Tài liệu Giáo trình ô nhiễm môi trường đất và biện pháp xử lý

Chương 2 HỆ SINH THÁI ĐẤT VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỆ SINH THÁI ĐẤT I - K H Á I N IỆ M V Ể H Ệ S IN H T H Ả I 1. Định nghĩa Hệ sinh thái (H ST) !à một hệ thống hao gồm quần xã sinh vật với M T xung quanh, nơi mà quán xã đó tổn lạ i, trong đó các sinh vậi. M T í ươnũ. lác với nhau đc tạo nên chu trình vậi chất và sự chuycn hoá cùa năng lượng. Nói cách khác, IIS T bao gồm các sinh vậi sống và các diều kiện tự nhiên (M T vật lý ) nhu ánh sáng, nưức. nhiệt độ. không k h í.... Đicu quan trọng là tất cà cúc điếu kiện hữu sinh (Biotic component) và vỏ sinh (Abitnic com ponưni) tác dộng tương hỗ với nhau và giữa chúng luôn xáy ra quá trình trao đổi năng lượng, vật chất và thông tin. Có Ihể minh hoạ IIS T báng công thức toán học như sau: Q u ẩ n xá s in h vật + Mõi trưòng x u n g quanh + Năng lượng Măt Trơi _ H ệ s in h thải 2. Độ lớn Các liS T có thế có những quy mô lớn nhỏ khác nhau. A . Tanslay (1935) dã đưa ra các khái niệm về H ST cực bc (micrnecosyslem) như một bé nuôi cá cháng hạn: đến các H ST vừa (muhUeecosysteni) như một hổ chứa nước, mội cánh rừng và H ST lớn (mucroectìsystem) nhu một đại dương, một châu lục. Tập hợp tất cá các HST có độ lớn khác nhau irôn Trái Đất làm thành IIS T khổng iồ và được gọi là sinh thái quyển (ecosphere) (khung 2.1). Khung 2.1. C á c thuật n g ữ sin h thài h ọ c Th u ật ngữ G iải thích Q uẩn thể (Population) Những cá thể cùa cùng một loài sổng chung với nhau à một vùng lãnh thổ. Q uán xã (Com m unity) Tất c ả nhũttg cơ thể sông được tìm thấy trong một M T đ ặc trutig. Bao gốm tất cả quấn thể củ a nhữhg loài khác nhau sóng chung với nhau ở một vùng lành thọ. H S T (E co sy ste m ) Một quẩn x ả và MT của nó, bao gổm tất cà mối quan hệ tương hỗ giữa sinh vật và M T vật lý bao quanh giữa chúng với nhau. Sinh quyển (B io sp h ere) Gổm tất cả những cơ thể sống trèn Trái Đất hoặc tất cả c á c quần xã trên Trải Đ ất và một phẩn cùa thạch quyển, khí quyển và thuỳ quyển có liẽn quan trực tiếp đến đời sổng cá c sinh vât. Sinh thải quyển (Ecosphere) G ổ m tát cả những cơ thể sống trẻn Trải Đẩt và c á c tác động lương hỗ của chúng với nhau và với đất đai, nước và khỏng khỉ hoặc T rá i Đất là một H S T khổng 16. 3. Tính hệ thống Một hộ thống cỏ thế dược xác định nhu một tập hợp các đối tượng, hoặc các thuộc tính như kích cỡ, hình dạng, được lian kết với nhau bằng nhiéu mối tương tác theo một trật tự xác định và hoạt động của các hợp phần sẽ hướng lới tạo nẻn sự hoạt động thống nhất của toàn hộ thống. Trong H ST, tính hệ thống được thó hiện chù yếu là mối quan hệ tương hổ giữa sinh vật với M T. Có hai loại hệ thống cơ bàn: Hộ thống kín ; Trong đó vật chất, nang lượng và thông tin chi trao đổi trong ranh giới của hộ thống. lõ - Ilệ thống hở: là hệ Ihỏnii. tronii itó nãnii lượng, vật