Chương 1: Khái niệm chung về sinh thái học

Phần I
Lý thuyết

Chơng một
Khái niệm chung về sinh thái học


Nội dung
Các nội dung sau đây sẽ đợc đề cập trong chơng này:
Lợc sử môn học và khái niệm về sinh
thái học
Cấu trúc sinh thái học
Quy luật tác động của các nhân tố sinh
thái
ảnh hởng của nhân tố vô sinh lên cơ
thể sinh vật và sự thích nghi của chúng
Mối quan hệ giữa môi trờng và con
ngời
ý nghĩa của sinh thái học trong đời
sống và sản xuất nông nghiệp


Mục tiêu

Sau khi học xong chơng này, sinh viên cần:
Nắm đợc khái niệm về sinh thái học
Hiểu đợc vai trò của sinh thái học đối với đời sống và sản xuất nông nghiệp
Phân biệt đợc nhân tố sinh thái vô sinh, hữu sinh và nhân tố con ngời
Phân tích đợc cơ chế động của các nhân tố sinh thái lên đời sống sinh vật.
1. Lợc sử môn học và Khái niệm về sinh thái học
Ngay từ những thời kỳ lịch sử xa xa, trong xã hội nguyên thủy của loài ngời,
mỗi một cá thể cần có những hiểu biết nhất định về môi trờng xung quanh; về sức
mạnh của thiên nhiên, về thực vật và động vật ở quanh mình. Nền văn minh thực sự
đợc hình thành khi con ngời biết sử dụng lửa và các công cụ khác, cho phép họ
làm biến đổi môi sinh. Và bây giờ, nếu loài ngời muốn duy trì và nâng cao trình độ
nền văn minh của mình thì hơn lúc nào hết họ cần có đầy đủ những kiến thức về
môi trờng sinh sống của họ.
1
Kiến thức sinh thái học cũng giống nh tất cả các lĩnh vực khoa học khác, đều
phát triển nhng không đồng đều. Các công trình của Aristote, Hippocrat và các
triết gia cổ Hy Lạp đều bao hàm những dẫn liệu mang tính chất sinh thái học khá rõ
nét.
Tuy trở thành một môn khoa học độc lập vào khoảng năm 1900, nhng chỉ vài
chục năm trở lại đây, thuật ngữ sinh thái học mới mang đầy đủ tính chất phổ cập
của nó, nhất là ở các nớc có nền khoa học phát triển, và nó ngày càng thâm nhập
sâu vào mọi lĩnh vực hoạt động của đời sống xã hội cũng nh mọi lĩnh vực của khoa
học kỹ thuật, trong đó có nông nghiệp.
Những năm gần đây, sinh thái học đã trở thành khoa học toàn cầu. Rất nhiều ngời
cho rằng con ngời cũng nh các sinh vật khác không thể sống tách rời môi trờng cụ
thể của mình. Tuy nhiên, con ngời khác với các sinh vật khác là có khả năng thay đổi
điều kiện môi trờng cho phù hợp với mục đích riêng. Mặc dù thế, thiên tai, hạn hán,
dịch bệnh, ô nhiễm môi trờng luôn luôn nhắc nhở chúng ta: loài ngời không thể cho
mình có một sức mạnh vô song mà không có sai lầm. Từ cổ xa, thung lũng sông
Tigrer phồn vinh đã biến thành hoang mạc vì bị xói mòn và hoá mặn do hệ thống tới
tiêu bố trí không hợp lý. Nguyên nhân sụp đổ của nền văn minh Mozopotami vĩ đại
cũng là một tai hoạ sinh thái. Trong những nguyên nhân làm tan vỡ nền văn minh Maia
ở Trung Mĩ và sự diệt vong của triều đại Khơme trên lãnh thổ Campuchia là do khai
thác quá mức rừng nhiệt đới. Rõ ràng, khủng hoảng sinh thái hiển nhiên không phải là
phát kiến của thế kỷ 20, mà là bài học của quá khứ bị lãng quên. Vì vậy, nếu chúng ta
muốn đấu tranh với thiên nhiên, thì chúng ta phải hiểu sâu sắc các điều kiện tồn tại và
qui luật hoạt động của điều kiện tự nhiên. Những điều kiện đó phản ánh thông qua
những qui luật hoạt động của tự nhiên. Những điều kiện đó phản ánh thông qua những
qui luật sinh thái cơ bản mà các sinh vật phải phục tùng.
Thuật ngữ Sinh thái học (Ecology) đợc Heckel E., một nhà sinh vật học nổi
tiếng ngời Đức, dùng lần đầu tiên vào năm 1869, nó đợc hình thành từ chữ Hy
Lạp: oikos - có nghĩa là nhà ở hoặc nơi sinh sống, còn logos là môn học.



