Tài liệu Bài giảng sinh thái biển và ven bờ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI - VIỆN NGHIÊN CỨU THỦY LỰC DELFT BÀI GIẢNG SINH THÁI BIỂN VÀ VEN BỜ Soạn thảo : PGS. TS. Lê Đình Thành Trợ giúp : TS. Jeroen Wijsman, TS. Mindert de Vries -1- MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU.................................................................................................................................... 5 PHẦN I.................................................................................................................................................... 6 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SINH THÁI................................................................................................. 6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SINH THÁI HỌC.................................................................................... 7 1.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 7 1.2.1 Định nghĩa ................................................................................................................ 9 1.2.2 Các thuật ngữ ............................................................................................................ 9 1.3 CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG .................................................................................. 14 1.3.1 Môi trường là gì?..................................................................................................... 14 1.3.2 Địa chất và đất đai................................................................................................... 15 1.3.3. Khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm) ...................................................................... 17 1.3.4 Chất dinh dưỡng...................................................................................................... 18 1.4 NƠI SỐNG..................................................................................................................... 20 1.4.1. Sinh thái học cá thể ................................................................................................ 20 1.4.2 Quan hệ giữa các điều kiện môi truờng và sự phân bố các loài.............................. 20 1.4.3 Tổ sinh thái............................................................................................................. 21 1.4.4 Môi trường sống...................................................................................................... 21 1.5 SỰ THÍCH NGHI .......................................................................................................... 22 1.6 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ....................................................................................... 22 Chương 2 QUẦN THỂ VÀ QUẦN XÃ................................................................................................ 24 2.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUẦN THỂ .................................................................................... 24 2.1.1 Sinh sản, nhập cư, diệt vong, di cư ......................................................................... 24 2.1.2 Sinh trưởng quần thể ............................................................................................... 25 2.2 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC LOÀI .......................................................................... 32 2.2.1 Sự thỏa hiệp (trung lập)........................................................................................... 32 2.2.3 Tính cạnh tranh....................................................................................................... 32 2.2.4 Hỗ sinh ................................................................................................................... 32 2.2.5 Hội sinh .................................................................................................................. 32 2.2.6 Amensalism............................................................................................................. 32 2.2.7 Ký sinh ................................................................................................................... 32 2.2.8 Sự ăn thịt ................................................................................................................. 33 2.2.9 Quan hệ giữa vật ăn thịt - con mồi và biến động quần thể..................................... 33 2.3 BẬC DINH DƯỠNG ..................................................................................................... 35 2.3.1 Các sinh vật tự dưỡng (quang dưỡng và hoá dưỡng) ............................................. 35 2.3.2 Các sinh vật dị dưỡng.............................................................................................. 35 2.3.3 Các sinh vật phân huỷ ............................................................................................ 35 2.3.4 Các động vật ăn cỏ và ăn thịt ................................................................................. 36 2.3.5 Các động vật ăn tạp ................................................................................................. 