chát và thõng tin trao dổi qua ranh giới của hộ thống. Vật chãt. nàng lượng và thõng lin (li vào dược gọi là dòng vào (input). di ra được gọi là dòng ra (outpul) và dòng VẠI chất, năng lượng và thông tin irao đối giữa các thành phẩn trong hệ thống gọi là dòng nội lưu (innor ílow). Trừ vũ trụ ra thì lất cả các hệ thông tự nhiẽn bao gồm tất cả các H ST đểu là nlũms hệ thỏng hớ. 4. Tinh phản hồi HST luôn là một hộ thông hở và tự diều chính, bới vì trong quã trình tồn tại và phát triển, HST thường xuyên phải tiếp nhận vật chát, năne lượng, thông tin và cá những sức ép, cú sốc từ M T. Điổu này làm cho HST khác biệt với các hệ ihòng vật chất khác có trong tự nhiên và tạo cho H ST có hai tính chất dạc thù, đó là: - Tính chất tự cân bằng, nghía là khá iuìna ỉ IST phán kháng lại các thay đổi và giữ dược trạng thái cân bằng. - Năng lực chịu lài, nghĩa là khả năng cùa ỉ 1ST có thó’ gánh chịu những sức ép, những cú sốc trong những điểu kiện khó khăn nhẫi. Tuy nhiên, các H ST cũng chi có giới hạn xác định trong phán hổi và khá năng chịu tái. Trong giới hạn đó, khi chịu tác dộng vừa phái từ bẽn ngoài, các H ST sẽ phản ứng lại một cách thích nghi bầng cách sắp xếp lại các mối quan hệ trong nội bộ và toàn thổ hệ thống phù hợp với M T thông qua những mối "liên hệ ngược" dể duy trì sự ổn định cùa mình trong điều kiện M T biến động. Đới với những tác dộng quá lớn, quá mạnh, vượt khói sức chịu đựng cùa hệ, hệ không thể tựđiổu chinh được và cuối cùng bị suy thoái rổị bị huý diệt. 5. Cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái Sinh thái học hiện đại phái nghiôn cứu cấu trúc và chức năng của những H ST 4 chiổu (hình 2 . 1 ). Hình 2.1. Cấu trúc của một HST Theo hình 2.1 thì bộ phận trung tàm là dòng năng lượng và chu trình thức đn, qua bộ phận này thực hiện mọi chức năng cùa hệ. - Một HST điển hình được cấu trúc bởi các ihùnh phẩn sau đây: + Sinh vặt sản xuất (producer). 16 + Sinh vật liêu thụ (consumcr). + Sinh vặt phân huy (đecomposer). + Các chát hữu cơ (protein, lipit, gluxit. vitamin. cn/ỵm. hoocmon,...). + Các chất vô co (CO». ( ) ,. H ,0 . các chát dinh chrỡna khoáng). + Các yêu tô khí hậti ( nhiệt độ. ánh sáng, độ ẩm. ciána thuv.. -.). Thực chất. 3 thành phần đầu chính ià quán xã sinh vật, còn 3 thành phán sau là M T vật lý mà quần xã đó sử dụnạ đc tổn tại và phát tricn. ơ dãv. nâng Iượiig Mậl Trời thông qua quang hợp ờ cây xanh và một số giới hạn V K là những sinh vật tự dườnti hay sinh vặt sán xuất. Chúne đã chuyến hoá những phân tử vô cơ như C O ,. H ị O thành các dạng vật chấl hoá học (những dại phân tứ hữu cơ đạc trưng cho chất sống). Chính năng lượng Mạt T rờ i, bằng quang hợp dà liên kết các phân lử nhỏ vô cơ thành phân từ hữu cơ lớn, phức tạp. Nhờ hoạt dộng quang hợp và ờ phạm vi nhó là hoá tổng hợp cứa sinh vật sán xuất mà nguồn thức ăn được tạo thành đê nuôi sống trước hốt cho