Hệ sinh thái

Hệ sinh thái là một hệ thống mở hoàn chỉnh gồm các thành phần sống (quần xã) và các thành phần vô sinh như không khí, nước và đất khoáng (gọi chung là sinh cảnh). Hệ sinh thái có thể được nghiên cứu theo hai cách khác nhau. Người ta có thể coi hệ sinh thái là các tập hợp các nhóm thực vật và động vật phụ thuộc lẫn nhau, hoặc có thể nhìn hệ sinh thái là hệ thống và tập hợp các loài với cấu trúc rõ ràng được điều chỉnh bởi các quy tắc chung. Các thành phần hữu sinh (sinh học) và vô sinh (phi sinh học) tương tác thông qua các chu trình dinh dưỡng và dòng năng lượng. Hệ sinh thái bao gồm tương tác giữa các sinh vật, và giữa các sinh vật và môi trường của chúng. Hệ sinh thái có thể có kích thước bất kỳ nhưng mỗi hệ sinh thái có một không gian đặc biệt, và có giới hạn. Một số nhà khoa học xem toàn bộ hành tinh là một hệ sinh thái.
Năng lượng, nước, nitơ và khoáng trong đất là thành phần phi sinh học thiết yếu của một hệ sinh thái. Năng lượng được sử dụng bởi các hệ sinh thái đến chủ yếu từ mặt trời, thông qua quá trình quang hợp. Quang hợp sử dụng năng lượng từ mặt trời và cũng cố định CO2 từ khí quyển. Động vật cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự di chuyển của vật chất và năng lượng trong các hệ sinh thái. Chúng ảnh hưởng đến lượng sinh khối của thực vật và vi sinh vật có trong hệ thống. Khi chất hữu cơ bị phân giải sau khi sinh vật chết đi, carbon lại được thải vào khí quyển. Quá trình này cũng tạo điều kiện cho việc quay vòng dinh dưỡng bằng cách chuyển đổi các chất dinh dưỡng được dự trữ trong sinh khối ở các sinh vật đã chết trở lại thành một dạng có thể được sử dụng lại bởi thực vật và các vi khuẩn khác.

Hệ sinh thái được kiểm soát bởi cả hai yếu tố bên ngoài và bên trong. Các yếu tố bên ngoài như khí hậu, vật liệu gốc tạo thành đất, địa hình và thời gian, tất cả đều có ảnh hưởng lên hệ sinh thái. Tuy nhiên, những yếu tố bên ngoài này, tự chúng không bị ảnh hưởng bởi hệ sinh thái. Hệ sinh thái không phải là cố định: chúng có thể bị nhiễu loạn định kỳ và thường ở trong quá trình hồi phục từ những nhiễu loạn trong quá khứ và tiến đến cân bằng. Các yếu tố bên trong thì lại khác: Chúng không chỉ kiểm soát các quá trình hệ sinh thái mà còn được kiểm soát bởi chính hệ sinh thái. Một cách khác để nói điều này là các yếu tố bên trong phải chịu tác động từ các vòng phản hồi. Các tác giả khác lại gợi ý rằng một hệ sinh thái có thể gồm một khu vực lớn hơn nhiều, thậm chí là toàn bộ hành tinh. Các nghiên cứu có thể được thực hiện ở nhiều quy mô khác nhau, từ các nghiên cứu toàn bộ hệ sinh thái cho đến chỉ nghiên cứu các mô hình thu nhỏ hay vi hệ sinh thái (tức là các đại diện đơn giản của các hệ sinh thái). Nhà sinh thái học người Mỹ Stephen R. Carpenter đã lập luận rằng các thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ có thể là "không liên quan và nhiều dị biệt" nếu chúng không được thực hiện kết hợp với các nghiên cứu thực địa ở quy mô hệ sinh thái. Các thí nghiệm mô hình thu nhỏ thường không dự đoán chính xác động học ở quy mô hệ sinh thái.