Nh vậy, theo định nghĩa cổ điển thì sinh thái học là khoa học nghiên cứu về
nhà ở về nơi sinh sống của sinh vật hay sinh thái học là toàn bộ mối quan hệ
giữa cơ thể với ngoại cảnh và các điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của chúng
(Heckel E. - 1869).
Còn theo nhà sinh thái học nổi tiếng E.P. Odum thì sinh thái học là khoa
học về quan hệ của sinh vật hoặc một nhóm sinh vật với môi trờng xung
quanh hoặc nh là khoa học về quan hệ tơng hỗ giữa sinh vật với môi sinh
của chúng (E.P.Odum - 1971).
Ricklefs - 1976, một nhà sinh thái học ngời Mỹ cho rằng: sinh thái học
nghiên cứu sinh vật ở các mức độ cá thể, quần thể và quần xã trong mối quan
hệ tơng hỗ giữa chúng với môi trờng sống xung quanh và với các nhân tố
lý, hoá, sinh vật của nó.
A.M. Grodzinxki và D.M. Grodzinxki - 1980, đã định nghĩa: sinh thái
học - ngành sinh học nghiên cứu mối quan hệ tơng hỗ giữa cơ thể sinh vật
với môi trờng xung quanh...
Oikos (nhà ở)
Ecology
Logos (môn học)
2
Các tác giả đã đa ra nhiều định nghĩa về sinh thái học, nhng đều thống
nhất coi sinh thái học là môn khoa học về cấu trúc và chức năng của thiên
nhiên mà đối tợng của nó là tất cả các mối quan hệ tơng hỗ giữa sinh vật
với môi trờng, hay cách khác, sinh thái học là một môn khoa học nghiên
cứu và ứng dụng những qui luật hình thành và hoạt động của tất cả các hệ
sinh học.
Sinh thái học là một khoa học tổng hợp, những kiến thức của nó bao gồm
nhiều môn khoa học khác. Sinh thái học ngày nay không chỉ có quan hệ với
động vật học, thực vật học, sinh lý học, sinh hoá học, di truyền học, tiến hoá
học, trồng trọt, chăn nuôi... mà còn với các ngành toán học, hoá học, vật lý
học, địa lý và xã hội học... Nó thể hiện trong các môn khoa học mới nh sinh
thái tế bào, di truyền sinh thái, sinh thái nông nghiệp.v.v. Mối quan hệ của
sinh thái học với khoa học kinh tế và pháp quyền cũng đang tăng lên mạnh
mẽ.
Nghiên cứu các hệ sinh thái ở cạn cũng nh các hệ sinh thái ở nớc
không những chỉ áp dụng các phơng pháp sinh học mà còn cả các phơng
pháp phân tích toán học, các nguyên lý điều khiển học.
Nh vậy, có thể nói sinh thái học vừa là khoa học tự nhiên vừa là khoa
học xã hội. Nó không phải khoa học tự nhiên mà loại trừ con ngời, hay khoa
học xã hội mà tách khỏi tự nhiên. Khoa học này chỉ có thể hoàn thiện sứ
mệnh của mình khi các nhà sinh thái học nhận thức đợc trách nhiệm của họ
trong sự tiến hoá của điều kiện xã hội.
Về phơng pháp nghiên cứu, sinh thái học cũng sử dụng một số phơng
pháp của các môn khoa học khác; đồng thời nó cũng có phơng pháp nghiên
cứu riêng mà phần nhiều là các phơng pháp mang tính tổng hợp nh thống
kê nhiều chiều, phân tích hệ thống, mô hình hoá toán học...
2. Cấu trúc sinh thái học
Cấu trúc sinh thái học có thể biểu hiện theo không gian ba chiều bằng
những cái bánh tròn dẹt nằm chồng lên nhau tơng ứng với các mức độ tổ
chức sinh học khác nhau từ cá thể qua quần thể, quần xã đến hệ sinh thái. Nếu
bổ dọc chồng bánh này qua trục tâm ta chia cấu trúc ra các nhóm hình thái,
chức năng, phát triển, điều hoà và thích nghi.









