Dòng năng lượng trong hệ sinh thái và hiệu suất sinh thái

1. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

1.1. Phân bố năng lượng trên Trái Đất

- ­Mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho sự sống trên Trái Đất. Ánh sáng mặt trời phân bố không đều trên bề mặt Trái Đất:

+ Càng lên cao lớp không khí càng mỏng nên cường độ ánh sáng càng mạnh. Vùng xích đạo có tia sáng chiếu thẳng góc nên ánh sáng mạnh hơn vùng ôn đới. Càng xa vùng xích đạo, cường độ ánh sáng càng yếu, ngày càng kéo dài.

+ Ánh sáng còn thay đổi theo mùa trong năm: Mùa hè ánh sáng mạnh và ngày kéo dài hơn, mùa đông ngược lại.

Năng lượng ánh sáng phụ thuộc vào thành phần tia sáng:

+ Tia sáng có bước sóng dài chủ yếu tạo nhiệt.

+ Sinh vật sản xuất chỉ sử dụng được những tia sáng nhìn thấy được (chiếm khoảng 50% tổng lượng bức xạ) cho quá trình quang hợp.

+ Quang hợp chỉ sử dụng khoảng 0,2% - 0,5% tổng năng lượng bức xạ chiếu trên Trái Đất để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.

1.2. Đặc điểm dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Năng lượng được truyền từ bậc dinh dưỡng thấp đến bậc dinh dưỡng cao. Càng lên bậc dinh dưỡng cao hơn thì năng lượng càng giảm do một phần năng lượng bị thất thoát (hô hấp, tạo nhiệt mất khoảng 70%; chất thải động vật, các bộ phận rơi rụng khoảng 10%) chuyển lên bậc dinh dưỡng cao khoảng 10%.

Trong hệ sinh thái, năng lượng được truyền một chiều từ sinh vật sản xuất qua các bậc dinh dưỡng, tới môi trường; còn vật chất được trao đổi qua chu trình dinh dưỡng.

1.3. Sơ đồ dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Do năng lượng mất mát quá lớn nên xích thức ăn trong các hệ sinh thái không thể kéo dài, thường từ 4 – 5 mắt xích đối với các hệ sinh thái trên cạn và 6 – 7 mắt xích đối với các hệ sinh thái ở nước. Vì vậy tháp năng lượng bao giờ cũng có hình tháp chuẩn, nghĩa là năng lượng của con mồi bao giờ cũng đáp ứng đủ nhu cầu dinh dưỡng của vật ăn thịt đến mức dư thừa. Điều này có thể thấy được ở sơ đồ dưới đây:

Xích thức ăn: PN →→ C1 →→ C2 →→ C3 →→ C4

Đầu vào (%): 100 →→ 10 →→ 1,0 →→ 0,1 →→ 0,01

2. Hiệu suất sinh thái là gì?

Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hóa năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái. Tỉ số (tính bằng tỉ lệ %) năng lượng của bậc dinh dưỡng này so với một bậc dinh dưỡng bất kỳ hoặc so với nguồn vào của bức xạ mặt trời cho ta khái niệm hiệu suất sinh thái, ví dụ, C4/C3, C3/PN,...

Hiệu suất sinh thái luôn nhỏ hơn 100% (chỉ khoảng 10%)

3. Các công thức liên quan đến dòng năng lượng trong hệ sinh thái và ví dụ

a. Hiệu suất sinh thái 

Hiệu suất sinh thái có thể được biểu diễn bằng công thức sau:

$eff = \frac{Ci +1}{Ci} \times  100%$

Trong đó: eff là hiệu suất sinh thái (tính bằng %), Ci là bậc dinh dưỡng thứ i, Ci+1 là bậc dinh dưỡng thứ i+1 sau bậc Ci.

Hoặc:

b. Hiệu suất quang hợp: Hay còn gọi là sản lượng sinh vật sơ cấp, là tỉ lệ phần trăm năng lượng mặt trời được dùng để tổng hợp chất hữu cơ tính trên tổng số năng lượng mặt trời chiếu xuống hệ sinh thái.

c. Hiệu suất khai thác: Tỉ lệ phần trăm năng lượng chứa trong chất hữu cơ mà con người sử dụng từ một loài so với loài có mắt xích phía trước.

d. Năng lượng toàn phần: Là nguồn năng lượng chứa trong cơ thể các sinh vật của một loài nào đó trong hệ sinh thái.

e. Năng lượng thực tế: Tỉ lệ phần trăm năng lượng của một loài trong chuỗi thức ăn chuyển sang bậc dinh dưỡng kế tiếp. Nói theo cách khác, năng lượng thực tế của một bậc dinh dưỡng cũng là năng lượng toàn phần của bậc dinh dưỡng kế tiếp.

     Q toàn phần (Năng lượng toàn phần) = Q SV thực + Q mất đi do hô hấp, bài tiết.