Dự án Nghiên cứu Hệ sinh thái suối Hubbard được bắt đầu vào năm 1963 nhằm nghiên cứu dãy núi White ở New Hampshire. Đây là nỗ lực đầu tiên thành công trong việc nghiên cứu toàn bộ lưu vực sông với tư cách là một hệ sinh thái. Sử dụng dòng chảy hóa học như một phương tiện theo dõi các đặc tính của hệ sinh thái, họ đã phát triển một mô hình sinh hóa chi tiết cho hệ sinh thái. Nghiên cứu dài hạn tại thực địa đã dẫn đến việc phát hiện ra mưa acid ở Bắc Mỹ vào năm 1972. Các nhà nghiên cứu đã ghi lại sự suy giảm các cation đất (đặc biệt là calci) trong vài thập kỷ tới.

Các khái niệm liên quan
Hệ sinh thái trên cạn (tìm thấy trên đất liền) và các hệ sinh thái thủy sinh (được tìm thấy trong nước) là các khái niệm liên quan đến hệ sinh thái. Hệ sinh thái thủy sinh được chia thành hệ sinh thái nước mặn và hệ sinh thái nước ngọt.

Các quá trình

Các yếu tố bên trong và bên ngoài
Hệ sinh thái được kiểm soát cả bởi các yếu tố bên ngoài và bên trong. Các yếu tố bên ngoài, hay cũng gọi là các yếu tố môi trường, kiểm soát cấu trúc tổng thể và cách thức vận hành của một hệ sinh thái, nhưng bản thân chúng lại không nhận ảnh hưởng bởi hệ sinh thái. Nhân tố quan trọng nhất trong số này là khí hậu. Khí hậu xác định khu hệ sinh cảnh (biome) trong đó hệ sinh thái được đặt vào. Các mô hình mưa và nhiệt độ theo mùa ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và do đó xác định lượng nước và năng lượng có sẵn cho hệ sinh thái. Khoảng 48-60% GPP được tiêu thụ trong hô hấp ở thực vật.

Phần còn lại, phần mà GPP không được sử dụng bởi hô hấp, được gọi là sản lượng sơ cấp thực hay sản lượng sơ cấp tinh (NPP).

Dòng năng lượng

Năng lượng và carbon đi vào hệ sinh thái thông qua quá trình quang hợp, được tích hợp vào mô sống, truyền cho các sinh vật khác ăn vật chất, và cuối cùng được giải phóng thông qua hô hấp. Trong các hệ thống bậc dinh dưỡng thì sinh vật quang hợp là các sinh vật sản xuất sơ cấp. Các sinh vật tiêu thụ mô của chúng được gọi là sinh vật tiêu thụ sơ cấp hoặc sinh vật sản xuất thứ cấp — động vật ăn cỏ. Các sinh vật tiêu thụ vi sinh vật (vi khuẩn và nấm) được gọi là vi sinh vật tiêu thụ. Những loài động vật mà ăn sinh vật tiêu thụ sơ cấp — động vật ăn thịt — gọi là sinh vật tiêu thụ thứ cấp. Mỗi thành phần kể trên đều tạo thành một bậc dinh dưỡng.

Quá trình phân hủy

(chủ yếu) đang phân hủy một khúc cây mục trong rừng]]
Carbon và chất dinh dưỡng trong chất hữu cơ của sinh vật đã chết được phân giải bởi một nhóm các quá trình được gọi là phân hủy. Quá trình này giải phóng các chất dinh dưỡng mà sau đó có thể được tái sử dụng bởi thực vật và vi sinh vật và trả carbon dioxide vào khí quyển (hoặc nước), sau này chúng có thể được sử dụng cho quang hợp. Trong trường hợp không có quá trình phân hủy, các chất hữu cơ chết sẽ tích lũy trong một hệ sinh thái, và các chất dinh dưỡng và khí carbon dioxide sẽ bị cạn kiệt. Khoảng 90% sản lượng sơ cấp tinh trên cạn đi trực tiếp từ thực vật đến phân hủy. Nhiệt độ kiểm soát tốc độ hô hấp ở vi khuẩn; nhiệt độ càng cao, sự phân hủy do vi càng xảy ra nhanh hơn. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến độ ẩm của đất, cụ thể là làm chậm sự tăng trưởng của vi sinh vật và làm giảm khả năng gạn lọc. Chu trình tan băng cũng ảnh hưởng đến việc phân hủy - nhiệt độ đóng băng làm chết vi sinh vật đất, khiến cho quá trình gạn lọc để đóng một vai trò quan trọng hơn trong việc di chuyển các chất dinh dưỡng xung quanh. Điều này có thể đặc biệt quan trọng như quá trình tan băng trong mùa xuân, tạo ra một lượng chất dinh dưỡng dồi dào có sẵn.