36 2.3.6 Chuỗi thức ăn/Lưới thức ăn ................................................................................... 36 2.4 QUẦN XÃ...................................................................................................................... 41 2.4.1 Định nghĩa về quần xã............................................................................................. 41 2.4.2 Đa dạng loài và sự ổn định...................................................................................... 42 2.4.3 Hệ sinh thái và quần xã ........................................................................................... 43 2.4.4 Diễn thế của quần xã ............................................................................................... 44 2.5 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ....................................................................................... 46 PHẦN 2 SINH THÁI BIỂN VÀ VEN BỜ ........................................................................................... 47 Chương 3 MÔI TRƯỜNG BIỂN ......................................................................................... 48 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................................... 48 3.1.1 Biển và đại dương (ocean) ...................................................................................... 48 -2- 3.2 CÁC ĐẶC TRƯNG VÔ SINH CỦA NƯỚC BIỂN...................................................... 60 3.2.1 Bức xạ mặt trời (Solar radirion ) ............................................................................. 60 3.2.2 Nhiệt độ (Temperature)........................................................................................... 65 3.2.3 Độ mặn (Salinity) .................................................................................................... 70 3.2.4 Khối lượng riêng nước biển (Density) .................................................................... 72 3.3 CÂU HỎI THẢO LUẬN ........................................................................................... 74 Chương 4 THỰC VẬT PHÙ DU VÀ NĂNG SUẤT SƠ CẤP ............................................................ 75 4.1 SỰ PHÂN LOẠI ............................................................................................................ 75 4.1.1 Thực vật phù du (phytoplankton) là gì? .................................................................. 75 4.1.2 Các ví dụ về thực vật phù du và các đặc trưng của chúng ...................................... 75 4.1.3 Thực vật phù du khác: ............................................................................................. 79 4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP MẪU.................................................................... 80 4.3 SẢN PHẨM SƠ CẤP ................................................................................................... 82 4.3.1 Quang hợp ............................................................................................................... 82 4.3.2 Sản phẩm sơ cấp...................................................................................................... 84 4.4.3 Đo đạc năng suất sơ cấp .......................................................................................... 85 4.3.4 Đường cong P-I và năng suất sơ cấp trong mối QH với dinh dưỡng và ánh sáng.. 87 4.3.5 Năng suất thực vật phù du toàn cầu ........................................................................ 92 4.4 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ........................................................................................ 95 Chương 5 ĐỘNG VẬT PHÙ DU.......................................................................................................... 96 5.1. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI .................................................................................... 96 5.1.1 Động vật phù du là gì? ............................................................................................ 96 5.1.2 Một số thí dụ về loài và các đặc tính của chúng .................................................... 96 5.1.3 Phù du hoàn toàn và phù du từng giai đoạn .......................................................... 100 5.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP MẪU ................................................................ 106 5.3 PHÂN BỐ THEO ĐỘNG VẬT PHÙ DU THEO CHIỀU SÂU ................................ 107 5.3.1 Phân bố theo chiều sâu .......................................................................................... 107 5.3.2 Sự di cư theo chiều thẳng đứng............................................................................. 110 5.4 THAY ĐỔI KIỂU THEO THỜI GIAN..................................................................... 112 5.5 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................... 114 Chương 6 SINH VẬT TRÔI NỔI ....................................................................................................... 115 6.1 PHÂN LOẠI................................................................................................................. 115 6.1.1 Khái niệm về sinh vật trôi nổi (nekton)................................................................. 