Bài 31: Sinh quyển, khu sinh học và chu trình sinh địa hoá | Sinh Học 12 | Phần sáu. Sinh thái học và môi trường - Chương VII: Sinh thái học quần xã - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 165)

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

• Phát biểu được khái niệm sinh quyển; giải thích được sinh quyển là một cấp độ tổ chức sống lớn nhất hành tinh; trình bày được một số biện pháp bảo vệ sinh quyển.

• Phát biểu được khái niệm khu sinh học.

• Trình bày được đặc điểm của các khu sinh học trên cạn chủ yếu và các khu sinh học nước ngọt, khu sinh học nước mặn trên Trái Đất.

• Trình bày được các biện pháp bảo vệ tài nguyên sinh học của các khu sinh học đó.

• Phát biểu được khái niệm chu trình sinh – địa – hoá các chất.

• Vẽ được sơ đồ khái quát chu trình trao đổi chất trong tự nhiên.

• Trình bày được chu trình sinh – địa – hoá của một số chất: nước, carbon, nitrogen và ý nghĩa sinh học của các chu trình đó, đồng thời vận dụng kiến thức về các chu trình đó vào giải thích các vấn đề của thực tiễn.

I. SINH QUYỂN VÀ KHU SINH HỌC

1. Khái niệm sinh quyển

Sinh quyển là cấp tổ chức sống lớn nhất bao gồm toàn bộ các hệ sinh thái trên Trái Đất. Mỗi hệ sinh thái được duy trì nhờ quá trình trao đổi vật chất và năng lượng giữa quần xã với môi trường. Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa,...) và sự lưu chuyển các chất trong không khí, đất và nước có tác động lên những khu vực địa lí rộng lớn trên quy mô toàn cầu, do đó tất cả các hệ sinh thái trên Trái Đất không tồn tại rời rạc mà được gắn kết chặt chẽ với nhau thông qua các nhân tố vô sinh hình thành nên một hệ sinh thái lớn nhất là sinh quyển.

Với vai trò là một hệ sinh quyển là một cấu trúc hoàn chỉnh có khả năng tự điều chỉnh, trong đó sinh vật và sinh cảnh tương tác hai chiều ở trạng thái cân bằng động. Do đó thay đổi môi trường ở một địa điểm bất kì trên Trái Đất đều có thể tác động đến môi trường toàn cầu.

(Trang 166)

2. Khái niệm khu sinh học và đặc điểm của một số khu sinh học

a) Khái niệm khu sinh học

Khu sinh học (bomie) là một khu vực lớn trên Trái Đất có các đặc điểm tương tự về khí hậu và có cùng một loại thảm thực vật đặc trưng. Khu sinh học được chia thành hai nhóm lớn gồm khu sinh học trên cạn (rừng nhiệt đới, savanna, hoang mạc, sa mạc, rừng rụng lá ôn đới, thảo nguyên, rừng Địa Trung Hải, rừng lá kim phương bắc và đồng rêu Hàn đới) (H 31.1) và khu sinh học dưới nước (khu sinh học nước ngọt, khu sinh học nước mặn) (H 31.3).

Vĩ độ 0°C 90°C

Vùng Bắc Cực: Đồng rêu hàn đới

Vùng cận Bắc Cực: Rừng lá kim phương bắc

Vùng ôn đới: Rừng rụng lá ôn đới; Thảo nguyên; Rừng Địa Trung Hải

Vùng nhiệt đới: Rừng nhiệt đới; Savanna; Hoang mạc và sa mạc

Mức độ khô hạn

Hình 31.1. Các loại khu sinh học trên cạn phân bố theo vĩ độ và mức độ khô hạn của các vùng trên Trái Đất

Sinh quyển được cấu thành từ các khu sinh học. Các khu sinh học thể hiện sự phân bố và đa dạng sinh vật trên Trái Đất. Dựa vào đặc điểm đặc trưng của mỗi khu sinh học, các nhà sinh thái học có thể đánh giá được trạng thái hiện tại của từng khu (ổn định, phát triển hay suy thoái), từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp để bảo vệ, phục hồi, bảo tồn, phát triển và khai thác hợp lí nguồn tài nguyên sinh vật.

