu. Tính đa dạng của hệ sinh thái đảm bảo cho việc nếu có một loài phát triển không bình thường thì một loài khác sẽ thay thế hoặc hạn chế loài ban đầu. Nhờ các cơ chế trên, các hệ sinh thái tự nhiên duy trì tính ổn định trong suốt quá trình lâu dài trước các thay đổi của môi trường và tự nhiên.

Thật vậy, trên các cánh đồng cỏ, chuột thường xuyên bị rắn, chó sói, cáo, chim ưng, cú mèo,... săn bắt. Bình thường, số lượng chim, trăn, thú, chuột cân bằng với nhau. Khi con người tìm cách săn bắt rắn và chim thì chuột bị mất thiên địch và là cơ hội tốt để chúng sinh sôi nảy nở. Điều này con người chúng ta cần phải hiểu rõ các hệ sinh thái và cân nhắc kỹ trước khi tác động lên một thành phần nào đó của hệ, để không gây suy thoái, mất cân bằng cho hệ sinh thái.

3.5. Dòng năng lượng và năng suất sinh học của hệ sinh thái

Các HST ở cạn tồn tại và phát triển chủ yếu nhờ nguồn năng lượng vô tận của Mặt Trời. Sự biến đổi của năng lượng Mặt Trời thành hoá năng trong quá trình quang hợp là điểm khởi đầu của dòng năng lượng trong các HST. Bức xạ Mặt Trời gồm gần như toàn bộ các bước sóng ngắn và 98% là các bước sóng từ 0,15 - 3,0 m (1m =

10^-6cm). Dải sóng này bao gồm một phần của phổ nhìn thấy được (0,4 - 0,7 m) và trên thực tế, độ phát xạ Mặt Trời cực đại vào khoảng 0,5 m. Một mặt khác, bề mặt Trái Đất hoạt động như một nguồn chiếm ưu thế của năng lượng sóng dài và đa số bức xạ được phát xạ trong dãy từ 4,0 - 5,0 m. Khi bức xạ Mặt Trời tới Mặt Đất, được Mặt Đất hấp thụ một phần còn một phần bị phản xạ trở lại khí quyển ở dạng bức xạ sóng ngắn và được định lượng bằng chỉ số Albedo. Chỉ số này được tính bằng % phần bức xạ được phản xạ vào khí quyển so với tổng bức xạ tới mặt Đất.

Bảng 9: Sự phát tán năng lượng bức xạ Mặt Trời (%) trong sinh quyển

Có thể nói, thực vật là sinh vật duy nhất có khả năng "đánh cắp lửa Mặt Trời" để làm nên những kỳ tích trên Trái Đất: Nguồn thức ăn ban đầu và dưỡng khí (O₂). Đây là những điều kiện tối cần thiết cho sự ra đời và phát triển hưng thịnh của mọi sự sống, trong đó có con người. Tuy nhiên, khi đi qua HST năng lượng Mặt Trời phải qua một trong ba quá trình: Nó có thể đi qua HST bởi chuỗi thức ăn; nó có thể tích luỹ trong HST dưới dạng năng lượng hoá học, trong nguyên liệu động vật và thực vật; Nó có thể đi khỏi HST ở dạng nhiệt hoặc sản phẩm thu hoạch, sản phẩm nguyên liệu.

Một vấn đề đặt ra là năng lượng Mặt Trời sẽ như thế nào khi đi qua HST. Nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng năng lượng sẽ giảm dần từ bậc dinh dưỡng này đến bậc dinh dưỡng kế tiếp. Điều đó xảy ra do 2 nguyên nhân: Năng lượng mất đi giữa các bậc dinh dưỡng và năng lượng mất đi trong mỗi bậc dinh dưỡng.

Thực vật trừ một số rất ít các cây được gieo trồng trong điều kiện tối ưu có thể chuyển hoá bức xạ Mặt Trời thành dạng hoá năng đạt 5 - 7 %, còn tuyệt đại bộ phận các HST nói chung và HST nông nghiệp nói riêng chỉ có thể chuyển hoá được 1% năng lượng Mặt Trời. Ước tính cụ thể hiệu quả trung bình của sản xuất Thế giới trên quy mô lớn chỉ đạt 0,5% mà trong số này mất 0,25% sử dụng cho quá trình chuyển hoá và tăng trưởng, cộng với sự thoái hoá nhiệt. Phần hữu hiệu cho sản xuất chỉ còn 0,025%. (Hình 15) minh hoạ các mức năng lượng qua một HST mà bức xạ Mặt Trời chuyển đổi thành hoá năng ở cây xanh, tính trong trường hợp bình quân 0,5%.

Hình 14. Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái theo kcal/m²/ngày

Qua hình 14 cho thấy, từ 14.400 kcal bức xạ Mặt Trời cung cấp cho HST, qua các phân đoạn của chuỗi thức ăn, cuối cùng đến động vật ăn thịt chỉ còn tích luỹ được 0,15 kcal (xấp xỉ 0,0001 năng lượng bức xạ ban đầu). Như vậy, khác với vật chất, năng lượng được biến đổi và chuyển vận theo dòng qua chuỗi thức ăn rồi thoát ra khỏi hệ dưới dạng nhiệt. Do vậy, năng lượng chỉ được sử dụng một lần trong khi vật chất lại được sử dụng lặp đi lặp lại.

* Năng suất sinh học của hệ sinh thái

Năng suất sinh học của hệ sinh thái là khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời hoặc năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu thành sinh khối. Năng suất sinh học gồm năng suất sơ cấp thô và năng suất sơ cấp tinh.

Năng suất sơ cấp thô là năng lượng MT được thực vật quang hợp chuyển hóa thành các chất hữu cơ chứa trong cơ thể và năng lượng để duy trì cuộc sống.

Năng suất sơ cấp tinh là năng lượng mặt trời đã được thực vật tổng hợp và chứa trong các chất hữu cơ.

3.6. Chu trình tuần hoàn sinh địa hoá