Sinh thái học đồng ruộng

2
1. Khái niệm chung về sinh thái học đồng ruộng
1.1 Ý nghĩa và tác dụng của sinh thái học đồng ruộng
Từ trước đến nay đã có nhiều nghiên cứu về môi trường đối với cây trồng - đối
tượng của sản xuất nông nghiệp. Nhưng phần nhiều là nhằm vào những ảnh hưởng của
điều kiện môi trường riêng biệt như thổ nhưỡng, khí hậu, cỏ dại đối với cây trồng; rất
ít những nghiên cứu coi đồ
ng ruộng là một hệ thống được cấu thành từ loài người cho
đến vi sinh vật.
Hệ sinh thái đồng ruộng được đặt ngang hàng với các hệ sinh thái tự nhiên như rừng,
đồng cỏ, vực nước, lục địa Thuật ngữ ”hệ sinh thái đồng ruộng” mãi gần đây mới có
được vị trí rõ ràng trong sinh thái học ứng dụng. Hệ sinh thái đồng ruộng là một hệ thống
với quần thể hoặc các qu
ần thể cây trồng là trung tâm tương tác chặt chẽ với môi trường
xung quanh bao gồm ánh sáng, không khí, nước, địa hình, đất đai, cỏ dại, côn trùng, vi
sinh vật, động vật, v.v (hình 1.1). Hệ sinh thái đồng ruộng là một trong những hệ sinh
thái trong sinh quyển, vì vậy về nguyên tắc, phương pháp và cách nghiên cứu sinh thái
học đều thích hợp với nó. Ngược lại, những quy luật và phương pháp mà sinh thái học
đồng ruộng tìm ra cũng có thể vận dụng cho các lĩnh vực sinh thái họ
c khác.
So với sinh thái học nông nghiệp hay sinh thái học cây trồng mà nội dung chủ yếu
là địa lý học sinh thái cây trồng thì sinh thái học đồng ruộng có đặc điểm là được tiến
hành nghiên cứu trong hệ sinh thái một cách tổng hợp và động hơn.















Liên hệ lẫn nhau giữa
các hệ sinh thái trong
hệ sinh thái lục địa


Quá trình sản xuất của
quần thể cây trồng trong
hệ sinh thái đồng ruộng


Cây
trồng
Hệ sinh thái
đồng ruộng
Nghiên cứu và nêu rõ
hệ sinh thái trong môi trường
do người điều khiển
Lớp đất (cm)

Phân tích tổng hợp
động thái hệ sinh thái
đồng ruộng (liên hệ lẫn
nhau của toàn bộ các
thành phần hệ sinh thái)
Hình 1.1. Phạm vi nghiên cứu của sinh thái học đồng ruộng
Mặt khác, nói về sự cân bằng toàn bộ hệ thống, trình độ điều khiể
n kỹ thuật nông
nghiệp hiện nay đối với hệ sinh thái đồng ruộng còn cách xa mới được như mong muốn.
Thí dụ, khi chúng ta tìm cách ức chế một loại cỏ dại nào đó phát triển thì có thể dẫn đến

3
làm một loại cỏ dại khác phát triển; điều khiển di truyền vốn là để tăng sản lượng vật
chất khô của cây trồng, nhưng kết quả có khi ngược lại là giúp làm tăng sinh khối của
loài có hại; hay cày sâu quá mức lại làm giảm khả năng sản xuất của đồng ruộng do đã
làm bốc phèn. Tóm lại, có thể thấy tác dụng của sinh thái học đồng ruộng là thông qua
việ
c giải thích hệ sinh thái đồng ruộng mà tìm ra quy luật hay phương pháp nghiên cứu
hệ sinh thái khác. Nghiên cứu một cách động và tổng hợp theo cách tiếp cận hệ thống
trong mối liên hệ giữa hệ sinh thái đồng ruộng với các hệ sinh thái khác xung quanh nó
để tìm ra con đường điều chỉnh nâng cao năng suất sản xuất và chỉ đạo kỹ thuật sản xuất
cụ thể (Altieri, 2002, Phạm Chí Thành và ctv, 1996, Trần Ðức Viên, 1998).
1.2. Các hướng nghiên cứu chính của sinh thái h
ọc đồng ruộng
Sinh thái học đồng ruộng tập trung nghiên cứu theo ba hướng: (1) Quá trình sản
xuất của quần thể cây trồng trong hệ sinh thái đồng ruộng; (2) Giải thích tổng hợp động
hệ sinh thái đồng ruộng (liên hệ lẫn nhau của toàn bộ các phần hợp thành); (3) Quan
hệ lẫn nhau giữa hệ sinh thái đồng ruộng với các hệ sinh thái khác xung quanh nó
(Trần Ðức Viên, 1998).



