b) Đặc điểm của một số khu sinh học

Rừng nhiệt đới

Rừng nhiệt đới có nhiệt độ trung bình năm từ 25 – 29°C. Rừng nhiệt đới không có sự phân hoá rõ rệt về mùa, lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 2 000 – 4 000 mm. Rừng mưa nhiệt đới có thảm thực vật phân làm nhiều tầng gồm chủ yếu là cây lá rộng thường xanh, mật độ cây mọc dày, có nhiều cây dây leo, cây khí sinh (H 31.2a). Rừng cận nhiệt đới có hai mùa rõ rệt là mùa khô và mùa mưa, lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 1 500 – 2 000 mm. Rừng cận nhiệt đới có thảm thực vật thưa, nhiều cây bụi gai, cây mọng nước, rất ít cây dây leo, cây khí sinh. Hệ động vật của rừng nhiệt đới rất đa dạng với hàng triệu loài từ thú lớn như gấu, báo, hổ… đến các động vật không xương sống như côn trùng, giun đất,...

(Trang 167)

Rừng rụng lá ôn đới

Rừng rụng lá ôn đới có nhiệt độ trung bình mùa đông khoảng 0°C, nhiệt độ mùa hè có thể lên đến 35°C, lượng mưa trung bình hằng năm khoảng 700 – 2 000mm. Thực vật chủ yếu gồm những loài lá rộng, rụng lá theo mùa và một số ít các loài thực vật lá kim. Hệ động vật đa dạng gồm sóc, nai, thỏ,... thích nghi với sự thay đổi khí hậu theo mùa như giảm hoạt động, ngủ đông hoặc di cư vào thời điểm nhiệt độ hạ xuống thấp (H 31.2b).

Hình 31.2. Một số khu sinh học trên cạn: rừng mưa nhiệt đới (a), rừng rụng lá ôn đới (b)

Khu sinh học nước ngọt

Nước ngọt là nước có độ mặn dưới 1%. Khu sinh học nước ngọt gồm các vùng nước chảy (sông, suối) và các vùng nước đứng (ao, hồ, đất ngập nước) (H 31.3a).

Sinh vật sản xuất ở vùng nước ngọt gồm vi khuẩn lam, tảo, thực vật thuỷ sinh (bèo hoa dâu, súng, sen, dừa nước...). Sinh vật tiêu thụ đa dạng gồm động vật phù du, cá, giáp xác,... Khu sinh học nước ngọt còn là nơi kiếm ăn của nhiều loài động vật như bói cá, cò, rắn,...

Khu sinh học nước mặn

Khu sinh học nước mặn phân vùng rõ rệt theo chiều ngang (vùng ven bờ, vùng khơi) và theo chiều thẳng đứng (tầng nước mặt, tầng giữa và tầng đáy).

Vùng ven bờ gồm hệ sinh thái cửa sông, rừng ngập mặn, rạn san hô, thảm cỏ biển... (H 31.3c). Sinh vật sản xuất gồm thực vật ngập mặn (sú, vẹt, đước,...), các loại tảo, rong biển và vi khuẩn quang hợp. Hệ động vật rất đa dạng như động vật nổi tôm, sò, cá, cua, chim di cư, san hô, cá ngựa,...

Vùng khơi (đại dương) là vùng nước sâu, chiếm khoảng 70% diện tích bề mặt trái đất. Sinh vật sản xuất gồm tảo và vi khuẩn quang hợp, phân bố chủ yếu ở tầng nước mặt nghèo dinh dưỡng. Hệ động vật bao gồm động vật nổi, sứa, mực, rùa biển, cá voi,... các loài sống ở tầng đáy thường thuộc nhóm sinh vật phân giải sử dụng chất thải và xác sinh vật từ tầng nước phía trên.

Hình 31.3. Một số khu sinh học dưới nước: đất ngập nước (a), cửa sông (b), rạn san hô (c)

(Trang 168)

3. Các biện pháp bảo vệ sinh quyển và khu sinh học

Sinh quyển (gồm các khu sinh học) là môi trường sống cho con người và mọi sinh vật trên Trái Đất. Sự phát triển của con người là một trong những nguyên nhân làm môi trường thay đổi theo hướng bất lợi. Do đó, bảo vệ sinh quyển và các khu sinh học là nhiệm vụ cấp thiết liên quan đến sự tồn tại và phát triển của con người hiện tại và tương lai. Để bảo vệ sinh quyển và khu sinh học, con người cần thực hiện song song hai nhóm biện pháp: giảm thiểu sự tác động có hại của con người đồng thời với các hoạt động bảo tồn, cải tạo sinh quyển, khu sinh học theo hướng phát triển bền vững.

