Chương II CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG Nội dung Trong lịch sử nghiên cứu hệ sinh thái rừng đồng cỏ tự nhiên, việc nghiên cứu cấu trúc quần xã thực vật phát triển tương đối sớm, điều có tác dụng định việc xây dựng khái niệm quần xã thực vật Khái niệm cấu trúc quần xã phải bao gồm: loài hợp thành kiểu sinh sống chúng, phân bố không gian chúng, phân bố lượng đo đại lượng hay số (như mật độ, tần độ, trọng lượng ) biến đổi chúng theo thời gian Hệ sinh thái đồng ruộng, trừ quần xã cỏ dại ra, thường đơn giản, tức quần thể trồng loài cấu trúc thành Mặt khác, hệ sinh thái trồng lấy quần thể trồng làm với thành phần phụ quần thể cỏ dại, động vật, quần thể vi sinh vật mơi trường vật lý Vì thế, nêu rõ cấu trúc chức hệ thống, không giới hạn cấu trúc quần thể trồng, phải làm sáng tỏ cấu trúc quần thể sinh vật khác, môi trường vật lý động thái tác dụng chúng với Các nội dung sau đề cập chương này: Cân lượng nhiệt cân nước đồng ruộng Môi trường đất Môi trường sinh vật Cấu trúc quần trồng Cấu trúc môi trường hệ sinh thái đồng ruộng Quang hợp quần thể trồng Sự sinh trưởng quần thể trồng Sự cạnh tranh hệ sinh thái đồng ruộng Năng suất hệ sinh thái đồng ruộng 10 Mơ hình hóa hệ sinh thái đồng ruộng Mục tiêu Sau học xong chương này, sinh viên cần: Hiểu cấu trúc chức hệ sinh thái đồng ruộng, Hiểu môi trường đất, môi trường sinh vật hệ sinh thái đồng ruộng, Hiểu mối quan hệ cỏ dại trồng, sinh trưởng quần thể trồng hệ sinh thái đồng ruộng Năng lượng vận động suy cho bắt nguồn từ lượng mặt trời, nghiên cứu tác dụng môi trường vật lý quần thể trồng trình trao đổi lượng mặt trời tầng khơng khí gần mặt đất nêu rõ cấu trúc mơi trường hệ sinh thái đồng ruộng Cấu trúc hệ sinh thái đồng ruộng phức tạp, định cấu trúc chức hệ thống Thí dụ, quang hợp quần thể trồng, cấu trúc quần thể bị mật độ tầng phân bố không gian tầng định Nhưng quang hợp lại hình thành mới, làm thay đổi cấu trúc tầng lại ảnh hưởng tới chức cấu trúc hệ thống Quan hệ có nghĩa là: khơng có định lượng cấu trúc hệ thống nêu rõ cách định lượng chức hệ thống Xuất phát từ quan điểm cấu trúc môi trường vậy, nêu rõ vấn đề cân lượng nhiệt cân nước đồng ruộng, vấn đề biểu định lượng cấu trúc hệ thống hàm số hoá chức hệ thống Cân lượng nhiệt cân nước đồng ruộng 1.1 Cân lượng nhiệt đồng ruộng Nghiên cứu trao đổi lượng mặt trời đồng ruộng, nghiên cứu cân xạ cân lượng nhiệt Cân xạ tổng xạ lượng mặt trời, khơng khí mặt đất, có nghĩa nhiệt mà mặt đất đồng ruộng thu được, gọi xạ Sự biến đổi lượng mặt trời chủ yếu với hình thức nhiệt, dùng thuật ngữ cân lượng nhiệt làm từ đồng nghĩa thuật ngữ cân lượng Bức xạ mặt trời -25 +100 25 52 Bức xạ mặt đất khơng khí -9 15 56 109 + 23 Khơng 105 khí +10 +9 Mây Ðối lưu truyền dẫn -66 10 33 Bốc ngưng tụ + 10 Khơng khí Khơng khí Khơng khí 17 +17 24 + 24 Bức xạ thông quang mây Bức xạ trực tiếp Trao đổi nhiệt lượng + 47 +6 Bức xạ tán xạ -119 +105 Bức xạ sóng dài -23 Tiềm nhiệt -14 -10 Cảm nhiệt -23 100 đơn vị = 0,485 cal/cm2/min Hình 1.2 Cân lượng nhiệt mặt đất (Gates, 1962) -10 Bình quân năm cân nhiệt lượng đồng ruộng: Hình 1.2 tình hình phân phối lại lượng mặt trời biểu thị trị số bình quân năm Bắc bán cầu Lấy xạ mặt trời 100, trị số tương đương với 0,485 cal/cm2/phút, chiếu trực tiếp xuống