Quần thể cây trồng



Quang hợp Vận chuyển Chín


Chuyển hoá
năng lượng
Phân phối
năng lượng
Cất giữ
năng lượng
Nước
CO
2
Cỏ
dại
Năng
lượng
mặt trời
Nấm
bệnh
Sâu
hại
Nấm
bệnh
Sâu
hại
Nước
Chất
dinh
dưỡng
Hình 2.1. Quan hệ của chuyển hoá năng lượng và các phần hợp thành
trong hệ sinh thái đồng ruộng lấy quần thể cây trồng làm trung tâm

Nội dung nghiên cứu của sinh thái đồng ruộng hết sức rộng, bao gồm nội dung
nghiên cứu từ mức cá thể đến mức giữa các hệ sinh thái. Cũng như các hệ sinh thái
khác, quá trình cơ bản của hệ sinh thái đồng ruộng là sự chuyển hoá năng lượng và tuần
hoàn vật chất của hệ sinh thái mà hạt nhân là sinh vật. Chi tiết sẽ đề cập ở phần cuối
chương này, ở đ
ây chỉ nêu một thí dụ, trong hệ sinh thái đồng ruộng biểu thị bằng hình
vẽ, chuyển hoá năng lượng lấy quần thể cây trồng làm trung tâm, năng lượng mặt trời
chiếu trên đồng ruộng dưới ảnh hưởng của các thành phần hợp thành khác nhau của hệ
sinh thái, thông qua quần thể cây trồng mà tiến hành trao đổi, cố định, phân phối và cất
giữ (hình 2.1). Do đó, tuỳ theo việc nêu rõ những nhân tố và quá trình, lại làm rõ thêm
sự diễn biến và quá trình thích ứng của cả hệ sinh thái, giải thích kết cấu, chức năng và
động thái của nó, đồng thời áp dụng phương pháp của kỹ thuật học hệ thống phân tích
cả hệ sinh thái, mới có thể hiểu hệ sinh thái đồng ruộng một cách toàn diện hơn.
2. Quá trình hình thành và phát triển đồng ruộng
2.1 Bắt đầu của nông nghiệp là sự hình thành và phát triển đồng ruộng
Theo hiểu biết hiện nay, loài người cổ xưa nhất (Australopithecus) sinh ra vào thời
kỳ băng hà thứ nhất (trước công nguyên khoảng 1 triệu năm), qua thời kỳ băng hà thứ tư
(trước công nguyên khoảng 25.000 năm) cho đến cuối thời đại đồ đá cũ (trước công
nguyên khoảng 7.000 năm), mới tiến hoá thành loài người ngày nay (Homosapiense),
thờ
i gian khoảng 1 triệu năm. Trong thời gian đó, loài người sinh sống dựa vào săn bắt
và hái lượm, sau đó mới bước vào thời đại chăn nuôi và làm ruộng. Do sự khác nhau
giữa các khu vực, việc phân chia ra các thời đại săn bắt, chăn nuôi, làm ruộng còn phụ
thuộc vào điều kiện thuận lợi và khó khăn của từng vùng. Nhưng dù thế nào, làm ruộng
vẫn là khuynh hướng đã làm cho loài người định cư thành bộ l
ạc, đồng thời cũng thúc
đẩy phát triển nhanh kỹ thuật sản xuất nông nghiệp và phát triển văn hoá-kinh tế-xã hội.
Buổi đầu của kỹ thuật nghề nông, theo truyền thuyết, là được gợi ra từ hạt cốc vùi
trong đất nẩy mầm và sinh trưởng. Nông cụ cổ xưa nhất là cây gậy và rìu đá để đào đất,
điều này cũng nói rõ kỹ thuật nghề nông đầu tiên là bắt đầ
u từ việc đào lật đất (Peake,
1928; Kumadai, 1970). Cày lật đất là cách điều khiển do con người bắt đầu tác dụng vào
hệ sinh thái tự nhiên như rừng, đồng cỏ, bãi sông , kết quả là đã sinh ra đồng ruộng
chung quanh nhà ở của những người định cư. Nương rẫy đốt là hình thái đầu tiên của
từng mảnh ruộng, tức là đốt rẫy, chọc lỗ bỏ hạt, từ đó
đến thu hoạch không chăm sóc gì
cả, qua nhiều năm đất nghèo đi thì bỏ hoá chuyển đến nơi khác, lại tiến hành kiểu nông
nghiệp bóc lột đất như vậy. Ở Việt Nam đến thời các vua Hùng đã có nền nông nghiệp
ruộng nước, thể hiện qua các truyền thuyết như câu chuyện về Sơn Tinh, Thủy Tinh.
Trên mặt đất của hệ sinh thái nương rẫy có tro là nguồn phân vô cơ phong phú.
Ngoài ra, lửa có thể
đốt chết nấm bệnh, côn trùng, vi sinh vật và cỏ dại, có lợi trong một
thời gian ngắn. Ðất nương rẫy trong thời gian bỏ hoá, được nghỉ và hồi phục dần. Nền
nông nghiệp nguyên thuỷ này đến nay vẫn còn tồn tại ở nhiều vùng nhiệt đới.
4

