I. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM.
Sinh quyển tồn tại và phát triển được là nhờ nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng đó chiếu xuống trái đất dưới dạng ánh sáng mặt trời với phổ rất rộng, nhưng 1 phần bị hấp thụ bởi các chất chứa trong khí quyển và phản xạ trở lại dưới dạng nhiệt. Phần đến mặt đất gồm khoảng 45% thuộc dải hồng ngoại, 45% thuộc dải ánh sáng nhìn thấy và 10% thuộc dải tử ngoại. 50% tổng bức xạ, chủ yếu là ánh sáng nhìn thấy tham gia vào quá trình quang hợp gọi là “bức xạ quang hợp”.
1. Sự biến đổi của năng lượng trong hệ sinh thái.
– Bức xạ quang hợp khi đi vào hệ sinh thái thì phần lớn bị thất thoát, chỉ 1 lượng rất nhỏ được thực vật hấp thụ, chuyển thành hóa năng chứa trong mô, tạo nên sản lượng sinh vật sơ cấp thô. Thực vật sử dụng 1 phần sản lượng này cho sinh trưởng và phát triển. Phần còn lại làm thức ăn cho sinh vật tiêu thụ, trước hết là động vật ăn cỏ. Động vật ăn cỏ lại làm thức ăn cho động vật ăn thịt. Xác, các chất trao đổi và bài tiết của sinh vật được vi sinh vật hoại sinh phân giải, trả lại cho môi trường các chất vô cơ, còn năng lượng bị phát tán ra môi trường dưới dạng nhiệt. Như vậy, năng lượng đi theo dòng và chỉ được sinh vật sử dụng 1 lần qua chuỗi thức ăn.
– Nói chung, trong các hệ sinh thái, khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao liền kề, trung bình trong sinh quyển năng lượng mất đi 90%, nghĩa là hiệu suất sử dụng năng lượng của bậc sau là 10%. Sự thất thoát năng lượng lớn như vậy là do 1 phần lớn năng lượng của sinh vật làm thức ăn không sử dụng được (rễ, lá rơi rụng, xương, da, lông…), một phần được động vật sử dụng nhưng không được đồng hóa mà thải ra môi trường dưới dạng các chất bài tiết và phần quan trọng khác mất đi do hô hấp của động vật. Chẳng hạn, nếu chuỗi thức ăn khởi đầu bằng thực vật, kéo dài 5 bậc thì hiệu suất sử dụng ở bậc dinh dưỡng thứ 5 sẽ là 1/1000 so với động vật ăn cỏ hay chỉ bằng 1/10.000 so với năng lượng chứa trong sản lượng sơ cấp tinh.
|
Thực vật |
Động vật ăn cỏ |
Động vật ăn thịt bậc 1 |
Động vật ăn thịt bậc 2 |
Động vật ăn thịt bậc 3 |
|
100 |
10 |
1 |
0,1 |
0,01 |
– Từ sự chuyển hóa và thất thoát năng lượng qua chuỗi thức ăn trong các hệ tự nhiên, ta có khái niệm về “hiệu suất sinh thái”. Đó là tỉ lệ tương đối (%) giữa năng lượng được tích lũy ở 1 bậc dinh dưỡng nào đó so với năng lượng được tích lũy ở bậc dinh dưỡng đứng trước bất kì. Ví dụ, năng lượng đồng hóa của sinh vật dị dưỡng trong các chuỗi thức ăn:
|
PN |
C1 |
C2 |
C3 |
|
|
1.500 Kcal |
180 Kcal |
18 Kcal |
Vậy, hiệu suất sử dụng năng lượng của:
+ C3/C2 = 18/180 x 100% = 10%
+ C3/C1 = 18/1.500 x 100% = 1,2%
– Hiệu suất sinh thái có thể được biểu diễn bằng công thức:
eff = Ci+1 / Ci x 100%
Trong đó, eff là hiệu suất sinh thái (tính bằng %), Ci là bậc dinh dưỡng thứ i, Ci+1 là bậc dinh dưỡng thứ i+1 sau bậc Ci.
– Do năng lượng mất mát quá lớn, chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái không dài, thường là 4-5 bậc đối với các hệ sinh thái trên cạn và 6-7 bậc đối với các hệ sinh thái dưới nước, còn tháp năng lượng luôn có dạng tháp chuẩn.