sinh vật sàn xuất, sau dó là những sinh vật khác, kê cá con người. I I - Đ Ấ T L À M Ộ T H Ệ S IN H T H Á I Tổ chức của đất trước hốt thế hiện qua chức nàng của sinh vật đất (biolic lactors) với sinh vậl sán xuất như địa y, tào rêu, một số vsv tự dưỡng và thực vạt bậc cao sống trôn đ ấ t,... Sinh vật liêu thụ và sinh vật phán huỷ là khu hệ động vật đất, nấm và vsv, Các sinh vật đấl rất phong phú về số lượng và thể loại, phụ thuộc vào độ phì nhiêu và nhiều lính chất lý, hoá học đất (báng 2 . 1). Bảng 2.1. s ố lượng và sinh khối của sinh vật trong đất dõng cỏ có độ phi nhiêu cao L o ạ i s ỉn h vậ t Mật độ (cả thể/m2) S in h khối (g/m2) 300 38 • Vi khuẩn • Nấm 3 . 10u - • Động vật nguyên sinh 5 .1 0 8 • Giun tròn • Bo bét • Bo đuôi bât 3 1 o Tảo 1 2 5 .1 0 1 3 0N > • ' 1 0 15 1 0 2 400 5 7 -3 0 0 Ilựp phần không sống (abiotic íactors) bao gồm: nước, chất khoáng, chái hữu cơ và không khí. Giống như các H ST khác, giữa các yếu tổ sống và không sống trong đất luôn xảy ra sự trao đổi năng lượng và vật chải, phàn ánh tính chức năng của một H ST. Cũng như các HST khác, H ST đất có khả năng tự điều chinh, đế lập lại càn hằng giúp cho hệ được ổn định mỗi khi có lác động từ bẻn ngoài. I I I - S ự H ÌN H T H À N H H Ệ S IN H T H Á I Đ Ấ T K h i sự sống trên Trái Đất chưa xuất hiện, thì vòng đại tuần hoàn địa chất với bán chất là quá trình phong hoá đá đã dần dần hình thành hợp phần khỗng sống của H ST đất như các chất khoáng, các dạng nước, các chất khí chứa irong các sán phẩm lơi xốp, bờ rời tạo tiền đề cho sinh vặt phát triến và được gọi là mẫu chãi. Kẽ từ khi có những sinh vật dơn bào đầu tiên xuất hiện trên mẫu chất thì đã xuất hiện một vòng tuần hoàn mới - đó là vòng tiểu tuần hoàn sinh học (hình 2 .2 ). I I\\n 17 ' - - - N P K C a F e AI s> M n C o B C u 2n Hỉnh 2.2. Quang hợp, vòng tuẩn hoàn sinh học vả sự tạo thành đất Các sinh vật dã tạo Ihành hợp phẩn sống của HST đát. chúnẹ biến dổi các chát vỏ cơ cứa mảu chài, cùa khí quyên thành nhũng chất hữu cư; dộ phì nhiêu đất (tã xiuìt hiện và ngày càng phát triển mạnh mẽ và 1ỈST dát cũng bát đầu hình thành. Như vậy đút vù 11ST ílất chi được hình thành khi có sự sống xuất hiện trẽn mẫu chất (hình 2.3). H in h 2 .3 . Q u á trìn h h ìn h th à n h h ệ sin h th á i đất r v - C Ấ U T R Ú C C Ủ A H Ệ S IN H T H Á I Đ Ấ T Xét vổ cấu ưúc và chức nàng thì ▲ đất tự nó hình thành một HST, một ỉ mảu hình của hệ thông hở. Tuy nhiên, sự tự điều chinh của IIS T đất có một giới hạn nhất (lịnh, nếu sự thay đổi vượt quá giới hạn này, IỈS T sẽ mất khả năng tự điều chinh và hậu quà là đất bị ỏ nhiễm, suy thoái. Người la chia các nhân lố sinh thái ra làm hai nhóm: nhủn tố sinh thái Opl: Cực thuận giới hạn và nhân tô sinh thái không H inh 2.4. S o giới hạn. Trong đất, hàm lượng các n h iệt hẹp chấi dinh dưỡng, pH, nồng dộ muối và các độc tố, nhiệt độ là những nhãn Nhiệt dộ Min: C ư c tiều M a x: C ự c dại s á n h giỏ i h ạ n s in h th á i c ủ a s in h v ậ t c h ịu (I v à III) v à s in h v ặ t c h ịu n h iệ t rô n g (II) (NgÚốn R u ttnel, 1953) tố sinh Ihái giới hạrl đối với cày trồng và quần xã sinh vạt đất; irong khi ánh sáng, địa hình không được xem là nhàn lố giới hạn dối với động vật đất. Sự lác động của con người có Ihé điéu chinh và tìm ra được giới hạn thích hợp cho nhiều sinh vật đất và cây trỏng. Giới hạn này còn dược gọi là giới hạn sinh thái hay gịớị hạn cho phép cùa M T ctấi. Sự ô nhicm M T đất là hậu quá cùa các tai biến lự nhiên hoặc các hoạt động cúa COIÌ người làm các nhân lô sinh thái virợi quá 18 M T (lất, c ẩ n phái biót dược giới han sinh thái của các quần \fi sòng irong (liVt vói lừng nhân lố sinh thái. X ử lý ò nhicm tức là điếu chỉnh và dưa các nhân lò sinh ihái Irờ về giới hạn sinh thái của quần xà sinh vại dãi. Đây là nguyên lý sinh thái cơ kin được vận dụnii vào việc sử dụng hợp lý lài nguyên đãi và bão vệ M T (hình 2.4). n g ư ỡ n g s i n h I h á i c ù a c á c q u ấ n x à s ố n g i r o n i i clàì v à m u ố n k i ê m s o á i d ư ợ c ỏ n h i ẻ m Bân chãi cua sự xác lập cân hằng là quá (rình tự diều chinh nàng lưựim và vặt chất giữa 3 loại sinh vật: sinh vật sàn xuất, sinh Vỉ)i liêu thụ và sinh vậi phán huý. 'riìông Ihường, tính da dạng sinh học cùa 1ỈST đâi cao hơn so với các IỈS T nước, không khí, nên khá nâng tự lập lại cán hàng cùa nó cũne cao hơn. Đổng thời, nhờ tính da dạng sinh học cao trong đài so với các HST khác nên xích thức ân trong 1IST dát rất phức lụp (hình 2.5). Đíú có độ phì nhiêu càng cao, càng có nhiều loài sinh vật cư liíi thì chuỗi thức ân càng phức tạp và khá nàng tự điếu chinh dể lập lại càn bàng sinh ihái càng lớn. Nói cách khác, nang lực chịu lài của dùi, cỏ the gánh chịu những sức ép, những củ sốc càng lớn irong những điều kiện khó khãn nhất. Chính nhờ những tính chất đặc thù này mà trong thực tế kiếm soát ỏ nhiễm, con người ihườiiụ "mượn" (lất làm M T xứ lý. làm sạch. Hinh 2 .5 . X ích thức ăn trong H ST đả't TÓM TẮT CHƯƠNG 2 Nội dung củ a chương đé cập đến khái niệm tổng quát nhưng cơ bàn nhất vé H S T , độ lớn, tính phản hổi và cấu trúc cù a một H S T . T ừ định nghĩa nảy, nội dung c ủ a chương chứng minh đất cũng là một H S T với đấy đủ cấu trúc và chức năng như các HST khác. Nỏi dung chương cũng dành thời lượng dáng kể phản tích vé sự hinh thành vả phát triển của một H S T đất, vế cấu trúc chức nâng cùa H S T đẫt và vai trỏ to lởn của H S T đát trong cản bằng tự nhiên. CÂU HỎI 1. 2. Nêu và giái thích khái niộm về hệ sinh thái, tấu (rúc. chức nang và tính phàn hổi của I ỈST. lìằng những dẫn liệu cụ thế. chứng minh (lát là một 11ST. 3. Khi nào m ột H ST đâì dược hình thành? I iST này phát iriõn như thế nào? Phán lích cấu trúc và chức nâng của 1IS T tiất và vai 1rò của nó trong ciln hằng tự nhiôn. 4. 19