Sau này cùng với sự phát triển và thay đổi chế độ sở hữu đất đai, để duy trì độ màu
mỡ của đất, người ta đã áp dụng phương thức cho đất nghỉ. Ðồng thời để nâng cao độ
màu mỡ của đất và mức sử dụng đất, người ta đã tiến hành luân canh. Ðồng ruộng được
chia thành nhiều mảnh, có đất nghỉ, đất gieo vụ cốc xuân, đất gieo vụ c
ốc đông. Do kỹ
thuật cày bừa phát triển, đất nghỉ không có nghĩa là không quản lý, mà vẫn cày bừa để
trừ cỏ dại và cải thiện điều kiện thông thoáng cho đất, nghĩa là áp dụng nhiều cách tích
cực để khôi phục độ màu mỡ của đất. Hơn nữa, do tiến bộ của kỹ thuật luân canh, ngoài
cây cốc ra, còn có thêm nhiều loài cây trồng khác, hệ sinh thái đồng ruộng ngày càng
thêm phức tạp (Grass, 1925; Orwin, 1949).
Cùng vớ
i nương rẫy và chế độ canh tác ruộng nước ở vùng đất cao, ở vùng đất thấp
cũng phát triển đồng ruộng. Các dân tộc định cư ở vùng ven hồ, sông, đầm lầy, qua giai
đoạn đánh bắt cá, lượm hái quả, cũng học cách làm ruộng. Nền văn hoá phương Ðông
cổ đại phát triển ở bên các dòng sông lớn như Tigrơ, Ơfrat, Nil; nền văn hoá dân tộc
Hán bắt nguồn từ lư
u vực sông Hoàng Hà; nền văn minh lúa nước của người Việt ở
vùng Đồng bằng sông Hồng , đều lấy cơ sở là văn minh nông nghiệp.
Theo tài liệu khảo cổ, sự phát triển của đồng ruộng là từ vùng đất cao xuống vùng
đất thấp (Furusima, 1947; Marukufuchi, 1968). Nông nghiệp đất thấp còn gọi là nông
nghiệp đất ngập nước, một mặt có những chất lắng đọng phù sa do dòng sông chuyển
tới đã hình thành đồng ru
ộng màu mỡ, mặt khác kỹ thuật điều khiển ngập lụt của nước
sông được phát triển không ngừng theo sự phát triển của thể chế chính trị, xã hội, như ở
Việt Nam đã hình thành hệ thống đê điều và hệ thống “dẫn thuỷ nhập điền”. Vì thế, hệ
sinh thái đồng ruộng của nông nghiệp đất thấp, thông qua các biện pháp trị thuỷ và d
ẫn
tưới, lấy việc khống chế nước làm trung tâm, duy trì cân bằng sinh thái của cả hệ thống
(Morimoto, 1941; Marukufuchi, 1968).
2.2. Sự phân bố của đồng ruộng
Nước là một trong những nhân tố hạn chế sự tồn tại hay không tồn tại của đồng
ruộng, do đó, đối chiếu sự phân bố mưa của lục địa cho thấy: vùng có lượng mưa nhỏ
hơn 250 mm hầu như không có diệ
n tích đồng ruộng. Ngay lúa mì, một cây trồng chiếm
diện tích đồng ruộng rộng nhất thế giới với tổng số 257 khu vực trồng thì 83% số khu
vực là nằm trong vùng có lượng mưa 500 - 1000 mm/năm.
Sự phân bố của đồng ruộng, nói một cách khái quát là do nước, nhiệt độ, địa hình
và vĩ độ hạn chế. Ðối với các loại cây trồng chủ yếu thì bị các điều kiện môi trường nh
ất
định liên hệ với giống cây đó hoặc quan hệ tổ hợp của một số điều kiện nào đó hạn chế.
Ở từng khu vực cục bộ thường bị ảnh hưởng của sâu bệnh. Vì thế, về mặt quy hoạch đất
thích hợp với cây trồng, việc nghiên cứu địa lý sinh thái cây trồng là một trong những
lĩnh vực quan trọng của sinh thái học đồ
ng ruộng. Việt Nam có hai vựa lúa chính là
Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long, đó là hai vùng địa hình bằng
phẳng nhất so với các vùng khác trong cả nước.
5