2. Sản lượng sinh vật sơ cấp
– Sản lượng sinh vật sơ cấp được sinh vật sản xuất, trước hết là thực vật và tảo tạo ra trong quá trình quang hợp. Trong quá trình quang hợp, cây xanh chỉ tiếp nhận từ 0,2 đến 0,5% tổng lượng bức xạ để tạo ra sản lượng sinh vật sơ cấp thô. Thực vật tiêu thụ trung bình từ 30-40% sản lượng sinh vật sơ cấp thô (hay tổng sản lượng chất hữu cơ đồng hóa được) cho các hoạt động sống, khoảng 60-70% còn lại được tích lũy làm thức ăn cho sinh vật dị dưỡng. Đó là sản lượng sinh vật sơ cấp tinh hay sản lượng thực để nuôi các nhóm sinh vật dị dưỡng.
PN = PG – R
Trong đó, PN là sản lượng sơ cấp tinh, PG là sản lượng sơ cấp thô, R là phần hô hấp của thực vật.
– Trong sinh quyển, tổng sản lượng sơ cấp tinh được đánh giá là 104,9 tỉ tấn C/năm, bao gồm 56,4 tỉ tấn thuộc về các hệ sinh thái trên cạn và 48,5 tỉ tấn được hình thành trong các hệ sinh thái ở nước, chủ yếu là trong các đại dương.
– Những hệ sinh thái có sức sản xuất cao nhất là các hồ nông, hệ cửa sông, rạn san hô và rừng ẩm thường xanh nhiệt đới, còn nơi nghèo nhất trong sinh quyển là các hoang mạc và vùng nước khơi đại dương thuộc vĩ độ thấp.
3. Sản lượng sinh vật thứ cấp.
Sản lượng sinh vật thứ cấp được hình thành bởi các loài sinh vật dị dưỡng, chủ yếu là động vật. Ở bậc dinh dưỡng càng cao, nhất là ở vật ăn thịt cuối cùng của chuỗi thức ăn, tổng năng lượng của chúng là nhỏ nhất. Bởi vậy, trong chăn nuôi, người ta thường nuôi những loài sử dụng thức ăn là thực vật hoặc gần với nguồn thức ăn thực vật như: thỏ, trâu, bò, gà, vịt,… để thu được tổng năng lượng tối đa.
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Bài 1: Thế nào là hiệu suất sinh thái, hiệu suất quang hợp, hiệu suất khai thác, năng lượng toàn phần, năng lượng sinh vật thực? Trình bày cách tính hiệu suât sinh thái.
Hướng dẫn giải
1) Hiệu suất sinh thái: Là tỉ lệ % chuyển hóa năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.
2) Hiệu suất quang hợp: Còn gọi là sản lượng sinh vật sơ cấp, là tỉ lệ phần trăm năng lượng mặt trời được dùng để tổng hợp chất hữu cơ tính trên tổng số năng lượng mặt trời chiếu xuống hệ sinh thái.
3) Hiệu suất khai thác: Tỉ lệ phần trăm năng lượng chứa trong chất hữu cơ con người sử dụng từ một loài so với loài có mắc xích phía trước.
4) Năng lượng toàn phần: Nguồn năng lượng chứa trong cơ thể các sinh vật của một loài nào đó trong hệ sinh thái.
5) Năng lượng thực tế: Tỉ lệ % năng lượng của một loài trong chuỗi chuyển sang bậc dinh dưỡng kế tiếp. Nói khác đi năng lượng thực tế của một bậc dinh dưỡng cũng là năng lượng toàn phần của bậc dinh dưỡng kế tiếp.
Q toàn phần = Q SV thực + Q mất đi do hô hấp, bài tiết.
6) Cách tính HSST:
Bài 2: Biết năng lượng mặt trời chiếu xuống một hệ sinh thái là 9.109 kcal. Năng lượng của sinh vật sản xuất là 45 x 108 kcal. Năng lượng sinh vật tiêu thụ bậc 1 là 45.107 kcal, của sinh vật tiêu thụ bậc 2 là 9.107 kcal. Biết hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 3 là 10%. Xác định:
1) Hiệu suất quang hợp của sinh vật sản xuất.
2) Hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 1, bậc 2.
3) Năng lượng bị mất đi do hô hấp và bài tiết, khi chuyển hóa từ sinh vật tiêu thụ bậc 2 sang bậc 3.
Hướng dẫn giải
1) Hiệu suất quang hợp: 
2) + Hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 1: 
+ Hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 2: 
3) Năng lượng bị tiêu hao do bài tiết, hô hấp:
9.107 x (100% – 20%) = 81.106 Kcalo
Bài 3: Cho tháp năng lượng của một hệ sinh thái như sau:
Tính hiệu suất sinh thái SVTT bậc 1 và tỉ lệ % năng lượng tiêu hao do chuyển hóa từ bậc dinh dưỡng thứ ba sang bậc dinh dưỡng thứ 4.
Hướng dẫn giải
a) HSST sinh vật tiêu thụ bậc 1:
b) Tỉ lệ % năng lượng tiêu hao: 