Bài giảng Sinh thái học - Chương 5: Quần xã sinh vật - Đào Thanh Sơn

Nội dung text: Bài giảng Sinh thái học - Chương 5: Quần xã sinh vật - Đào Thanh Sơn

1. Chƣơng 5: QUẦN XÃ SINH VẬT Đào Thanh Sơn Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Đại hoc Bách Khoa TP. HCM
2. 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG Quần xã sinh vật: bao gồm hai hay nhiều quần thể cùng sống trong một sinh cảnh, đƣợc hình thành trong một quá trình, có mối liên hệ với nhau. Quần xã sinh cảnh bao gồm những SV sống trên một sinh cảnh. Trong một quần xã sinh cảnh có thể có những quần xã nhỏ hơn, song đƣợc xác định rõ ràng trong không gian gọi là quần xã vi sinh vật cảnh nhƣ quần xã tầng, quần xã hang, hốc, hốc cây hoặc, Quần xã ký sinh bao gồm những vật ký sinh cƣ trú trên xác SV (xác một ĐV hay một thân cây đổ).
3. 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG Việc xác định ranh giới của các quần xã ở trong một cảnh quan là quan trọng. Áp dụng 2 phƣơng pháp sau: (1) Phƣơng pháp phân khu đƣợc áp dụng khi quần xã không đồng nhất; (2) Phƣơng pháp gradien dựa vào sự phân chia các quần thể theo gradien của một yếu tố MT hoặc một tổ hợp ở điều kiện xung quanh hay theo trục dựa vào các chỉ số giống nhau hoặc các thông số thống kê.
4. 5.5.1. Các quần xã trên cạn 5.5.1.1. Rừng nhiệt đới Rừng nhiệt đới (tropical forests) tìm thấy ở vùng xích đạo, nơi có lƣợng mƣa > 2.400 mm/năm và t0 trung bình > 170C. Thiếu nƣớc và t0 thấp là giới hạn sinh thái cho sự phát triển của cây rừng nhiệt đới.
5. 5.5.1. Các quần xã trên cạn Rừng nhiệt đới phân bố nhiều ở Nam Mỹ, Bắc Mỹ, Trung Mỹ, Tây và Trung Phi, Đông Nam Á và nhiều hòn đảo ở Ấn Độ Dƣơng, Đại Tây Dƣơng với tổng diện tích đất khoảng 3 tỷ ha, chiếm 23% diện tích của Trái đất. Số ngƣời sống trong những vùng đất rừng nhiệt đới chiếm khoảng 20% dân số Thế giới. Hiện nay rừng nhiệt đới bị tác động nghiêm trọng do các hoạt động của con ngƣời.
6. 5.5.1. Các quần xã trên cạn 5.5.1.2. Rừng ôn đới Rừng ôn đới (temperate forest) là kiểu rừng xuất hiện nhiều ở châu Âu và Hoa kỳ. Rừng ôn đới xuất hiện ở vùng có mùa Đông có thể thấp hơn 00C, nhƣng không thấp hơn –120C, và lƣợng mƣa biến thiên từ 750 – 2.000 mm/năm. Những khu rừng ôn đới thƣờng đƣợc thấy ở Hoa Kỳ, Đông Á và Tây Âu. Thông thƣờng, lá rụng vào mùa Đông và mọc trở lại vào mùa Xuân.
7. 5.5.1. Các quần xã trên cạn 5.5.1.3. Sa mạc Sa mạc (deserts) là quần xã cảnh quan vùng địa lý mà bề mặt thiếu nƣớc. Nhìn chung sa mạc thƣờng phân bố ở vĩ độ 300 Bắc và 300 Nam, giữa vùng nhiệt đới và ôn đới hay đồng cỏ. Khoảng 1/3 diện tích đất của Trái đất xảy ra sa mạc hóa khô và nóng.
8. 5.5.1. Các quần xã trên cạn Sa mạc đặc trƣng bởi hai điều kiện chính: thiếu nƣớc (lƣợng mƣa < 300 mm/năm) và thƣờng có t0 ban ngày rất cao. Tuy nhiên, sa mạc lạnh thấy ở phía Tây vùng núi Rocky của Hoa Kỳ, Đông Argentina và Trung Á. Thiếu mây bao phủ, sa mạc nhanh chóng phản ứng với hơi nóng và trở nên lạnh. Mức độ khô hạn thể hiện trên bề mặt.
