Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

78



SINH THÁI HỌC MÔI TRƯỜNG



2. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Quan niệm hiện đại về hệ sinh thái là dựa trên cơ sở của chu

trình năng lượng. Dòng năng lượng đi qua hệ sinh thái hoạt động

trong khuôn khổ các quy luật vật lí cơ bản, gọi là các quy luật nhiệt

động học.

Quy luật thứ nhất: Năng lượng không thể tự sinh ra hoặc tự

mất đi. Điều này có nghĩa chúng chỉ có thể chuyển từ dạng này

sang dạng khác. Ví dụ, năng lượng ánh sáng chuyển sang năng

lượng hoá học trong quá trình quang hợp.

Quy luật thứ hai: Khi năng lượng được chuyển từ dạng này

sang dạng khác thì không bảo toàn 100% mà thường bị mất một số

năng lượng nhiệt nhất định.

2.1. Các quy luật cơ bản về dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Năng lượng ánh sáng Mặt trời là nguồn năng lượng cơ bản của

hệ sinh thái. Cây xanh hấp thụ năng lượng ánh sáng Mặt trời trong

quá trình quang hợp và hút các chất dinh dưỡng từ trong đất để

tổng hợp thức ăn. Nhờ tính chất đặc biệt của diệp lục mà chúng có

thể chuyển quang năng thành hoá năng có ích về mặt sinh học dưới

dạng ATP (Adenozin Tri Photsphat) phục vụ cho quá trình tổng

hợp các hợp chất cacbon. Sinh khối trên bề mặt Trái đất được giới

hạn bởi khả năng hấp thụ ánh sáng Mặt trời, kiểm soát bởi các loài

và các kiểu hệ sinh thái khác nhau. Năng lượng đi qua hệ sinh thái

theo chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn từ bậc dinh dưỡng này qua

bậc dinh dưỡng khác. Các nhà sinh thái học quan sát dòng năng

lượng trong hệ sinh thái cũng giống như các nhà vật lí quan sát

dòng năng lượng trong các hệ vật lí khác, cho thấy năng lượng có

thể tồn tại ở các dạng khác nhau.

Hai quy luật nhiệt động học quán triệt rằng, toàn bộ năng

lượng mặt trời được cố định trong thức ăn thực vật và phải trải qua

một trong ba quá trình sau: đi qua hệ sinh thái bởi chuỗi thức ăn và

mạng lưới thức ăn; tích lũy trong hệ sinh thái như năng lượng hoá

học trong nguyên liệu động vật hoặc thực vật và đi khỏi hệ sinh thái

ở dạng nhiệt hoặc sản phẩm nguyên liệu.



Chương II. Cơ sở sinh thái học



79



2.2. Các dạng năng lượng

Năng lượng đảm bảo cho việc sử dụng trong các hệ sinh thái

biểu thị ở các dạng và các trạng thái khác nhau. Có bốn dạng quan

trọng nhất:

a. Năng lượng bức xạ: là năng lượng ánh sáng và được sắp xếp

thành phổ rộng lớn bởi các bước sóng điện từ phát ra từ Mặt trời.

b. Năng lượng hoá học: là năng lượng được tích luỹ trong các

hợp chất hoá học. Trong thời gian quang hợp, ánh sáng được sử

dụng để sản xuất hydrocacbon, lipit ở thực vật. Trong quá trình

phát triển qua các bậc dinh dưỡng của hệ sinh thái các nguyên liệu

thực vật được chuyển thành các hợp chất, tạo nên cơ thể động vật.

Sự biến đổi sinh học này phải sử dụng năng lượng. Khi tất cả các

hợp chất được phá vỡ lần nữa, như trong quá trình hô hấp chẳng

hạn thì năng lượng được giải phóng tiếp. Các hợp chất này vì thế có

thể xem như những kho dự trữ năng lượng.

c. Năng lượng nhiệt: là kết quả từ sự biến đổi ngẫu nhiên đến

sự chuyển động có hướng của các phân tử. Dạng năng lượng này

được giải phóng bất cứ lúc nào và sinh ra công. Sự sinh công không

chỉ diễn ra trong các hoạt động của cơ mà còn xuất hiện trong quá

trình sinh trưởng và phát triển của cơ thể.

d. Động năng: là dạng năng lượng xuất hiện khi cơ thể vận

động. Thế năng của các cơ chất hoá học được biến thành động năng

bởi sự vận động và được giải phóng khi làm việc.

Đơn vị đo năng lượng cơ bản được sử dụng rộng rãi trong sinh

thái học là: Kcal, cal, J.

2.3. Năng lượng đi qua hệ sinh thái

Trong hệ sinh thái, năng lượng được dự trữ ở thực vật và động

vật, đi theo dòng qua chuỗi thức ăn. Năng lượng được truyền một

chiều từ sinh vật sản xuất qua các bậc dinh dưỡng rồi tới môi

trường; vật chất được trao đổi qua chu trình dinh dưỡng. Số năng

lượng giảm dần theo cấp độ, bậc dinh dưỡng (Hình 2.31). Điều đó

xảy ra do hai nguyên nhân:



SINH THÁI HỌC MÔI TRƯỜNG



80



- Năng lượng mất đi giữa các bậc dinh dưỡng. Sự biến đổi

năng lượng từ dạng này sang dạng khác không được bảo toàn

100%. Bất cứ lúc nào dòng năng lượng chuyển từ mức độ dinh

dưỡng này sang mức độ dinh dưỡng khác và nguyên liệu của một

cơ thể này biến đổi để xây dựng nguyên liệu cho một cơ thể khác

đều phải tiêu hao năng lượng.

