Bài giảng Rừng và môi trường - PGS. TS. Nguyễn Văn Thêm

73 trang phuongnguyen 4880

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Rừng và môi trường - PGS. TS. Nguyễn Văn Thêm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_rung_va_moi_truong_pgs_ts_nguyen_van_them.pdf

Nội dung text: Bài giảng Rừng và môi trường - PGS. TS. Nguyễn Văn Thêm

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÌNH DƯƠNG PGS. TS. NGUYỄN VĂN THÊM BÀI GIẢNG RỪNG VÀ MƠI TRƯỜNG (Dành cho sinh viên chuyên ngành Cơng Nghệ Mơi Trường) Bình Dương, 2008 1
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT MƠN HỌC Trình độ đào tạo: Đại học Ngành đào tạo: Cơng nghệ mơi trường (Environment Technology) 1. Tên mơn học. RỪNG VÀ MƠI TRƯỜNG (FOREST AND ENVIRONMENT) Mã số: Số đơn vị học trình (tín chỉ): Tổng số 2, lý thuyết 2. 2. Mơn học tiên quyết: Sinh thái học đại cương, hình thái – phân loại thực vật, cây rừng, đất – phân bĩn, khí tượng thủy văn rừng 3. Mơ tả mơn học. Rừng và mơi trường nghiên cứu quy luật sống của rừng, mối quan hệ giữa rừng với mơi trường, những quá trình chức năng của hệ sinh thái rừng, vai trị sinh thái của rừng và bảo vệ mơi trường. 4. Mục tiêu của mơn học. Sau khi học xong mơn học “Rừng và mơi trường”, sinh viên cĩ khả năng: - Định nghĩa về rừng và các hành phần của rừng; - Phát biểu và giải thích những quy luật sinh thái học; - Mơ tả chu trình trao đổi năng lượng và vật chất trong hệ sinh thái; - Mơ tả những đặc trưng của quần thể và quần xã sinh vật; - Giải thích mối quan hệ qua lại giữa rừng với mơi trường; - Giải thích vai trị sinh thái của rừng và những biện pháp bảo vệ mơi trường. Nội dung chi tiết của mơn học 5. Phần lý thuyết Tổng số: 30 tiết (mỗi tiết học 45 phút) Chương 1. Sinh thái học và khái niệm hệ sinh thái 4 tiết 1.1. Sinh thái học và sự phát triển của nĩ 1.2. Một số quy luật của sinh thái học 1.3. Khái niệm về hệ sinh thái và sinh địa quần xã 1.4. Rừng và các thành phần của rừng Chương 2. Sinh thái học sản lượng 3 tiết 2.1. Mở đầu 2.2. Chu trình trao đổi năng lượng trong hệ sinh thái 2.3. Những thuật ngữ của sinh thái học sản lượng 2
2.4. Sinh thái học sản lượng ở mức sinh vật sơ cấp 2.5. Chuỗi dinh dưỡng phân hủy 2.6. Tĩm tắt chương 2 Chương 3. Chu trình sinh địa hĩa 3 tiết 3.1. Mở đầu 3.2. Chu trình địa hĩa 3.3. Chu trình sinh địa hĩa 3.4. Chu trình sinh hĩa 3.5. Chu trình đạm 3.6. Chu trình dinh dưỡng của rừng nhiệt đới 3.7. Ảnh hưởng của kinh doanh rừng đến chu trình sinh địa hĩa học 3.8. Tĩm tắt chương 3 Chương 4. Rừng và mơi trường 4 tiết 4.1. Rừng và ánh sáng 4.2. Rừng và khí hậu 4.3. Rừng và khơng khí 4.4. Rừng và đất Chương 5. Sinh thái học quần thể 3 tiết 5.1. Mở đầu 5.2. Quần thể và các đặc trưng của quần thể 5.3. Sinh trưởng và phát triển của rừng 5.4. Ý nghĩa của sinh thái quần thể Chương 6. Sinh thái học quần xã 3 tiết 6.1. Mở đầu 6.2. Những đặc trưng của quần xã 6.3. Những dạng quần xã sinh thái đệm 6.4. Sự tương tác giữa các lồi trong quần xã 6.5. Ý nghĩa của sinh thái quần xã Chương 7. Vai trị sinh thái của rừng 5 tiết 7.1. Khái niệm về vai trị sinh thái của rừng 7.2. Vai trị hình thành khí hậu của rừng 7.3. Vai trị thủy văn của rừng 7.4. Vai trị bảo vệ đất của rừng 3
7.5. Ý nghĩa vệ sinh – thẩm mỹ và tinh thần của rừng Chương 8. Bảo vệ mơi trường trong nơng lâm nghiệp 5 tiết 8.1. Đối tượng, nhiệm vụ và mục đích của bảo vệ mơi trường 8.2. Sự cấp thiết của bảo vệ mơi trường nơng – lâm nghiệp 8.3. Những họat động cực đoan của nơng – lâm – ngư nghiệp 8.4. Bảo vệ thực vật và động vật 8.5. Quản lý và bảo vệ rừng 6. Đánh giá kết quả học tập Kết quả học tập được đánh giá dựa trên kết quả những bài kiểm tra từng học phần và bài thi hết mơn học. Nội dung kiểm tra từng học phần sau mỗi 15 tiết là trả lời những câu hỏi cĩ liên quan đến lý thuyết đã học. Mỗi bài kiểm tra được làm trong 15 – 20 phút; kết quả đánh giá theo thang điểm 10. Thi hết mơn học được thực hiện sau khi sinh viên đã hồn thành 2 bài kiểm tra từng học phần. Nội dung thi chỉ bao gồm phần lý thuyết; hình thức thi là thi viết; thời gian làm bài thi là 60 phút. Điểm thi hết mơn được đánh giá theo thang điểm 10. Điểm tổng kết mơn học được đánh giá như sau: Điểm tổng kết mơn học = [(Trung bình cộng của 2 bài kiểm tra*3) + (điểm thi hết mơn học*7)]/10. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH A. Tiếng Việt 1. Baur. G. Cơ sở sinh thái học của kinh doanh rừng mưa. Vương Tấn Nhị dịch. Nxb. Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội,1976. 2. Phùng Ngọc Lan,1986. Lâm sinh học. Nxb. Nơng nghiệp, Hà Nội. 3. Thái Văn Trừng, 1998. Những hệ sinh thái rừng nhiệt đới ở Việt Nam. Nxb. Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 4. Nguyễn Văn Thêm, 2002. Sinh thái rừng. Nxb. Nơng nghiệp, Chi nhánh Tp. Hồ Chí Minh. 5. Nguyễn Văn Thêm, 2004. Lâm sinh học. Nxb. Nơng nghiệp, Chi nhánh Tp. Hồ Chí Minh. 6. Richards P.W, 1965. Rừng mưa nhiệt đới. Vương Tấn Nhị dịch, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. B. Tiếng Anh 7. David M.Smith, 1986. The practice of silviculture. Eighth Edition, New York. 8. Kimmins, J. P., 1998. Forest ecology. Prentice – Hall, Upper Saddle River, New Jersey. 9. Spurr S., Banes B., 1973. Forest Ecology. Second Edition, New York. Người biên soạn PGS. TS. Nguyễn Văn Thêm ĐHNL TP. HCM 4
Chương I. SINH THÁI HỌC VÀ KHÁI NIỆM HỆ SINH THÁI 1.1. SINH THÁI HỌC VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA NĨ Sinh thái học là khoa học về quan hệ của các sinh vật với mơi trường xung quanh chúng. Mục tiêu: Nghiên cứu mối liên hệ qua lại giữa các sinh vật với nhau và giữa chúng với mơi trường vơ cơ. Lịch sử của mơn sinh thái học Đây là một mơn khoa học trẻ Phát triển mạnh mẽ vào hai thập kỷ đầu của thế kỷ 20 Nhiệm vụ của sinh thái học quần thể và sinh thái học quần xã: nghiên cứu sự tương tác qua lại giữa các sinh vật với ngoại cảnh và quá trình hình thành các mối liên hệ đĩ. Sinh thái quần thể chuyên nghiên cứu: (1) khả năng thích nghi của cơ thể sinh vật với ngoại cảnh, (2) các mối liên hệ trong lồi và cấu trúc đặc trưng của quần thể ứng với phương thức sinh sống, (3) phương thức sinh sản và phát tán, (4) quy luật hình thành quần xã thơng qua những mối quan hệ khác lồi, (5) quan hệ giữa quần xã và ngoại cảnh Ý nghĩa của sinh thái rừng: - Cơ sở khoa học cho kỹ thuật lâm sinh - Phân loại các thảm thực vật rừng, lập bản đồ thảm thực vật và bản đồ lập địa. - Phân vùng sản xuất lâm nghiệp, xác định cơ cấu cây trồng hợp lý. - Xây dựng phương thức kinh doanh rừng ổn định, lâu dài. - Xác định chiến lược diệt trừ sâu bệnh và những lồi gây hại khác. - Xây dựng các giải pháp bảo vệ và bảo tồn những lồi cây - con quý hiếm. - Xây dựng hệ thống các biện pháp tổng hợp để bảo vệ rừng và mơi trường, phịng chống ơ nhiễm mơi trường 1.2. MỘT SỐ QUY LUẬT CỦA SINH THÁI HỌC 1. Những khái niệm - Nhân tố sinh thái. Đĩ là những thành phần cấu thành mơi trường sống của các sinh vật. Ví dụ: ánh sáng, CO2, nước, khống chất, đất, địa hình - Nhân tố sinh tồn. Nhân tố sinh thái tối quan trọng đối với sự sống của sinh vật. Ví dụ: Đối với thực vật là ánh sáng, CO2, nước, khống chất. - Nhân tố sinh thái chủ đạo. Đĩ là những nhân tố sinh thái mà khi chúng thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi của những nhân tố sinh thái khác. - Nhân tố sinh thái thứ yếu. (1) Những nhân tố sinh thái cĩ ảnh hưởng khơng lớn đối với sinh vật. (2) Những nhân tố sinh thái mà đặc tính và sự hoạt động của chúng phụ thuộc vào những nhân tố sinh thái khác. - Nhân tố sinh thái độc lập. Đĩ là những nhân tố sinh thái mà đặc tính và sự hoạt động của chúng là độc lập với hoạt động sống của sinh vật. Ví dụ: (1) Đại hình; (2) Ánh sáng mặt trời ở mặt trên tán rừng. - Nhân tố sinh thái phụ thuộc. Đĩ là những nhân tố sinh thái mà đặc tính và sự hoạt động của chúng phụ thuộc vào những nhân tố sinh thái khác. Ví dụ: (1) Bệnh tật gia 5
tăng theo mật độ sinh vật. (2) Cường độ ánh sáng dưới tán rừng giảm dần theo độ khe1p ta1n của rừng - Nhân tố sinh thái giới hạn. (1) Những nhân tố sinh thái nằm ở lân cận vùng gây ra ức chế hoặc tử vong của sinh vật. (2) Những nhân tố sinh thái làm cho sinh vật lâm vào tình trạng bị ức chế hoặc tử vong. Ví dụ: Nhiệt độ (ánh sáng, độ ẩm ) quá cao hoặc quá thấp đối với hoạt động bình thường của thực vật. - Tính chống chịu sinh thái của lồi. Khả năng của sinh vật cĩ thể chịu đựng được sự tác động của nhân tố sinh thái ở mức độ nào đĩ. Ví dụ: Thực vật cĩ khả năng chịu được biên độ biến đổi nhất định của ánh sáng, nhiệt, nước, hàm lượng khống trong dung dịch đất, địa hình . 2. Quy luật tác động của các nhân tố sinh thái (a) Quy luật tác động tổng hợp của các nhân tố sinh thái. Các nhân tố sinh thái tác động đến sinh vật một cách đồng thời và tổng hợp. Ví dụ: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2Ç. (b) Quy luật về vai trị của nhân tố sinh thái. Theo E. Rubel (1935), mỗi nhân tố sinh thái chỉ thể hiện rõ vai trị của mình khi các nhân tố sinh thái khác khơng ở mức giới hạn. Ví dụ: Ở các vùng đầm lầy ven sơng và biển, nước khơng cĩ vai trị quan trọng. Ngược lại, hàm lượng ơxy và chất khống trong đất cĩ ý nghĩa lớn hơn. (c) Quy luật V.Viliams. Bốn nhân tố sinh tồn - ánh sáng, nhiệt, nước và muối khống, cĩ vai trị ngang nhau đối với thực vật và khơng thể thay thế lẫn nhau. Chẳng hạn, khi cây đang thiếu nước thì khơng thể thay nước bằng nhân tố ánh sáng hoặc chất khống và ngược lại. (d) Quy luật về nhân tố giới hạn: Quy luật Liebig (1840). Chất cĩ hàm lượng tối thiểu điều khiển năng suất, xác định đại lượng và tính ổn định của mùa màng theo thời gian”. Quy luật Shelfords (1913). Sự tác động của các nhân tố sinh thái lên cơ thể khơng chỉ phụ thuộc vào tính chất của nhân tố mà cịn phụ thuộc vào cường độ (lượng) của nhân tố đĩ. Sự giảm hay tăng cường độ tác động của nhân tố vượt ra ngồi giới hạn thích hợp của cơ thể thì làm giảm khả năng sống của cơ thể. Khi cường độ lên đến ngưỡng cao nhất hoặc xuống tới ngưỡng thấp nhất đối với khả năng chịu đựng của cơ thể thì sinh vật sẽ khơng thể tồn tại. Những vùng tác động của các nhân tố sinh thái (Hình 1.2). Mức thuận lợi của Giới hạn tính chống yếu tố chịu sinh thái Vùng tối ưu Giới hạn trên Giới hạn tử vong dưới tử Vùng vong Vùng bị bị ức ức chế Vùng hoạt động chế dưới bình thường trên Cường độ của yếu tố Hình 1.2. Những vùng tác động của các nhân tố sinh thái 6
1.3. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SINH THÁI VÀ SINH ĐỊA QUẦN XÃ Phân biệt - Hệ sinh thái (Ecosystem). Một tập hợp các vật sống (thực vật, động vật, vi sinh vật) và mơi trường vơ cơ nơi chúng sinh sống (khí hậu, đất). Ví dụ: Hệ sinh thái (rừng, đồng ruộng, đồng cỏ ). - Sinh địa quần xã (Biogeocenose). Một khoảnh cụ thể của sinh thái quyển mà đặc trưng trước hết bởi một quần xã thực vật xác định. - Hệ sinh thái cĩ thể bao trùm lên một khơng gian bất kỳ. - Sinh địa quần xã cĩ một khơng gian nghiêm ngặt hơn. + 5 đặc tính chủ yếu của hệ sinh thái 1. Đặc tính về cấu trúc. Hệ sinh thái được tạo thành bởi hai nhĩm thành phần chủ yếu (hình 1.3): (1) các quần xã sinh vật (sinh vật cảnh) - thực vật, động vật, vi sinh vật với các mối quan hệ dinh dưỡng và vị trí của chúng; (2) các nhân tố ngoại cảnh (sinh thái cảnh) - khí hậu, đất, nước. 2. Đặc tính về chức năng, sự trao đổi vật chất và năng lượng liên tục giữa mơi trường vật lý và quần xã sinh vật. Trong tự nhiên cĩ hai loại hệ thống: kín và hở. Ở hệ thống kín, vật chất và năng lượng chỉ trao đổi trong nội bộ hệ thống. Ngược lại, trong hệ sinh thái tự nhiên, sự trao đổi năng lượng và vật chất qua lại giữa các thành phần hữu sinh và vơ sinh khơng chỉ xảy ra trong nội bộ hệ thống mà cịn đi qua ranh giới của hệ thống. Ví dụ: Vật chất và năng lượng chứa trong phần thân cây gỗ được đưa ra khỏi rừng thơng qua khai thác đến các hệ sinh thái nơng nghiệp và thành thị 3. Đặc tính phức tạp. Đặc tính này là kết quả của mức hợp nhất cao của các thành phần sinh vật. Đây là đặc tính vốn cĩ của hệ sinh thái. Tất cả những điều kiện và sự kiện xảy ra trong hệ sinh thái đều được ấn định bởi rất nhiều sinh vật. HỆ SINH THÁI Sinh thái cảnh Khí hậu Đất Thực vật Động vật Vi sinh vật Quần xã sinh vật Hình 1.3. Các thành phần của hệ sinh thái và sự tác động qua lại giữa chúng 4. Đặc tính tương tác và phụ thuộc qua lại. Sự liên kết của các thành phần vơ sinh và hữu sinh trong một hệ sinh thái là hết sức chặt chẽ. Tính chặt chẽ biểu hiện ở chỗ sự biến đổi của bất kỳ thành phần nào cũng sẽ gây ra sự biến đổi tiếp theo của hầu hết các 7