Bảng 1.1. Diện tích trồng lúa tại 4 vùng sản xuất lúa chính của cả nước
theo địa hình tương đối
Ðịa hình tương đối
Vùng
Diện tích
(1000 ha)
Cao Vàn cao Vàn Vàn thấp Trũng
Ðồng bằng sông Cửu Long 2082,7 87,9 813 1073,3 108,5
Ðồng bằng sông Hồng 667,3 6,6 64,9 227,4 291,6 76,8
Duyên hải Bắc Trung Bộ 395,8 31,6 91,1 177,8 66,9 28,4
Duyên hải Nam Trung Bộ 279,9 15,1 63,7 55,6 117,9 27,6
Tổng cộng 3425,7 53,3 307,6 1273,8 1549,7 241,3
Nguồn: Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, 2003
Theo số liệu trong bảng 1.1, diện tích lúa nước tập trung chủ yếu ở hai vùng đồng
bằng chính là Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng. Ðồng thời, do điều
kiện địa hình nên diện tích lúa nước ở vùng Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ có diện
tích nhỏ hơn rất nhiều, chỉ bằng một nửa diện tích lúa Đồng bằng sông Hồng và 1/7-1/8
diện tích lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long. Ở m
ỗi vùng, lúa nước lại được chia ra theo
địa hình tương đối như cao, vàn cao, vàn, vàn thấp và trũng (Viện Quy hoạch và Thiết
kế nông nghiệp, 2003).
2.3. Sự hợp thành của hệ sinh thái đồng ruộng
Ðiểm khác nhau chủ yếu về thành phần hợp thành của hệ sinh thái đồng ruộng so
với hệ sinh thái khác là quần thể cây trồng mang tác dụng chủ đạo do con người điều
khiển một cách đầy đủ; người và gia súc cũng là thành phần hợp thành của hệ sinh thái.
Ngoài ra, còn có một số biện pháp điều khiển của con người có ảnh hưởng sâu sắc đến
sự hợp thành của hệ sinh thái đồng ruộng như biện pháp làm đất, bón phân, phòng trừ
sâu, bệnh, cỏ dại, phủ đất, tưới nước và điều khiển di truyền chọn giống (Trần Ðức
Viên, 1998; Phạm Chí Thành và ctv, 1996).
Sự hợp thành của hệ sinh thái đồng ruộng nh
ư trong hình 1.1, là quần thể cấu thành
bởi cây trồng đơn nhất (giống) và cùng với quần thể cây trồng chủ đạo là quần thể cây
trồng khác, quần thể cỏ dại, sâu hại, động vật , tạo thành quần xã sinh vật của hệ sinh
thái đồng ruộng. Giữa các thành phần hợp thành này tồn tại mối quan hệ qua lại phức
tạp (sẽ nói kỹ ở phần sau), ở đây chỉ
nêu một thí dụ. Như trong bảng 2.1, trong quá trình
chuyển biến từ hệ sinh thái tự nhiên (đồng cỏ) sang hệ sinh thái đồng ruộng (đất lúa mì),
quần thể côn trùng, thành phần hợp thành của hệ, bị ảnh hưởng rõ rệt. Từ đồng cỏ biến
thành đất lúa mì, năm thứ nhất, số loài côn trùng đều giảm đi, nhưng tổng số cá thể đều
6