mặt đất 33, khơng khí hấp thụ 49, đến mặt đất 24 trở thành xạ trực tiếp; 52 đến bề mặt mây, từ 25 phản xạ vào không gian vũ trụ, 10 mây hấp thụ, 17 thông qua mây đến mặt đất Mặt khác, 15 đơn vị tỏa khơng khí, đơn vị toả vào vũ trụ, cịn đơn vị đến mặt đất, với ánh sáng thơng qua mây đến mặt đất nói thành xạ tán loạn (tán xạ) Kết lượng mặt trời chiếu vào tầng khơng khí có 47% đến mặt đất, 34% phản xạ vào không gian vũ trụ Từ mặt đất chiếu xạ nhiệt sóng dài 119, 10 vào khơng gian vũ trụ, số cịn lại khơng khí hấp thụ Từ khơng khí lại với xạ sóng dài 105 đến mặt đất Do đó, để làm trao đổi lượng nhiệt sóng dài trọn vẹn bị 14 từ mặt đất Do có 56 xạ sóng dài từ khơng khí chiếu vào khơng gian vũ trụ, toàn nhiệt mà đất vào vũ trụ 100, làm cho độ nhiệt toàn thể đất không lên cao Trong số 47 đến mặt đất, có 23 lượng nhiệt bốc tiêu tan khơng khí Loại lượng nhiệt lưu động toả hấp thụ nước bốc ngưng tụ gọi tiềm nhiệt Cuối cịn lại 10 gió chuyển vận, thơng qua đối lưu truyền dẫn, nằm khơng khí, loại nhiệt gọi hiển nhiệt a) Bức xạ đến 6000 0K Bức xạ mặt trời ngồi khí Bức xạ mặt trời mặt đất Cường độ bắc xạ 3,0 O3 2,0 O2 H2O 1,0 b) UV H2O Nhìn thấy Hồng ngoại O3 0,4 1,2 1,6 Bước sóng 0,8 2,0 Cường độ tương đối H2O H2O 2,0 2,4 2,8 3,2 2,0 2,0 2,0 2,0 0,4 0,5 0,6 Bước sóng µ 0,7 Hình 2.2 Quang phổ xạ mặt trời (a) So sánh đường cong quang phổ quang hợp lúa mì độ cảm giác nhìn thấy tương đối (b) Quang hợp lúa mì (Gates, 1962); Ðộ cảm giác nhìn thấy tương đối (Laisk, 1965) Công thức cân nhiệt lượng đồng ruộng: Hình thái lượng mặt trời có biến đổi, theo định luật bảo tồn lượng khơng Vậy cơng thức cân lượng nhiệt sau: R + H + IE = (1) Trong đó: R: Bức xạ thuần; H: Cảm nhiệt; I: Tiềm nhiệt bốc hơi; E: Lượng bốc đơn vị diện tích, đơn vị thời gian Nếu xét đến biến đổi thời gian tương đối ngắn, đồng ruộng, cơng thức đổi thành: R + H + IE + B + P = (2) Trong đó: B nhiệt tồn trữ đồng ruộng, dùng vào lên xuống độ nhiệt đất độ nhiệt thân thực vật; P nhiệt tồn trữ hóa quang hợp Trị số chúng nhỏ so với số hạng khác, bỏ qua Bức xạ thuần: biểu thị cơng thức sau đây: R = (1 - a) (Q + q) + S (3) a suất phản xạ đồng ruộng Q q xạ mặt trời chia trực tiếp tán loạn S xạ hữu hiệu sóng dài, tổng xạ sóng dài từ mặt đất từ khơng khí đến Dấu số hạng công thức từ (1) đến (3) lấy chiều chiếu vào mặt đất dương, chiều phản xạ âm Bức xạ mặt trời xạ quang hợp được: Về đại thể, xạ mặt trời gồm có xạ băng sóng 0,2 - 4,0µ, gọi xạ sóng ngắn, cường độ bước sóng khác hình 2.2 (a) cho thấy, ngồi khí gần xạ từ nguồn 60000K, cịn khơng khí nước, oxi, ozon, bụi hấp thu, hình thành khe lõm Trong đó, băng sóng cho quang hợp được, hình 2.2 (b) cho thấy, gần với phần nhìn thấy được: 0,38 - 0,71µ Bức xạ băng sóng gọi xạ quang hợp Hình 2.2 cịn cho biết, quang phổ có tác dụng quang hợp đường cong biểu thị độ cảm giác mắt người bước sóng khác rõ ràng khác Do đó, đo quang hợp, dùng lux để biểu thị cường độ ánh sáng khơng xác Bức xạ quang hợp đại thể tương đương với nửa xạ mặt trời Tooming Guliaep (1967) cho rằng, trị số tính tích ngày trị số tính tích tháng có quan hệ sau: ∑Q℘ = 0,42 ∑Q + 0,60 ∑Q (4) Trong đó: Q℘ xạ quang hợp Từ cho thấy, tỷ lệ xạ quang hợp xạ tán xạ cao Thông lượng hiển nhiệt tiềm nhiệt: Ðộ cao Khơng khí H>0 H>0 Ðộ nhiệt H