9. 5.5.1. Các quần xã trên cạn 5.5.1.4. Đồng cỏ Đồng cỏ (grassland) là quần xã cảnh quan vùng địa lý có những đặc tính tự nhiên giữa sa mạc và rừng ôn đới, có lƣợng mƣa từ 250 – 700 mm. Lƣợng mƣa này là rất thấp cho nhu cầu cần nƣớc của một khu rừng, nhƣng cao hơn hình thức sống của sa mạc. Một số nhà sinh thái học cho rằng ngoài giới hạn lƣợng mƣa, việc chăn thả và cháy đã ngăn cản cây mọc ở đồng cỏ. Tùy theo t0 trung bình, đôi khi đồng cỏ đƣợc chia thành hai dạng là thảo nguyên (đồng cỏ ôn đới) và savan (đồng cỏ nhiệt đới).
10. 5.5.1. Các quần xã trên cạn Mùa xuân ở vùng ôn đới Mùa xuân ở vùng nhiệt đới
11. 5.5.1. Các quần xã trên cạn 5.5.1.6. Đồng rêu đới lạnh Đồng rêu đới lạnh (tundra) là quần xã cảnh quan vùng địa lý chính cuối cùng chiếm khoảng 17% diện tích của Trái đất. Giống nhƣ rừng Taiga, đồng rêu đới lạnh chỉ tồn tại ở Bắc Bán Cầu (phía Bắc rừng Taiga) vì có rất ít vùng đất ở Nam Bán Cầu có vĩ độ nơi đồng rêu đới lạnh có thể xuất hiện.
12. 5.5.1. Các quần xã trên cạn Nhiệt độ mùa Hè có thể chỉ 50C, ngay cả có những ngày mùa Hè dài, băng tan không quá 1m sâu. Nhiệt độ trung bình vào giữa mùa Đông là –300C. TV xuất hiện ở hình thức địa y, nấm mốc, rêu, cây cỏ túi, cây bụi, những loài này mọc trên đất. Ở một số vùng có độ ẩm rất thấp, điều kiện sa mạc chiếm ƣu thế. Clip on organisms at pole in spring
13. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc 5.5.2.1. Các quần xã ở biển Các HST biển chiếm ¾ bề mặt Trái đất. Tƣơng tự những quần xã nƣớc ngọt, các quần xã biển chịu ảnh hƣởng bởi độ sâu mà chúng phân bố. Vùng nƣớc nông nơi đất gặp nƣớc đƣợc gọi là vùng triều (intertidal zone).
14. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc Chúng ta còn có thể phân biệt tầng nƣớc gần bề mặt mà ánh sáng có thể xâm nhập gọi là vùng thấu quang (photic zone) và bên dƣới nữa là vùng đáy sâu nơi ánh sáng không đến đƣợc gọi là vùng vô quang (vùng tối - dark photic zone). TVPS, ĐVPS và hầu hết các loài cá phân bố ở vùng quang hợp. Ở vùng tối không thể quang hợp, năng suất của TV = 0, và chỉ một số nhóm ĐVKXS và cá phát quang có thể sống ở đây, chúng ăn mùn bã từ vùng quang hợp rơi xuống.
15. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc Sự đa dạng của các SV sống trong rạn san hô đã tạo nên một quần xã cảnh quan vùng địa lý phong phú nhất trên Trái đất (e.g. ~ 30 – 40% tổng số loài cá trên trái đất). Clip of organisms in coral reef Những nhóm ĐV ăn TV đáng chú ý gồm có ốc, sea urchin và cá, đây là nguồn thức ăn dồi dao cho bạch tuộc, mực, sao biển và cá ăn thịt. Ở vùng khơi, hàm lƣợng dinh dƣỡng khá thấp, mặc dù có những thời điểm chất dinh dƣỡng đƣợc đƣa từ nền đáy lên tầng nƣớc mặt. Vùng khơi nƣớc rất lạnh, nƣớc ấm chỉ ở tầng mặt nơi TVPS quang hợp để sinh trƣởng và phát triển. Hoạt động quang hợp của TVPS ở đây chiếm ½ hoạt động quang hợp trên Trái đất.
16. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc ĐV thuộc nhóm này có mực lớn, cá, rùa biển và thú biển, chúng ăn những SV trôi nổi và giữa chúng với nhau. Vài loài trong các nhóm bơi tự do này có thể sống ở vùng nƣớc có độ sâu rất lớn, chúng có mắt lớn để nhìn ở những khu vực có ánh sáng mờ. Những nhóm khác có những cơ quan phát quang để thu hút bạn tình và con mồi. Clips on sea turtle, organisms in ocean
17. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc Thông thƣờng sự phân tầng ở các hồ này gồm có 3 tầng: Tầng trên cùng đƣợc gọi là tầng mặt (epilimnion), có nhiều ánh sáng Tầng giữa (metalimnion): ánh sáng yếu Tầng dƣới cùng là tầng đáy (Hypolimnion), không có ánh sáng Nhóm SV có nhu cầu sử dụng oxy không thể sống ở tầng đáy, bởi vì hàm lƣợng oxy sẽ cạn kiệt vào mùa Hè, một hiện tƣợng đƣợc biết đến nhƣ sự kim hãm mùa Hè (summer stagnation).
18. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc Năng suất của hồ còn đƣợc xác định dựa vào khu hệ ĐV và TV của chúng. Những hồ có năng suất thấp nhất đƣợc gọi là nghèo dinh dƣỡng (oligotrophic). Hồ nghèo dinh dƣỡng tƣơng đối sạch và mức bù của chúng có thể nằm ở dƣới tầng biến nhiệt. Nồng độ dinh dƣỡng thấp giữ cho tảo và thực vật có rễ phân bố rải rác ở tầng mặt và một ít mùn bã rơi xuống tầng đáy. Do đó, hồ nghèo dinh dƣỡng thƣờng sạch và có những loài chỉ thị cho chất lƣợng nƣớc sạch (e.g. ấu trùng ephemeroptera, plecoptera, trichoptera )
19. 5.5.2. Các quần xã dƣới nƣớc Tiến trình tăng tuổi thọ của hồ và sự suy thoái tự nhiên này gọi là hình thức phú dƣỡng hóa (eutrophication). Tuy nhiên, phú dƣỡng hóa có thể xảy ra với tốc độ rất nhanh do tác động của con ngƣời, (e.g. làm tăng hàm lượng dinh dưỡng trong hồ do nước thải đô thị và phân bón sử dụng trong SX nông nghiệp)
20. 5.2. QUAN HỆ GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ 5.2.1. Quan hệ giữa động vật và thực vật 5.2.2. Quan hệ cạnh tranh 5.2.3. Quan hệ vật ăn thịt – con mồi 5.2.4. Quan hệ ký sinh – vật chủ 5.2.5. Quan hệ ức chế cảm nhiễm 5.2.6. Quan hệ cộng sinh 5.2.7. Quan hệ cộng tác 5.2.8 . Quan hệ hội sinh
21. 5.2.2. Quan hệ cạnh tranh Quan hệ cạnh tranh khác loài đƣợc thể hiện rõ nét, khi các loài khác có cùng nhu cầu thức ăn, nơi ở và những điều kiện khác của sự sống mà những điều đó không đƣợc thỏa mãn hoàn toàn. Những loài SV càng có quan hệ ST gần nhau (có nhu cầu ST gần giống nhau) thì chúng quan hệ cạnh tranh càng gay gắt.
22. 5.2.3. Quan hệ vật ăn thịt – con mồi Quan hệ vật ăn thịt – con mồi là quan hệ trong đó ĐV ăn thịt là ĐV sử dụng những loài ĐV khác làm thức ăn. Chúng tìm bắt con mồi và con mồi bị tiêu diệt ngay sau khi bị tấn công. Clips on Bear feed, Eagle feed, Snake feed
23. 5.2.5. Quan hệ ức chế cảm nhiểm Quan hệ ức chế cảm nhiễm là quan hệ giữa các loài SV, trong đó loài này ức chế sự phát triển hoặc sự sinh sản của loài kia bằng cách tiết vào MT những chất độc. Ví dụ: Tảo giáp Gonyaulax gây ra hiện tƣợng “thủy triều đỏ” có thể gây tử vong cho một số lớn loài ĐV thủy sinh trên bề mặt khá rộng.