tăng lên. Nếu tính theo loài, như phần dưới của bảng 2.1, sự tăng giảm số cá thể của các
loài khác nhau, có một số loài có tác dụng ức chế đối với loài khác, số cá thể của chúng
tăng lên, kết quả chung là làm cho số cá thể tăng lên.
Bảng 2.1. Ảnh hưởng của sự chuyển biến từ hệ sinh thái tự nhiên sang hệ sinh thái
đồng ruộng đối với thành phần quần thể côn trùng (WATT, 1968)
Tên côn trùng Ð
ồng cỏ Ðất lúa mì
Tăng giảm
(lần)
Số loài
Homoptera
Heteroptera
Coleoptera
Hymenoptera
Loài khác
Cộng các loài
Tổng số cá thể/m
2

35
38
93
37
137
340
199

12
19
39
18
54
142
351

- 2,9
- 2,0
- 2,4
- 2,1
- 2,5
- 2,4
+ 1,8
Số cá thể của các loài khác nhau/m
2
Caeculus dubius
Sminthurus viridis
Ectobius duskei
Leptothorax nassonovi
Haptothrips tritia
Phyllotreta viitula
Hadena sordida

2,23
7,65
2,83
16,48
1,07
0,05
0,09

0,06
0,19
0,13
0,03
300,40
1,03
2,25

- 37,2
- 40,2
- 94,3
- 550,0
+ 280,8
- 20,6
+ 25,0
Hệ sinh thái đồng ruộng là hệ thống phức tạp cấu thành bởi các thành phần vô cơ
và các thành phần sinh vật, nên phải phân tích động thái mối quan hệ lẫn nhau giữa các
thành phần hợp thành đó mới có thể giúp kỹ thuật trồng trọt tổng hợp nâng cao sản
lượng quần thể cây trồng.




