Quần xã, hệ sinh thái và sinh quyển

Đây là phần sinh thái chiếm nhiều điểm nhất: 3–4 câu ở phần I (quan hệ giữa các loài, diễn thế, chu trình sinh địa hóa), thường một câu đúng/sai phân tích lưới thức ăn và một câu trả lời ngắn tính hiệu suất sinh thái hoặc năng lượng ở một bậc dinh dưỡng.

Kiến thức trọng tâm

Quần xã và các đặc trưng

Quần xã là tập hợp các quần thể sinh vật thuộc nhiều loài khác nhau, cùng sống trong một không gian và thời gian xác định, có mối quan hệ gắn bó với nhau như một thể thống nhất.

• Thành phần loài: số lượng loài và số cá thể mỗi loài (độ đa dạng); loài ưu thế (số lượng, sinh khối lớn, hoạt động mạnh); loài đặc trưng (chỉ có hoặc có nhiều ở quần xã đó); loài chủ chốt (số lượng có thể không nhiều nhưng vai trò quyết định cấu trúc quần xã, thường là vật ăn thịt đầu bảng; mất loài này quần xã biến đổi mạnh).
• Phân bố trong không gian: theo chiều thẳng đứng (phân tầng: rừng mưa nhiệt đới có nhiều tầng cây), theo chiều ngang (từ bờ ra khơi, từ chân núi lên đỉnh). Phân bố giúp giảm cạnh tranh và tận dụng nguồn sống.
• Cấu trúc chức năng dinh dưỡng: sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ, sinh vật phân giải.

Quan hệ giữa các loài trong quần xã

Kí hiệu: $+$ có lợi, $-$ bị hại, $0$ không ảnh hưởng.

Diễn thế sinh thái

Diễn thế là quá trình biến đổi tuần tự của quần xã qua các giai đoạn, tương ứng với sự biến đổi của môi trường.

• Nguyên nhân bên ngoài: thiên tai, khí hậu, hoạt động của con người. Nguyên nhân bên trong: cạnh tranh giữa các loài, hoạt động của chính quần xã làm biến đổi môi trường (cây làm đất giàu mùn, thay đổi ánh sáng).
• Xu hướng chung khi tiến tới quần xã ổn định: số loài và tổng sinh khối tăng, lưới thức ăn phức tạp hơn, quan hệ giữa các loài chặt chẽ hơn, ổ sinh thái của mỗi loài hẹp hơn.

Hệ sinh thái: thành phần, chuỗi và lưới thức ăn

• Hệ sinh thái gồm quần xã sinh vật và sinh cảnh (môi trường vô sinh), tác động qua lại, trao đổi vật chất và năng lượng, tạo thành một hệ thống tương đối ổn định. Gồm hệ sinh thái tự nhiên (trên cạn, dưới nước) và hệ sinh thái nhân tạo (đồng ruộng, ao nuôi, thành phố).
• Chuỗi thức ăn là dãy các loài có quan hệ dinh dưỡng, loài đứng trước là thức ăn của loài đứng sau. Có hai loại: bắt đầu bằng sinh vật sản xuất, hoặc bắt đầu bằng mùn bã hữu cơ (sinh vật ăn mùn bã).
• Lưới thức ăn gồm nhiều chuỗi có mắt xích chung. Quần xã càng đa dạng thì lưới thức ăn càng phức tạp, hệ sinh thái càng ổn định.
• Bậc dinh dưỡng: bậc 1 là sinh vật sản xuất, bậc 2 là sinh vật tiêu thụ bậc 1… Một loài có thể thuộc nhiều bậc dinh dưỡng.
• Tháp sinh thái: tháp số lượng, tháp sinh khối (có thể bị ngược), tháp năng lượng luôn có đáy rộng, đỉnh hẹp.

Dòng năng lượng và chu trình sinh địa hóa

• Năng lượng đi theo một chiều: ánh sáng mặt trời → sinh vật sản xuất → các bậc dinh dưỡng → môi trường dưới dạng nhiệt. Ở mỗi bậc phần lớn năng lượng mất do hô hấp, rơi rụng, bài tiết, không được sử dụng; chỉ khoảng 10% chuyển lên bậc trên.
• Hiệu suất sinh thái giữa bậc $n + 1$ và bậc $n$: $H = \dfrac{E_{n+1}}{E_n} \times 100\%$.
• Vật chất được trao đổi tuần hoàn qua chu trình sinh địa hóa.