24. 5.2.7. Quan hệ hợp tác Cũng giống nhƣ quan hệ cộng sinh, song 2 loài không nhất thiết phải thƣờng xuyên sống chung với nhau, khi sống tách riêng chúng có thể tồn tại đƣợc. Ví dụ: Trâu và chim sáo hay nhạn bể và cò. Sự hợp tác này giúp cho mỗi bên bảo vệ có hiệu quả hơn trước kẻ thù. 5.2.8. Quan hệ hội sinh Quan hệ hội sinh là quan hệ giữa 2 loài SV nhƣng chỉ một bên có lợi cần thiết, còn bên kia không có lợi và cũng không có hại. Ví dụ: Cá ép bám vào rùa biển hoặc cá lớn để phát tán đi xa (clip on QH hoi sinh).
25. 5.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ Phân loại quần xã Hệ số chung (Jaccard, 1902) Trong đó, c a là tổng số loài trong quần xã A H = b là tổng số loài trong quần xã B a + b – c c là số loài có mặt ở cả 2 quần xã A và B Nếu hệ số chung giống nhau thì 2 loài ở cùng một quần xã, ngƣợc lại thì chúng ở 2 quần xã khác nhau trên vùng ranh giới.
26. 5.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ Chỉ số đa dạng Shannon-Wiener (Shannon và Weaver, 1949) s H’ = - Σ pi * ln(pi) i=1 Trong đó, pi là tỷ số của số lƣợng loài thứ I và tổng số cá thể có trong quần xã s là tổng số loài có trong quần xã Chỉ số cân bằng (Pielou, 1966) Chỉ số ƣu thế (Berger-Parker, 1970) H’ H’ Nmax E = = D = H’max ln(S) N Trong đó, Nmax là tổng số cá thể của loài có số lƣợng cao nhất
27. 5.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ 5.3.1.3. Độ thường gặp hay chỉ số có mặt Độ thƣờng gặp là tỷ lệ % số điểm lấy mẫu có loài đƣợc nghiên cứu so với tổng số địa điểm lấy mẫu trong vùng nghiên cứu của quần xã và đƣợc biểu thị bằng công thức sau: p * 100 C = P Trong đó, p là số lần lấy mẫu có loài đƣợc xét P là tổng số địa điểm lấy mẫu C > 50% (Loài thƣờng gặp); 25% < C < 50% (Loài ít gặp; C < 25% (Loài ngẫu nhiên)
28. 5.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ 5.3.1.6. Những tính chất về cấu trúc của sự phân bố cá thể và sự biến động phân bố theo chu kỳ của quần xã Cấu trúc của quần xã theo chiều thẳng đứng Trong quần xã thƣờng thể hiện ít nhiều sự phân tầng theo đƣờng thẳng đứng. Ví dụ: Rừng nhiệt đới thường có 5 tầng cây trong đó có 3 tầng cây gỗ lớn, 1 tầng cây bụi thấp, 1 tầng cỏ và dương xỉ.
29. 5.4. SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT Sự diễn thế là sự biến động của quần xã trong quá trình phát triển của nó. Sự diễn thế thực chất là quá trình biến đổi tuần tự của quần xã qua các giai đoạn khác nhau. Trong quá trình diễn thế song song với quá trình biến đổi quần xã là quá trình biến đổi khí hậu, thổ nhƣỡng và địa chất hoặc giá thể (nếu MT cƣ trú của quần xã là yếu tố sinh học). Có 3 loại diễn thế: Diễn thế nguyên sinh Diễn thế thứ sinh Diễn thế phân hủy
30. 5.4.2 Diễn thế thứ sinh Sự diễn thế thứ sinh xuất hiện ở một MT đã có một quần xã nhất định. Sau đó quần xã này bị hủy hoại bởi sự thay đổi của khí hậu hoặc do hỏa hoạn, xói mòn hay do tác động của con người. Quá trình diễn thế thứ sinh không dẫn đến một đỉnh cực nhƣ trong quá trình diễn thế nguyên sinh. Ví dụ: Quần xã rừng ngập mặn nguyên sinh ở Cà Mau do phá rừng làm đầm nuôi tôm, sau đó Nhà nước không cho phép nuôi tôm nhằm tăng diện tích rừng ngập mặn ở vùng cửa sông ven biển. Những quần xã tiếp theo của rừng ngập mặn được trình bày theo sơ đồ sau: Quần xã rừng ngập mặn hỗn hợp → Đầm nuôi tôm → Đất ngập nước trên nền ao tôm