>>>Nắm trọn kiến thức Sinh học 12 cùng thầy cô VUIHOC ngay<<<

Ví dụ:

Biết năng lượng mặt trời chiếu xuống một hệ sinh thái là 9.10⁹ kcal. Năng lượng của sinh vật sản xuất là 45 x 10⁸ kcal. Năng lượng sinh vật tiêu thụ bậc 1 là 45.10⁷ kcal, của sinh vật tiêu thụ bậc 2 là 9.10⁷ kcal. Biết hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 3 là 10%. Xác định:

1) Hiệu suất quang hợp của sinh vật sản xuất.

2) Hiệu suất sinh thái của sinh vật tiêu thụ bậc 1, bậc 2.

3) Năng lượng bị mất đi do hô hấp và bài tiết, khi chuyển hóa từ sinh vật tiêu thụ bậc 2 sang bậc 3.

Gợi ý trả lời:

1) Hiệu suất quang hợp: $\frac{45 \times 10^{8}}{9 \times 10^{10}} \times 100% = 50%$

2) Hiệu suất sinh thái:

+ Đối với sinh vật tiêu thụ bậc 1: $\frac{45 \times 10^{7}}{45 \times 10^{8}} \times 100% = 10%$

+ Đối với sinh vật tiêu thụ bậc 2: $\frac{9 \times 10^{7}}{45 \times 10^{7}} \times 100% = 20%$

3) Năng lượng bị tiêu hao do bài tiết, hô hấp:

                       9.10⁷ x (100% - 20%) = 81.10⁶ KCal

4. Một số bài tập trắc nghiệm về dòng năng lượng trong hệ sinh thái và hiệu suất sinh thái

Câu 1: Qua mỗi bậc dinh dưỡng, năng lượng bị mất dần đi là do:

A. Hô hấp

B. Quang hợp

C. Chất thải; các bộ phận rơi rụng khác

D. Cả A và C

Câu 2: Hiệu suất sinh thái được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm (%):

A. Năng lượng được tích lũy ở bậc dinh dưỡng thấp so với bậc dinh dưỡng cao liền kề ngay sau đó.

B. Năng lượng tích lũy tại mỗi bậc dinh dưỡng thấp so với phần năng lượng đầu vào trong chuỗi thức ăn.

C. Chuyển hóa năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng với nhau.

D. Năng lượng đầu vào so với năng lượng đầu ra cuối cùng.

Câu 3: Trong các hệ sinh thái, khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp đến bậc dinh dưỡng cao liền kề thì hiệu suất sử dụng năng lượng của bậc dinh dưỡng sau được khoảng:

A. 15%                               B. 20%

C. 10%                               D. 30%

Câu 4: Nguyên nhân quyết định đến sự phân bố sinh khối của các bậc dinh dưỡng trong một hệ sinh thái theo dạng hình tháp là do:

A. Sinh vật ở mắt xích phía trước là thức ăn của sinh vật thuộc mắt xích phía sau nên số lượng luôn phải lớn hơn.

B. Sinh vật tại mắt xích càng xa vị trí của sinh vật sản xuất thì có sinh khối trung bình càng nhỏ.

C. Sinh vật ở mắt xích phía sau do phải sử dụng sinh vật thuộc mắt xích phía trước làm thức ăn, nên sinh khối của sinh vật dùng làm thức ăn phải lớn hơn nhiều lần.

D. Dòng năng lượng thường bị hao hụt khi qua mỗi bậc dinh dưỡng.

Câu 5: Trong một hệ sinh thái:

A. Năng lượng và vật chất được truyền theo một chiều và không được tái sử dụng.

B. Năng lượng thì được truyền theo 1 chiều còn vật chất theo chu trình sinh địa hóa.

C. Năng lượng được tái sử dụng, vật chất thì không được tái sử dụng.

D. Cả vật chất và năng lượng đều được truyền trong chu trình tuần hoàn khép kín.

Câu 6: Giải thích nào dưới đây là sai khi cho rằng, năng lượng chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp, lên bậc dinh dưỡng cao liền kề của chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái bị mất trung bình tới 90% là do:

A. Một phần do không được sinh vật sử dụng.

B. Một phần được sinh vật đã thải ra dưới dạng trao đổi chất, bài tiết.

C. Một phần đã bị tiêu hao dưới dạng hô hấp của trên sinh vật.

D. Phần lớn phần năng lượng bức xạ khi vào hệ sinh thái sẽ bị phản xạ trở lại môi trường.

Câu 7: Yếu tố quan trọng nhất quyết định tới năng suất sơ cấp trong hệ sinh thái dưới đại dương là:

A. Nhiệt độ

B. Oxi hòa tan

C. Các chất dinh dưỡng

D. Bức xạ mặt trời

Câu 8: Đặc điểm nào sau đây đúng khi nói về dòng năng lượng trong hệ sinh thái?

A. Sinh vật mà đóng vai trò quan trọng nhất trong việc truyền năng lượng từ môi trường vô sinh vào chu trình dinh dưỡng là sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm).