115 6.1.2 Giáp xác (Crustacea) ............................................................................................. 117 6.1.3 Động vật chân đầu (Cephalopoda) ........................................................................ 118 6.1.4 Bò sát (Reptiles) .................................................................................................. 119 6.1.5 Động vật có vú (Mammals)................................................................................... 121 Hình 6-4 So sánh kích thước của cá voi sừng hàm và cá voi có răng................................ 123 6.1.6 Chim biển (seabirds) ........................................................................................... 123 6.1.7 Cá (fish)............................................................................................................... 125 6.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP MẪU................................................................. 127 6.3 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................... 128 Chương 7 SINH VẬT ĐÁY............................................................................................... 129 7.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI ................................................................................... 129 7.1.1 Thực vật đáy (Benthic plants) .............................................................................. 129 7.1.2 Động vật đáy (Benthic Animals).......................................................................... 131 7.2 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP MẪU........................................................................... 138 a)- Các phép đo năng suất cơ bản của thực vật đáy ....................................................... 140 b)- Lấy mẫu và phép đo sản xuất của động vật đáy ....................................................... 140 7.3 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ..................................................................................... 141 Chương 8 DÒNG NĂNG LƯỢNG VÀ CHU TRÌNH KHOÁNG CHẤT ......................................... 142 -3- 8.1 MẠNG LƯỚI THỨC ĂN ............................................................................................ 142 8.1.1 Mạng thức ăn vi khuẩn......................................................................................... 142 8.2 CÁC CHU TRÌNH KHOÁNG CHẤT (C, N, P) ......................................................... 148 8.2.1 Chu trình Cac bon (Carbon cycle)........................................................................ 148 8.2.2 Chu trình Nitơ (Nitrogen cycle) .......................................................................... 150 8.2.3 Chu trình Phốt pho (Phosphorus cycle)................................................................ 153 8.2.4 Phú dưỡng (Eutrophication) ................................................................................ 155 8.3 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................... 157 CHƯƠNG 9 CÁC QUẦN XÃ SINH VẬT ĐÁY ............................................................................... 158 9.1 MÔI TRƯỜNG VÙNG TRIỀU................................................................................... 158 9.1.1 Thủy triều và vùng triều (Tides and intertidal zone)............................................. 158 9.1.2 Áp lực do các điều kiện dao động (nhiệt độ, độ mặn, động vật săn mồi) ............. 160 9.1.3 Sự thích nghi của các sinh vật ............................................................................... 160 9.2 CÁC VÙNG CỬA SÔNG (ESTUARIES) .................................................................. 163 9.2.1 Áp lực do dao động độ muối (fluctuations in salinity) ........................................ 163 9.2.2 Nước lợ và sự đa dạng các loài (Brackish water and species diversity) ............. 166 9.3 CÁC RẠN SAN HÔ (CORAL REEFS) ...................................................................... 167 9.3.1 Sự phân bố của các rạn san hô. ............................................................................ 169 9.3.2 Các yếu tố làm hạn chế sự phát triển của rạn...................................................... 170 9.3.3 Cấu trúc của san hô ............................................................................................... 171 9.3.4 Các rạn san hô và sự đa dạng loài ........................................................................ 171 9.3.5 Tầm quan trọng của rạn san hô đối với vấn đề bảo vệ bờ biển........................... 173 9.3.6 Hiện tượng san hô chết trắng ............................................................................... 174 9.4. ĐẦM LẦY NGẬP MẶN (MANGROVE SWAMPS) .............................................. 177 9.4.1 Sinh vật học các rừng ngập mặn .......................................................................... 177 9.4.2 Khả năng chịu mặn............................................................................................... 178 9.4.3 Phân bố của cây ngập mặn ................................................................................... 