thành phần khác. Sau đĩ, các thành phần bị biến đổi này lại tác động ngược trở lại (hay phản hồi trở lại) thành phần gây ra biến đổi ban đầu. Cĩ hai loại tác động ngược: tiêu cực và tích cực. Ví dụ về tác động tiêu cực: Khai thác chọn những cây thành thục chỉ làm rừng bị biến đổi ít. Sau khi ngừng khai thác thì rừng lại phục hồi trở lại. Ví dụ về tác động tích cực: Khai thác trắng trên đất dốc, thành phần đất nhiều cát sẽ làm rừng bị biến đổi lớn, đất bị xĩi mịn hoặc dịch chuyển. Sau khi ngừng khai thác thì rừng khơng thể phục hồi trở lại. 5. Đặc tính biến đổi theo thời gian. Hệ sinh thái chỉ là một hệ ổn định tương đối theo thời gian. Các hệ sinh thái khơng phải là hệ thống tĩnh, các hệ bất biến. Ngược lại, bởi vì hai quá trình trao đổi vật chất và năng lương liên tục diễn ra trong hệ sinh thái, nên tồn bộ cấu trúc và chức năng của hệ thống chịu sự biến đổi theo thời gian. Thơng qua sự biến đổi lâu dài, các hệ sinh thái được phức tạp dần trong quá trình tiến hĩa. 1.4. RỪNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA CHÚNG 1. Rừng là gì ? Theo Morozov (1912), “Rừng là một quần xã cây gỗ, trong đĩ chúng biểu hiện ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, làm nảy sinh các hiện tượng mới mà khơng đặc trưng cho những cây mọc lẻ. Trong rừng khơng những chỉ cĩ các quan hệ qua lại giữa các cây rừng với nhau mà cịn cĩ ảnh hưởng qua lại giữa cây rừng với đất và mơi trường khơng khí; rừng cĩ khả năng tự phục hồi”. Ba đặc trưng của rừng (1) Ảnh hưởng qua lại giữa các lồi cây gỗ và giữa cây gỗ với các lồi cây khác (2) Các thành phần của rừng khơng chỉ phụ thuộc vào mơi trường mà chính bản thân chúng cũng tác động trở lại mơi trường. (3) Rừng cĩ khả năng tự phục hồi 2. Các thành phần của rừng Lâm phần. Một khu rừng thuần nhất về thành phần cây gỗ, cây bụi và thảm cỏ sống trên một khoảnh đất nhất định được gọi là một lâm phần (hình 1.4). Khái niệm này cũng tương đồng với khái niệm quần xã thực vật - thể cộng đồng của nhiều lồi thực vật. Lớp cây gỗ Dây leo Lớp cây bụi Sàn rừng Lớp đất khoáng Đá mẹ HHìnhình 1.43.5. Các thành phần của rừng 8
Các thành phần của lâm phần (rừng). 1. Quần thụ: Tập hợp cây gỗ hình thành lâm phần. Nội dung mơ tả quần thụ - Tổ thành lồi cây. Thành phần và tỷ lệ của các lồi cây gỗ hình thành quần thụ. Tổ thành rừng được xác định theo đơn vị phần mười. Ví dụ: 0,5 Sđ + 0,3 Dr + 0,2 Lk; trong đĩ kí hiệu Sđ = Sao đen, Dr = Dầu rái, Lk = Lồi khác. Căn cứ vào tổ thành rừng và vai trị của lồi, người ta chia ra: Lồi cây ưu thế sinh thái hay lồi cây lập quần - đĩ là những lồi cây giữ vai trị chính trong sự tạo lập quần thụ. Lồi cây khơng ưu thế sinh thái hay lồi cây phụ thuộc - đĩ là những lồi cây mà đời sống của chúng là phụ thuộc vào lồi khác. Quần thụ (quần xã) đơn ưu thế: 1 lồi ưu thế Quần thụ (quần xã) đa ưu thế: nhiều lồi cùng ưu thế. Phân biệt: - Rừng đồng tuổi tuyệt đối. Những cá thể hình thành rừng cĩ tuổi bằng nhau. - Rừng đồng tuổi tương đối. Những cá thể hình thành rừng cĩ tuổi chênh lệch nhau một cấp tuổi. Mỗi cấp tuổi là 2 - 3 năm (cây sinh trưởng nhanh) hoặc 5 - 10 năm (cây sinh trưởng trung bình) hoặc trên 10 năm (cây sinh trưởng chậm). - Rừng khác tuổi. Những cá thể hình thành rừng cĩ tuổi khác nhau nhau. - Quần thụ (lâm phần, rừng) hỗn giao đồng tuổi. Rừng bao gồm hai hoặc hơn hai lồi cây hình thành rừng cĩ tuổi bằng nhau (tuyệt đối hoặc tương đối). - Quần thụ hỗn giao khác tuổi. Rừng bao gồm hai hoặc hơn hai lồi cây hình thành rừng cĩ tuổi khác nhau. - Quần thụ thuần lồi đồng tuổi. Những cây gỗ hình thành quần thụ cĩ tuổi bằng nhau. - Quần thụ thuần lồi khác tuổi. Những cây gỗ hình thành quần thụ cĩ tuổi khác nhau. 2. Cây tái sinh. Những thế hệ non của các lồi cây gỗ sống và phát triển dưới tán rừng. Nếu khai thác và loại bỏ tầng cây mẹ thì cây tái sinh cĩ khả năng tạo thành một quần thụ mới. - Cây mầm. Đây là lớp cây cĩ tuổi nằm trong khoảng một vài tháng. Đặc trưng cơ bản của cây mầm là sống nhờ vào chất dinh dưỡng dự trữ trong hạt, sức sống phụ thuộc căn bản vào nguồn dự trữ và đặc điểm di truyền của hạt giống. - Cây mạ. Đĩ là những thế hệ cây gỗ thường cĩ tuổi khoảng một vài tháng đến 1-2 năm, chiều cao quy ước khơng vượt quá 50cm, đã cĩ khả năng tự đồng hĩa. - Cây con, hay cây non. Đĩ là các thế hệ cây tái sinh thường cĩ tuổi trên hai năm, chiều cao đã vượt khỏi tầng cây cỏ và cây bụi cùng một số cây tầng thấp. 3. Cây tầng thấp hay cây tầng dưới. Tập hợp những cây bụi và một số lồi cây thân gỗ khác mà trong những điều kiện khí hậu và đất đai nhất định khơng thể hình thành rừng mới. 4. Lớp thảm tươi. Các lồi cây thân thảo sống và phát triển dưới tán rừng. 5. Sàn rừng. Sàn rừng1 (thảm mục rừng hay lớp đệm) là lớp vật rụng (lá, hoa, quả, vỏ ) và xác chết của cây gỗ (thân cây chết ) ở trạng thái bán phân hủy phủ trên bề mặt đất rừng. 1 Forest floor 9
6. Đất. Đất đai được hiểu là tổng hợp một số yếu tố mặt đất như địa hình (độ cao, độ dốc, hướng dốc, mức độ chia cắt của mặt đất ) và đất cĩ liên quan đến vị trí địa lý của hệ sinh thái. Thuật ngữ đất được các nhà khoa học về đất hiểu là” Vật chất khống tơi rời trên bề mặt trái đất làm thoả mãn mơi trường tự nhiên cho sinh trưởng của thực vật”. Đất cịn được hiểu là lớp vật chất nằm trên bề mặt trái đất cĩ khả năng tạo ra năng suất cây trồng. Chương II. SINH THÁI HỌC SẢN LƯỢNG 2.1. MỞ ĐẦU Tại sao tất cả các sinh vật đều cần cĩ năng lượng ? Sinh thái học sản lượng là gì ? Sinh thái học sản lượng nghiên cứu những mối liên hệ năng lượng (thu nhận, tích lũy, truyền và mất mát) của các hệ sinh thái. Chương 4 trình bày qúa trình tích lũy và truyền năng lượng. 2.2. CHU TRÌNH TRAO ĐỔI NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI 2.2.1. Các nguồn năng lượng cung cấp cho sinh vật Năng lượng đi qua hệ sinh thái hoạt động theo các quy luật nào ? Năng lượng đi qua hệ sinh thái cũng hoạt động theo các quy luật nhiệt động học của vật lý. Định luật thứ nhất của nhiệt động học phát biểu rằng “Năng lượng khơng tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ cĩ thể chuyển từ dạng này sang dạng khác”. Ví dụ: năng lượng ánh sáng mặt trời cĩ thể chuyển thành hĩa năng trong quang hợp của thực vật. Định luật thứ hai của nhiệt động học phát biểu rằng “Khi năng lượng được chuyển hĩa từ dạng này sang dạng khác thì khơng được bảo tồn 100% mà thường bị hao hụt đi một lượng nhiệt nhất định”. Phân biệt Sinh vật tự dưỡng. Đĩ là những sinh vật sử dụng nguồn năng lượng độc lập với các sinh vật khác. Sinh vật tự dưỡng bao gồm hai nhĩm: quang dưỡng2 và hĩa dưỡng3. Sinh vật quang dưỡng là sinh vật sử dụng một phần nhỏ năng lượng điện từ của ánh sáng mặt trời trong qúa trình quang hợp; qúa trình này phụ thuộc vào diệp lục tố. Diệp lục hấp thụ các bước sĩng của bức xạ mặt trời cùng với H2O từ đất và CO2 từ khơng khí và biến đổi chúng thành đường glucoza. Thực vật màu xanh là các sinh vật quang dưỡng. Sinh vật hĩa dưỡng hấp thụ năng lượng từ các chất vơ cơ đơn giản. Ví dụ: sinh vật hĩa dưỡng hấp thụ năng lượng bằng cách ơxy hĩa SO2 thành lưu huỳnh tự do, hoặc 2- + ơxy hĩa lưu huỳnh thành iơn sunphát (SO4 ), ơxy hĩa các iơn NH4 thành N2 hoặc - nitrit, hoặc ơxy hĩa NO2 thành NO3 . Mỗi qúa trình ơxy hĩa kèm theo sự giải phĩng năng lượng. Các loại sinh vật dị dưỡng : Động vật ăn thực vật; động vật ăn thịt; động vật ăn tạp và sinh vật phân hủy. 2 Photoautotrophs 3 Chemoautotrophs 10
2.2.2. Sự trao đổi năng lượng trong các hệ sinh thái Sơ đồ trao đổi năng lượng trong hệ sinh thái được tĩm tắt ở hình 2.1. Chuỗi thức ăn là gì? (1) Một bộ phận năng lượng từ thực vật truyền qua một loạt sinh vật khác lập thành các chuỗi thức ăn (chuỗi dinh dưỡng, chuỗi thực phẩm) của hệ sinh thái. (2) Một loạt các sinh vật liên kết với nhau thành một chuỗi, trong đĩ sinh vật đứng sau sử dụng sinh vật đứng trước như một nguồn thức ăn. Lưới thức ăn là gì?. Đĩ là sự liên kết của các chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái. MẶT KHƠNG TRỜI ĐẤT KHÍ 1 THỰCVẬT Động vật 2 ăn cỏ Chuỗi Sinh vật Chuỗi phế thải chăn phân huỷ nuơi ( vi sinh vật , nấm 3 Động vật ăn ) thịt ăn động vật ăn cỏ 4 Động vật ăn thịt Thải ra Thải ra Hình 2.1. Dịng năng lượng và các chất dinh dưỡng Đặc điểm của chuỗi thức ăn và lưới thức ăn ? Hình tháp sinh thái học là gì ? Đĩ là sự sắp xếp số lượng cá thể (sinh khối hoặc năng lượng) theo các bậc dinh dưỡng từ thấp đến cao. Hình tháp sinh thái học thường được biểu thị bằng các hình chữ nhật chồng lên nhau; trong đĩ độ dài của chúng tỷ lệ thuận với dịng năng lượng của mỗi bậc, cịn chiều cao của các hình chữ nhật đều bằng nhau (hình 2.2). Đại bàng Rắn Ếch Châu chấu Thực vật hịa thảo Hình 2.2. Hình tháp sinh thái gồm một chuỗi dinh dưỡng đơn giản: cỏ - châu chấu - ếch - rắn - chim đại bàng 11
2.3. NHỮNG THUẬT NGỮ CỦA SINH THÁI HỌC SẢN LƯỢNG Những thuật ngữ dùng trong kinh doanh rừng 1. Sản lượng thu hoạch4. Đĩ là tổng khối lượng hoặc trọng lượng vật chất cĩ thể thu được từ một diện tích nào đĩ sau một thời gian nào đĩ. Ví dụ: Tổng khối lượng gỗ thân cây Keo lá tràm thu hoạch được từ một hécta rừng trong chu kỳ 10 năm là 100m3/ha. 2. Sản lượng hiện cịn5. Đĩ là tồn bộ trọng lượng hoặc khối lượng vật chất hữu cơ của cơ thể sống cĩ thể thu được bằng một phương pháp hay kỹ thuật nào đĩ trong một khoảng thời gian nào đĩ. Sản lượng thu hoạch và sản lượng hiện cịn giống nhau về thời gian thu hoạch. Nhưng khác với sản lượng thu hoạch, quy mơ của sản lượng hiện cịn (phần chưa được thu hoạch) phụ thuộc vào phương pháp thu hoạch. Ví dụ: sản lượng hiện cịn trên 1 ha rừng Keo lá tràm sau 10 năm là 110 m3 gỗ thân cây, nhưng sản lượng thu hoạch cĩ thể chỉ là 100m3/ha, phần cịn lại 10 m3 khơng được thu hoạch bao gồm gỗ ngọn, cành và vỏ cây bỏ lại rừng. 3. Năng suất thu hoạch6. Đĩ là tốc độ tích lũy trung bình vật chất hữu cơ thu hoạch được. Nĩ được tính bằng cách chia sản lượng thu hoạch cho thời gian tạo ra sản lượng thu hoạch. Ví dụ: 100 m3/10 năm = 10 m3/ha/năm. NHỮNG THUẬT NGỮ CỦA SINH THÁI HỌC SẢN LƯỢNG 1. Sản lượng7. Đĩ là tổng trọng lượng (tổng sinh khối) hoặc số lượng vật chất hữu cơ mà quần xã sinh vật sản xuất ra trên một diện tích nhất định và sau một thời gian nào đĩ. Chỉ tiêu này cĩ thể dùng để phản ánh số lượng vật chất hữu cơ của một quần thể, hoặc một mức dinh dưỡng nhất định, nhưng cũng cĩ thể dùng cho quần xã và hệ sinh thái. Sản lượng = (sản lượng thu hoạch + vật chất hữu cơ khơng được thu hoạch (cành, lá, gốc, rễ ) + vật chất hữu cơ hao hụt khơng thu hoạch được do bị mất mát trong thời kỳ này (sản lượng hay sinh khối chuyển thành thức ăn cho động vật, hoặc rơi vãi )). a. Tổng sản lượng8. Đĩ là tổng số chất hữu cơ được sinh vật tạo ra trong một thời gian nhất định. Tổng sản lượng = số lượng chất hữu cơ được sinh vật sản xuất ra cộng với phần vật chất hữu cơ đã chi dùng cho hơ hấp trong suốt thời gian nghiên cứu. b. Sản lượng thuần9. Sản lượng thuần hay sản lượng hiện (NPP) cịn là số lượng chất hữu cơ được sinh vật sản xuất ra (GPP) trong một thời gian nhất định sau khi đã chi dùng cho hơ hấp (R); nghĩa là NPP = GPP - R. c. Sản lượng sơ cấp10. Đĩ là số lượng chất hữu cơ được thực vật tự dưỡng sản xuất ra. Tổng sản lượng sơ cấp (GPP)11 = tổng lượng quang hợp của thực vật trên một đơn vị diện tích trong một thời gian nhất định. Sản lượng sơ cấp thuần (NPP)12 = GPP - R. d. Sản lượng thứ cấp13. Đĩ là số lượng chất hữu cơ được sinh vật dị dưỡng sản xuất ra. 2. Sinh khối14 . Đĩ là tổng khối lượng sinh vật cịn sống trên đơn vị diện tích mặt đất (hoặc nước). Đơn vị tính = năng lượng (J/m2) hoặc trọng lượng chất hữu cơ khơ 4 Crop 5 Standing tree crop 6 Yield 7 Production 8 Gross production 9 Net production 10 Primary production 11 Gross primary production 12 Net primary production 13 Secondary production 12
(kg/ha, tấn/ha, g/m2). Sinh khối = (sản lượng thu hoạch + phần vật chất hữu cơ khơng được thu hoạch (phần bỏ lại sau thu hoạch) + phần vật chất hữu cơ mất mát trong thu hoạch). Thực vật khối. Tất cả các cơ quan cịn sống và cơ quan đã chết nhưng vẫn giữ được mối liên hệ với cây (lá, hoa, quả, cành, rễ, vỏ cây và gỗ lõi đã chết nhưng chưa tách khỏi cây). 3. Năng suất15. Năng suất của quần xã sinh vật (hoặc quần xã thực vật rừng) là tốc độ chất hữu cơ được quần xã tạo ra trên một đơn vị diện tích và trong một đơn vị thời gian. Năng suất (chất khơ tuyệt đối hoặc khơ khơng khí) được biểu thị bằng g/m2/ngày, kg/ha/ngày, tấn/ha/mùa hoặc năm, kcal/ha/năm, KJ/ha/năm. a. Năng suất sinh học16 - đĩ là tổng lượng tăng trưởng hàng ngày của tổng sinh khối trong suốt thời gian sinh trưởng. b. Năng suất kinh tế - bộ phận của năng suất sinh học cĩ giá trị sử dụng (gỗ thân cây, cành, lá, quả ). Năng suất kinh tế và năng suất sinh học cĩ quan hệ với nhau theo phương trình: Ykt = Ysh x Kkt; trong đĩ Ykt - năng suất kinh tế, Ysh - năng suất sinh học, Kkt - hệ số kinh tế. c. Năng suất tiềm năng của sinh vật (rừng) - đĩ là khả năng của sinh vật (rừng) cho năng suất cao nhất nhờ lợi dụng đầy đủ tiềm năng khí hậu và đất. d. Năng suất sinh thái. Năng suất sinh thái của rừng biểu thị vai trị tạo lập mơi trường, các chức năng bảo vệ, khả năng tải được sự phát triển của các ngành cơng nghiệp gây ra ơ nhiễm mơi trường 2.4. SINH THÁI HỌC SẢN LƯỢNG Ở MỨC SINH VẬT SƠ CẤP 2.4.1. Cơ sở của sinh thái học sản lượng Hãy quan sát sơ đồ hình 2.3 và mơ tả quá trình hình thành sinh khối thu hoạch và các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình này ? 1. Tỷ lệ ánh sáng quang hợp được phụ thuộc vào các nhân tố sau: (a) Chỉ số diện tích bề mặt lá (LAI)17. Đĩ là tỷ lệ diện tích hình chiếu nằm ngang của các lá cây trên diện tích mặt đất, đơn vị tính là m2 lá/m2 bề mặt đất. (b) Hiệu suất quang hợp: Hiệu quả của các lá cây biến đổi bức xạ hoạt tính quang hợp thành các phân tử hữu cơ cao năng lượng. Cả hai yếu tố trên phụ thuộc vào: Điều kiện lập địa Cách thức sắp xếp lá trên cây Cách thức phân phối NPP: NPP = GPP – R 14 Biomass 15 Productivity 16 Biological productivity 17 Leaf area index = LAI 13