Nếu ta quan sát tất cả các nhóm đó ở một mức độ, thí dụ quần xã thì ở nhóm
hình thái nội dung cơ bản là số lợng và mật độ tơng đối của loài, ở nhóm chức
năng đó là quan hệ tơng hỗ giữa các quần thể nh thú dữ và con mồi, ở nhóm
Cá thể
Quần thể
Hệ sinh thái
Quần xã
Chức năng
Hình thái
Phát tri
ển
Điều hoà
Thích nghi
5
4
3
2
1
1
2
3
4
5
Hình 0. Cấu trúc sinh thái học
3
điều hoà là sự điều chỉnh để tiến tới thế cân bằng, ở nhóm thích` nghi là quá
trình có khả năng tiến hoá, khả năng chọn lọc sinh thái, chống kẻ thù.
Nếu nh chọn một chồng nhóm, ví dụ nhóm chức năng thì ở mức độ hệ sinh
thái là chu trình vật chất và dòng năng lợng; ở mức độ quần xã là quan hệ giữa
vật dữ, con mồi và cạnh tranh giữa các loài; ở quần thể là sinh sản, tử vong, di
c, nhập c; ở mức độ cá thể là sinh lý và tập tính của cá thể.
Nh vậy, mỗi một mức độ tổ chức sinh thái có đặc điểm cấu trúc và chức
năng riêng biệt của mình. Mỗi một nhóm trên một mức độ đợc đặc trng bởi tập
hợp có tính thống nhất các hiện tợng đợc quan sát. Tập hợp đó thể hiện bằng
tính qui luật hình thành trên cơ sở của các hiện tợng. Những qui luật đó chính là
đối tợng nghiên cứu của sinh thái học, nằm trong các đơn vị cụ thể của tự nhiên
- hệ sinh thái (ecosystem).

3. Qui luật tác động số lợng của các nhân tố sinh thái
3.1. Khái niệm chung
Môi trờng:
Theo nghĩa rộng nhất thì môi trờng là tổng hợp các điều kiện bên ngoài có
ảnh hởng tới một vật thể hoặc một sự kiện. Nh vậy, bất cứ một vật thể, một sự
kiện nào cũng tồn tại và diễn biến trong một môi trờng cụ thể. Khái niệm chung về
môi trờng nh thế đợc cụ thể hóa đối với từng đối tợng và mục đích nghiên cứu.
Đối với cơ thể sống thì môi trờng sống là
tổng hợp những điều kiện bên ngoài có ảnh
hởng tới đời sống và sự phát triển của cơ thể.
Đối với con ngời, môi trờng chứa đựng nội
dung rộng hơn. Theo định nghĩa của UNESCO
(1981) thì môi trờng của con ngời bao gồm
toàn bộ các hệ thống tự nhiên và các hệ thống
do con ngời tạo ra, những cái hữu hình cũng
nh vô hình (tập quán, niềm tin,), trong đó
con ngời sống và lao động, họ khai thác các tài
nguyên thiên nhiên và nhân tạo nhằm thoả mãn
những nhu cầu của mình. Nh vậy, môi trờng
sống đối với con ngời không chỉ là nơi tồn tại,
sinh trởng và phát triển cho một thực thể sinh
vật là con ngời mà còn là khung cảnh của
cuộc sống, của lao động và sự vui chơi giải trí
của con ngời.
Hình 1. Con ngời với một số yếu tố môi trờng cơ bản
ánh
sáng
Cộng
đồng
Gia
đình
Nguồn
nớc
Động
vật
Rừng
Không
khí
Đất


Thành phần và tính chất của môi trờng rất đa dạng và luôn luôn biến đổi. Bất
kỳ một cơ thể sống nào muốn tồn tại và phát triển, đều phải thờng xuyên thích
nghi với môi trờng và điều chỉnh hành vi cho phù hợp với sự biến đổi đó.
Tùy theo mục đích và nội dung nghiên cứu, khái niệm chung về môi trờng
sống còn đợc phân thành môi trờng thiên nhiên, môi trờng xã hội, môi
4
trờng nhân tạo. Trong nghiên cứu sinh học, ngời ta thờng chia ra 4 loại môi
trờng chính: (1) môi trờng nớc, (2) môi trờng đất, (3) môi trờng không khí, và
(4) môi trờng sinh vật.