7

TÓM TẮT
• Hệ sinh thái đồng ruộng là một trong những hệ sinh thái trong sinh quyển, vì vậy,
phương pháp và cách nghiên cứu sinh thái học về nguyên tắc là đều thích hợp với
nó. Ngược lại, những quy luật và phương pháp mà sinh thái học đồng ruộng
tìm ra về nguyên tắc cũng có thể vận dụng cho các lĩnh vực sinh thái học khác.
• Sinh thái học đồng ruộng hiện đang tập trung nghiên cứu theo ba hướng: (1)
Quá trình sản xuất c
ủa quần thể cây trồng trong hệ sinh thái đồng ruộng; (2)
Giải thích tổng hợp động hệ sinh thái đồng ruộng (liên hệ lẫn nhau của toàn
bộ các phần hợp thành); (3) Quan hệ lẫn nhau giữa hệ sinh thái đồng ruộng
với các hệ sinh thái khác xung quanh nó.
• Lịch sử phát triển đồng ruộng đã trải qua một thời gian dài. Làm ruộng vẫn là
khuynh hướng làm cho loài người an cư, lạc nghiệp, đồng thời cũng thúc
đẩy phát
triển nhanh kỹ thuật sản xuất nông nghiệp và phát triển văn hoá- kinh tế- xã hội.
• Sự phân bố của đồng ruộng, nói một cách khái quát là do nước, nhiệt độ, địa
hình, đất đai và khí hậu hạn chế. Ðối với các loại cây trồng chủ yếu thì bị các
điều kiện môi trường nhất định liên hệ với giống cây đó hoặc quan hệ tổ hợp
của một số điều kiện nào đó hạn chế như kinh tế - xã hội của từng vùng. Ở
từng khu vực cục bộ thường bị ảnh hưởng của sâu bệnh. Vì thế, về mặt quy
hoạch đất thích hợp với cây trồng, việc nghiên cứu địa lý sinh thái cây trồng là
một trong những lĩnh vực quan trọng của sinh thái học đồng ruộng.
• Ði
ểm khác nhau chủ yếu về thành phần hợp thành của hệ sinh thái đồng ruộng
so với hệ sinh thái khác là quần thể cây trồng mang tác dụng chủ đạo do con
người điều khiển một cách toàn diện; Thành phần loài sinh vật trên đồng
ruộng có sự thay đổi sâu sắc nếu con người thay thế cây trồng chủ đạo. Những
tác động này có những ảnh hưởng khác nhau đến lợi ích con người.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Ðặc trưng cơ bản của hệ sinh thái đồng ruộng là gì?
2. Phạm vi nghiên cứu của hệ sinh thái đồng ruộng?
3. Tại sao hiện nay sinh thái học đồng ruộng tập trung vào 3 hướng nghiên cứu chính?
4. Tại sao các hệ sinh thái đồng ruộng lại khác nhau theo độ cao và khác nhau theo vùng?
5. Sự khác biệt căn bản về thành phần loài giữa hệ sinh thái đồng ruộng và hệ sinh
thái tự nhiên?
TÀI LIỆU ĐỌC THÊM
1. Phạm Chí Thành, Phạm Tiến Dũng, Ðào Châu Thu, Trần Ðức Viên. Hệ thống
nông nghiệp. NXB Nông nghiệp. Hà Nội - 1996.
2. Trần Ðức Viên. Sinh thái học nông nghiệp. NXB Giáo dục. Hà Nội - 1998.
8