179 9.4.4 Tầm quan trọng của các vùng cây ngập mặn (bảo vệ bờ, đa dạng loài) ............. 180 9.5 BIỂN SÂU (DEEP SEA) ............................................................................................. 181 9.5.1 Hoang mạc của đại dương: thức ăn hạn chế và sinh khối thấp ............................ 181 9.5.2 Tính đa dạng sinh học cao..................................................................................... 184 9.5.3 Các dòng nước nóng và các dòng chảy lạnh ........................................................ 186 9.5.5 Cỏ biển (Sea Grass).............................................................................................. 188 9.6 CÂU HỎI VÀ THẢO LUẬN ...................................................................................... 190 Chương 10 TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI..................................................................................... 191 10.1. TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI ĐẾN CÁC HỆ SINH THÁI NƯỚC ................... 191 10.2. TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƯỜI ĐẾN VÙNG CỬA SÔNG VÀ VEN BIỂN........ 191 10.3. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC HOẠT ĐỘNG CON NGƯỜI ĐẾN SINH THÁI BIỂN 196 10.3.1 Ô nhiễm biển (Marine Pollution) ........................................................................ 196 Các chất độc hại .................................................................................................................................. 197 10.3.2 Sự khai thác quá mức .......................................................................................... 201 10.4 BẢO TỒN BIỂN VÀ HỆ SINH THÁI BIỂN............................................................ 202 10.4.1. Đối với vùng bờ biển.......................................................................................... 202 10.4.2. Bảo vệ sinh thái biển .......................................................................................... 203 10.5 CÁC HỆ SINH THÁI VÀ MÔI TRƯỜNG VEN BIỂN ĐIỂN HÌNH Ở VN ........... 204 10.5.1 Biển Việt Nam..................................................................................................... 204 10.5.2 Tài nguyên biển Việt Nam .................................................................................. 205 10.5.3 Những hệ sinh thái và khu vực môi trường ven biển điển hình .......................... 206 10.5.4 Những vấn đề thực tế về môi trường và sinh thái ven biển Việt Nam............... 207 10.6 CÂU HỎI THẢO LUẬN ........................................................................................... 209 -4- LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu bài giảng sinh thái biển và ven bờ được soạn thảo này là một phần của dự án "Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thuỷ lợi". Sinh thái biển và ven bờ là một trong những môn học mới trong chương trình đào tạo của ngành này và nó sẽ được giới thiệu cho sinh viên ngành Quản lý vùng bờ biển của Khoa Kỹ thuật bờ biển thuộc Trường Đại học Thuỷ lợi. Mục tiêu của môn học này là cung cấp cho sinh viên ngành Quản lý vùng bờ biển: (i)- Sự hiểu biết kiến thức cơ bản về sinh thái học, (ii)- Kiến thức về chức năng sinh thái của các loài, quần thể, sự tương tác giữa chúng và chức năng của mạng lưới thức ăn, (iii)- Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa hệ sinh vật và các điều kiện môi trường, (iv)- Sự hiểu biết về quá trình sinh thái học liên quan đến vùng bờ biển, (v)- Hiểu biết tầm quan trọng sinh thái học của vùng bờ biển và đầm lầy, (vi)- Hiểu biết để áp dụng những kiến thức về khái niệm sinh thái học bờ biển vào thực tế. Môn học này được chia làm 3 phần. Phần một giải quyết khái niệm cơ bản về sinh thái học. Sinh viên sẽ được giới thiệu khái niệm về các loài, động lực học quần thể và chức năng quần xã. Phần thứ hai tập trung đặc biệt vào sinh thái biển và bờ biển từ môi trường sinh học, thực vật phù du, động vật nổi, mạng lưới thức ăn cho đến cộng đồng các sinh vật đáy. Phần thứ ba dành cho nghiên cứu tham quan thực tế ứng dụng ở Việt Nam có liên quan đến những kiến thức ở phần một và phần hai. -5- PHẦN I : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SINH THÁI -6- Chương 1:TỔNG QUAN VỀ SINH THÁI HỌC 1.1 GIỚI THIỆU Sinh thái học xuất phát từ hai từ tiếng Hy Lạp “oikos” có nghĩa là nhà, nơi mà chúng ta sống và từ “logos” nghĩa là sự hiểu biết. Nói chung, chúng ta có thể định nghĩa sinh thái học là môn khoa học nghiên cứu sự ảnh hưởng của các sinh vật với nhau và với môi trường. Trong định nghĩa này môi trường bao gồm tất cả các thành phần tự nhiên như nước, đất, khí hậu, các sinh vật sống khác và các ảnh hưởng của chúng với nhau. Thông thường, sinh thái học có thể chia thành sinh thái học trên cạn và sinh thái học biển, trong đó: + Sinh thái học trên cạn nghiên cứu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sinh vật và môi trường trên cạn của chúng. + Sinh thái học biển nghiên cứu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sinh vật và môi trường tự nhiên của biển và ven biển. Hình 1.