Diện tích lá và hiệu suất quang hợp Nước Mặt trời Aùnh sáng Khoáng Quang hợp thuần Hô hấp Phân phối Sản lượng sơ cấp thuần các bon * Vật rụng (lá, rễ, hoa, quả) * Thức ăn Tích lũy sinh khối thuần cho động vật Sinh khối không thu Sinh khối thu hoạch hoạch được (Sản lượng kinh tế hay năng suất thu hoạch) Hình 2.3 Hình 4.3. Những nhân tố ấn định sản lượng kinh tế của hệ sinh thái rừng trong một vùng khí hậu nhất định 2.4.2. Hiệu quả sinh thái của thảm thực vật rừng 1. Phần nhập: Quang hợp Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (K): t.∆M K = (2.1) ∑ i.Q Hiệu suất sử dụng năng lượng (K+): t.∆M K+ = (2.2) ∑ Q Trong đĩ: - i = tỷ suất hút năng lượng của thảm thực vật (trung bình i = 0,5), - t = nhiệt đốt 1 gram chất khơ (nĩ khơng thay đổi trong suốt thời gian sinh trưởng); trung bình = 5000 kcal/kg. - ∆M = lượng tăng trưởng thực vật khối (sản lượng) ở trạng thái khơ tuyệt đối (g/m2); - t.∆M = sản lượng tính theo đơn vị nhiệt lượng (Kcal, J); - Q = lượng bức xạ mặt trời (cal/cm2/ngày) đi tới bề mặt đất; - iQ = năng lượng bức xạ cố định được của thảm thực vật. Hiệu suất quang hợp tổng số = tổng sản lượng/năng lượng bức xạ cố định được. Hiệu suất quang hợp thuần = sản lượng thuần/năng lượng bức xạ cố định được. Hiệu suất quang hợp thay đổi giữa các hệ sinh thái. 14
Tĩm lại Hiệu suất quang hợp phụ thuộc vào cách sắp đặt lá và LAI. Cây hình thành 3 kiểu lá: lá ưa sáng, lá chịu bĩng và lá trung tính Những cây cĩ thời gian chiếu sáng lâu dài cĩ hiệu suất quang hợp nhỏ hơn cây được chiếu sáng ít. 2. Phần hao hụt a. Hơ hấp. Quan sát hình 2.4 và mơ tả sự biến đổi sản lượng tổng số (Pg), sản lượng thuần (Pn), sản lượng chi phí cho hơ hấp (r) theo tuổi quần thụ. Pg Sản lượng Pn r Tuổ i quần thụ, năm Hình 2.4. Sự biến đổi sản lượng tổng số (Pg), sản lượng thuần (Pn), sản lượng chi phí cho hơ hấp (r) theo tuổi quần thụ (Phỏng theo Kira và Shidei, 1967) Tốc độ tăng trưởng và sự tích lũy sinh khối phụ thuộc vào năng lượng chi dùng cho qúa trình hơ hấp. Ở rừng nhiệt đới hao hụt khoảng 71% tổng sản lượng sơ cấp cho hơ hấp; sản lượng thuần chỉ cịn lại 29%. b. Tiêu thụ bởi sinh vật dị dưỡng Mức tiêu thụ NPP của sinh vật tiêu thụ trong một số hệ sinh thái khác nhau (bảng 2.1). Sinh khối (phần lá) trở thành thức ăn cho sinh vật tiêu thụ: + đồng cỏ khoảng 28-60% NPP + rừng là 5-10% + hệ sinh thái thủy vực : 60-99% NPP + rừng ngập mặn Cà Mau: 0,016 – 0,02 g/m2/ngày Hãy chỉ ra tầm quan trọng của sinh vật tiêu thụ trong các hệ sinh thái? 15
Bảng 2.1. Mức tiêu thụ NPP của sinh vật tiêu thụ trong một số hệ sinh thái khác nhau (Theo Odum, 1962; Kozlovsky, 1968; Wiegert và Owen, 1971; Ricklefs, 1973) TT Kiểu hệ sinh thái Tiêu thụ NPP của sinh vật dị dưỡng, % 1 Đồng cỏ bỏ hoang 30 năm 1,1 2 Rừng rụng lá trưởng thành 1,5-2,5 3 Cây bụi hoang mạc 5,5 4 Rừng trồng cây lá kim 12,0 5 Đồng ruộng bỏ hoang 7 năm 8,0 6 Đồng cỏ châu Phi 28-60 7 Cửa sơng 75 8 Đại dương 60-90 c. Vật rụng trên và dưới mặt đất Các hệ sinh thái rừng tự nhiên rơi rụng và đào thải 90-99% tổng lượng tăng trưởng hàng năm. Lượng vật rụng nhiều hay ít phụ thuộc vào vị trí địa lý của hệ sinh thái, vào cấu trúc của rừng và mùa trong năm. 3. Năng suất thuần và sinh khối. Năng suất thuần và sinh khối phụ thuộc vào vị trí địa lý và khí hậu (bảng 2.2). Ở vĩ độ 65-700 là 10-15 t/ha/năm; ở nhiệt đới là 100-120 t/ha/năm. Ngồi ra, năng suất thuần và sinh khối cịn phụ thuộc vào đất đai, trình độ canh tác, lồi cây trồng Bảng 2.3. Năng suất sơ cấp và sinh khối của các hệ sinh thái (Theo Whittaker và Likens, 1971) Năng suất chất khơ thuần Sinh khối chất khơ Hệ sinh thái (g/m2/năm) (kg/m2) Giớihạn Bình quân Giới hạn Bình quân - Rừng nhiệt đới 1000 - 5000 2000 6 - 80 45 - Đầm lầy 800 - 4000 2000 3 - 50 12 - Rừng ơn đới 600 - 3000 1300 6 - 200 30 -Đồng cỏ nhiệt đới 200 - 2000 700 0,2 - 15 4 - Ruộng cây trồng 100 - 4000 650 0,4 - 1 1 - Đồng cỏ ơn đới 150 - 1500 500 0,2 - 5 1,5 - Đài nguyên 10 - 400 140 0,1 - 3 0,6 - Nửa hoang mạc 10 - 250 70 0,1 - 2 0,7 -Hoang mạc 0 - 10 3 0,0 - 0,2 0,02 2.5. CHUỖI DINH DƯỠNG PHÂN HỦY + Các loại sinh vật phân hủy: Loại lớn như hệ động vật đất (giun đất, cuốn chiếu ), cua, linh cẩu ; loại nhỏ như các lồi nấm và vi sinh vật. + Vai trị của các sinh vật phân hủy. Trước hết, chúng tham gia tích cực vào qúa trình phân giải tàn dư hữu cơ của thực vật và động vật. Sau đĩ thải ra mơi trường bên 16
ngồi các hợp chất hữu cơ gần với các hợp chất mùn và chất khống để làm giàu dinh dưỡng cho đất. + Vai trị của vi sinh vật. Sự cộng sinh giữa một số vi khuẩn và cây họ Đậu là nguồn cung cấp nitơ cho đất. Sự cộng sinh này đặc biệt cĩ ý nghĩa đối với đất nghèo. Ảnh hưởng bất lợi của vi sinh vật: Khi xâm nhập vào phần gỗ bị tổn thương, chúng gây nên tình trạng mục nát; truyền một số bệnh cho cây rừng. + Nhà lâm nghiệp quan tâm đến những vi sinh vật nào ? Vi khuẩn nitrat hĩa (Nitrosomonas, Nitrocystis và Nitrospira) ơxy hĩa amơn thành nitrit; Nitrobacter ơxy hĩa nitrit thành nitrat. Các vi khuẩn cố định đạm cĩ hai nhĩm: cộng sinh và khơng cộng sinh. Vi khuẩn khơng cộng sinh: loại hảo khí và kị khí. Khuẩn rễ (Mycorhizas): ngoại sinh và nội sinh. Vai trị của giun đất? Loại rừng nào cĩ vật rụng nhiều? Rừng trên núi cao cĩ nhiều vật rụng hơn rừng ở vùng thấp. Vật rụng ở vùng khí hậu nĩng và ẩm bị phân giải nhanh hơn so với vùng khí hậu khơ và lạnh. Một số đất nhiệt đới cịn chứa một lượng rất lớn trầm tích ở dạng than bùn. 2.6. TĨM TẮT Chuỗi thức ăn là một bộ phận năng lượng từ thực vật truyền qua một loạt sinh vật khác lập thành các chuỗi thức ăn (chuỗi dinh dưỡng, chuỗi thực phẩm) của hệ sinh thái. (2) Một loạt các sinh vật liên kết với nhau thành một chuỗi, trong đĩ sinh vật đứng sau sử dụng sinh vật đứng trước như một nguồn thức ăn. Lưới thức ăn là sự liên kết của các chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái. Hệ số truyền năng lượng từ bậc dinh dưỡng này đến bậc dinh dưỡng khác phụ thuộc căn bản vào kích thước, khả năng đồng hĩa, tình trạng sinh lý và nơi ở của sinh vật Sinh khối của mỗi bậc dinh dưỡng hoặc quần thể sinh vật phụ thuộc vào sự cân bằng giữa phần nhập năng lượng và phần hao phí năng lượng. Sinh khối của sinh vật được ấn định bởi kích thước và tuổi thọ của sinh vật Khả năng hấp thụ năng lượng và năng suất của thảm thực vật phụ thuộc chặt chẽ vào chỉ số diện tích lá (LAI). Tổng sản lượng sơ cấp thuần (NPP) của thảm thực vật thay đổi tùy theo vị trí địa lý, khí hậu, khả năng cung cấp của lập địa, lồi cây Kinh doanh rừng cĩ ảnh hưởng đến sản lượng rừng và dịng năng lượng truyền qua các thành phần của cây và hệ sinh thái ? Lâm nghiệp sản lượng phải quan tâm đến qúa trình truyền năng lượng giữa các thành phần của rừng Nhà lâm nghiệp cần phải hiểu rõ ảnh hưởng của kinh doanh rừng đến qúa trình truyền năng lượng giữa các thành phần của rừng 17
Chương III. CHU TRÌNH SINH ĐỊA HĨA (Chu trình các chất khống trong hệ sinh thái) 3.1. MỞ ĐẦU Định nghĩa. Thuật ngữ chu trình của các chất khống biểu thị sự vận động lặp lại cĩ tính chu kỳ của chúng. Cĩ 3 chu trình: địa hĩa18, sinh địa hĩa19, sinh hĩa20 hay chu trình bên trong. 1. Chu trình địa hĩa. Đĩ là chu trình vật động của các nguyên tố hĩa học giữa các hê sinh thái. Ví dụ: 1. CO2 từ rừng ⇒ hệ sinh thái đơ thị ⇒ rừng. 2. Lưu huỳnh từ đất liên ⇒ trầm tích ở đáy biển ⇒ rừng. Đặc điểm + Thời gian dài, nhưng cũng cĩ thể ngắn. + Phạm vi rất rộng. 2. Chu trình sinh địa hĩa. Đĩ là chu trình vận động của các chất khống xảy ra giữa các sinh vật và mơi trường bên trong phạm vi của một hệ sinh thái. Đặc điểm: Thời gian vận động (chu chuyển) ngắn và phạm vi vận động hẹp. Ví dụ: N, K, P, Ca từ đất ⇒ Cây ⇒ vật rụng ⇒ đất ⇒ cây Vật rụng N, P, K, Ca, Mg, H2O Mơi trường đất và sàn rừng 3. Chu trình sinh hĩaSƠ. ĐĐỒĩ làCH chuU TRÌN trìnhH vSIậnNH độ ĐỊngA cHủOa Ácác chất khống xảy ra giữa các bộ phận khác nhau của sinh vật. Đặc điểm: Thời gian vận động ngắn hoặc dài; phạm vi vận động hẹp. Ví dụ: N, Ca, K từ lá già ⇒ chồi và lá non. 18 Geochemical cycle 19 Biogeochemical cycle 20 Biochemical cycle 18
3.2. CHU TRÌNH ĐỊA HĨA Định nghĩa. Chu trình địa hĩa (hay cịn gọi là chu trình địa chất) diễn ra sự trao đổi các chất giữa các hệ sinh thái khác nhau. 3.2.1. Chu trình của các chất khí a. Chu trình lưu huỳnh 2- Phần nhập (Inputs): sự phong hĩa đá; dạng khí SO2; dạng sun phát (SO4 ) trong dung dịch. Phần mất mát (Outputs): dạng các iơn hịa tan trong nước suối, sơng, hồ và thể khí. b. Chu trình CO2 Phần nhập: Động đất, núi lửa, cháy rừng, tàn dư hữu cơ ; cơng nghiệp, hoạt động nơng – lâm; sinh hoạt của người và động vật và hơ hấp của đất Phần xuất: Nước biển; quang hợp của thực vật 3.2.2. Chu trình trầm tích Phần lớn vật chất tham gia vào chu trình địa hĩa theo kiểu trầm tích. Chu trình trầm tích phụ thuộc vào đặc điểm vật lý và hĩa học của nguyên tố hĩa học, vai trị của sinh vật và bản chất của mơi trường. Các cơ chế của chu trình địa hĩa a. Cơ chế khí tượng: Phần nhập: bụi và mưa. Phần xuất ra: xĩi mịn và vận động của giĩ b. Cơ chế sinh học: Hoạt động của một số động vật; các hoạt động nơng - lâm nghiệp. c. Cơ chế địa chất. Phần nhập: Sự phong hĩa các loại đá và cơ chất của đất; các chất khống hịa tan trong dung dịch đất và nước. Phần xuất: Các chất hịa tan trong dung dịch đất và nước bề mặt và xĩi mịn đất. # Lưu ý: Lượng đạm bị rửa trơi vào dịng nước luơn nhỏ hơn lượng đạm do mưa cung cấp; Phốt pho và kali cũng bị mất mát rất ít; Canxi và magiê bị mất mát một lượng đáng kể trong hệ sinh thái rừng ơn đới, nhưng ở các hệ sinh thái rừng nhiệt đới chúng lại được tích lũy đáng kể. 3.3. CHU TRÌNH SINH ĐỊA HĨA Chu trình sinh địa hĩa là sự trao đổi theo chu kỳ liên tục của các nguyên tố hĩa học giữa sinh vật và mơi trường vơ cơ trong một hệ sinh thái. 19
3.3.1. Sự hấp thụ các chất khống bởi thực vật Cơ chế: Rễ hấp thụ trực tiếp các chất khống từ dung dịch đất; Lá cây cũng cĩ thể hấp thụ chất khống. a. Sự hấp thụ chất khống từ dung dịch đất Các nhân tố ảnh hưởng: tốc độ khuyếch tán của các chất khống bao xung quanh hạt đất đến rễ cây; tốc độ di chuyển của nước chứa chất khống bao xung quanh hạt đất đến rễ cây; tốc độ sinh trưởng của hệ rễ cây; nồng độ của dung dịch; hàm lượng nước trong đất; kiểu rễ cây. b. Dinh dưỡng rễ nấm. Dinh dưỡng của thực vật với sự giúp đỡ của mối quan hệ với nấm rễ được gọi là dinh dưỡng rễ nấm. Mối quan hệ của rễ cây với nấm được gọi là nấm rễ (Mycorrhiza). Các kiểu rễ nấm Ngoại sinh: Nấm bám trên hệ rễ cây và sống trong khe hở các tế bào, Nội sinh: Nấm xâm nhập vào các mơ tế bào thực vật. Vai trị của rễ nấm đối với thực vật Cung cấp CO2 và axit hữu cơ đơn giản cho cây. Phân giải mùn thành hợp chất mà cây dễ hút; Hệ lơng tơ của nấm cĩ thể thu hút chất dinh dưỡng ở thể amino axit, lân ở dạng khĩ tan cho cây trồng. Cung cấp nguồn N khá lớn cho cây. Tạo ra diện tích bề mặt rễ cây tiếp xúc với dung dịch đất Vận chuyển chất dinh dưỡng từ dung dịch vào tế bào rễ cây, Hấp thu nước, CO2 và dinh dưỡng trong điều kiện đất cĩ độ phì kém. Vai trị của cây đối với rễ nấm: Cung cấp chất dinh dưỡng N, P, K cho nấm. 3.3.2. Sự phân bố chất khống trong cây Khi các chất khống được cây hấp thụ, chúng được vận chuyển đến các cơ quan khác nhau của cây để sử dụng vào qúa trình chuyển hĩa và dự trữ. Sự phân bố chất khống trong các bộ phận của cây thay đổi tùy theo lồi cây, tuổi cây, lập địa và vị trí lá trên thân cây. 3.3.3. Sự mất mát các chất khống từ thực vật Nguyên nhân Rửa trơi do mưa và giĩ, Thức ăn cho sinh vật dị dưỡng, Rơi rụng các cơ quan già: Cây trả lại đất Ca, K, P, N : 70 - 90% theo nhu cầu Tổng lượng đào thải: 57-62%, Phần hiện cịn trên cây đứng là 38 -43%. P Phần chất khống trả lại sàn rừng trung bình: đạm - 86 đến 90%, các chất tro - 83 đến 89%. Những tác động cơ giới khác # Lượng vật rụng phụ thuộc vào: Kiểu rừng: Rừng lá kim ơn đới: 1-500 tấn/ha; 20