Nhân tố sinh thái:
Những yếu tố cấu thành môi trờng nh ánh sáng, nhiệt độ, thức ăn, bệnh tật
v.v... đợc gọi là yếu tố môi trờng. Nếu xét tác động của các yếu tố này lên đời
sống sinh vật cụ thể thì chúng đợc gọi là yếu tố sinh thái hoặc nhân tố sinh thái.
Trong qúa trình sống, các sinh vật bị tác động đồng thời của rất nhiều các các
nhân tố sinh thái. Tuy nhiên, để dễ nghiên cứu, ngời ta thờng chia các nhân tố
sinh thái thành hai nhóm theo bản chất của chúng là (i) nhóm nhân tố sinh thái vô
sinh (gồm các nhân tố khí hậu, đất, địa hình v.v.) và (ii) nhóm nhân tố sinh thái hữu
sinh (gồm các cơ thể sống nh thực vật, động vật, vi sinh vật và các mối quan hệ
giữa các chúng với nhau).
Nh trên đã trình bày, môi trờng bao gồm rất nhiều các yếu tố sinh thái. Mỗi
nhân tố sinh thái có tác động không giống nhau đối với các loài khác nhau, hay
thậm chí với các cá thể khác nhau trong cùng một loài. Ví dụ ảnh hởng của nhiệt
độ thấp không mấy quan trọng với cây trồng có nguồn gốc ôn đới (nh cải bắp, cà
chua), nhng lại rất quan trọng với cây trồng có nguồn gốc nhiệt đới điển hình (lúa,
ngô). Một số nhân tố sinh thái có thể thay đổi theo ngày đêm hay theo mùa (nhiệt
độ, lợng ma); cũng có một số đặc điểm của môi trờng thay đổi rất ít theo thời
gian (hằng số mặt trời, lực trọng trờng). Nhìn chung, các nhân tố sinh thái đều tác
động lên sinh vật thông qua 4 đặc tính sau:
Bản chất của nhân tố tác động
Cờng độ tác động (mạnh hay yếu)
Tần số tác động
Thời gian tác động
Về mặt số lợng, ngời ta chia các tác động của các yếu tố sinh thái thành các
bậc:
Bậc tối thiểu (minimum), là bậc nếu nhân tố sinh thái thấp hơn nữa thì có thể
gây tử vong cho sinh vật.
Bậc không thuận lợi thấp (minipessimum), là bậc làm cho hoạt động của các
sinh vật bị hạn chế.
Bậc tối thích (optimum), tại đây hoạt động của sinh vật đạt giá trị cực đại.
Bậc không thuận lợi cao (maxipessimum), hoạt động của sinh vật bị hạn chế.
Bậc tối cao (maximum), là bậc nếu nhân tố sinh thái cao hơn nữa thì có thể gây
tử vong cho sinh vật.
Tuy nhiên, ngời ta thờng sử dụng ba bậc: minimum, optimum và maximum để
đánh giá ảnh hởng của các nhân tố sinh thái lên sự sống và hoạt động của sinh vật.
Khoảng giới hạn của một nhân tố từ minimum đến maximum đợc gọi là giới hạn sinh
thái hay biên độ sinh thái. Khoảng giới hạn sinh thái này phụ thuộc theo các loài sinh
vật khác nhau. Những loài sinh vật có biên độ sinh thái lớn là các loài phân bố rộng và
ngợc lại. Những loài phân bố hẹp thờng đợc chọn là các loài đặc trng cho từng
điều kiện môi trờng cụ thể.
5
Min
Hoạt động (tăng trởng)