Các biện pháp giảm thiểu sự tác động có hại lên sinh quyển và khu sinh học như: giảm tiêu thụ nguyên liệu (nước, gỗ, kim loại,...), tiết kiệm và tái chế nguyên liệu; sử dụng hiệu quả năng lượng, tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo; giảm phát thải khí nhà kính, phân loại và xử lí rác thải,... Bên cạnh đó cần đẩy mạnh bảo tồn và cải tạo sinh quyển bằng các giải pháp như trồng rừng, bảo vệ đa dạng sinh vật, thành lập các khu dự trữ sinh quyển, phục hồi các hệ sinh thái tự nhiên,...

Để các biện pháp trên được thực hiện có hiệu quả cần tuyên truyền nâng cao ý thức bảo vệ môi trường cho cá nhân, cộng đồng; nhà nước cần có các chính sách, pháp luật chặt chẽ và thực thi nghiêm túc các luật về bảo vệ đa dạng sinh vật, khai thác tài nguyên, kiểm soát xả thải…; thúc đẩy hợp tác chặt chẽ giữa các quốc gia, các tổ chức quốc tế như UNESCO (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hoá của Liên hợp quốc), WWF (Quỹ Quốc tế Bảo vệ Thiên nhiên),… nhằm trao đổi thông tin, nghiên cứu khoa học và kinh nghiệm về bảo tồn sinh vật, sử dụng hợp lí nguồn tài nguyên… đồng thời cùng thực hiện các công ước, nghị định thư, chương trình bảo vệ môi trường trên toàn thế giới.

II. CHU TRÌNH SINH - ĐỊA - HÓA

1. Khái niệm

Chu trình sinh – địa – hoá là sự tuần hoàn vật chất qua các dạng khkasc nhau giữa sinh vật và môi trường (H 31.4).

Chu trình sinh – địa – hoá mô tả sự luân chuyển của các nguyên tố liên quan đến sự sống, chủ yếu là các nguyên tố dinh dưỡng (C, N, P, Ca, S,...). Các chất dinh dưỡng trong chu trình có thể bị lắng đọng (than bùn, khoáng chất,...), kết tủa, chôn lấp,... tạo thành vật chất lắng đọng và vật chất lắng đọng cũng có thể bồi hoàn trở lại chu trình thông qua quá trình phong hoá, đốt cháy,...

(Trang 169)

Mặt Trời

Khí hậu

Chu trình sinh – địa – hoá

Sinh vật sản xuất; Sinh vật tiêu thụ; Sinh vật phân giải

Lắng đọng

Bồi hoàn

Vật chất lắng đọng trong đất (than đá, dầu mỏ,...)

Hình 31.4. Khái quát chu trình sinh – địa – hoá

2. Một số chu trình sinh – địa – hoá

Trong sinh quyển có nhiều chu trình sinh – địa – hoá, trong đó ba chu trình quan trọng là chu trình carbon, chu trình nitrogen và chu trình nước.

a) Chu trình carbon

Carbon hình thành nên bộ khung phân tử của tất cả các loại chất hữu cơ cấu tạo nên cơ thể sống. Carbon từ môi trường đi vào quần xã dưới dạng carbon dioxide. Các sinh vật sản xuất thực hiện quá trình quang hợp cố định CO₂ thành chất hữu cơ. Quá trình hô hấp, phân huỷ chất thải và xác sinh vật giải phóng CO₂ vào khí quyển. Vỏ calcium carbonate (CaCO₃) của một số loài động vật và một phần xác sinh vật phân giải không hoàn toàn hình thành vật chất lắng đọng như than bùn, than đá, dầu mỏ,... di chuyển một phần carbon ra khỏi chu trình. Lượng CO₂ trong khí quyển có thể được bổ sung thông qua hoạt động của núi lửa. Con người đốt cháy nhiên liệu hoá thạch cung cấp năng lượng cho hoạt động sản xuất, giao thông vận tải,... phát thải một lượng lớn CO₂.