Rừng khơ rụng lá: 0-50 tấn/ha; Rừng tự nhiên nhiệt đới: 1-11 tấn/hẵ Rừng trồng nhiệt đới: 10-30 tấn/ha Tuổi rừng. Mùa trong năm. 3.3.4. Sự phân giải vật rụng 1. Ý nghĩa Cung cấp năng lượng cho sinh vật hoại sinh; Trả lại các chất khống cho sàn rừng; Tạo mùn cho qúa trình hình thành đất; Điều chỉnh sự thu nhận các chất khống vào đất; Nâng cao tái sinh và sinh trưởng của rừng; Điều chỉnh thành phần khơng khí. 2. Điều kiện ảnh hưởng Kiểu rừng, Hệ động vật và vi sinh vật đất, Loại vật rụng, Kết cấu vật chất chứa trong vật rụng, Điều kiện mơi trường vật lý 3. Phương pháp đánh giá tốc độ phân giải vật rụng Sử dụng tỷ lệ C/N: C/N cao ⇒ sự phân giải vật rụng chậm, và ngược lại. Số lượng vi sinh vật: Nhiều vi sinh vật ⇒ hàm lượng N cao, do đĩ C/N thấp. Đất ít vi sinh vật và chua thì tỷ lệ C/N cao. 3.4. CHU TRÌNH SINH HĨA 1. Định nghĩa. Chu trình sinh hĩa là sự phân bố lại các chất khống trong cơ thể sinh vật (thực vật, động vật). 2. Vai trị của chu trình sinh học: Bảo tồn các chất khống và tiết kiệm và cung cấp dinh dưỡng cho cây. # Ví dụ: Ở lập địa cĩ bĩn phân, rừng mưa Jamaica cĩ thể chuyển N từ lá già đến lá non ước tính là 14%, 19% trên lập địa phân bố ở nơi thấp, 50% trên lập địa khơng cĩ bĩn phân và 65% trên lập địa phân bố ở nơi cao (Tanner, 1980). 3. Các cơ chế Truyền lại các chất khống từ lá già sắp bị đào thải Kéo dài thời gian sinh trưởng trong năm để tăng khả năng hấp thụ chất khống Bảo tồn N trong các mơ lá 3.5. CHU TRÌNH ĐẠM Sản lượng thuần của rừng bị giới hạn bởi sự thiếu hụt nitơ. Những con đường vận chuyển đạm chủ yếu: chu trình địa hĩa học và sinh địa hĩa học. 1. Chu trình địa hĩa học - + Đạm tồn tại trong khơng khí ở dạng N2, NH3, iơn NO3 và NH4 . Thực vật cĩ thể hấp thụ trực tiếp qua lá 10% NH3 - + Các iơn NO3 và NH4 xâm nhập vào hệ sinh thái thơng qua mưa rơi Hoạt động của núi lửa và cơng nghiệp 21
2. Chu trình sinh địa hĩa học Sự cố định đạm bởi vi khuẩn cố định đạm và tảo lam, Sự liên kết nitơ của vi khuẩn nốt sần, Sự cung cấp nitơ bởi các thành phần của chuỗi dinh dưỡng, Ví dụ: 1. Vi sinh vật cố định hàng năm trên đất liền ước tính là 98 triệu tấn. 2. Tốc độ cố định N của các rừng trồng nhiệt đới hình thành từ cây cố định N trung bình đạt 50-150 kg/ha/năm. Những con đường hao hụt đạm - - Qúa trình khử nitơ, trong đĩ NO3 cĩ thể chuyển thành NO2 , NO, N2O, N2 hoặc NH3. Sự khử nitơ cĩ thể dẫn đến làm mất 50% nitơ được đưa vào đất. Nitơ ở dạng N2O, N2 và NH3 cĩ thể bị mất mát từ chu trình sinh địa hĩa. Một số lồi cây cĩ khả năng cố định Nitơ: Đậu xanh, Đậu tương, Keo dậu, Muồng hoa vàng, Keo lá tràm, So đũa 3.6. CHU TRÌNH DINH DƯỠNG CỦA RỪNG NHIỆT ĐỚI Trong vùng ơn đới lạnh, phần lớn chất hữu cơ và chất khống chứa trong đất. Ở vùng nĩng ẩm nhiệt đới, phần lớn các chất này nằm trong sinh khối và tuần hồn trong giới hạn phần hữu cơ của hệ sinh thái (bảng 3.2). Bảng 3.2. Sự phân bố đạm trong rừng ơn đới và nhiệt đới (Theo Odum, 1975) Tổng số Phân ra: Địa phương (g/m2) cây (%) đất (%) Rừng ơn đới (Anh ) 821 6 94 Rừng nhiệt đới (Thái Lan) 211 58 42 # Vì sao rừng nhiệt đới vẫn sinh trưởng tốt ngay trên đất nghèo ? 1. Nhờ hệ rễ phát triển dày đặc gần mặt đất (Hệ rễ rừng Amazon chiếm 60% tổng sinh khối của rừng). 2. Chu trình khống trực tiếp xảy ra từ vật rụng đến hệ rễ thơng qua rễ nấm. 3. Chất khống được giữa lại trong cây bởi chu trình sinh hĩa một cách rất hiệu quả. Ngồi ra, nhiều lồi cây cịn chứa những độc chất (các phitơnxít) để chống lại sinh vật dị dưỡng. 4. Nhiều lồi cây cĩ khả năng sống bình thường trong điều kiện đất chua. Sự thích nghi của thực vật nhiệt đới với loại đất nghèo này biểu hiện ở chỗ hệ lá rất nhiều, lá dày và thường xanh, chu trình sinh hĩa diễn ra rất hiệu quả. 5. Rừng cĩ cấu trúc nhiều lớp tán, cĩ nhiều thực vật phụ sinh, nhiều lồi vi sinh vật sống cộng sinh với cây gỗ. 6. Rừng cĩ nhiều vật rụng. Các vật rụng này bị phân giải rất nhanh, sau đĩ được hệ thực vật cố định cũng rất nhanh. # Những điều cần lưu ý Năng suất rừng mưa nhiệt đới cao là do sự quay vịng nhanh của các chất khống. Sự khống hĩa nhanh lại dẫn đến đất bị rửa trơi. Khai thác trắng và phá hủy lớp phủ thực vật rừng nhiệt đới sẽ dẫn đến đất nghèo. Nguyên nhân: mưa lớn và nhiệt độ cao. 22
3.7. ẢNH HƯỞNG CỦA KINH DOANH RỪNG ĐẾN CHU TRÌNH SINH ĐỊA HĨA HỌC # Những tác động của nhà lâm học Khai thác rừng, Xử lý vật rụng và các phế thải sau khai thác, Cải thiện chu trình các chất khống, Bĩn phân và tưới nước, Trồng cây che phủ đất Ảnh hưởng của khai thác trắng Hao hụt vật chất Hao hụt đạm ở thể khí thơng qua qúa trình nitrít hĩẵ Sau khai thác trắng 10 năm: 1000 kg/ha; Tốc độ nitrít hĩa sau 5 năm là 189 kg/ha. Giết chết nhiều sinh vật cĩ ích, Gây ra diễn thế rừng Làm biến đổi chu trình sinh địa hĩa, Làm giảm sản lượng sơ cấp thuần Làm thối hĩa đất, Làm nhiễm bẩn nguồn nước suối, sơng và hồ Tốn thời gian phục hồi lại độ phì của lập địa. 3.8. TĨM TẮT 1. Cĩ ba chu trình vật chất: địa hĩa, sinh hĩa và sinh địa hĩa. 2. Thơng qua chu trình sinh hĩa và sinh địa hĩa, các chất khống được cố định trong sinh khối. 3. Lúc đầu thực vật cĩ thể thích nghi với chu trình địa hĩa, nhưng sau đĩ chúng sẽ thích nghi với chu trình sinh địa hĩa. 4. Nhờ chu trình sinh địa hĩa, thực vật cĩ thể duy trì sự sống bằng các chất khống chứa trong vật rụng ở sàn rừng. 5. Bảo vệ cơ chế sinh địa hĩa của rừng là hết sức cần thiết 6. Ngày nay nhiều hệ sinh thái rừng bị biến đổi theo chiều hướng ngày càng nghèo kiệt. 7. Sự sống của rừng chỉ tồn tại lâu dài khi chu trình sinh địa hĩa được duy trì ổn định. 8. Để nâng cao năng suất của rừng và cải thiện đất nghèo, cần phải trồng cây cố định đạm. 23
Chương IV. RỪNG VÀ MƠI TRƯỜNG 4.1. Rừng và ánh sáng Vai trị của bức xạ mặt trời: Nguồn năng lượng Sự thích nghi của các sinh vật Ấn định các kiểu sinh lý và tập tính của sinh vật Ấn định chương trình lịch sử đời sống của các sinh vật Ảnh hưởng đến sắc tố và hình thái của sinh vật Ấn định khí hậu và các kiểu thời tiết trên trái đất 9 Sinh trưởng và phát triển của thực vật rừng phụ thuộc vào số lượng và chất lượng ánh sáng nhận được. 9 Thực vật hấp thụ mạnh ánh sáng cĩ bước sĩng λ = 0,40 - 0,75 µm (trùng với vùng ánh sáng nhìn thấy). Vì vậy, vùng này được gọi là vùng cĩ bức xạ hoạt tính quang hợp, ký hiệu PAR21. 9 Thực vật sử dụng ánh sáng trực xạ với tỷ lệ thấp hơn ánh sáng tán xạ. 9 Bức xạ rừng hấp thu được chia ra hai phần: 9 Một bộ phận được tán rừng hấp thu, 9 Một bộ phận xuyên qua tán rừng và được thực vật sống ở tầng thấp sử dụng. 9 Hiện tượng thiếu hụt ánh sáng dươi tán rừng cĩ thể dẫn đến một số kết qủa sau: + Sự phân tầng của quần lạc thực vật. + Hình thái thân, cành, lá thay đổi theo mức bảo đảm ánh sáng. 9 Nhu cầu ánh sáng của cây rừng: Lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình sống của rừng. Phân biệt hai nhĩm cây: ưa sáng và chịu bĩng. + Nhĩm cây ưa sáng chỉ sinh trưởng tốt khi cĩ đủ ánh sáng. + Nhĩm cây chịu bĩng chỉ sinh trưởng tốt trong điều kiện thiếu hụt ánh sáng. Nhu cầu ánh sáng của các lồi cây thay đổi theo tuổi: ở tuổi non chúng cần sự che bĩng; ở tuổi trưởng thành cần nhiều ánh sáng. Ý nghĩa phân chia cây rừng theo nhu cầu ánh sáng: cơ sở khoa học cho khai thác, nuơi dưỡng và trồng rừng. 4.2. Rừng và khí hậu Ảnh hưởng của khí hậu đến đời sống của rừng • Phân bố của rừng trên trái đất, • Tái sinh rừng • Trữ lượng gỗ trên một ha, • Thành phần lồi cây Một số yếu tố khí hậu • Bức xạ mặt trời là nguồn ánh sáng cũng như nguồn nhiệt lượng của các hệ sinh thái rừng. • Nhiệt độ khơng khí và đất thay đổi theo ngày và đêm, theo năm và thời kỳ nhiều năm. Kết quả sinh trưởng của thực vật cũng thay đổi theo mùa. 21 Photosynthesis Active Radiation 24
• Mỗi lồi cây chỉ cĩ thể sống trong một biên độ nhiệt nhất định. • Nhiệt cực hạn: Nhiệt độ quá thấp và quá cao đối với hoạt động sống của cây rừng. Để giảm thấp tác hại của nhiệt độ cực hạn đối với cây rừng, chúng ta cĩ thể sử dụng các biện pháp che phủ gốc cây, làm dàn che cho cây, tưới nước và bĩn phân cho cây. • Nhiệt độ ở trong rừng vào mùa hè thấp hơn nơi đất trống (10 - 150C), cịn mùa đơng cao hơn (5-100C). • Độ ẩm của khơng khí và đất cĩ liên hệ chặt chẽ với lượng mưa rơi và nhiệt độ khơng khí. Nước trong đất thơng qua sự hút của rễ được chuyển vận lên cây. Lượng nước này chủ yếu dùng vào thốt hơi nước của thực vật (90 - 95%). • Hạt giống nảy mầm tốt, cây mầm sinh trưởng và phát triển bình thường chỉ khi độ ẩm đất và khơng khí đầy đủ. Khi độ ẩm của đất giảm xuống dưới 60%, độ ẩm khơng khí thấp hơn 50% đều gây hại cho thực vật. • Lượng mưa, sự phân bố mưa theo mùa, sự ổn định và cường độ mưa cĩ ý nghĩa rất khác nhau đối với thực vật. • Phân bố mưa ở nước ta khơng đồng đều trong năm, do đĩ sinh trưởng và phát triển của cây rừng cũng thay đổi theo thời gian trong năm. • Sự thiếu hụt nước trong mùa khơ cịn là nguyên nhân dẫn đến nguy cơ cháy rừng. • Mưa lớn và kéo dài gây ra lũ và lụt, làm trơi đất, xĩi lở đất, làm trơ rễ cây và gây đổ gãy cây. • Mưa kèm theo giĩ mạnh cĩ thể gây ra xĩi mịn đất, làm tiêu tan phần lớn chất dinh dưỡng trong đất, làm giảm độ phì đất. Kết qủa là ảnh hưởng xấu đến năng suất cây rừng. Ảnh hưởng của rừng đến khí hậu 9 Rừng chi phối đến chế độ ẩm của khơng khí và đất. 9 Ở nơi cĩ rừng, dịng chảy bề mặt giảm thấp, cịn dịng chảy ngầm tăng lên. 9 Rừng cịn cĩ khả năng làm tăng mưa rơi theo chiều ngang (sương mù, sương mĩc ). 4.3. Rừng và khơng khí • Ảnh hưởng của khơng khí 9 Hàm lượng CO2 trong khơng khí cĩ ảnh hưởng đến năng suất của thực vật. 3 9 Nồng độ SO2 trong khơng khí tăng đến 26 mg/m khơng khí sẽ làm cho cây lá kim bị chết, 5 – 26 mg/m3 khơng khí gây hại cho tất cả các lồi cây. 9 Giĩ làm lưu thơng CO2, O2, nước từ ngồi vào vùng phân bố tán cây. 9 Giĩ giúp cho cây thụ phấn, phát tán qủa và hạt giống đi xa, làm tăng quá trình bốc hơi nước ở thực vật. 9 Giĩ mạnh gây ra sự đổ gẫy cây, làm biến đổi hình dạng thân cây, làm xĩi mịn đất • Cây rừng cũng cĩ khả năng làm giảm tốc độ giĩ; phịng chống giĩ hại cho cây nơng - cơng nghiệp, tạo khơng khí trong lành cho dân cư thành phố bằng cách trồng rừng. 4.4. Rừng và đất Ảnh hưởng của đất đến rừng 9 Giữ cây đứng vũng 9 Cung cấp nước và chất khống 9 Sinh trưởng và phát triển của cây rừng phụ thuộc loại đất. 25
9 Hình thái thân, tán lá, hệ rễ cây. 9 Tính ổn định của rừng với giĩ hại. 9 Chất lượng kỹ thuật gỗ. 9 Nhịp điệu sinh trưởng của cây rừng. 9 Sinh trưởng của nhiều loại vi sinh vật và động vật nguyên sinh. Ảnh hưởng của rừng đến đất 9 Hình thành đất. 9 Trả về đất 70 - 90% chất khống. 9 Làm giàu mùn, tăng độ phí 9 Nơi sinh sống và nguồn thức ăn của nhiều lồi vi sinh vật và giun đất 9 Hình thành tiểu khí hậu và điều kiện thủy văn. 9 Làm tăng mưa rơi, điều hịa dịng chảy. 9 Cố định và chống xĩi mịn đất do mưa và giĩ. Biện pháp lâm sinh để bảo vệ đất: bĩn thêm phân, cải tạo đất bằng trồng cây, trồng rừng hỗn giao, bảo vệ và phát triển rừng tự nhiên Chương V. SINH THÁI HỌC QUẦN THỂ 5.1. MỞ ĐẦU Sự hình thành quần thể, Những lợi thế và bất lợi của cá thể trong quần thể, Sinh trưởng của quần thể theo thời gian, Những nhân tố sinh thái ấn định sự tăng trưởng quần thể, Ý nghĩa của sinh thái quần thể 5.2. QUẦN THỂ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG 1. Khái niệm. Quần thể là một nhĩm cá thể của một lồi (hoặc đơn vị phân loại trong lồi) định cư trong một khơng gian hay lãnh thổ nhất định. 2. Những đặc trưng quần thể A. Mật độ : Số cá thể trên đơn vị diện tích hoặc thể tích. Ý nghĩa: Đánh giá sự phù hợp của mơi trường sống; đánh giá vai trị của lồi và mức độ ảnh hưởng của lồi đến mơi trường Mật độ quần thể khơng ổn định theo thời gian là do mơi trường (khí hậu, đất) khơng thuận lợi và quy luật đào thải tự nhiên B. Thành phần giới tính biểu thị tỷ lệ đực - cái trong quần thể. Theo lý thuyết, tỷ lệ đực/cái = 1:1. Giới tính thay đổi tùy theo lứa tuổi và mơi trường C. Tỷ lệ sinh đẻ. Tỷ lệ sinh đẻ biểu thị tỷ lệ gia tăng số lượng cá thể mới của quần thể trong một đơn vị thời gian nhất định. Cách tính: Tỷ lệ sinh đẻ tuyệt đối: ∆N/∆t Tỷ lệ sinh đẻ đặc trưng: ∆N/N∆t 26
D. Tỷ lệ tử vong. Tỷ lệ tử vong biểu thị tỷ lệ các thể bị chết trong một đơn vị thời gian nhất định. Cách tính: Tỷ lệ chết tuyệt đối: ∆N’/∆t Tỷ lệ chết đặc trưng : ∆N’/N∆t Tỷ lệ chết sinh thái: số cá thể bị chết trong một điều kiện cụ thể của mơi trường E. Cấu trúc tuổi của quần thể N/ha A, tuổi Hình 5.1. Phân bố N - A F. Phân bố các cá thể trong khơng gian Điều hịa Ngẫu nhiên Cụm (a) (b) (c) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Hình 5.2. Các kiểu phân bố cây trên mặt đất Điều ki ện xuất hiện các kiểu phân bố? Kiểu phân bố nào là phổ biến ? Nhà lâm học quan tâm đến kiểu phân bố nào; vì sao ? QUY LUẬT ALLEE. Đa số các quần thể sớm hay muộn đều quần tụ thành những nhĩm cá thể. Lợi ích: Tăng cường ưu thế trong sự canh tranh Bảo vệ và hỗ trợ nhau 27