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ qua lại giữa một số yếu tố của môi trường đến một sinh vật. Trong sơ đồ này, sinh vật trung tâm là động vật ăn thịt, nhưng để tổng quát hoá, từ “con mồi” được hiểu là thức ăn cho động vật ăn thịt còn đối với thực vật, “con mồi” có nghĩa là ánh sáng và chất dinh dưỡng. Sơ đồ trên được đơn giản hoá các mối quan hệ hai chiều nhưng trong thực tế, các mối quan hệ sinh thái giữa sinh vật và môi trường là quan hệ đa chiều. -7- Nguồn gốc của sinh thái học bắt đầu từ lịch sử tự nhiên, lâu đời như tuổi của loài người. Những bộ tộc nguyên thuỷ phụ thuộc vào săn bắn, đánh bắt cá và thu lượm thức ăn, họ cần có những hiểu biết chi tiết nơi những con mồi của họ sống ở đâu và xuất hiện vào lúc nào. Sự hình thành nền nông nghiệp đã làm tăng nhu cầu cần thiết nghiên cứu sinh thái học về thực vật và sinh vật nuôi trong nhà. Một định nghĩa chung về “Sinh thái học“ được nhà khoa học người Đức tên là Ernst Haeckel lần đầu tiên sử dụng vào năm 1869. Ông đã mô tả sinh thái học như “khía cạnh bên trong của cuộc sống hữu cơ” và “ là sự hiểu biết về tổng mối quan hệ của các sinh vật với thế giới vật chất bên ngoài đến điều kiện tồn tại vô cơ và hữu cơ”. Charles Elton viết trong cuốn sách của mình vào năm 1972 rằng sinh thái học “ là sự nghiên cứu phản ứng của động vật và thực vật đến môi trường sống và thói quen của chúng”. Năm 1985, Krebs đã định nghĩa sinh thái học là “sự nghiên cứu một cách khoa học mối tương tác lẫn nhau quyết định đến sự phân bố và đa dạng của các sinh vật”. Ngày nay, sinh thái học được hiểu như một trò chơi lắp hình khổng lồ. Ở đây, mỗi một sinh vật này đều có những nhu cầu đòi hỏi cho sự sống mà rất nhiều các cá thể khác trong vùng phối hợp với chúng. Từ đó, hầu hết sự nghiên cứu sinh thái học là trả lời cho những câu hỏi “ Vì sao sinh vật này sống hoặc phát triển ở đây mà không phải ở chỗ khác? Hoặc "Vì sao sinh vật hoặc các loài chúng ta đang nghiên cứu lại sống?”, Môi trường ảnh hưởng như thế nào đến các sinh vật ? ngược lại các sinh vật ảnh hưởng như thế nào tới môi trường của chúng? Trái đất của chúng ta bao gồm khí quyển (không khí), thạch quyển (đất), thuỷ quyển (nước) và sinh quyển (sự sống). Sinh quyển là tổng hợp các vật thể sống liên kết với môi trường của chúng. Cũng có thể coi sinh quyển là toàn bộ hệ sinh thái trên trái đất như vỏ trái đất, nước và không khí mà trong đó sinh vật tồn tại, là tổng của các vật thể sống trên trái đất. Sinh vật học giải quyết các vấn đề của những thực thể sống ở các mức tổng hợp khác nhau, từ nghiên cứu những phân tử sinh vật cho đến nghiên cứu sinh quyển phức tạp. Còn sinh thái học giải quyết cơ bản mối thống nhất ở mức cao hơn như nghiên cứu quần xã, quần thể và hệ sinh thái. -8- Sinh quyển *Hệ sinh thái *Quần xã *Quần thể Hệ thống sinh vật Mức độ tổng hợp tăng Các cơ quan Các mô Các tế bào Các hạt cơ quan dưới tế bào Phân tử 1.2.1 Định nghĩa Loài là một nhóm gồm một hay nhiều quần thể sinh vật sinh sống mà khác biệt về bản chất với tất cả sinh vật khác. Các cá thể của cùng một loài có khả năng sinh sản ra một thế hệ mới khoẻ mạnh. hoặc: Loài là một nhóm các cá thể giống nhau, có xu hướng giao phối và sinh sản ra thế hệ mới khoẻ mạnh. Chúng ta thường thấy loài được mô tả không phải bằng sự khác nhau về khả năng sinh sản (một loài sinh học) mà bởi dạng của chúng (thuộc về mặt cấu trúc giải phẫu). Độ phong phú loài hay đa dạng loài là một phép đo số loài có trong một quần xã. 1.2.2 Các thuật ngữ Sinh quyển bao gồm rất nhiều các loài liên quan nhiều hoặc ít lẫn nhau. Sự phân loại là khoa học phân nhóm các loài khác nhau theo một hệ thống tương tác mà trong đó các mối quan hệ giữa các loài được quan tâm nhiều nhất. Cấp phân loại cao nhất là cấp giới. Sinh quyển bao gồm năm giới. 1. Giới sinh vật ( Monera): là một giới duy nhất bao gồm các sinh vật nhân sơ, chúng có một vách tế bào và thiếu cả màng nhân lẫn dạng đa tế bào. Các nhóm khác thuộc giới Monera bao gồm vi khuẩn lam (sinh vật tự dưỡng) và vi khuẩn thật (sinh vật dị dưỡng). 2. Giới sinh vật nguyên sinh (Protista): là giới sinh vật nhân chuẩn lâu đời nhất, bao gồm các loại nhóm sinh vật nhân chuẩn (đơn bào – thuộc - đa tế bào?), dị dưỡng dinh dưỡng, tự dưỡng dinh dưỡng và cả hai dạng. Có lẽ là định nghĩa chính xác nhất về sinh vật nhân chuẩn không phải là nấm, động vật hoặc thực vật. 3. Giới Nấm (Fungi): Là một sinh vật nhân chuẩn, dị dưỡng, thường là nhóm đa tế bào có các tế bào, có cấu tạo đa hạt nhân bao gồm các tế bào với thành tế bào. Chúng lấy năng lượng từ sự phân huỷ xác chết, sinh vật thối rữa và hấp thụ chất dinh dưỡng từ các sinh vật đó. Một vài nấm là nguyên nhân của bệnh tật (bệnh lan nhiễm men, bệnh gỉ sắt và bệnh than), trong khi những loài nấm khác lại có ích cho việc nướng, ủ hay pha chế như là thức ăn, dược phẩm và các nguồn để tạo ra thuốc kháng sinh. -9- 4. Thực vật (Plantae): Thực vật không có khả năng chuyển động tự do. Chúng là những sinh vật nhân chuẩn đa tế bào mà sản sinh ra năng lượng bởi quá trình quang hợp và có các tế bào xenlulo. Thực vật là nguồn sản sinh oxy, thức ăn và quần áo/vật liệu xây dựng cũng như các loại gia vị, thuốc nhuộm và dược phẩm. 5. Động vật ( Animals) là sinh vật nhân chuẩn dị dưỡng đa tế bào có khả năng chuyển động trong suốt thời gian sống của chúng, chúng có những tế bào thiếu vách ngăn. Động vật cho chúng ta thức ăn, quần áo, chất