Chương II
CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ SINH THÁI ÐỒNG RUỘNG
Nội dung
Trong lịch sử nghiên cứu hệ sinh thái rừng và đồng cỏ tự nhiên, việc nghiên cứu
cấu trúc quần xã thực vật được phát triển tương đối sớm, điều đó có tác dụng nhất định
đối với việc xây dựng khái niệm quần xã thực vật. Khái niệm cấu trúc quần xã phải bao
gồm: các loài hợp thành và kiểu sinh sống của chúng, sự phân bố không gian của chúng,
sự phân bố v
ề lượng đo bằng đại lượng hay chỉ số nào đó (như mật độ, tần độ, trọng
lượng ) và những biến đổi của chúng theo thời gian
Hệ sinh thái đồng ruộng, trừ quần xã cỏ dại ra, thường rất đơn giản, tức là quần thể
cây trồng chỉ do một loài cấu trúc thành. Mặt khác, hệ sinh thái cây trồng lấy quần thể
cây trồng làm chính cùng với các thành phần phụ
như quần thể cỏ dại, động vật, quần
thể vi sinh vật và môi trường vật lý. Vì thế, khi nêu rõ cấu trúc và chức năng của hệ
thống, không chỉ giới hạn ở cấu trúc của quần thể cây trồng, còn phải làm sáng tỏ cấu
trúc quần thể sinh vật khác, môi trường vật lý và động thái tác dụng giữa chúng với
nhau.
Các nội dung sau đây sẽ được đề cập trong chương này:
1.
Cân bằng lượng nhiệt và cân bằng nước của đồng ruộng
2. Môi trường đất
3. Môi trường sinh vật
4. Cấu trúc của quần thế cây trồng
5. Cấu trúc môi trường của hệ sinh thái đồng ruộng
6. Quang hợp của quần thể cây trồng
7. Sự sinh trưởng của quần thể cây trồng
8. Sự cạnh tranh trong hệ sinh thái đồng ruộng
9. Năng suất của hệ sinh thái đồng ruộng
10. Mô hình hóa hệ sinh thái đồng ruộng.
Mục tiêu
Sau khi học xong chương này, sinh viên cần:
1. Hiểu được cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái đồng ruộng,
2. Hiểu được môi trường đất, môi trường sinh vật của hệ sinh thái đồng
ruộng,
3. Hiểu được mối quan hệ giữa cỏ dại và cây trồng, sự sinh trưở
ng của quần
thể cây trồng trong hệ sinh thái đồng ruộng.
1

2
Năng lượng của sự vận động suy cho cùng đều bắt nguồn từ năng lượng mặt trời,
do đó nghiên cứu tác dụng của môi trường vật lý và quần thể cây trồng đối với quá trình
trao đổi năng lượng mặt trời ở tầng không khí gần mặt đất có thể nêu rõ cấu trúc môi
trường của hệ sinh thái đồng ruộng. Cấu trúc của hệ sinh thái đồng ruộng rất ph
ức tạp,
quyết định cấu trúc và chức năng của hệ thống. Thí dụ, quang hợp của quần thể cây
trồng, cấu trúc của quần thể bị mật độ tầng lá và phân bố không gian của tầng lá quyết
định. Nhưng quang hợp lại hình thành lá mới, làm thay đổi cấu trúc tầng lá và lại ảnh
hưởng tới chức năng và cấu trúc của hệ thống. Quan hệ này có nghĩa là: không có định
lượng cấu trúc của hệ thống sẽ không thể nêu rõ một cách định lượng chức năng của hệ
thống. Xuất phát từ quan điểm đối với cấu trúc môi trường như vậy, dưới đây sẽ nêu rõ
vấn đề cân bằng lượng nhiệt và cân bằng nước của đồng ruộng, vấn đề biểu hiện định
lượng cấu trúc của hệ thống và hàm số hoá chức năng của hệ thống.
1. Cân bằng lượng nhiệt và cân bằng nước của đồng ruộng
1.1. Cân bằng lượng nhiệt của đồng ruộng
Nghiên cứu sự trao đổi năng lượng mặt trời trên đồng ruộng, cơ bản nhất là nghiên
cứu về cân bằng bức xạ và cân bằng lượng nhiệt. Cân bằng bức xạ là tổng bức xạ năng
lượng mặt trời, không khí và mặt đất, có nghĩa là nhiệt năng thuần mà mặt đất đồng
ruộng thu được, cũng g
ọi là bức xạ thuần. Sự biến đổi năng lượng mặt trời chủ yếu với
hình thức nhiệt, cho nên cũng dùng thuật ngữ cân bằng lượng nhiệt làm từ đồng nghĩa
của thuật ngữ cân bằng năng lượng.
