Làm tăng khả năng sinh sản và sống sĩt, Tạo ra vi mơi trường cĩ lợi Phân chia lao động và hợp tác Bất lợi: Cạnh tranh ⇒ loại bỏ nhau Tăng sự căng thẳng (stress) Làm thay đổi hình thái và sức sống G. Tăng trưởng của quần thể Kiểu chữ J (a) Kiểu chữ S (b) Hệ số biểu thị sự đối kháng của mơi trường 1-(K-N/K) K Sinh khối (a) dN/dt = rN (b) dN/dt = rN*(K-N/K) Thời gian Hình 5.3. Tăng trưởng của nấm men Dự đốn tăng dân số quần thể Những quần thể cĩ những thế hệ riêng biệt: Nt+1 = Ro.Nt, (5.1) + Nt - mật độ ở thế hệ t, + Nt+1 - mật độ ở thế hệ t+1, + Ro - tốc độ sinh sản thuần Những quần thể sinh sản liên tục dN dt = r.N (5.2) + r - hệ số sinh trưởng trung bình + dN/dt - tốc độ gia tăng theo thời gian 28
+ dN/Ndt = r - hệ số sinh trưởng + N – dân số Từ phương trình 9.2, lấy tích phân ta cĩ: Khi mơi trường khơng bị giới hạn Nt = No.er t, (5.3) + No - số lượng cá thể ban đầu + Nt - số lượng cá thể ở thời điểm t + e = 2,7182 Khi mơi trường bị giới hạn Nt = No.er (K-N/K)t (5.4) H. Tính biến động của quần thể Cĩ hai kiểu biến động: Theo chu kỳ. Nguyên nhân: Khí hậu biến đổi theo chu kỳ và hoạt động của con người. Khơng theo chu kỳ. Nguyên nhân: Những biến đổi bất thường của mơi trường. I. Lý thuyết về sự điều chỉnh kích thước quần thể Những yếu tố sinh thái độc lập (ví dụ địa hình, ánh sánh ở mặt trên tán rừng) thì khơng phụ thuộc vào mật độ quần thể. Những yếu tố sinh thái phụ thuộc (đất, sinh vật ) bị kiểm sốt bởi mật độ quần thể. Các mối liên hệ trong quần thể Mối liên hệ ngược dương: Mật độ quần thể càng cao thì những yếu tố phụ thuộc vào mật độ quần thể càng gia tăng. Mối liên hệ ngược âm: Mật độ quần thể càng cao thì những yếu tố phụ thuộc vào mật độ quần thể càng giảm. Đĩ là những cơ chế để ngăn ngừa sự dư thừa dân số; xác lập trạng thái cân bằng bền vững; ấn định kích thước cây gỗ và N/ha. 5.3. Sinh trưởng và phát triển của rừng Đời sống rừng cĩ thể phân thành 5 giai đoạn: (1). Giai đoạn (pha) cây mầm được tính từ khi hạt nảy mầm đến khi cây con đạt 1 năm tuổi. Đặc điểm: Sinh trưởng chậm, sức sống kém, dễ bị biến đổi. (2). Giai đoạn rừng non được chia nhỏ thành ba pha. Pha thứ nhất kể từ sau lúc rừng đạt một tuổi đến khi nĩ bắt đầu giao tán nhau. Pha thứ hai tiếp theo pha thứ nhất đến lúc rừng khép tán kín. Pha thứ ba được kể từ lúc rừng khép tán kín đến khi rừng bắt đầu sinh sản. Đặc điểm chung: Sinh khối (sản lượng) gia tăng nhanh; cạnh tranh khốc liệt; phân hĩa và đào thải mạnh; địi hỏi nhiều ánh sáng, nước và dinh dưỡng khống. (3). Giai đoạn trưởng thành được tính từ lúc rừng bắt đầu sinh sản đến khi sinh sản mạnh. Đặc điểm chung: Giảm sinh trưởng chiều cao và tán lá, tăng nhanh sinh trưởng đường kính và thể tích thân cây, giảm (cạnh tranh, phân hĩa và tiả thưa tự nhiên), xuất hiện thế hệ mới dưới tán cây mẹ, tính ổn định rất cao, thành thục tái sinh. 29
(4). Giai đoạn thành thục được tính từ sau thời kỳ rừng sinh sản mạnh đến khi nĩ ngừng sinh sản. Đặc điểm chung: Đặc điểm chung: Giảm sinh trưởng đường kính và chiều cao, ra hoa quả kém, tán lá thưa. (5). Giai đoạn qúa thành thục được kể từ lúc lượng tăng trưởng của rừng mang giá trị âm. Đặc điểm chung: Khơng sinh sản và sinh trưởng, tính ổn định sinh học và sinh thái rất kém, dể bị đổ gãy, chất lượng gỗ giảm. 5.4. Ý nghĩa phân chia giai đoạn sống của rừng Nhận thức quy luật phát triển của rừng Cơ sở khoa học cho nuơi dưỡng, tái sinh và khai thác rừng Chương VI. SINH THÁI HỌC QUẦN XÃ 6.1. MỞ ĐẦU Quần xã sinh vật là tập hợp các sinh vật sống trong một khơng gian nhất định. Quần xã cĩ thể được phân nhỏ thành ba thành phần tùy theo mục đích nghiên cứu: quần xã thực vật, quần xã động vật và quần xã vi sinh vật. 6.2. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT 6.2.1. Thành phần quần xã sinh vật a. Thành phần quần xã sinh vật chỉ số lượng lồi bắt gặp trong một quần xã sinh vật. Vai trị của các lồi sinh vật được đánh gía thơng qua khả năng tạo lập quần xã và cường độ cải biến mơi trường. Những lồi ưu thế sinh thái là những lồi cĩ vai trị quyết định trong sự hình thành quần xã. Các lồi khơng ưu thế cĩ hai loại: nhĩm thứ nhất là các lồi dần dần mất đi ở quần xã; nhĩm thứ hai bao gồm các lồi cĩ thể dần dần tham gia vào tầng ưu thế sinh thái. Để đánh giá vai trị của các lồi trong quần xã, người ta thường dựa vào tương quan số lượng cá thể và sinh khối hoặc độ phong phú của các lồi và nhĩm lồi. Độ phong phú: (1) Mật độ (2) Độ che phủ: phần trăm diện tích được che phủ bởi một lồi cây nào đĩ. (3) Trọng lượng của lồi. (4) Độ thường gặp (kí hiệu F – Frequency) n F = N (6.1) với n là số điểm lấy mẫu tìm thấy lồi quan tâm, N – tổng số điểm lấy mẫu nghiên cứu. Để đánh giá sự đa dạng về thành phần lồi trong quần xã, người ta sử dụng các chỉ số đa dạng về lồi sau đây: S - 1 S - 1 d = ; d = 1 LogN 2 N S d3 = 1000 cá thể ; (6.2) 30
trong đĩ: S là số lồi, N số cá thể của quần xã. Tại sao cần phân biệt thành phần các lồi sinh vật và vai trị của chúng trong quần xã sinh vật ? Phân loại các kiểu quần xã Tuyển chọn các lồi cây - con, Xây dựng các phương thức canh tác nơng lâm. Những dạng sống phổ biến ở rừng mưa Định nghĩa. Tập hợp các nhĩm cây, mặc dù cĩ sự khác nhau về hệ thống phân loại, nhưng đều cĩ khả năng thích ứng với những điều kiện sống nhất định, cĩ sự tương đồng về cấu tạo, chức năng sinh lý và tập tính sinh học. Các dạng sống phổ biến trong rừng mưa Cây gỗ lớn. Đĩ là tập hợp các lồi cây gỗ hình thành bộ phận cơ bản nhất của rừng. Cây bụi. Đĩ là dạng sống của cây gỗ cĩ kích thước rất nhỏ bé, tán gọn, phân cành sát gốc hoặc đơi khi gặp lồi rất ít cành (ví dụ: cây họ Dừa), luơn sống ở tầng thấp của tán rừng và cĩ khả năng chịu bĩng rất cao. Cây thân cỏ. Đĩ là các lồi cây cĩ thân khơng hĩa gỗ, sống bị lan trên mặt đất dưới tán rừng. Cây thân leo. Đĩ là những lồi cây cĩ thân khơng tự đứng vững trên mặt đất mà phải dựa vào giá đỡ (thân cây bụi hoặc cây gỗ ), sống trong mọi tầng rừng. Cây thắt nghẹt. Đĩ là những thực vật thân gỗ, nhưng sự khởi đầu đời sống của mình lại là những cây phụ sinh (cây sống bám vào cây gỗ khác). Cây phụ sinh. Đĩ là những thực vật sống nhờ trên thân, cành của các lồi cây khác (thân cây bụi hoặc cây gỗ ). Cây ký sinh. Đĩ là những lồi sống ký sinh trên thân và cành cây khác (thân cây bụi hoặc cây gỗ ). b. Cách đặt tên quần xã Theo thành phần lồi sinh vật ưu thế. Ví dụ: Quần xã cây họ Dầu ưu thế, quần xã cỏ ba lá ưu thế, quần xã đước, vẹt Theo các dạng sống ưu thế hay lồi chỉ thị cho điều kiện mơi trường. Ví dụ: Quần xã cây gỗ ưu thế, quần xã cây bụi Theo điều kiện nơi ở của quần xã. Ví dụ: Quần xã rừng ngập mặn là quần xã của những cây gỗ cĩ khả năng hình thành và định cư trên những vùng đất ngập triều. Căn cứ vào lãnh thổ phân bố quần xã: (1) quần xã lục địa, (2) quần xã đại dương, quần xã biển, (3) quần xã đới (quần xã núi thấp, quần xã núi cao ). 6.2.2. Cấu trúc của quần xã Cấu trúc quần xã biểu thị đặc điểm phân bố các cơ quan của các thành phần quần xã theo khơng gian và thời gian. Ý nghĩa: so sánh và phân loại các quần xã sinh vật; hiểu được tính chất phức tạp thành phần sinh vật, các yếu tố và các quan hệ giữa các thành phần quần xã. a. Phân bố theo chiều thẳng đứng (hình 10.1). Theo Thái Văn Trừng (1970 –1978), sự sắp xếp của các cây gỗ rừng mưa nhiệt đới thành 5 tầng, trong đĩ cĩ 3 tầng cây gỗ lớn, 1 tầng cây bụi thấp, 1 tầng cỏ và dương xỉ. Tầng vượt tán (A1). 31
Tầng ưu thế sinh thái hay tầng tán rừng (A2). Tầng dưới tán [A3]. Tầng cây bụi thấp [B]. Tầng cỏ quyết [C]. Lớp cây gỗ Dây leo Lớp cây bụi Sàn rừng Lớp đất khống Đá mẹ Hình 6.1. Phân bố theo chiều thẳng đứng của QXTV 6.3. NHỮNG DẠNG QUẦN XÃ SINH THÁI ĐỆM (ECOTONES) Định nghĩa: Những vùng chuyển tiếp giữa hai quần xã kế cận được gọi là các quần xã sinh thái đệm (Ecotones). Đặc trưng: diện tích hẹp hơn; thành phần lồi đa dạng và phong phú hơn; mật độ của nhiều lồi sinh vật rất cao; điều kiện mơi trường và các mối quan hệ giữa các lồi sinh vật biểu hiện “căng thẳng” hơn. Người ta gọi xu hướng gia tăng tính đa dạng về lồi, về mật độ của các lồi, về sự căng thẳng của mơi trường cũng như các quan hệ giữa các lồi ở vùng giáp ranh hai quần xã là hiệu ứng biên hay hiệu ứng giáp ranh (Edge effect). Trong vùng giáp biên, các lồi thực vật và động vật thường sinh trưởng dưới hồn cảnh bị giới hạn (Stress) về vật lý và sinh học. 6.4. TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC LỒI SINH VẬT TRONG QUẦN XÃ Những tác động qua lại giữa các lồi cây biểu hiện ở nhiều mặt: cạnh tranh, ký sinh, cộng sinh, hỗ sinh 1. Sự cạnh tranh xảy ra khi hai vật sống đều cần một nguồn lợi nhưng nguồn lợi ấy khơng đủ thỏa mãn cho nhu cầu của chúng. Cĩ hai loại cạnh tranh: cạnh tranh trong lồi và cạnh tranh khác lồi. 32
Sự cạnh tranh trong lồi là một nhân tố hết sức quan trọng trong quần thể, khiến cho quần thể tự điều chỉnh để tránh sự qúa đơng. Sự canh tranh giữa các lồi cĩ hai trường hợp: (1) hoặc là loại bỏ một lồi, (2) hoặc hai lồi cùng chia nhau nguồn lợi để cùng nhau sống chung trên một lãnh thổ. 2. Ký sinh - vật chủ biểu thị lồi này sống nhờ vào mơ hoặc thức ăn tiêu hĩa của lồi khác (vật chủ). Quan hệ ký sinh - vật chủ cĩ ba dạng (1) vật ký sinh dinh dưỡng, 92) tiêu diệt vật chủ, (9) chuyên hĩa về dinh dưỡng. Ký sinh dinh dưỡng biểu hiện ở chỗ lồi ký sinh sống nhờ dinh dưỡng trên vật chủ trong nhiều năm mà khơng làm vật chủ chết. Hiện tượng cây tầm gởi sống trên thân, cành cây gỗ là một ví dụ điển hình cho dạng ký sinh dinh dưỡng. Ký sinh chuyên hĩa biểu hiện ở chỗ vật ký sinh chuyên sống trên một vật chủ nhất định và cùng với vật chủ tạo ra mơi trường sống đặc trưng cho chúng. 3. Cộng sinh là mối quan hệ hợp tác và giúp đỡ lẫn nhau trong qúa trình cùng chung sống giữa hai lồi trên cùng một lãnh thổ. Trong trường hợp này, hai lồi khơng cĩ cùng nhu cầu dinh dưỡng như nhau. Vi sinh vật cố định đạm và rễ nấm là sự biểu hiện rõ nét nhất của quan hệ cộng sinh. Vi khuẩn nốt sần cộng sinh ở rễ cây họ Đậu cĩ khả năng cố định đạm từ khơng khí, nhờ đĩ cây trồng cĩ thêm đạm. Nấm rễ giúp cây hút dinh dưỡng của đất, nhất là ở đất cằn cỗi. 4. Quan hệ sinh hĩa. Nhiều lồi sinh vật thường tiết ra những chất hữu cơ cĩ hoạt tính sinh học rất cao. Những chất tiết của thực vật gọi là các phitơnxít. 5. Quan hệ hội sinh – sự hợp tác giữa hai vật sống, một bên cĩ lợi cần thiết, bên kia khơng cĩ lợi cũng khơng bị hại. 6.5. Ý NGHĨA CỦA SINH THÁI QUẦN XÃ 1. Để điều khiển được hệ sinh thái, nhà nơng - lâm học phải hiểu được cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái. Điều này địi hỏi phải nghiên cứu các thành phần sinh vật và mơi trường vơ cơ của hệ sinh thái, trong đĩ thành phần sinh vật là mối quan tâm lớn nhất. 2. Trong sinh thái rừng và đồng ruộng, nhà lâm – nơng học cịn phải giải quyết một loạt vấn đề khác như: (1) phân loại rừng, (2) tìm hiểu quá trình diễn thế rừng, (3) xác định tính ổn định của rừng dưới ảnh hưởng của tự nhiên và con người, (4) tìm hiểu sự tương tác giữa các lồi Để giải quyết được những vấn đề đĩ, nhà lâm học phải cần đến những kiến thức của sinh thái quần xã. 3. Những kiến thức về sự tương tác qua lại giữa các lồi trong quần xã cho phép nhà nơng - lâm học chọn lựa phương thức trồng trọt và tái sinh rừng, nuơi dưỡng rừng, cải thiện lập địa, phịng chống sâu bệnh hại, phịng trừ cỏ dại 4. Kiến thức về sự thích nghi sinh thái của các lồi cây đối với các điều kiện mơi trường vật lý được nhà nơng - lâm học vận dụng để xác định phạm vi địa lý và nơi ở mà lồi cĩ thể tồn tại và sinh trưởng tốt, đồng thời tìm kiếm khả năng mở rộng khu phân bố của lồi. 5. Trong quá trình kinh doanh, nhà nơng - lâm học cịn tác động vào đồng ruộng và rừng thơng qua việc khai thác nơng - lâm sản hoặc xử lý lập địa bằng cách cày xới, tưới nước, bĩn phân Việc khai thác nơng - lâm sản cĩ thể làm biến đổi ít nhiều mơi trường sống của đồng ruộng và rừng. Những biến đổi này cĩ thể cĩ lợi cho các lồi cây và nâng cao năng suất thảm thực vật, nhưng cũng cĩ thể cĩ hại cho thảm thực vật, hoặc làm giảm năng suất của chúng. Do đĩ, để đưa ra được quyết định hợp lý địi hỏi nhà nơng - lâm học phải cĩ kiến thức tốt về sinh thái quần xã. 33
Chương VII. VAI TRỊ SINH THÁI CỦA RỪNG 7.1. KHÁI NIỆM VỀ VAI TRỊ SINH THÁI CỦA RỪNG 7.1.1. Vai trị hành tinh và vũ trụ của rừng Rừng là một thành phần của sinh quyển. Thật vậy, nhờ bức xạ từ vũ trụ, trong đĩ năng lượng mặt trời là nguồn cơ bản, rừng đã tích lũy và phân bố lại năng lượng tự do nhận được. Chính nhờ đĩ mà cuộc sống của các sinh vật được đảm bảo. Trên quan điểm năng lượng, rừng là một bộ máy tích lũy và điều chỉnh năng lượng to lớn nhất của sinh quyển. Rừng là một trong những thành phần chủ yếu nhất của sinh quyển. Rừng bảo vệ đất khỏi sự xĩi mịn. Rừng bảo đảm chế độ thủy văn cho hệ thống sơng, hồ. Rừng gĩp phần tích cực vào quá trình điều hịa khí hậu. Rừng cố định CO2 và cung cấp ơxy tự do cho khơng khí. Nhờ đĩ rừng đã tạo ra mơi trường sống tốt cho sinh vật. Vì thế, rừng đĩng vai trị sinh thái hết sức to lớn. Thực vật màu xanh, trong đĩ cĩ rừng thực hiện vai trị vũ trụ trong sinh quyển thơng qua hai chức năng: (1) sản xuất ra chất hữu cơ sơ cấp từ các chất vơ cơ (CO2, H2O và chất khống); (2) trong quá trình sống rừng đã thải oxy tự do vào khơng khí và bằng cách đĩ chúng đã điều chỉnh chất khí của khí quyển. Trong quá trình quang hợp, năng lượng mặt trời, CO2, H2O và chất khống được rừng hấp thu để sản xuất ra chất hữu cơ và giai phĩng oxy tự do vào khơng khí. Khi hình thành một tấn gỗ khơ tuyệt đối, rừng đã thu vào từ 1,7 đến 1,8 tấn CO2 và giải phĩng ra 1,39 đến 1,42 tấn oxy. Bằng cách này, hàng năm rừng đã cung cấp cho khí quyển hơn ½ tổng lượng oxy mà khí quyển nhận được. Điều đĩ chứng tỏ rừng cĩ vai trị sinh thái hết sức lớn lao. 7.1.2. Rừng là một thành phần của sinh quyển Hiện nay rừng bao phủ 4 tỷ ha đất. Năng suất sinh khối hàng năm (năng suất thuần) của tồn sinh quyển ước tính là 164.109 tấn/năm; trong đĩ đại lượng là 55.109 tấn, cịn lại thuộc về các hệ sinh thái lục địa (109.109 tấn). Hàng năm rừng sản xuất ra 77.109 tấn, nghĩa là gần 60% năng suất hàng năm của hệ sinh thái trên lục dịa. Tổng trữ lượng sinh khối của rừng là 2.1012 tấn (bằng 90% tổng lượng vật chất hữu cơ của sinh quyển). 9 9 Nguồn CO2 được rừng cố định ước tính từ 700.10 đến 1.100*10 tấn. Hàng năm rừng hấp 9 thu gần 100 tỷ tấn CO2 và giải phĩng vào khơngkhí khoảng 80.10 tấn O2 tự do. Các hệ sinh thái rừng sản xuất ra gần 50% chất hữu cơ của sinh quyển. Rừng cũng là nơi cung cấp ổn định gỗ và các sản phẩm khác cho con người. Cần nhận thấy rằng, sự phá hủy rừng cũng đồng thời phá hủy cả chế độ nước, gây ra xĩi mịn, làm tăng tiêu hao ẩm trong đất, phá hủy cơ sở hình thành và nuơi dưỡng nguồn nước ngọt, làm khí hậu thay đổi theo hướng khơng cĩ lợi cho sự sống của lồi người. Vì thế, nghiên cứu những biện pháp nâng cao năng suất và chức năng bảo vệ của rừng là một nhiệm vụ quan trọng của lâm học. 7.1.3. Chức năng sinh thái và vai trị của rừng (1) Chức năng của rừng Rừng là một trong những hệ sinh thái năng động nhất của sinh quyển. Rừng cĩ ảnh hưởng tổng hợp đến mơi trường xung quanh. Trong phạm vi ảnh hưởng qua lại giữa rừng với sinh quyển, chúng ta cĩ thể nhận thấy một chức năng cực kỳ quan trọng của rừng là chức năng sinh quyển. Đĩ là sự hình thành sinh quyển và cải biến sinh quyển. Chức năng 34
này biểu hiện ở chổ, rừng cĩ khả năng cải biến tình trạng của sinh quyển. Trên bình diện chung, chức năng sinh quyển của rừng là chức năng lớn nhất. Nĩ biểu hiện ở khả năng hấp thu và cải biến năng lượng ánh sáng mặt trời, sản xuất chất hữu cơ và giải phĩng ra oxy tự do. Những chức năng cịn lại (hình thành và cải biến khí hậu; hình thành và bảo vệ đất; hình thành và bảo vệ nguồn nước; hình thành sinh cảnh, ) là chức năng sản xuất và bảo tồn sự sống. Căn cứ vào những ảnh hưởng tổng hợp và liên tục của rừng đến các thành phần của sinh quyển, chức năng sinh quyển được phân thành 4 nhĩm: hình thành khí hậu, hình thành đất, hình thành thủy văn và hình thành sinh cảnh. Nhĩm 1. Chức năng khí hậu – khả năng của rừng điều hịa khí hậu (ảnh hưởng đến khí hậu). Chức năng khí hậu được chia nhỏ thành 3 chức năng riêng biệt – đĩ là điều hịa nhiệt độ, tích tụ mưa và cản giĩ. Nhĩm 2. Chức năng hình thành đất – khả năng của rừng ảnh hưởng đến đất. Chức năng bảo vệ đất bao gồm 4 chức năng riêng biệt: a. Ngăn chặn xĩi mịn đất – rừng cĩ khả năng ngăn chặn xĩi lở và bào mịn bề mặt đất dưới ảnh hưởng của dịng chảy bề mặt. b. Chống phân tán đất – khả năng của rừng ngăn cản sự phá hủy đất và đá do giĩ gây ra. c. Tích tụ đất – khả năng của rừng thâu tĩm và tích tụ các chất khống từ dịng khơng khí và nước. d. Cải thiện đất – rừng cĩ khả năng nâng cao độ phì đất. Nhĩm 3. Chức năng thủy văn – khả năng của rừng ảnh hưởng đến chế độ thủy văn, đến các thành phần của cân bằng nước và tình trạng của các đối tượng nước (suối, sơng, hồ, ). Chức năng thủy văn được chia thành 3 chức năng riêng biệt sau đây: a. Bảo vệ nước – rừng cĩ khả năng ngăn cản hoặc tích tụ nước trong các sơng, hồ, làm chậm hoặc ngăn chặn quá trình tích tụ những hợp chất gây mặn và gây ơ nhiễm nước. b. Điều hịa nước – khả năng củ rừng làm dịu chế độ nước của các dịng suối, sơng, hồ. c. Cải thiện chế độ thủy văn – khà năng của rừng làm chậm hoặc ngăn chặn sự hĩa lầy đất. 4. Chức năng sinh cảnh của rừng – khả năng của rừng hình thành những quần xã sinh vật chuyên hĩa đối với rừng. Chức năng hình thành sinh cảnh. Chức năng này bao gồm chức năng hình thành các quần xã thực vật, động vật và vi sinh vật. Cần nhận thấy rằng, các chức năng của rừng khơng tách rời nhau mà cĩ mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Điều đĩ được giải thích bởi các thành phần của sinh quyển cĩ mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau thơng qua các chu trình vật chất và năng lượng. (2) Vai trị của rừng Vai trị của rừng là ý nghĩa của rừng đối với xã hội và nền kinh tế quốc gia. Vai trị của rừng là do các chức năng của rừng gây ra. Vai trị xã hội của rừng cĩ thể được chia thành 3 nhĩm – đĩ là vai trị vệ sinh thẩm mỹ, vai trị tinh thần và vai trị kinh tế quốc dân. Nhĩm 1. Vai trị vệ sinh rừng. Rừng cĩ khả năng cải thiện tình trạng vệ sinh – thẩm mỹ của các khối khơng khí, các nguồn nước và đất, cải thiện chế độ thủy văn và tính chất nước của các nguồn nước ăn và nước khống, tạo mơi trườngkhí hậu cĩ lợi cho sức khỏe của con người. Nhĩm này bao gồm 3 vai trị riêng biệt sau đây: a. Vai trị làm sạch khơng khí, nước và đất – khả năng của rừng nâng cao chất lượng nước và khơng khí. b. Vai trị diệt khuẩn – rừng cĩ khả năng làm giảm mật độ và cường độ hoạt động của các vi sinh vật gây bệnh. c. Vai trị giảm tiếng ồn – rừng cĩ khả năng làm giảm hoặc triệt tiêu tiếng ồn. 35
Nhĩm 2. Vai trị tinh thần. Vai trị này biểu hiện ở chỗ rừng cĩ khả năng tạo ra mơi trường cĩ lợi cho sự tồn tại, sự hình thành và hoạt động của con người về mặt tinh thần. Nhĩm này bao gồm 5 vai trị khác nhau: a. Vai trị tâm lý – rừng tạo ra những điều kiện cĩ lợi về tâm lý và đạo đức của con người. b. Vai trị thẩm mỹ – rừng tạo ra điều kiện cĩ ảnh hưởng tốt đến việc giáo dục nghệ thuật cho con người. c. Vai trị giải trí và nghỉ ngơi – rừng tạo ra cảnh quan và điều kiện cĩ lợi cho sự nghỉ ngơi và giải trí của con người. d. Vai trị tinh thần – rừng là đài tưởng niệm của tự nhiên. e. Vai trị khoa học – rừng là đối tượng nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Nhĩm 3. Vai trị kinh tế quốc dân. Rừng tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các ngành kinh tế. Nhĩm này bao gồm các vai trị như nguồn nguyên liệu, vai trị nơng nghiệp, vai trị kinh doanh nước, vai trị giao thơng, vai trị thủy sản, vai trị chăn thả gia súc. Những nhĩm vai trị lớn của rừng là do các chức năng của rừng ấn định. Các vai trị riêng biệt lại do một loạt các chức năng của rừng gây ra. Cần lưu ý rằng, vai trị của rừng cần phải được xác định khơng chỉ theo vùng địa lý mà cịn theo các chức năng của rừng. Vai trị của rừng xác định tên đầy đủ của rừng – đĩ là phạm vi sử dụng rừng cho một mục đích nhhất định. 7.2. VAI TRỊ HÌNH THÀNH KHÍ HẬU CỦA RỪNG (1) Rừng là nơi tạo ra mơi trường khơng khí cĩ lợi cho sự sống trên hành tinh. Điều đĩ cĩ được là do rừng tham gia tích cực vào quá trình bảo vệ tầng ozon. Như chúng ta đã biết, ozon được hình thành từ kết quả phân ly các phân tử oxy cĩ nguồn gốc quang hợp. Ngày nay, do sự gia tăng lượng chất thải vào khơng khí, nên nồng độ và bề dày của tầng ozon đang cĩ khuynh hướng giảm dần. Điều đĩ thấy rõ ở vùng Nam cực. Sự giảm thấp nồng độ ozon dẫn đến sự gia tăng bức xạ cực tím cĩ hại lên mặt đất. (2) Giảm diện tích rừng cĩ ảnh hưởng đến sự thay đổi albedo của bề mặt đất. Điều đĩ sẽ dẫn đến làm thay đổi cân bằng bức xạ. Kết quả là điều kiện khí hậu sẽ thay đổi. Những nghiên cứu cho thấy sự thay thế rừng bằng thảo nguyên và đồng ruộng đã làm tăng albedo lên 10%. (3) Rừng làm thay đổi tốc độ giĩ, phương hướng và cấu trúc của khối khơng khí. Một khối khơng khí đang vận động, khi gặp đai rừng một phần lớn chuyển động lên cao rồi tiếp tục lan tỏa theo hướng ban đầu, phần cịn lại xuyên qua rừng. Khi vận động qua đai rừng, khơng khí hạ thấp dần ở phía đối diện và lại vận động theo bề mặt đất với sự giảm thấp tốc độ. Tốc độ vận động của khơng khí tăng dần dần lên và đến một khoảng 500 m cách đai rừng lại đạt được trị số như ban đầu. Ảnh hưởng của đai rừng đến tốc độ giĩ sau đai rừng cĩ thể đến khoảng cách 20 – 30 lần chiều cao của đai rừng. Điều đĩ tùy thuộc vào kết cấu và cấu trúc của quần xã thực vật và bề rộng của đai rừng. Vì thế, rừng cĩ ý nghĩa to lớn đối với việc phịng chống giĩ hại cho đồng ruộng và khu dân cư. Phá hủy rừng dẫn đến sự gia tăng tốc độ giĩ ở bề mặt đất, làm biến đổi chế độ nhiệt và ẩm ở lớp khơng khí gần mặt đất và làm tăng cường độ bốc hơi nước tổng số (bốc hơi nước vật lý và thốt hơi nước ở thực vật). Trong vùng khí hậu khơ, phá hủy rừng dẫn đến sự gia tăng bão bụi và xĩi mịn đất. Bão cát ở các sa mạc đã minh chứng cho những nhận định đĩ. (4) Phá hủy rừng cịn dẫn đến sự biến đổi thời tiết trên khơng gian rộng lớn. Sự phá hủy rừng trên khơng gian lớn cĩ thể ảnh hưởng căn bản đến mưa rơi. Hiện tượng như thế cĩ thể nhận thấy rõ trên những khoảng khai thác trắng ở những vùng núi. Trong điều kiện ấy xĩi mịn đất xảy ra nhanh chĩng. Kết quả gây ảnh hưởng xấu đến điều kiện sống 36
của thực vật. Tình hình như thế cũng thấy rõ ở những vùng khí hậu khơ hoặc những nơi rừng được chuyển thành đồng cỏ chăn nuơi. Những vùng như thế cĩ nguy cơ chuyển thành hoang mạc và sa mạc. Vì khơng được thực vật che phủ nên mặt đất bị bức xạ mặt trời đốt nĩng, độ ẩm tương đối giảm. Kết quả sẽ dẫn đến sự gia tăng mức ngưng kết hơi nước và làm giảm lượng mưa rơi. (5) Rừng làm tăng lượng mưa của khí quyển nhờ vào quá trình thốt hơi nước của rừng. Do đĩ, phá hủy rừng sẽ dẫn đến sự biến đổi chu trình nước theo chiều hướng xấu. Ảnh hưởng của rừng đến mưa biểu hiện ở 3 đặc điểm sau đây: 1. Rừng làm tăng lượng mưa rơi. 2. Rừng cĩ khả năng ngưng kết hơi nước. 3. Rừng cĩ khả năng giữ lại hoặc thâu tĩm một phần mưa rơi. Những nghiên cứu gần đây cho thấy lượng mưa tăng lên cùng với sự gia tăng độ che phủ của rừng. Cơ chế của hiện tượng này về cơ bản là ở chổ trạngt hái vật lý của rừng đã hình thành lên sự chia cắt bề mặt đất. Rừng là một bề mặt đệm cĩ độ chia cắt khá lớn. Do đĩ, ở phía đĩn giĩ cĩ sự vận động đi lên của khối khơng khí. Ảnh hưởng của rừng đến mưa biểu hiện rõ đến khoảng cách một vài kilơmét so với đai rừng. Nhiều nghiên cứu cho thấy, khi gia tăng 10% độ che phủ của rừng thì lượng mưa sẽ tăng 2,5%. Ngồi ra ở mặt trên tán rừng cĩ thể phát sinh một vùng khơng khí bị xáo trộn. Vì thế, khi rừng bị phá hủy thì lượng mưa trong vùng phân bố của rừng sẽ giảm thấp. Sự gia tăng lượng mưa ở nơi cĩ rừng cĩ thể liên quan đến quá trình thốt hơi nước của rừng và quá trình đốt nĩng tán rừng bởi bức xạ mặt trời. Một hình thái khác trong ảnh hưởng của rừng đến mưa là khả năng thu nhận mưa nằm ngang. Rừng mưa nhiệt đới cĩ khả năng thâu tĩm nước trong khơng khí rất cao. Rừng phân bố trên núi cao cĩ khả năng thâu tĩm hơi nước lớn hơn rừng phân bố ở vùng thấp. Độ cao so với mặt biển và tốc độ giĩ cũng ảnh hưởng lớn đến mưa. Do mùa mùa hè cĩ nhiệt độ cao và giĩ lớn hơn nên khả năng thâu tĩm nước vào mùa hè nhỏ hơn so với mùa đơng. So với đất trống, lượng giáng thủy do rừng thâu tĩm từ mây mù cĩ thể cao hơn 30%. Ở những vĩ độ cao và núi cao, về mùa đơng trị số này cĩ thể đạt 50 – 60%. Rừng trên núi cao làm tăng lượng mưa đáng kể, do đĩ chúng cũng làm tăng độ ẩm đất và dịng chảy bề mặt. (6) Rừng làm thay đổi chế độ nhiệt khơng chỉ dưới tán rừng, mà cịn cả trong tán rừng. Độ khép tán và chiều cao của rừng càng lớn thì chế độ nhiệt bị ảnh hưởng càng lớn. Tán rừng khơng chỉ là bộ lọc ánh sáng, mà cịn là bộ lọc nhiệt. Vì thế, khi tán rừng càng dày rậm thì khơng khí và đất dưới tán rừng càng ít bị đốt nĩng. Ảnh hưởng của rừng đến chế độ nhiệt phụ thuộc vào kiểu rừng, vị trí của rừng trên địa hình khác nhau, tính chất của rừng. Trong cùng một kiểu rừng, chế độ nhiệt thay đổi theo tuổi rừng. Ở các rừng rụng lá, sự khác biệt về nhiệt độ ở ngồi đất trống và dưới tán rừng biểu hiện khơng rõ rệt. Vào ngày nhiều mây, sự khác biệt về nhiệt độ ở ngồi đất trống và trong tán rừng là rất nhỏ. Rừng cĩ ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ cực hạn (nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp). Vào mùa hè, ở rừng lá kim nhiệt độ tối cao của khơng khí thấp hơn đất trống 2,5 – 50C, cịn nhiệt độ tối thấp lại cao hơn 1 – 1,50C. Về mùa đơng, nhiệt độ trong rừng luơn cao hơn nhiệt độ ở ngồi đất trống từ 2 – 50C. Trong rừng lá rộng, ảnh hưởng của nhiệt độ cực hạn về mùa hè và mùa đơng biểu hiện ít hơn. Điều đĩ phụ thuộc vào mức độ phát triển của tán lá. Vào thời kỳ lá cây phát triển đầy đủ, nhiệt độ tối cao nhỏ hơn đất trống 2 – 50C, nhiệt độ tối thấp cao hơn 0,5 – 1,50C. Ảnh hưởng của rừng đến nhiệt độ khơng khí cũng cĩ tính lan truyền đến một khoảng cách nhất định so với bìa rừng. Ơ miền khí hậu lạnh, rừng cĩ khả năng làm dịu giá lạnh và rút ngắn thời gian bị giá lạnh. Ảnh hưởng của rừng đến nhiệt độ khơng khí xung quanh cĩ thể phân bố đến 40 – 50m, đơi khi đến 100m so với vách rừng. 37