béo, dầu thơm, có tính gần gũi thân thiện và sức lao động. Loài là một đơn vị phân loại. Tất cả các cá thể của một loài đều có cùng một tên khoa học chung. Nói chung tên này bao gồm hai từ Latin. Thuật ngữ đầu tiên chỉ họ và từ thứ hai chỉ tên loài. Ví dụ, Mytilus edulis (con trai xanh): Mytilus là họ của loài này. - 10 - a- Thực vật Tập hợp ngành (Thực vật) ≈ 275.000 loài Ngành Tracheophyta (Thực vật có mạch) ≈ 235.000 loài Lớp Angiopermae (Thực vật có hoa) ≈ 235.000 loài Bộ Rosales Hoa hồng và các cây tương tự ≈ 18.000 loài Họ Rosaceae ≈ 3.500 loài Chi Rosa ≈ 500 loài Loài Rosa gallica Hoa hồng rêu (More specific: Có nhiều nét riêng biệt; Less specific: ít nét riêng biệt ) Hình 1.2: Sự phân loại của thực vật. Hãy chú ý đến số lượng thực vật trong mỗi cấp phân loại. Tập hợp loài ngành có nhiều loại thực vật hơn so với loài. Hình ảnh này được lấy từ cuốn “Cuộc sống: Sinh vật học” của Purves và nnk, tái bản lần thứ 4 do Sinauer Associates và WH Freeman. - 11 - b- Động vật Tập hợp ngành (Thực vật) ≈ 275.000 loài Ngành Tracheophyta (Thực vật có mạch) ≈ 235.000 loài Lớp Angiopermae (Thực vật có hoa) ≈ 235.000 loài Bộ Rosales Hoa hồng và các cây tương tự ≈ 18.000 loài Họ Rosaceae ≈ 3.500 loài Chi Rosa ≈ 500 loài Loài Rosa gallica Hoa hồng rêu (More specific: Có nhiều nét riêng biệt; Less specific: ít nét riêng biệt ) Hình 1.3 Phân loại một loài động vật. Hãy chú ý đến những điểm giống nhau giữa tập hợp ngành động vật và tập hợp ngành động vật ở trên. Hình ảnh này được lấy từ cuốn - 12 - “Cuộc sống: Sinh vật học” của Purves và nnk, tái bản lần thứ 4 do Associates và WH Freeman. Sinauer - 13 - Cá myxin Kỳ giông Thằn lằn Cá rô Chim bồ câu Chuột Khỉ Lông vũ Lông mao và vú Vuốt hoặc móng Phổi Hàm Hình 1-4: Sự tiến hoá của động vật có xương sống. 1.3 CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG 1.3.1 Môi trường là gì? Nói chung, môi trường được định nghĩa bởi sự kết hợp giữa các điều kiện hiện tại bao quanh ảnh hưởng đến cuộc sống và chức năng của một cá thể hoặc cộng đồng. Môi trường bao gồm môi trường vật lý (môi trường vô sinh) và môi trường hữu sinh. Môi trường vật lý biểu thị các điều kiện tự nhiên như địa chất, thổ nhưỡng, địa hình, khí hậu, thời tiết và thảm họa, rủi ro. Những điều kiện này ảnh hưởng tới môi trường hữu sinh và ảnh hưởng qua lại với nhau. Ví dụ như khí hậu ảnh hưởng tới loại đất. Môi trường hữu sinh là các thành phần sống của môi trường (các sinh vật khác nhau trong hệ sinh thái bao gồm các cá thể của cùng một loài hoặc khác loài). Bản chất của môi trường và các diều kiện của nó rất cần thiết cho sự sống. Thậm chí một hạt cát trên bề mặt của mặt trăng cũng có môi trường riêng. Nó xác định bức xạ nhận được, nhiệt độ, độ ẩm hoặc gió đẩy hạt cát bay đi. Hành tinh Trái đất chịu bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất phụ thuộc vào khoảng cách và chuyển động của nó xung quanh mặt trời. Đặc trưng đặc biệt của Trái đất là do nhiệt độ thay đổi trên bề mặt, nước có thể thay đổi từ thể rắn, lỏng sang thể khí. Nước ở thể lỏng trên bền mặt Trái đất nhờ trọng lực mà chảy từ nơi đất cao đến nơi đất - 14 - trũng. Sự thay đổi trong môi trường của Trái đất chủ yếu được xác định bởi sự biến đổi năng lượng nhận được từ Mặt trời ở những vùng khác nhau và bởi dạng hình học và bản chất của sự hình thành địa chất. Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng cho tất cả các hoạt động sinh học trên trái đất. Cây xanh có thể tập trung năng lượng mặt trời trong sinh khối nhờ quá trình quang hợp. (Hình vẽ 1-5) Ánh sáng Lá Thân Cuống Rễ Rễ Hình 1.5 : Hệ cơ quan chính của thực vật Qua đó, các hoạt động sinh học trên Trái đất bị hạn chế bởi hiệu xuất của quá trình quang hợp và bức xạ tới. Nhưng cường độ của bức xạ cũng quyết định trạng thái của nước, có nghĩa là khi nào và ở đâu quá trình quang hợp xảy ra, sự phân bố bức xạ mặt trời quyết định nước có sẵn ở dạng thể lỏng. Tất cả những điều đề cập trên là những điều kiện môi trường cần thiết cho sự sống trên trái đất. 1.3.2 Địa chất và đất đai Địa chất ở vùng bất kỳ được tạo nên bởi các kiểu dạng đá khác nhau, đây là một quá trình rất lâu dài và phức tạp, được thực hiện bởi sự chuyển động của toàn lục địa được gọi là kiến tạo địa tầng cùng với hoạt động như núi lửa. Địa chất của một vùng có ảnh hưởng đến địa hình của đất. Các thành phần vô cơ của đất có nguồn gốc từ đá bị phong hoá. Các kiểu đá có sẵn trong một vùng có thể tạo ra đất bằng quá trình phong hoá. Đá bị vỡ ra thành nhiều mảnh nhỏ do quá trình phong hoá hoá học. Thông qua quá trình này, cacbon dioxyt hoà tan vào nước mưa tạo ra một axit nhẹ. Loại axit này phản ứng với bề mặt đá. Những quặng khác nhau như hydro cacbon sắt và Magie,... là sản phẩm phong hoá các loại đá. Thông thường sản phẩm phong hoá của đá rất gần vị trí tạo thành chúng, nhưng nhiều trường hợp sản phẩm - 15 - phong hoá bị xói mòn và dịch chuyển do dòng chảy mặt hoặc gió đưa tới nơi khác. Ở vùng nhiệt đới, do vào mùa khô nước mặt bốc hơi, nước ngầm của tầng sâu hơn được rễ cây trồng rút lên và diễn biến của sức chứa nước, nên có sự tập trung khoáng vật và chúng thấm xuống vào mùa mưa. Kết quả của chế độ phong hoá này tạo ra một vật khoáng màu hơi đỏ được gọi là đá ong rất giàu dinh dưỡng và nghèo mùn. Sự phân bố