B. Năng lượng được truyền trong hệ sinh thái theo một chu trình tuần hoàn và có được sử dụng trở lại.

C. Ở mỗi bậc dinh dưỡng, chỉ có xấp xỉ 10% năng lượng truyền lên bậc dinh dưỡng cao hơn.

D. Trong hệ sinh thái, năng lượng được truyền theo một chiều bắt đầu từ vi sinh vật qua các bậc dinh dưỡng rồi tới sinh vật sản xuất rồi trở lại môi trường.

Câu 9: Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về một hệ sinh thái?

A. Trong một hệ sinh thái thì sự biến đổi vật chất diễn ra theo chu trình.

B. Trong hệ sinh thái thì việc năng lượng bị thất thoát qua mỗi bậc dinh dưỡng là rất lớn.

C. Trong hệ sinh thái thì sự biến đổi năng lượng có tính tuần hoàn.

D. Trong hệ sinh thái thì càng lên bậc dinh dưỡng cao năng lượng càng giảm.

Tham khảo ngay bộ sổ tay ôn tập kiến thức và kỹ năng giải quyết mọi dạng bài tập trong đề thi tốt nghiệp THPT và ĐGNL độc quyền của VUIHOC

Câu 10: Một quần xã có các loài sinh vật sau:

(1) Tảo lục đơn bào.

(2) Cá rô.

(3) Bèo hoa dâu.

(4) Tôm.

(5) Bèo Nhật Bản.

(6) Cá mè trắng.

(7) Rau muống.

(8) Cá trắm cỏ.

Trong các loài sinh vật trên, những sinh vật thuộc bậc dinh dưỡng cấp 1 là:

A. (3), (4), (7) và (8)

B. (1), (2), (6) và (8)

C. (2), (4), (5) và (6)

D. (1), (3), (5) và (7)

Câu 11: Có bao nhiêu phát biểu sai trong các phát biểu dưới đây?

(1) Lưới thức ăn trong hệ sinh thái càng phức tạp thì hệ sinh thái đó lại càng ổn định.

(2) Lưới thức ăn là một dãy nhiều các loài sinh vật có mối quan hệ dinh dưỡng với nhau.

(3) Vai trò của chuỗi và lưới thức ăn đó là đảm bảo tính khép kín trong hệ sinh thái.

(4) Hiệu suất sinh thái của dòng năng lượng tại các điểm khác nhau của một chuỗi thức ăn là rất nhỏ.

A. 1                                            B. 2

C. 3                                            D. 4

Câu 12: Giả sử năng lượng đồng hóa của các sinh vật dị dưỡng trong một chuỗi thức ăn được thể hiện như sau:

Sinh vật tiêu thụ bậc I: 1.500.000 kcal; Sinh vật tiêu thụ bậc II: 180.000 kcal; Sinh vật tiêu thụ bậc III: 18.000 kcal; Sinh vật tiêu thụ bậc IV: 1.620 kcal. Hãy tính hiệu suất sinh thái của bậc dinh dưỡng cấp 3 so với bậc dinh dưỡng cấp 2 và hiệu suất sinh thái giữa dinh dưỡng cấp 4 so với bậc dinh dưỡng cấp 3 trong chuỗi thức ăn trên: 

A. 10% và 9%

B. 12% và 10%

C. 9% và 10%

D. 10% và 12%

Câu 13: Khi nghiên cứu về một số loài sinh vật thuộc một chuỗi thức ăn trong một quần xã sinh vật, người ta thu được số liệu dưới đây:

Dòng năng lượng đi qua chuỗi này lần lượt có khả năng sẽ là:

A. 2 → 3 → 4 → 1

B. 1 → 2 → 3 → 4

C. 4 → 2 → 3 → 1

D. 4 → 1 → 2 → 3

Câu 14: Ở một vùng biển nọ người ta đã thấy, năng lượng bức xạ chiếu xuống dưới mặt nước đạt đến 3 triệu kcal/m2/ngày. Tảo silic chỉ đồng hóa được 3% trong tổng năng lượng đó. Giáp xác trong hồ khai thác được khoảng 40% năng lượng được tích lũy trong tảo; cá ăn giáp xác khai thác được 0,15% năng lượng của giáp xác. Hiệu suất sử dụng năng lượng ở bậc dinh dưỡng cuối cùng so với tổng năng lượng ban đầu là:

A. 0,00018%                    B. 0,018%

C. 0,0018%                      D. 0,18%

Đáp án

1D   2C   3C   4C   5B   6D   7D   8C   9C   10D   11A   12B   13D   14C

Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết về lý thuyết và một số câu hỏi về dòng năng lượng trong hệ sinh thái và hiệu suất sinh thái. Đây là kiến thức quan trọng trong chương trình lớp 12 mà các em cần và đòi hỏi các em phải nắm thật chắc kiến thức, chúc các em ôn tập tốt. Ngoài ra, em có thể truy cập ngay Vuihoc.vn để đăng ký tài khoản hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ để nhận thêm nhiều bài học hay và chuẩn bị được kiến thức tốt nhất cho kỳ thi THPT quốc gia sắp tới nhé!

Bài viết tham khảo thêm:

Chu trình sinh địa hóa và sinh quyển