Nhiệt độ

Min

Max
I
Opt

Opt
II
Max

Opt
III
Hình 2. So sánh các giới hạn chống chịu tơng đối của sinh vật hẹp nhiệt (I và III)
và sinh vật rộng nhiệt (II)
(Nguồn: Rutner 1953)
ở loài hẹp nhiệt, cực tối thiểu (min) và tối cao (max) rất gần nhau, ở loài rộng nhiệt thì ngợc lại.
Vì vậy những thay đổi không lớn của nhiệt độ tỏ ra ít ảnh hởng đến các loài rộng nhiệt, nhng đối với
loài hẹp nhiệt thì thờng lại là nguy kịch. Chúng ta thấy rằng các sinh vật hẹp nhiệt có thể thích ứng với
các nhiệt độ thấp (oligothermal I) với nhiệt cao (polythermal III) hoặc có thể có đặc tính trung gian.

Để biểu thị một cách tơng đối mức độ chống chịu của sinh vật với các nhân tố
môi trờng, trong sinh thái học có hàng loạt thuật ngữ đợc sử dụng với các tiếp đầu
ngữ steno có nghĩa là hẹp và eury nghĩa là rộng. Ví dụ:
Stenothermal - eurythernic (nói về nhân tố sinh thái nhiệt độ);
Stenohydric - euryhydric (nói về nhân tố sinh thái nớc);
Stenohalin - euryhalin (nói về nhân tố sinh thái muối);
Stenophagos - euryphagos (nói về dinh dỡng);
Stenooikos - euryoikos (nói về việc lựa chọn nơi ở).
Sự có mặt hoặc phồn thịnh của sinh vật hoặc một nhóm sinh vật tại một nơi nào
đấy, thờng phụ thuộc vào cả tổ hợp các điều kiện. Một điều kiện bất kỳ quyết định
tới sự tồn tại và phân bố của sinh vật đợc gọi là điều kiện giới hạn (hay yếu tố giới
hạn).
Hầu hết các điều kiện vật lý của môi trờng (đối với sinh vật trên cạn, yếu tố
sinh thái quan trọng hàng đầu là ánh sáng, nhiệt độ và lợng ma, còn đối với sinh
vật dới nớc là ánh sáng, nhiệt độ và độ muối) không những chỉ là giới hạn mà còn
đợc xem nh yếu tố điều khiển các hoạt động của sinh vật. Sinh vật không những
thích ứng với các yếu tố vật lý của môi trờng với ý nghĩa là chống chịu mà còn sử
dụng tính chu kỳ tự nhiên của những thay đổi môi trờng để phân phối chức năng
của mình theo thời gian và chơng trình hoá các chu trình sống, nhằm sử dụng
đợc các điều kiện thuận lợi nhất; tất cả các quần xã đã đợc chơng trình hoá để
phản ứng với nhịp điệu mùa và các nhịp điệu khác.
Khi nghiên cứu tác động số lợng của các nhân tố sinh thái lên cơ thể sinh vật,
ngời ta đã phát hiện ra một số định luật cơ bản của sinh thái học sau đây.
3.2. Định luật lợng tối thiểu
Mỗi sinh vật chỉ có thể sống trong những điều kiện môi trờng cụ thể. Các yếu
tố nh nhiệt độ, độ ẩm, chế độ dinh d
ỡng và các điều kiện môi trờng khác phải
tồn tại ở một mức thích hợp thì các sinh vật mới có thể tồn tại đợc.
6
Năm 1840 Liebig cho rằng tính chống chịu đợc xem nh là khâu yếu nhất trong
dây truyền các nhu cầu sinh thái của cơ thể. Khi nghiên cứu trên các loài cây hoà
thảo, ông nhận thấy rằng năng suất của hạt thờng bị giới hạn không phải bởi các
chất dinh dỡng mà sinh vật ấy có nhu cầu với số lợng lớn, ví dụ nh khí cacbonic
và nớc (bởi vì các chất này thờng xuyên có mặt với hàm lợng lớn) mà lại bởi các
chất có nhu cầu với hàm lợng nhỏ (ví dụ nh nguyên tố Bo), nhng các chất này lại
có rất ít ở trong đất. Liebig đã đa ra nguyên tắc: chất có hàm lợng tối thiểu điều