của các loài thực vật thường giống nhau một cách rất rõ nét với sự phân bố của các loài đá chính. Tất cả các loại đất được tạo thành từ các thành phần chính giống nhau. Chúng là những hạt khoáng có kích thước, cấu tạo hoá học khác nhau, và chất hữu cơ ở các giai đoạn phân huỷ khác nhau. Kết cấu khoáng vật của đất phụ thuộc vào loại đá bị phong hoá và bị xói mòn như cát, bùn hoặc sét. Tất cả các loại đất là sự trộn lẫn của các hạt có kích thước khác nhau sắp xếp tăng dần từ đá cuội và hạt lớn rồi đến phù sa nhỏ hơn đến các hạt sét nhỏ. Bảng 1-1 chỉ ra hệ thống phân loại đất toàn cầu của UNESCO trong mối quan hệ với các loài thực vật. Bảng 1: Hệ thống phân loại đất toàn cầu của UNESCO Loại đất Kiều thực vật Nhóm đất chính Đá ong (latosol) Đất phong hóa màu đỏ Rừng nhiệt đới ẩm Margalite (đất nhiệt đới đen) Base rich black Seasonal tropical forest Desert soils Hot dry Desert Chernozem Dry organic black (with Grasslands (steppe) calcite) Chestnut soils Dry organic black or red- Grasslands (prairie) brown Grey-brown podzol (brown Grey-brown mull Deciduous forest earth) Pozol Grey banded mor Boreal conifer forest Peats Organic peat Bog Tundra soil or pozol (if well Organic on mineral base Tundra drained) (with permafrost) Kiểu đất, khí hậu và thực vật có mối liên hệ với nhau. Có vài hệ thống phân loại được sử dụng rộng khắp thế giới. Ở qui mô toàn cầu, khí hậu dường như yếu tố quyết định cấu trúc đất. Đặc điểm quan trọng nhất của khí hậu là sự thay đổi lượng mưa và nhiệt độ. Việt Nam có khoảng 333.000 km2 diện tích tự nhiên, trong đó có khoảng 70% diện tích đồi núi, diện tích bằng phẳng ở Việt Nam phân bố chủ yếu ở đồng bằng Sông Hồng ở vùng miền bắc và đồng bằng Sông Cửu Long ở miền nam. (Diện tích đất tự nhiên của Việt Nam có khoảng 33 triệu ha, trong đó có 22 triệu ha đất phát triển tại chỗ và 11 triệu ha đất bồi tụ). Tỷ lệ đất được sử dụng như sau: 7 triệu ha (chiếm 21%) - Đất nông nghiệp: - Đất lâm nghiệp: 11,8 triệu ha (chiếm 35,7%) - Đất chuyên dụng: 1,4 triệu ha (chiếm 4,2 %) - 16 - - Đất trống, đồi trọc: 13 triệu ha (chiếm 39,1 %) Bên cạnh kiểu dạng địa chất và đất đã nêu ở trên, địa hình còn đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố các sinh vật (ngay cả những thay đổi rất nhỏ về địa hình). Nhiệt độ giảm theo độ cao địa hình có ảnh hưởng đến sự phân bố của các loài sinh vật. Ở những loại đất sét nặng trong rừng, những chỗ thấp trũng trong nền rừng trở thành ngập úng sau mưa lớn và đôi khi làm nước đọng lại, trong khi đó ở bìa và đỉnh các dãy rừng thì lại tương đối khô. Điều này dẫn đến sự phân bố của sinh vật. 1.3.3. Khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm) Nhiệt độ là nhân tố môi trường rất quan trọng. Nó ảnh hưởng đến nhiều nhân tố khác của một trường vô sinh và hữu sinh, đặc biệt như ánh sáng, độ ẩm. Mặt trời là nguồn ánh sáng và nhiệt cho trái đất. Khi năng lượng đi qua bầu khí quyển, khoảng 20-40% năng lượng bị hấp thụ bởi các khí, bụi và hơi nước trong khí quyển. Sự thay đổi của ánh sáng và nhiệt độ theo độ cao rất phức tạp. Ở xích đạo, độ dài ngày, đêm hầu như bằng nhau trong cả năm, còn ở vĩ độ cao hay bắc cực, nam cực thì điều kiện ánh sáng và nhiệt độ từng mùa rất khác biệt và khắc nghiệt. Trong mùa hè mặt trời không bao giờ lặn và tổng không gian chiếu sáng ban ngày trên 24h, cao hơn rất nhiều so với ở vùng nhiệt đới. Tuy nhiên, trong những tháng mùa đông mặt trời rất khó mọc cao hơn đường chân trời và tổng thời gian chiếu sáng rất thấp. Hình1-5: a) Sự biến đổi của nhiệt độ trong những chu kỳ băng giá hơn 400.000 năm trước đây. b) Mô tả sơ lược sự phát triển trong thời kỳ băng giá tại vùng đất hồ Rogers. Chu kì nhiệt độ rất quan trọng với các sinh vật ngủ đông hay hè. Trong sự dao động chu kì nhiệt độ, một số sinh vật cá biệt sẽ bị tác động nhiều nhất bởi sự khắc nghiệt của nóng gắt hoặc lạnh giá. Cả hai điều này đều ảnh hưởng đến nguồn nước: Trong thời gian lạnh vì nước bị đóng băng và không có khả năng sử dụng; còn trong - 17 - thời gian nóng gây hạn hoặc bốc thoát hơi quá mức. Nhân tố khác có thể ảnh hưởng đến cây trồng là thời kỳ sinh trưởng, cây dường như không có khả năng sinh trưởng ở nhiệt độ dưới 00C và sinh trưởng chậm chạp ở nhiệt độ trên điểm đông lạnh. Độ ẩm và mưa cũng là những biến số quan trọng cuả khí hậu đối với sinh vật. 1.3.4 Chất dinh dưỡng Cây trồng cần cung cấp năng lượng để sinh trưởng và tái sinh, chúng cũng cần thu nhận những nguyên tố cấu thành nên chúng. Sự khác nhau cơ bản giữa sự chuyển hoá năng lượng và chuyển hoá dinh dưỡng là mô hình chuyển hoá dinh dưỡng về cơ bản là vòng tròn hoặc là có chu kỳ còn sự chuyển hoá năng lượng về cơ bản là không định hướng. Các nguyên tố cấu thành phần tử mà sinh vật được tạo thành không thể thay đổi trong điều kiện tự nhiên trên trái đất cho nên chúng vẫn giữ nguyên tính chất khi các phần tử chuyển từ mức dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác. Chúng có thể quay vòng và lặp đi lặp lại. Các chu trình cacbon, nitơ và photpho rất quan trọng trong chu trình dinh dưỡng. Chu trình cacbon không phải lúc nào cũng nằm trong chu trình dinh dưỡng bởi vì nó không cần thiết phải có các sinh vật phân hủy. Đó là do sinh vật quang hợp tự dưỡng thu nhận cacbon từ khí quyển dưới dạng cacbon điôxit, trong