+9
Mâ
y
Không
khí
+10
33
10
56
109
105
Không
khí
+ 23
Không
khí
Không
khí
+ 10
Bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt đất
và không khí
Bốc hơi và
ngưng tụ
25 52 15 9
17 24 6
-66-9 +100 -25
Ðối lưu và
truyền dẫn
+17

+ 24 +6

-119 +105 -23 -10
100 đơn vị = 0,485 cal/cm
2
/min
Hình 1.2. Cân bằng lượng nhiệt của mặt đất
(Gates, 1962)
Trao đổi nhiệt
lượng thuần
+ 4
7 -23 -10 -14
Tiềm nhiệt Cảm nhiệt
Bức xạ
sóng dài
Bức xạ
tán xạ
Bức xạ thông
quang mây
Bức xạ
trực tiếp

3
Bình quân năm của cân bằng nhiệt lượng đồng ruộng:
Hình 1.2 là tình hình phân phối lại của năng lượng mặt trời biểu thị bằng trị số bình
quân năm của Bắc bán cầu. Lấy bức xạ mặt trời là 100, trị số này tương đương với
0,485 cal/cm
2
/phút, trong đó chiếu trực tiếp xuống mặt đất 33, không khí hấp thụ 49,
đến mặt đất 24 trở thành bức xạ trực tiếp; 52 đến bề mặt mây, từ đó mất 25 phản xạ vào
trong không gian vũ trụ, 10 được mây hấp thụ, 17 thông qua mây đến mặt đất. Mặt
khác, 15 đơn vị tỏa mất trong không khí, 9 đơn vị toả vào vũ trụ, còn 6 đơn vị đến mặt
đất, cùng với ánh sáng thông qua mây
đến mặt đất nói trên thành bức xạ tán loạn (tán
xạ). Kết quả là năng lượng mặt trời chiếu vào tầng trên không khí chỉ có 47% đến được
mặt đất, 34% phản xạ vào không gian vũ trụ.
Từ mặt đất chiếu ra bức xạ nhiệt sóng dài 119, trong đó 10 đi vào không gian vũ
trụ, số còn lại được không khí hấp thụ. Từ không khí lại với bức xạ sóng dài 105 đến
mặt đất. Do
đó, để làm trao đổi lượng nhiệt sóng dài trọn vẹn bị mất đi 14 từ mặt đất.
Do có 56 bức xạ sóng dài từ không khí chiếu vào không gian vũ trụ, cho nên toàn bộ
nhiệt năng mà quả đất mất vào vũ trụ là 100, làm cho độ nhiệt của toàn thể quả đất
không lên cao. Trong số 47 đến mặt đất, có 23 là lượng nhiệt bốc hơi rồi tiêu tan trong
không khí. Loại lượng nhiệt lưu động toả ra và hấ
p thụ khi nước bốc hơi và ngưng tụ đó
gọi là tiềm nhiệt. Cuối cùng còn lại 10 được gió chuyển vận, thông qua đối lưu và
truyền dẫn, nằm trong không khí, loại nhiệt năng này gọi là hiển nhiệt.
Hình 2.2. Quang phổ bức xạ mặt trời (a). So sánh đường cong quang phổ
quang hợp của lúa mì và độ cảm giác nhìn thấy tương đối (b)
1. Quang hợp của lúa mì (Gates, 1962); 2. Ðộ cảm giác nhìn thấy tương đối (Laisk, 1965)
2,8 3,2
2,4
2,01,61,2
Bức xạ đến của 6000
0
K
Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển
Bức xạ mặt trời của mặt đất
O
2
O
3
H
2
O
3,0
0,4
0,8
O
3
Bước són
g à




0,70,5
0,4
1
2
Bước sóng µ
0,6
H
2
O
H
2
O
Hồng
ngoại
H
2
O
Nhìn thấy
0
0
1,0
2,0
UV

a)


Cường độ bắc xạ






b)

2,0

Cường độ tương đối
2,0

2,0


2,0

2,0

0

Xem chi tiết: Sinh thái học đồng ruộng