khiển năng suất, xác định đại lợng và tính ổn định của mùa màng theo thời gian.
Nguyên tắc này đã trở thành định luật tối thiểu của Liebig. Nhiều tác giả nh
Taylor (1934) khi mở rộng khái niệm này ngoài các chất dinh dỡng đã đa và thêm
hàng loạt các yếu tố khác nh nhiệt độ và thời gian.
Những công trình to lớn của Liebig cho thấy, để ứng dụng có kết quả khái niệm này
trong thực tiễn cần phải quán triệt thêm 2 nguyên tắc hỗ trợ.
Nguyên tắc hạn chế: định luật của Liebig chỉ đúng khi ứng dụng trong các điều kiện
của trạng thái hoàn toàn tĩnh, nghĩa là khi dòng năng lợng và vật chất đi vào cân
bằng với dòng đi ra.
Nguyên tắc bổ sung: nói về tác dụng tơng hỗ của các yếu tố. Bản thân cơ thể sinh vật
có thể thay thế một phần các yếu tố lợng tối thiểu bằng các yếu tố khác có tính chất
tơng đơng. Nh ở những nơi thiếu Ca hoặc những nơi có nhiều Stronti thì đôi khi
nhuyễn thể có thể sử dụng một ít Stronti thay cho Ca trong các mảnh vỏ của chúng.
Ngời ta cũng đã chứng minh đợc rằng nhiều loài thực vật cần một lợng kẽm ít hơn
nếu chúng mọc không phải ở chỗ có ánh sáng chói chang mà là ở nơi che bóng. Trong
các điều kiện đó lợng kẽm có trong đất không trở thành yếu tố giới hạn.
3.3. Qui luật về giới hạn sinh thái (hay định luật về sự chống chịu)
Để bổ sung cho định luật Liebig khi định luật này chỉ đề cập tới hàm lợng tối
thiểu của các chất, Shelford (1913) cho rằng: yếu tố giới hạn không chỉ là sự thiếu
thốn, mà còn là cả sự d thừa các yếu tố.
Nh vậy, các sinh vật chỉ sống đợc trong giới hạn tối thiểu sinh thái và tối đa
sinh thái. Khoảng cách này chính là biên độ sinh thái. Nghĩa là tác động của các
nhân tố sinh thái lên cơ thể không chỉ phụ thuộc vào tính chất của các nhân tố mà
còn phụ thuộc vào cả cờng độ tác động của chúng.
Khái niệm về ảnh hởng giới hạn tối đa và tối thiểu đã đợc Shelford đa ra khi phát
biểu định luật về sự chống chịu: năng suất của sinh vật không chỉ liên hệ với sức chịu
đựng tối thiểu mà còn liên hệ với sức chịu đựng tối đa đối với một liều lợng quá mức
của một nhân tố nào đó từ bên ngoài.
3.4. Sự bù của các yếu tố và kiểu hình sinh thái
Các sinh vật không phải là nô lệ đối với các điều kiện vật lý của môi trờng.
Chúng tự thích nghi và chính chúng đã làm thay đổi điều kiện môi trờng để giảm
bớt ảnh hởng giới hạn của nhiệt độ, ánh sáng, nớc và các yếu tố vật lý khác. Có
ngời gọi đây là quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trờng. Sự bù nh
vậy của các yếu tố, đặc biệt hiệu quả ở mức độ quần xã và cũng có thể cả ở mức độ
loài. Các loài có sự phân bố địa lý rộng hầu nh luôn luôn tạo nên các quần thể
thích nghi với các điều kiện địa phơng, có tên gọi là kiểu hình sinh thái.
Sinh vật khi sống ở một nơi cụ thể nào đó cần có giới hạn chống chịu phù hợp
với các điều kiện của địa phơng. Sự bù đối với các phần khác nhau của gradien
nhiệt, ánh sáng và các yếu tố khác có thể làm xuất hiện các chủng di truyền (với sự
thể hiện bằng các đặc điểm hình thái hoặc không) hoặc có thể chỉ là sự thích ứng
sinh lý đơn thuần. Ngay từ năm 1956, Midlas thấy rằng các cây họ lúa thuộc một
7