Chế độ nhiệt của đất rừng thay đổi tùy theo kiểu rừng, kết cấu và cấu trúc rừng, tuổi rừng. Nhiệt độ đất nhỏ nhất thường xuất hiện vào thời kỳ rừng non khép tán kín. Sau đĩ khi tuổi rừng tăng lên thì nhiệt độ đất cũng tăng lên. Điều đĩ gây ra sự thay đổi tính chất đất. So với nhiệt độ cực hạn ở ngồi đất trống, nhiệt độ cực hạn ở trong rừng giảm thấp rất nhiều. Thật vậy, vào mùa hè nhiệt độ bề mặt đất rừng cĩ thể thấp hơn đất trống từ 5 – 100C. Về mùa đơng, nhiệt độ đất rừng cao hơn đất trống 3 – 50C. Biên độ nhiệt của đất rừng vào ngày hè là 20 – 300C, cịn nơi đất trống là 50 – 550C. Sự khác biệt này biến đổi tùy theo kiểu rừng, loại đất và vị trí địa lý. Nhiệt độ trung bình năm của đất rừng ở độ sâu 20 – 120cm thấp hơn ở đất trống 1 – 1,50C. Vào mùa đơng, ngược lại nhiệt độ đất rừng cao hơn nhiệt độ của đất trống 1 – 1,50C. Trị số này vào mùa hè là 2,5 – 50C. (7) Rừng làm tăng độ ẩm khơng khí. Độ ẩm khơng khí trong rừng và ngồi đất trống khác nhau căn bản, đơi khi lên 10 – 250C. Điều đĩ cũng phụ thuộc vào kiểu rừng, tình trạng rừng và thời tiết Theo mức phát triển của tán rừng, sự thiếu hụt độ ẩm khơng khí trong rừng giảm thấp so với đất trống. Sự khác biệt cĩ thể đến 2 – 3mb. 7.3. VAI RỊ THUỶ VĂN CỦA RỪNG 7.3.1. Ảnh hưởng của rừng đến cân bằng nước Cân bằng nước ở rừng cĩ thể biểu thị theo cơng thức X = I + E1 + E2 + T + Y + Z ± W trong đĩ: - X = Lượng mưa, mm - I = Lượng nước do tán rừng giữ lại, mm - E1 = Lượng bốc hơi từ bề mặt đất, mm - E2 = Lượng thốt hơi nước của lớp thảm cỏ, mm - T = Lượng thốt hơi nước của quần thụ, cây gỗ non và cây bụi - Y = Dịng chảy bề mặt, mm - Z = Dịng chảy ngầm, mm - W = Sự thay đổi chế độ ẩm trong đất, mm Mưa rơi trên lãnh thổ cĩ rừng bị phân chia thành bốc hơi nước tổng số (bốc hơi nước vật lý và thốt hơi nước của thực vật) và các dịng chảy. Bốc hơi nước cĩ thể chia ra các thành phần sau đây: sự ngăn đĩn nước mưa bởi tán rừng, sự bốc hơi của đất và cây tầng thấp và sự thốt hơi nước của quần thụ. Dịng chảy cĩ hai dạng là dịng chảy bề mặt và dịng chảy ngầm. Lượng nước do tán rừng giữ lại phụ thuộc vào kiểu rừng, kết cấu và cấu trúc rừng, điều kiện thời tiết, loại mưa và cường độ mưa Lượng nước trung bình được tán rừng giữ lại là 20 – 30% so với tổng lượng giáng thủy. Rừng lá kim kín tán giữ lại 20 – 40%, rừng lá rộng từ 15 – 25% so với tổng lượng mưa. Rừng thưa cây lá rộng chỉ giữ lại ở lớp tán lá từ 8 – 12%, cịn rừng thưa cây lá kim là 20% tổng lượng mưa hàng năm. Rừng lá kim dày rậm cĩ thể giữ lại 40 – 50% tổng lượng mưa [11, 12, 20]. Các thành phần E1, E2 nhỏ hơn rất nhiều so với đất trống. Điều đĩ xảy ra là vì tán rừng làm giảm độ chiếu nắng, sự chênh lệch bảo hịa hơi nước, tốc độ giĩ và nhiệt độ đất Bốc hơi nước từ mặt đất, từ thảm cây bụi và thảm cỏ cĩ thể đạt 10 –25% tổng lượng mưa. So với đất trống, bốc hơi từ bề mặt đất rừng giảm đi 3 – 6 lần. 38
Lượng nước do thốt hơi nước từ quần thụ chiếm phần lớn trong tổng lượng bốc hơi nước ở nơi cĩ rừng. Trị số này biến đổi tùy thuộc vào kiểu rừng, kết cấu và cấu trúc rừng, tuổi rừng và vị trí của rừng trên trái đất, điều kiện khí hậu. Thốt hơi nước của quần thụ trong một số trường hợp đạt 50% tổng lượng bốc hơi. Lượng thốt hơi nước của quần thụ phụ thuộc chặt chẽ vào khối lượng lá, đặc biệt cĩ quan hệ chặt chẽ với lượng tăng trưởng thường xuyên hàng năm. Những số liệu đo đếm phần lãnh thổ châu Âu thuộc Liên bang Nga cho thấy, khi lượng mưa hàng năm là 500 – 580mm, thì lượng thốt hơi nước của một số quần thụ như sau: Rừng thơng từ 125 – 250mm, rừng vân sam từ 188 – 300mm, rừng bạch dương 146 – 309mm, rừng sồi từ 252 – 352mm. Bốc hơi nước tổng số phụ thuộc vào vùng địa lý, cịn trong một khu vực nĩ phụ thuộc vào kiểu rừng, kết cấu và tuổi rừng. Nhiều vùng của trái đất cĩ lượng thốt hơi nước của rừng cao hơn lượng mưa hàng năm. Thốt hơi nước của rừng trung niên đang tăng trưởng mạnh cao hơn 90 – 140mm so với rừng thành thục. Biên độ thốt hơi nước như trên là cơ sở khoa học để tuyển chọn lồi cây và loại rừng nhằm mục đích điều chỉnh cân bằng nước. Trong vùng khơ hạn, việc điều chỉnh chế độ nước của đất cĩ thể bằng biện pháp chặt nuơi dưỡng rừng. Tùy theo cường độ chặt nuơi dưỡng rừng, sự thu nhận nước mưa vào đất rừng lá kim đạt 25 – 55mm, ở rừng lá rộng là 20 – 25mm. Điều đĩ đã ngăn ngừa quá trình làm khơ đất vào thời kỳ mùa khơ và đảm bảo tăng trưởng của rừng. Dịng chảy bề mặt ở rừng khơng lớn hơn 2% so với tổng lượng mưa. Nhưng khi rừng bị phá hủy, dịng chảy bề mặt tăng lên rất lớn. Rừng tạo ra điều kiện tốt để chuyển dịng chảy bề mặt thành dịng chảy ngầm. Tỷ lệ dịng chảy ngầm trong phương trình cân bằng nước của rừng do bốc hơi tổng số chi phối. Nếu bốc hơi nước tổng số càng lớn thì dịng chảy ngầm càng nhỏ. Ảnh hưởng của rừng dịng chảy ngầm phụ thuộc điều kiện địa lý và tình trạng lâm phần. Tùy theo sự phối hợp của nhiều yếu tố khác nhau, rừng cĩ thể cĩ khả năng tích lũy nước ngầm hoặc làm giảm nước ngầm. 7.3.2. Vai trị bảo vệ nước của rừng Thuật ngữ “Vai trị bảo vệ nước của rừng” cĩ thể hiểu theo hai nghĩa. Một là rừng làm tăng dịng chảy ngầm của sơng, suối vào thời kỳ mùa khơ. Hai là rừng làm tăng dịng chảy tổng số (dịng chảy bề mặt và dịng chảy ngầm) của hệ thống sơng suối. Theo cách hiểu chung, vai trị bảo vệ nước của rừng là bảo vệ và tích lũy độ ẩm. Vai trị này biểu hiện ở dạng làm tăng nguồn ẩm trong đất, làm giảm bốc hơi nước trong các hệ thống sơng và hồ, làm sạch nước và cải thiện chất lượng nước. Nĩi chung, bất kỳ loại rừng nào cĩ ảnh hưởng tốt đến nguồn nước đều được xem là vai trị bảo vệ nước. Những ảnh hưởng tốt ở đây được hiểu là rừng làm tăng tiêu hao nước để hình thành lượng tăng trưởng mới (thốt hơi nước) và điều hịa dịng chảy của suối, sơng (dịng chảy ngầm) hoặc làm giảm tiêu hao nước cĩ hại thơng qua dịng chảy bề mặt và bốc hơi vật lý. Theo Molchanov (1960), vai trị bảo vệ nước của rừng bao gồm ảnh hưởng tốt của rừng đến chế độ nước của suối, sơng, hồ và đất. Nhờ những ảnh hưởng này mà năng suất của thực vật tăng lên. Ngồi ra, rừng cũng cĩ ảnh hưởng đến chất lượng nước của hệ thống sơng, suối, hồ và cả dịng nước ngầm trong đất, đến việc làm sạch nước. Nhiều nghiên cứu cho thấy rừng thốt hơi nước cao hơn so với đồng cỏ. Nhưng điều đĩ cịn tùy thuộc vào vị trí địa lý và kiểu rừng. Vai trị bảo vệ nước của rừng phụ thuộc vào kiểu rừng, kết cấu, tuổi và độ đầy lâm phần. Khi rừng đang tăng trưởng mạnh, thì vai trị bảo vệ nước của rừng cĩ thể giảm. Điều đĩ xảy ra là vì rừng làm tăng bốc hơi nước tổng số. 39
7.3.3. Vai trị điều hịa nước của rừng Vai trị điều hịa nước của rừng biểu hiện ở việc làm giảm dịng chảy bề mặt và chuyển nĩ thành dịng chảy ngầm. Điều đĩ đảm bảo cho sự thu nhận nước vào hệ thống suối, sơng và hồ, làm giảm tiêu hao nước vào thời kỳ khơ hạn, ngăn chặn xĩi mịn đất. Vai trị bảo vệ nước của rừng mang lại ý nghĩa lớn về kinh tế. Chúng ta cĩ thể sử dụng vai trị này trong việc giải quyết những vấn đề về nguồn nước và phịng chống xĩi mịn đất. Rừng bảo vệ nước biểu hiện rõ ở việc làm giảm dịng chảy bề mặt, hạn chế lũ lụt. Ý nghĩa bảo vệ nước của rừng chủ yếu thuộc về đất rừng. Những đặc tính của đất rừng lại do chính quần xã thực vật tạo ra. Khả năng này cĩ được là do đất rừng cĩ tính thấm nước và dẫn nước cao. Khơng cĩ quần xã thực vật nào cĩ được những khả năng như thế. Khả năng lọc nước tốt của đất là do hệ thống rễ cây gỗ xâm nhập sâu vào trong đất, khi chết đi chúng để lại những lỗ hổng trong đất. Đất rừng cịn cĩ nhiều khe hở, những khẻ hở này hình thành từ hoạt động sống của hệ động vật đất. Trong vùng phân bố của rừng, dịng chảy bề mặt nhỏ hơn nhiều so với dịng chảy bề mặt ở đồng ruộng. Sự giảm thấp dịng chảy bề mặt ở rừng cĩ quan hệ chặt chẽ với dịng chảy ngầm. Vì thế, phá hủy rừng sẽ dẫn đến giảm thấp tính chất điều hịa nước của rừng. Khai thác rừng hợp lý sẽ khơng gây ra sự phá hủy của đất rừng, khơng làm thay đổi đáng kể dịng chảy bề mặt. Nếu đất rừng bị phá hủy mạnh, thì phải sau nhiều năm những tính chất tốt của đất rừng mới được phục hồi. Tính chất điều hịa nước biểu hiện rất rõ ở rừng miền núi và trên đất cĩ thành phần cơ giới nhẹ. Sự nâng cao mực nước sơng là nhờ vào dịng chảy ngầm. Sự giảm thấp dịng chảy bề bặt ở nơi địa hình cĩ độ dốc lớn là những chỉ tiêu phản ánh chức năng điều hịa nước của rừng. Đánh giá định lượng vai trị giữ nước và điều hịa nước của rừng là việc làm rất cần thiết. Để đánh giá vai trị điều hịa nước của rừng, người ta phân tích những ảnh hưởng của rừng đến tất cả các thành phần của cân bằng nước. Cũng cĩ thể so sánh các thành phần của cân bằng nước trong một lưu vực sơng cĩ độ che phủ rừng khác nhau. Vai trị điều hịa nước của rừng được đánh giá qua những chỉ tiêu sau đây: hệ số dịng chảy, mơđun dịng chảy, hệ số ẩm tổng số, hệ số cung cấp nước ngầm cho hệ thống sơng suối. Ảnh hưởng điều hịa nước của rừng cĩ thể được biểu thị theo cơng thức: ∆V = Kv. ∆W trong đĩ: - ∆V = Lượng nước ngầm của sơng, mm - ∆W = Độ ẩm tổng số của một lãnh thổ (trị số này bằng lượng mưa trừ đi dịng chảy bề mặt), mm - Kv = Hệ số cung cấp nước ngầm cho sơng suối. Cơng thức trên cho biết sự thay đổi dịng chảy ngầm dưới ảnh hưởng của rừng. Ảnh hưởng tổng hợp của rừng đến các thành phần của cân bằng nước được biểu thị theo cơng thức: ∆Z = ∆X - ∆Y - ∆E trong đĩ: - ∆Z = Sự thay đổi dịng chảy ngầm qua nhiều năm dưới ảnh hưởng của rừng, mm - ∆X = Sự thay đổi lượng mưa nhiều năm, mm - ∆Y = Sự thay đổi dịng chảy bề mặt nhiều năm, mm 40
- ∆E = Sự thay đổi bốc hơi tổng số nhiều năm, mm. 7.3.4. Vai trị bảo vệ sơng, hồ của rừng Những khu rừng phân bố ven suối, sơng, hồ và biển cĩ khả năng chống lại sự phá hủy đất ven bờ. Bờ sơng và hồ cĩ thể bị phá hủy do ảnh hưởng của sĩng lớn. Những bờ sơng bị phá hủy thường thấy ở nơi khơng cĩ rừng hoặc nơi cĩ hệ rễ cây nhỏ và phân bố gần mặt đất. Đất cĩ thành phần cơ giới nhẹ bị phá hủy mạnh hơn so với đất cĩ thành phần cơ giới nặng. Ở nơi cĩ giĩ mạnh, rừng cĩ khả năng ngăn chặn và hạn chế xĩi mịn đất do ảnh hưởng của giĩ. Vai trị bảo vệ bờ của rừng biểu thị ở khả năng ngăn chặn và làm giảm sự phát triển xĩi mịn theo chiều thẳng đứng. Vào lúc mưa lớn, bên cạnh dịng chảy ngầm cịn cĩ dịng chảy bề mặt. Chúng phối hợp với nhau tạo ra lực tác động rất lớn đến đất. Nếu khơng cĩ hệ thống rễ cây gỗ, thì đất rất dễ bị xĩi mịn hoặc bị trượt. Khi cĩ hệ thống rừng ven bờ, thì hệ thống rễ cây gỗ đan xen trong đất cĩ tác dụng giữ cho đất khơng bị trượt và xĩi mịn. Khả năng bảo vệ bờ của rừng phụ thuộc vào kiểu rừng, kết cấu và cấu trúc rừng, loại cây trồng thành rừng, tuổi rừng và loại đất. Những lồi cây cĩ hệ rễ ăn sâu và rộng cĩ tác dụng bảo vệ bờ rất tốt, phá hủy rừng ven bờ sẽ dẫn đến xĩi mịn và trơi đất. Vị thế, bào vệ và trồng các đai rừng ven sơng hồ cĩ ý nghĩa bảo vệ bờ rất tốt. 7.4. VAI TRỊ BẢO VỆ ĐẤT CỦA RỪNG Vai trị bảo vệ đất của rừng biểu thị thơng qua khả năng gìn giữ ổn định và nâng cao độ phì đất. Sự rửa trơi và bào mịn đất xảy ra do sự phát triển của xĩi mịn nước và giĩ. Sau khi phá hủy rừng hoặc khai thác rừng với cường độ cao, các quá trình rửa trơi và xĩi mịn đất sẽ tăng lên. Các lồi cây gỗ và loại rừng khác nhau cĩ ảnh hưởng khơng giống nhau đến đất. Ảnh hưởng của rừng đến đất cũng biểu hiện khác nhau tuỳ theo khơng gian và thời gian. Rừng ảnh hưởng đến đất cĩ thể biểu hiện ở nhiều khía cạnh khác nhau. Chẳng hạn, tán rừng và các thực vật tầng thấp cĩ ảnh hưởng đến tiểu khí hậu. Vật rụng của lá, hoa quả, vỏ, cành nhánh và sự đào thải thân cây gỗ già cĩ ảnh hưởng đến số lượng và chất lượng nước thu nhận vào đất. Vật rụng cung cấp phần lớn vật chất hữu cơ cho đất. Chúng đĩng vai trị lớn trong quá trình hình thành đất và chu trình dinh dưỡng trong hệ thống “ đất – rừng”. Các chức năng bảo vệ đất, điều hịa và bảo vệ nguồn nước của rừng cĩ quan hệ chặt chẽ với nhau. Mưa rơi trên những khu vực khơng cĩ rừng làm phát sinh dịng chảy bề mặt. Trị số và cường độ của dịng chảy bề mặt phụ thuộc vào nhiều nhân tố. Dưới ảnh hưởng của dịng chảy, mối liên kết của các phần tử đất yếu đi rất nhiều. Do đĩ, chúng cĩ thể bị dịng nước cuốn trơi. Quá trình phá hủy đất và phân bố lại các sản phẩm của quá trình phá hủy đất dưới ảnh hưởng của nước chảy được gọi là xĩi mịn nước. Người ta phân biệt hai dạng xĩi mịn nước là xĩi mịn bề mặt và xĩi mịn rãnh. Khi xĩi mịn bề mặt xảy ra thì các phần tử đất bị bào mịn tương đối đều trên diệ tích lớn. Ơ trường hợp xĩi mịn rãnh, đất chỉ bị cuốn trơi ở những nơi cục bộ và hình thành khe, rãnh. Quy mơ và tốc độ xĩi mịn phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện khí hậu (trước hết là mưa) và tính chất của đất, địa hình, mức phá hủy thảm thực vật và biện pháp làm đất Trong một số trường hợp xĩi mịn phát triển rất chậm, do đĩ nĩ chỉ phá hủy một phần nhỏ đất. Trong những trường hợp khác, xĩi mịn xảy ra rất mạnh và dẫn đến phá hủy hồn tồn lớp đất mặt. Ơ vùng núi, lũ lụt thường xuyên xảy ra. Các dịng chảy mạnh thường xuất hiện ở các lưu vực sơng. Các dịng chảy mang đi một khối lượng lớn đất, đá, sỏi. Vận tốc dịng chảy 41