Vào thời điểm hiện tại, cố định nitơ là nguồn nitơ chính cho hệ sinh thái. Vi khuẩn cố định đạm có thể hoặc sống chung với thực vật hoặc sống tự do trong đất. Chi phí năng lượng là khá cao đối với các thực vật hỗ trợ các vi khuẩn cố định đạm - bằng 25% tổng sản lượng sơ cấp khi đo trong điều kiện được kiểm soát. Nhiều thành viên của những cây họ Đậu hỗ trợ các vi khuẩn cộng sinh cố định đạm. Một số vi khuẩn lam cũng có khả năng cố định đạm. Vi khuẩn lam cũng là những sinh vật quang dưỡng, thực hiện quá trình quang hợp. Giống như các vi khuẩn cố định đạm khác, chúng cũng có thể sống tự do hoặc cộng sinh với thực vật. Phosphor đi vào hệ sinh thái thông qua quá trình phong hóa. Khi các hệ sinh thái già đi, nguồn cung cấp này giảm đi, khiến cho phosphor thường bị giới hạn trong các cảnh quan già hơn (đặc biệt là ở vùng nhiệt đới). Lý giải cho điều này là các quá trình hệ sinh thái được thúc đẩy bởi số lượng loài trong hệ sinh thái, tính chất của từng loài riêng biệt và các lượng sinh vật phong phú tương đối trong các loài này. Các quá trình lớn của hệ sinh thái là tổng hợp, khái quát từ các hoạt động của các sinh vật riêng lẻ trong hệ. Bản chất của các sinh vật-loài, các nhóm chức năng và bậc dinh dưỡng mà chúng thuộc về—quyết định các loại hoạt động mà các cá thể này có khả năng thực hiện và hiệu quả tương đối nếu chúng thực hiện.

Lý thuyết sinh thái cho thấy rằng để cùng tồn tại, các loài không thể có ổ sinh thái hoàn toàn giống nhau - chúng phải khác nhau theo một cách cơ bản, nếu không thì một loài sẽ cạnh tranh loại trừ với loài còn lại. Mặc dù vậy, hiệu ứng tích lũy của các loài bổ sung trong hệ sinh thái không phải là tuyến tính-các loài bổ sung có thể tăng cường giữ nitơ, chẳng hạn, nhưng ngoài mức độ phong phú loài, các loài bổ sung có thể có ít tác dụng khác. Xáo động hay nhiễu loạn có thể chỉ nhỏ như cây bị đổ xuống hoặc côn trùng bùng phát, đến lớn hơn như bão và cháy rừng hoặc khủng khiếp như phun trào núi lửa. Những nhiễu loạn này có thể gây ra những thay đổi lớn trong quần thể thực vật, động vật và vi khuẩn, cũng như hàm lượng chất hữu cơ trong đất. Sau khi xáo trộn sẽ là diễn thế sinh thái, "sự thay đổi có hướng trong cấu trúc và hoạt động hệ sinh thái do những thay đổi về mặt sinh học trong việc cung cấp tài nguyên."

Tần suất và mức độ nghiêm trọng của nhiễu loạn xác định qua cách nó ảnh hưởng đến chức năng hệ sinh thái. Một xáo trộn lớn như một vụ phun trào núi lửa hoặc hoạt động của sông băng làm mặt đất mất đi thực vật, động vật hoặc chất hữu cơ. Các hệ sinh thái chịu ảnh hưởng từ những rối loạn lớn như vậy sẽ trải qua diễn thế nguyên sinh. Những hệ sinh thái chịu xáo trộn ít nghiêm trọng hơn như cháy rừng, bão hoặc kết quả canh tác sẽ trải qua diễn thế thứ sinh và phục hồi nhanh hơn. Rối loạn càng nghiêm trọng hơn và thường xuyên thì càng khó phục hồi hơn
Đọc thêm
Quần xã
Môi trường tự nhiên
Thực vật

Tham khảo

Liên kết ngoài
Dàn ý về môn sinh thái học
Các hệ sinh thái và khu hệ sinh vật biển
Các dự án GEF về các hệ sinh thái