Sinh quyển, phục hồi và bảo tồn

• Sinh quyển gồm toàn bộ sinh vật và môi trường sống của chúng trên Trái Đất. Các khu sinh học trên cạn tiêu biểu từ cực về xích đạo: đồng rêu đới lạnh, rừng lá kim phương Bắc, rừng lá rộng ôn đới, thảo nguyên, hoang mạc, rừng mưa nhiệt đới.
• Phục hồi hệ sinh thái bị suy thoái: trồng lại rừng, cải tạo đất, khôi phục vùng đất ngập nước.
• Bảo tồn đa dạng sinh học: tại chỗ (vườn quốc gia, khu bảo tồn thiên nhiên) và chuyển chỗ (vườn thú, vườn thực vật, ngân hàng hạt giống, ngân hàng gene). Hướng tới phát triển bền vững: khai thác tài nguyên hợp lí, giảm ô nhiễm, sử dụng năng lượng tái tạo.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Phân tích lưới thức ăn

Xem lời giải

(a) Đi từ cỏ theo mọi mũi tên tới loài cuối cùng (diều hâu):

1. Cỏ → châu chấu → ếch → rắn → diều hâu (5 mắt xích).
2. Cỏ → châu chấu → chim sâu → diều hâu.
3. Cỏ → thỏ → diều hâu.
4. Cỏ → chuột → rắn → diều hâu.
5. Cỏ → chuột → diều hâu.

Có 5 chuỗi, chuỗi dài nhất có 5 mắt xích.

(b) Diều hâu là bậc 3 (chuỗi 3, 5), bậc 4 (chuỗi 2, 4) và bậc 5 (chuỗi 1). Rắn là bậc 4 (chuỗi 1) và bậc 3 (chuỗi 4).

(c) Bỏ chuột thì mất chuỗi 4 và 5, còn 3 chuỗi. Rắn chỉ còn ếch làm thức ăn nên số lượng có thể giảm; diều hâu tăng sức ép lên thỏ và chim sâu.

Dạng 2: Hiệu suất sinh thái

Xem lời giải

• $H_{2/1} = \dfrac{1{,}8 \cdot 10^5}{2{,}4 \cdot 10^6} \times 100\% = 7{,}5\%$.
• $H_{3/2} = \dfrac{1{,}26 \cdot 10^4}{1{,}8 \cdot 10^5} \times 100\% = 7\%$.
• $H_{4/3} = \dfrac{1134}{1{,}26 \cdot 10^4} \times 100\% = 9\%$.

Hiệu suất lớn nhất là giữa bậc 4 và bậc 3 (9%). Năng lượng bậc 2 không chuyển lên bậc 3: $1{,}8 \cdot 10^5 - 1{,}26 \cdot 10^4 = 167\,400$ kcal, mất qua hô hấp, chất thải, phần không được ăn.

Dạng 3: Nhận diện quan hệ giữa các loài

Xem lời giải

1. Cá ép $+$, cá mập $0$ → hội sinh.
2. Tầm gửi $+$, nhãn $-$ → kí sinh (nửa kí sinh, vì tầm gửi vẫn quang hợp).
3. Cả hai cùng có lợi nhưng không bắt buộc → hợp tác. Nếu hai loài bắt buộc phải sống cùng nhau thì là cộng sinh.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

1. Năng lượng ở sinh vật sản xuất là $10^6$ kcal, hiệu suất sinh thái mỗi bậc đều là 10%. Sinh vật tiêu thụ bậc 3 nhận được bao nhiêu năng lượng?

Xem đáp án

Tiêu thụ bậc 3 là bậc dinh dưỡng thứ 4: $10^6 \times 0{,}1^3 = 1000$ kcal.

2. Vì sao tháp năng lượng không bao giờ bị ngược, còn tháp sinh khối có thể bị ngược?

Xem đáp án

Năng lượng luôn giảm dần qua mỗi bậc nên bậc trên không thể có nhiều năng lượng hơn bậc dưới. Tháp sinh khối đo tại một thời điểm, có thể ngược khi sinh vật sản xuất (ví dụ tảo) có sinh khối nhỏ nhưng sinh sản, bị ăn và thay thế rất nhanh.

3. Trồng cây họ Đậu luân canh với lúa giúp cải tạo đất nhờ quá trình nào?

Xem đáp án

Vi khuẩn cộng sinh trong nốt sần rễ cây họ Đậu cố định nitrogen khí quyển thành dạng đạm cây dùng được, làm đất giàu đạm.

4. Đúng hay sai: rừng phục hồi sau cháy là diễn thế nguyên sinh.

Xem đáp án

Sai. Môi trường đã từng có quần xã (đất, hạt giống, rễ còn lại) nên đó là diễn thế thứ sinh.