cĩ thể đạt 10 – 30 km/h và lớn hơn. Tính chất bất ngờ phát sinh dịng chảy, thời gian ảnh hưởng ngắn và sức phá hủy rất mạnh là đặc trưng cho lũ quét. Xĩi mịn do giĩ phát sinh dưới ảnh hưởng của giĩ lớn. Chúng cũng làm phá hủy thảm thực vật và đất. Đất khơ và cĩ nhiều cát bị phá hủy mạnh hơn. Khi tốc độ giĩ lớn (hơn 10m/s) sẽ hình thành bão bụi. Nĩ phá hủy phần lớn lớp đất chứa nhiều mùn, di chuyển các phần tử đất đến một khoảng cách đáng kể. Những đất cĩ độ che phủ cao của rừng bị ảnh hưởng của xĩi mịn giĩ ít hơn. Nguyên nân là vì đất được hệ rễ cây bảo vệ và cố định. Nhưng khi rừng bị phá hủy thì đất bị ảnh hưởng đáng kể. Xĩi mịn nước và giĩ làm tiêu tan phần lớn chất dinh dưỡng chứa trong lớp đất mặt, đất bị giảm độ phì. Năng suất của cây nơng nghiệp trên đất bị xĩi mịn cĩ thể giảm đến 60 – 70%. Sinh trưởng của rừng trên đất bị xĩi mịn cũng giảm1 – 2 lần so với đất khơng bị xĩi mịn. Xĩi mịn rãnh dẫn đến hình thành các mương xĩi. Điều đĩ lại dẫn đến sự suy giảm mực nước thổ nhưõng trên những khoảnh đất kề bên mương xĩi, làm xấu chế độ nước của đất và làm giảm độ phì đất. Các sản phẩm của xĩi mịn được đưa vào các hệ thống suối, sơng, hồ. Chúng gây ra sự nâng cao đáy sơng, hồ. Kết quả ảnh hưởng lớn đến cơng trình thuỷ điện và thuỷ sản. Sự nân cao đáy sơng và hồ làm giảm thời gian hoạt động và cơng suất của các máy thủy điện. Điều đĩ gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và dẫn đến hao hụt nước. Ơ những nơi rừng khơng bị phá hủy, dịng chảy bề mặt rất nhỏ hoặc ít xảy ra. Sự giảm thấp dịng chảy bề mặt và chuyển nĩ vào dịng chảy ngầm và dịng chảy thổ nhưỡng dã ngăn cản sự phát sinh quá trình xĩi mịn. Sự bào mịn đất cĩ rừng che phủ là khơng đáng kể. Trái lại, ở đất nơng nghiệp lượng đất bị xĩi mịn cĩ thể đạt 3 – 8 t/ha/năm. Đất rừng khác với đất nơng nghiệp bởi tính thấm nước rất cao. Tính thấm nước cao cĩ được là do đất rừng cĩ cấu trúc tốt, nhiều lỗ hổng, nhiều mùn. Tính thấm của đất phụ thuộc vào lồi cây, loại rừng, tuổi và biện pháp kinh doanh rừng. Tuổi rừng càng cao thì tính thấm nước của đất càng cao. Thảm mục rừng cĩ ý nghĩa lớn đối với sự ngăn cản xĩi mịn đất. Thảm mục cĩ khả năng làm tăng tính thấm của đất và chuyển dịng chảy bề mặt thành dịng chảy ngầm và dịng chảy thổ nhưỡng. Thảm mục của rừng lá rộng cĩ khả năng ngăn cản xĩi mịn tốt hơn thảm mục của rừng lá kim. Thảm mục của rừng hỗn giao hoặc rừng thuần lồi khác tuổi cĩ tác dụng ngăn cản xĩi mịn tốt hơn thảm mục của rừng thuần lồi đồng tuổi. Vì thế, sự phá hủy lớp thảm mục sẽ dẫn đến đẩy nhanh xĩi mịn đất. Sự cố định đất của hệ rễ cây phối hợp cùng với thảm mục cĩ ý nghĩa lớn đối với sự ngăn chặn xĩi mịn. Khả năng bảo vệ đất của các loại rừng khơng giống nhau. Vai trị bảo vệ đất của rừng biểu hiện rất rõ trên đất cát, trên đất ven sơng hồ và trên đất cĩ độ dốc từ 7o trở lên. Nhờ khả năng cố định đất, rừng đã tham gia tích cực vào quá trình ngăn cản sự dịch chuyển đất. Điều đĩ cĩ ý nghĩa lớn đối với việc bảo vệ đất nơng nghiệp, các hồ nước và khu dân cư. Kết quả là năng suất cây nơng nghiệp và thủy sản sẽ ổn định và nâng cao, giao thơng đi lại thuận lợi. Chính vì thế, ngành lâm nghiệp phải cĩ chiến lược quản lý, bảo vệ rừng và kinh doanh rừng hợp lý trên những lâm phần phân bố trên đất dễ bị xĩi mịn. Vai trị bảo vệ đất của rừng phân bố ven sơng hồ cũng rất rõ rệt. Rừng ven bờ sơng cĩ khả năng ngăn chặn và làm giảm xĩi lở đất. Chúng cịn cĩ khả năng cố định phù sa. Do đĩ, rừng cũng cĩ vai trị làm tăng độ phì đất và làm nâng cao đất ven sơng, hồ. 42
7.5. Ý NGHĨA VỆ SINH – THẢM MỸ VÀ TINH THẦN CỦA RỪNG 7.5.1. Những ảnh hưởng cĩ lợi của rừng đến mơi trường và sức khỏe con người (1) Rừng cĩ khả năng làm giảm nhiễm bẩn khơng khí • Vai trị vệ sinh của rừng biểu hiện ở chỗ: 9 làm giảm những chất khí độc hại như CO, CO2, SO2, NOx (NO, NO2, N2O ), CH3, H2S ; 9 ngăn cản một số khĩi và bụi; 9 làm giảm chất phĩng xạ và hơi độc trong khơng khí • Chẳng hạn: 9 1 ha rừng lục hĩa cĩ thể hấp thu 8 kg H2CO3 trong 1 giờ, tương đương với lượng CO2 do 200 người thải ra trong 1 ngày. 9 Rừng mơi sinh và hệ thống cây xanh đơ thị cĩ thể hấp phụ 70-80 tấn bụi/năm hay làm giảm 30-40% bụi trong khơng khí. 9 Ở những khu cơng nghiệp lớn, nồng độ bụi trong khơng khí đạt tới 15-20 mg/m3 khơng khí. 9 Nồng độ bụi trong khơng khí ở các vùng ngoại vi khu cơng nghiệp là 1,3-3 mg/m3 khơng khí; quy định cho phép là 0,5 mg/m3 khơng khí. • Rừng và đai cây xanh cĩ khả năng làm giảm sự nhiễm bẩn khơng khí thơng qua 4 con đường cơ bản sau đây: (1) Chúng làm giảm tốc độ giĩ, ngăn cản sự bay lên của bụi và các phần tử đất tơi rời trên mặt đất. (2) Hệ thống rễ cây cố định đất và chống phân tán đất thành các phần tử nhỏ vào khơng khí. (3) Do giĩ trong đai rừng cĩ tốc độ nhỏ, các hạt bụi khĩ bốc lên cao, hạt nặng bị lắng đọng xuống đất. (4) Lá và cành cây như một bộ lọc bụi và bồ hĩng. • Ví dụ: 9 Một lâm phần cây xanh cĩ diện tích bề mặt lá từ 40-100 ngàn m2/ha, bề mặt cành và thân bằng 20 - 30% diện tích lá; tổng bề mặt ngăn cản bụi đạt tới 0,5.105-1,5.105 m2/ha. 9 Chính nhờ bốn con đường này mà rừng giống như một bộ lọc khổng lồ, giữ lại trên bề mặt lá, thân và cành của chúng nhiều chất thải ở dạng bụi và khí độc. • Khả năng giữ bụi của cây xanh phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt thân, cành, lá. • Để tạo rừng bảo vệ mơi trường và phịng chống sự ơ nhiễm khơng khí, chúng ta cần tuyển chọn các lồi cây gỗ và cây bụi sinh trưởng nhanh, cĩ tính ổn định cao với khí độc. 3 o Theo A.A. Monchanov (1964), nồng độ khí SO2 tăng đến 26,0 mg/m khơng khí sẽ làm cho cây lá kim bị chết, 5-26 mg/m3 khơng khí sẽ gây hại lớn cho tất cả các lồi cây gỗ. 43
• Các chất H2S và hợp chất florua cĩ thể phá hủy hoạt tính của lục lạp, chất nguyên sinh bị thủy phân, tế bào bị mất nước • Vì vậy, cĩ thể xem các mức độ bị hại của cây trồng là một trong những căn cứ để dự báo mức độ độc hại của các khí thải trong khơng khí. (2) Rừng cĩ khả năng khử trùng khơng khí 9 Nhiều thực vật thải vào khơng khí các chất dễ bay hơi (phitơnxit). 9 Các phitơnxit tác dụng rất mạnh đến các vi sinh vật và sinh vật đơn bào khác. 9 Vào ngày hè, một hécta rừng cĩ thể thải ra 2 - 5 kg phitơnxit. 9 Người ta ước tính trong 1 m3 khơng khí ở thành phố cĩ 30.000-40.000 vi khuẩn và vi sinh vật. Trái lại, số lượng vi khuẩn và vi sinh vật trong 1 m3 khơng khí ở rừng là 30- 100. 9 Sự khác biệt về số lượng vi khuẩn và vi sinh vật trong khơng khí ở thành phố và ở rừng được giải thích là do tác dụng khử trùng của phitơnxít. • Các nghiên cứu cho thấy 2 kg phitơnxit đủ để sát trùng khơng khí của một thành phố cỡ vừa (khoảng 1 triệu dân cư). (3) Rừng cĩ khả năng tạo ra điều kiện cĩ lợi cho sức khỏe con người Ơxy được hệ thống cây xanh thải vào khơng khí khác với ơxy nhận từ các nguồn khác bởi hàm lượng phitơnxit và iơn chống ơ nhiễm khơng khí. Ơxy của rừng thải ra cĩ mức iơn hĩa rất cao, hơn 2-3 lần ơxy của biển và 5-10 lần lớn hơn ơxy khơng khí trong các thành phố. Nồng độ các iơn dương và âm trong khơng khí cĩ lợi cho cơ thể con người, nhất là cĩ tác dụng điều trị các bệnh cao huyết áp, suyễn viêm khí quản, lao phổi. Theo A.A. Mink (1963) và U.V. Dumanxkii (1969), nồng độ iơn lớn nhất ở nơi cĩ rừng che phủ 35 - 60% lãnh thổ (lấy bằng 100%), giảm cịn 15-30% khi độ che phủ của rừng là 5-10% lãnh thổ. Vì thế, các cơng viên cây xanh, các đai rừng quanh thành phố và nơi đơng dân cư cĩ vai trị quan trọng đối với sức khỏe con người Rừng cịn đưa lại điều kiện tốt cho con người thơng qua khả năng cải biến điều kiện tiểu khí hậu (bức xạ, nhiệt độ, độ ẩm và giĩ ). Vai trị vệ sinh của rừng cịn biểu hiện ở khả năng làm giảm và phân tán tiếng ồn. 7.5.2. Ý nghĩa tinh thần của rừng • Như chúng ta đã biết, ý nghĩa vệ sinh của rừng được ấn định bởi khả năng kháng vi sinh vật, khử trùng khơng khí, làm sạch đất và nước, ion hĩa khơng khí, chống tiếng ồn và khí độc, bồi dưỡng sức khỏe con người. • Do đĩ, rừng là một đối tượng tốt cho việc du lịch, săn bắn, nghỉ ngơi, giải trí, hái hoa quả và nấm, nghiên cứu khoa học của con người, mà khơng đối tượng nào thay thế được. • Ý nghĩa tinh thần của rừng cịn được biểu hiện thơng qua nhiều tính chất tự nhiên khác của rừng như độ chiếu sáng, hình dạng thân cây và tán lá, mức độ thẩm mỹ của cảnh quan rừng, tính chất trang trí của cây. • Ý nghĩa tinh thần của rừng cịn biểu hiện ở chỗ, rừng tạo ra cảm hứng sáng tác cho các nhà văn, nhà thơ, nhạc sĩ, họa sĩ • Nhiều cảnh quan rừng đẹp là điều kiện tốt cho những họat động văn hĩa và nghệ thuật. 44
Chương XII. BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG NƠNG LÂM NGHIỆP NỘI DUNG 7.1. ĐỐI TƯỢNG, NHIỆM VỤ VÀ MỤC ĐÍCH CỦA BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG NƠNG LÂM NGHIỆP Bảo vệ mơi trường nơng - lâm nghiệp là một hệ thống các biện pháp nhằm điều chỉnh mối quan hệ hợp lý giữa con người và mơi trường xung quanh, đảm bảo gìn giữ và khơi phục tài nguyên thiên nhiên, sử dụng hơp lý tài nguyên thiên nhiên, dự báo và phịng chống những ảnh hưởng cĩ hại trực tiếp hoặc gián tiếp trong hoạt động sống của con người đến mơi trường. Đối tượng của bảo vệ mơi trường nơng – lâm nghiệp. Mơi trường nơng - lâm nghiệp là một bộ phận cấu thành sinh quyển - đĩ là cơ sở cho sự tồn tại và phát triển của các sinh vật và con người. Do đĩ, đối tượng nghiên cứu của bảo vệ mơi trường nơng – lâm nghiệp bao gồm tất cả các yếu tố tự nhiên và nhân tạo cĩ ảnh hưởng xấu trực tiếp hoặc gián tiếp đến hoạt động sống của con người và các thành phần cấu thành hệ sinh thái nơng nghiệp và lâm nghiệp. Những thành phần này bao gồm đất, nước, khơng khí, các lồi thực vật và động vật hoang dã qúy hiếm, cĩ giá trị cao về kinh tế và đang cĩ nguy cơ bị tiệt chủng. Những nhiệm vụ của bảo vệ mơi trường nơng – lâm nghiệp. Bảo vệ mơi trường nơng lâm nghiệp cĩ những nhiệm vụ cơ bản sau đây: (1) Nghiên cứu tối ưu hĩa sự tác động của con người đến tự nhiên nhằm khai thác, chế biến và sử dụng tài nguyên thiên nhiên hợp lý và cĩ hiệu quả cao nhất. (2) Nghiên cứu cải tiến các máy mĩc và hồn thiện qúa trình sản xuất nhằm tiết kiệm năng lượng và làm giảm ơ nhiễm mơi trường. (3) Tìm kiếm các vật liệu và nguồn năng lượng ít gây độc hại cho mơi trường. (4) Giảm các thất thốt tài nguyên nơng-lâm nghiệp và các tài nguyên khác trong khi khai thác, chế biến và sử dụng. (5) Thành lập các khu vực cấm (khu bảo tồn thiên nhiên, vườn quốc gia, khu tưởng niệm tự nhiên và di tích lịch sử ) nhằm mục đích nghiên cứu bảo tồn và phục hồi các giống cây - con qúy hiếm. (6) Xây dựng và phát triển những vành đai cây xanh, các rừng cơng viên và mảng xanh quanh các thành phố và khu dân cư nhằm tạo ra cảnh quan đẹp và cải thiện điều kiện mơi trường sống cĩ lợi cho con người về văn hĩa và tinh thần. (7) Nghiên cứu các biện pháp tổng hợp để bảo vệ các nguồn tài nguyên thực vật và động vật qúy hiếm, tài nguyên nước, đất và khơng khí. (8) Một nhiệm vụ rất quan trọng là nghiên cứu các biện pháp xử lý ơ nhiễm mơi trường (đất, nước, khơng khí ) gây ra bởi các chất thải trong hoạt động sống của con người và của các qúa trình tự nhiên Cùng với sự phát triển của xã hội lồi người, nhiệm vụ bảo vệ mơi trường nĩi chung và mơi trường nơng - lâm nghiệp nĩi riêng cũng thay đổi. Trong những thế kỷ qua, lồi người đã nhận từ thiên nhiên nhiều phương tiện để sinh sống, đồng thời cũng trả lại thiên nhiên những gì mà các sinh vật khác cĩ thể sử dụng. Một khả năng đặc biệt của vi sinh vật là phân hủy các chất hữu cơ. Nhờ đĩ hoạt động sống của con người trong chu trình sinh học của hệ sinh thái được đảm bảo, cấu trúc chung của chu trình được bảo tồn. Mặc dù vậy, do hoạt động vơ ý thức của con người, nhiều quần xã sinh vật trong các hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo đã bị phá hủy, nhiều lồi thực vật và động vật qúy hiếm đang bị tiêu diệt. Vì thế, ngày nay các nhiệm vụ bảo vệ mơi trường nơng – lâm nghiệp được giới hạn 45