(Trang 170)

Kết quả, lượng CO₂ chuyển từ vật chất lắng đọng vào chu trình lớn hơn lượng CO₂ chuyển thành sinh khối khiến lượng CO₂ trong khí quyển tăng lên làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, dẫn đến tăng nhiệt độ trung bình trên Trái Đất.

b) Chu trình nitrogen

Nitrogen là thành phần cấu tạo của protein, nucleic acid. Nitrogen tồn tại chủ yếu trong khí quyển ở dạng khí nitrogen (N₂). Đa số các loài vi khuẩn, nấm và thực vật có khả năng chuyển hoá các ion NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^- thành chất hữu cơ nhưng chỉ có một số ít loài vi sinh vật cố định đạm được tổng hợp được NH₄⁺ từ N₂. Quá trình phân giải chất thải, xác sinh vật chuyển hoá nitrogen hữu cơ thành NH₄⁺ và hoạt động của một số nhóm vi khuẩn nitrate hoá chuyển đổi NO₃^- thành N₂ trong điều kiện kị khí. Trong hệ sinh thái tự nhiên, nguồn cung cấp NH₄⁺ chủ yếu cho quần xã đến từ quá trình cố định đạm và một lượng nhỏ NO₂^- được hình thành nhờ sấm sét (H 31.6).

Sấm sét

Nitrogen trong khí quyển (N₂)

Sản xuất phân đạm

Vi khuẩn cố định N₂ sống tự do; Vi khuẩn cố định N₂ sống cộng sinh; Ammonium (NH₄⁺); Vi khuẩn phân giải chất hữu cơ; Chất hữu cơ trong đất

Nitrite (NO₂^-); Vi khuẩn nitrite hóa; Vi khuẩn nitrate hóa; Nitrate (NO₃^-); Vi khuẩn phân Nitrate hóa

Chuyển hóa nitrogen hữu cơ

Chuyển hóa nitrogen vô cơ

Hình 31.6. Chu trình nitrogen

Để tăng năng suất cây trồng, con người sản xuất một lượng lớn NH₄⁺ (phần đạm) từ khí nitơ. Việc sử dụng phân đạm quá mức, không hợp lí trong thời gian dài dẫn đến suy thoái đất nông nghiệp; lượng phân đạm dư thừa bị rửa trôi ra sông, hồ,… gây ra hiện tượng phú dưỡng và một phần  NO₃^- thấm xuống tầng đất sâu hơn gây ô nhiễm nguồn nước ngầm.

c) Chu trình nước

Tuyết và băng; Mưa; Dòng chảy; Mạch nước ngầm; Hồ, biển; Bay hơi; Thoát hơi nước từ cây; Di chuyển của mây

Hình 31.7. Chu trình nước

Nước dạng lỏng có nhiều chất ở đại dương và một lượng lớn nước đóng băng ở hai cực của Trái Đất. Nước bốc hơi hình thành mây và gây mưa. Phần lớn nước mưa ở lục địa chảy theo chiều trọng lực đến các vùng trũng tạo ra ao, hồ và hình thành dòng chảy lớn đổ ra đại dương. Một phần nước mưa bốc hơi và một phần thấm xuống đất hình thành nước ngầm. Một phần nước mưa bốc hơi và một phần thấm xuống đất hình thành nước ngầm. Thực vật trên cạn hấp thu nước từ đất và bốc hơi qua quá trình thoát hơi nước, mọi sinh

(Trang 171)

vật đều hấp thu và bài thải nước trong suốt quá trình sống. Thảm thực vật làm giảm tác động rửa trôi của nước, phân tán dòng chảy, tạo điều kiện cho nước thấm từ từ vào đất, tăng lượng nước lưu trữ trong đất và tăng lượng nước ngầm (H 31.7).

Con người đã phá rừng, sử dụng một lượng lớn nước cho hoạt động sinh hoạt và sản xuất, đồng thời xả thải nhiều chất thải độc hại vào môi trường nước. Hậu quả là làm tăng lượng nước bề mặt, suy giảm nước ngầm, ô nhiễm nguồn nước, lũ lụt, xói mòn đất, sa mạc hoá và suy giảm đa dạng sinh vật.