- Năng lượng mất đi trong bậc dinh dưỡng: Tất cả các sinh vật

đều phải hô hấp để sống. Hô hấp làm ôxi hoá hydrocacbon và giải

phóng năng lượng.

Khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao

liền kề trong chuỗi thức ăn, năng lượng trung bình mất đi tới 90%

do tiêu hao qua hô hấp, chất thải... chỉ có 10% năng lượng truyền

lên bậc dinh dưỡng cao hơn, do đó chuỗi thức ăn không kéo dài

mãi được, chỉ khoảng 6 mắt xích dinh dưỡng.



Hình 2.31. Dòng năng lượng qua hệ sinh thái



2.4. Các dòng năng lượng chính

a. Năng lượng đi vào hệ sinh thái từ năng lượng ánh sáng Mặt

trời: chỉ khoảng 50% năng lượng đi đến thảm cỏ xanh và được hấp

thụ bởi cơ chế quang hợp (chủ yếu là các tia sáng nhìn thấy). Chỉ

khoảng 1 ÷ 5% năng lượng ánh sáng hấp thụ được (động năng)



Chương II. Cơ sở sinh thái học



81



chuyển thành năng lượng hoá học (thế năng). Phần còn lại mất đi ở

dạng nhiệt.

b. Năng lượng tích luỹ trong nguyên liệu thực vật: phần lớn

năng lượng mất đi giữa các mức độ dinh dưỡng. Vì thế dòng năng

lượng giảm dần ở các bước sau của các chu trình thức ăn. Các động

vật ăn cỏ chỉ tích luỹ được khoảng 10% năng lượng cung cấp bởi

con mồi. Các nguyên liệu thực vật không được tiêu thụ, chúng tích

luỹ lại trong hệ và chuyển sang các sinh vật hoại sinh hoặc đi khỏi

hệ khi bị rửa trôi.

Các sinh vật trong mỗi mức độ tiêu thụ cũng như ở mức độ

hoại sinh sử dụng một số năng lượng cho hô hấp của bản thân và

giải phóng nhiệt ra khỏi hệ sinh thái.

Bởi vì hệ sinh thái là một hệ thống hở nên một số nguyên liệu

hữu cơ có thể đi vào hệ sinh thái như nhập cư động vật, các dòng

chảy đổ vào các hệ sinh thái ao, hồ.

Dòng năng lượng trong hệ sinh thái có ý nghĩa quan trọng trong

sản xuất nông nghiệp vì nếu điều khiển tốt các dòng năng lượng vào

và ra qua các tháp sinh thái, thì ta sẽ giảm thiểu được tối đa những

tổn thất về mùa vụ cũng như năng suất vật nuôi, cây trồng.

3. Hiệu suất sinh thái

Từ sự chuyển hoá và thất thoát năng lượng qua chuỗi thức ăn

trong các hệ tự nhiên, chúng ta có khái niệm về hiệu suất sinh thái.

Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hoá năng lượng

giữa các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái. (Hình 2.32).

Ở mỗi bậc dinh dưỡng, sự chuyển hoá năng lượng bao gồm:

Phần lớn năng lượng bị tiêu hao qua hô hấp (năng lượng tạo

nhiệt, vận động cơ thể…), phần này chiếm khoảng 70%;

Phần năng lượng bị mất qua chất thải (phân động vật, chất bài

tiết) và các bộ phận rơi rụng (lá cây rụng, rụng lông và lột xác ở

động vật) là khoảng 10%;

Năng lượng truyền lên bậc dinh dưỡng cao hơn chỉ khoảng 10%;



SINH THÁI HỌC MÔI TRƯỜNG



82



Năng lượng tích luỹ sản sinh ra chất sống ở mỗi bậc dinh

dưỡng chiếm khoảng 10% năng lượng nhận từ bậc dinh dưỡng liền

kề thấp hơn.

Năng lượng



Năng lượng



đầu vào



đầu ra

Năng lượng mất qua

hô hấp (70%)



Năng lượng nhận từ

bậc dinh dưỡng dưới



100%



Năng lượng truyền lên bậc

dinh dưỡng cao hơn (10%)



Bậc

dinh dưỡng

(Năng lượng tích

luỹ 10%)



Năng lượng mất qua chất

thải, rơi rụng (10%)



Hình 2.32. Sơ đồ biểu diễn hiệu suất sinh thái ở một bậc dinh dưỡng



4. Năng suất sinh học của hệ sinh thái

Nghiên cứu năng suất sinh học là một phần quan trọng trong

sinh thái học, bởi nó biểu thị hiệu quả của các kiểu hệ sinh thái

khác nhau và vận dụng vào việc cải thiện năng suất các hệ sinh thái

nông lâm nghiệp.

Chu trình năng lượng và chu trình các chất hữu cơ xác định nhịp

điệu sản xuất các sản phẩm hữu cơ, chính là năng suất sinh học.

Chia năng suất sinh học làm 2 loại cơ bản: năng suất sinh học

sơ cấp và năng suất sinh học thứ cấp.

* Năng suất sinh học sơ cấp: Là khối lượng chất hữu cơ sản

xuất được của vật sản xuất được tính bằng khối lượng vật chất khô

hoặc gam cacbon tồn trữ ở vật sản xuất, hay số lượng tương đương

tính bằng kcal hoặc kJ trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích và

trong một đơn vị thời gian.