khi đó các sinh vật thải cacbon trong quá trình hô hấp. Mặc dù Nitơ rất quan trọng đối với cơ thể sống nhưng vẫn không thể định lượng chi tiết về chu kì Nitơ. Cần chú ý rằng sự di chuyển của N trong chu kì năm bị thiếu hụt do N nằm lại trong bầu khí quyển và trong đá. Trong khí quyển chứa khoảng 4.1021g và đá khoảng 2.1023g. Chu trình photpho không tuân theo một chu trình nhất định nào. Cây trồng thu nhận photpho từ đất dưới dạng H2PO4- (pH < 7) hoặc chậm hơn như (HP4-2) (pH > 7). Động vật thu nhận photpho từ cây trồng, nếu chúng là loài ăn cỏ, hoặc từ những động vật khác nếu chúng là loài ăn thịt. Xác phân huỷ trả lại photpho cho đất dạng photpho sắt. Photpho rất kham hiếm ở trong hầu hết các loại đất và nước. Vì vậy, sinh vật chắc chắn mất nhiều thời gian để nhận được nguyên tử photpho. Dinh dưỡng của cây trồng: Không giống như động vật (loại sinh vật thu nhận thức ăn từ những thứ mà nó ăn được), cây trồng thu nhận dinh dưỡng từ đất và môi trường. Cây trồng có khả năng tạo ra tất cả các đại phân tử chất hữu cơ cần thiết bằng cách biến đổi đường mà chúng tạo thành trong quá trình quang hợp có sử dụng ánh sáng mặt trời như nguồn năng lượng. Tuy nhiên, cây trồng hút các khoáng chất thông qua hệ thống rễ để tiêu thụ. Chế độ dinh dưỡng cân bằng Cacbon, hyđrô và ôxy được hút từ đất và là những chất dinh dưỡng đa lượng sơ cấp. Canxy, magiê và lưu huỳnh là dinh dưỡng đa lượng thứ cấp cần ít hơn. Dinh dưỡng vi lượng, cần rất ít và đôi khi độc hại ở khối lượng lớn. Chúng bao gồm: sắt, mangan, đồng, chì, bo và clo. Phân bón hoàn hảo có thể cung cấp cả ba loại dinh dưỡng sơ cấp, thứ cấp và vi lượng. Nhãn hiệu của phân bón sẽ liệt kê các số, chẳng hạn 5-10-5 thể hiện tỷ lệ % trọng lượng của dinh dưỡng đa lượng sơ cấp. - 18 - Vai trò của đất Đất bị phong hoá, đá và mảnh vụn khoáng chất bị phân huỷ hoà lẫn vào không khí và nước. Đất màu mỡ chứa các loại dinh dưỡng ở dạng dễ sử dụng mà cây trồng cần phải có để sinh trưởng. Rễ cây hoạt động như những công nhân mỏ di chuyển trong đất và mang những khoáng chất cần thiết vào bộ rễ. Cây trồng tiêu thụ các khoáng chất này vào: - Các thành phần cấu tạo thành cacbon hydrit và prôtit - Các phần tử chất hữu cơ sử dụng trong quá trình trao đổi chất, chẳng hạn như magie trong chất diệp lục. - Các hoạt hoá Enzim như kali, mà hoạt hoá có thể so enzim. - Duy trì cân bằng thẩm thấu. Mycorrhizae, vi khuẩn và khoáng chất Mycorrhizae hình thànhkhi nấm (nấm đảm hoặc zygomyefe) bám xung quanh hoặc vào trong rễ cây và tạo thành mối quan hệ cộng sinh. Fungal hyphac hút khoáng chất từ đất và thông qua chúng lên rễ cây trồng còn nấm thu nhận hydrat cacbon từ cây trồng. Cây trồng cần nitơ cho nhiều phần tử sinh học quan trọng bao gồm hạt nhân và protein. Mặc dù khoảng 70% bầu khí quyển chứa dinitrogen (N2), cây trồng vẫn không thể sử dụng trực tiếp được. Tuy nhiên, một vài vi khuẩn đặc biệt (có trong một vài loại thực vật) có thể nhận dinitrogen (N2) từ bầu khí quyển và biến đổi nó sang dạng nitơ mà cây trồng có thể tiêu thụ và hấp thụ được. Nhiều cây trồng có mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn sống trong rễ của chúng: Nitơ hữu cơ như thuê khoảng trống để sinh sống. Những cây trồng này có khuynh hướng có các mắt rễ (Called Mycorrhizae) ở đó vi khuẩn cố định nitơ sinh sống. Môi trường hữu sinh Môi trường và biểu hiện gen Loại hiện tượng sinh học luôn bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường của chúng. Mèo Thái Lan màu tối hơn ở các chi, do nhiệt độ làm ảnh hưởng đến sự biểu hiện của loại gen. Sự biểu hiện của loại sinh học là kết quả tương tác giữa gen và môi trường. Mèo Thái Lan và thỏ Himalaya, cả hai loài động vật này đều có viền mầu đậm ở các chi. Đây là do khả năng điều chỉnh sắc tố chỉ có thể thực hiện được ở nhiệt độ thoáng hơn của các chi đó. Môi trường quyết định kiểu biểu hiện loại sinh học. - 19 - Hình 1.7 : Tuần lộc Caribu, một loài động vật sống ở lãnh nguyên Hình 1.8 : Rừng mưa ôn đới ở Oa-sing-tơn. Chú ý đến mật độ của cây. 1.4 NƠI SỐNG 1.4.1. Sinh thái học cá thể Sinh thái học cá thể nghiên cứu về sinh thái, tập trung vào các loài riêng biệt. Hiên nay ước tính có khoảng 3 đến 4 triệu các loài tồn tại trên mặt đất. Chỉ có rất ít trong số chúng đã được nghiên cứu đầy đủ để chúng ta hiểu kỹ về sinh thái học cá thể của chúng. Sinh thái học cá thể của cây dương xỉ diều hâu là một loài điển hình vì nó là một trong những thực vật thành công nhất trên thế giới. Nó mọc trên hầu hết các lục địa ngoại trừ Antarctica. Dương xỉ diều hâu là một loài thích hợp cho nghiên cứu sinh thái học cá thể. Hầu hết cây dương xỉ diều hâu có chất sinh ung thư, nó có thể là nguyên nhân gây ung thư ở động vật khi ăn phải chúng. Chúng thường xuyên bị hạn chế bởi độ ẩm, vùng râm mát và không lan rộng ra xa. 1.4.2 Quan hệ giữa các điều kiện môi truờng và sự phân bố các loài Các điều kiện môi trường (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, đất, nước và địa hình) rất quan trọng đối với các loài và đến sự phân bố của chúng. Mỗi một loài có phản ứng đặc thù tới các điều kiện môi trường vô sinh với giá trị tối ưu và sức chịu đựng riêng. Nói chung một loài sẽ sống trong vùng mà những điều kiện môi trường là tối ưu (hoặc dưới điểm cực thuận) đối với nó. - 20 Độ mặn