cấu trúc quần xã thuộc hệ sinh thái đô thị

Chúng tôi xin tiếp tục trình bày một số kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, trong vấn đề cấu trúc quần xã thuộc hệ sinh thái đô thị.

Quần xã là một tập hợp các loài có tương tác với nhau trong hệ sinh thái. Quần xã bị chi phối bởi các loài thực vật ưu thế khác nhau là các loại thảm thực vật (hoặc các loại hệ sinh thái), được xác định chủ yếu bởi khí hậu và thứ yếu bởi điều kiện đất đai (thổ nhưỡng). Lập bản đồ các biến thể vi khí hậu và các loại đất trong một không gian xanh đô thị là một bước quan trọng trong quy hoạch và thiết kế môi trường sống không đồng nhất hoặc sự đa dạng của các loại thảm thực vật trong khu vực đô thị. Sự thay đổi điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng, tình trạng ô nhiễm, hoạt động của con người diễn biến theo gradient đô thị - nông thôn. Ví dụ: hiệu ứng đảo nhiệt đô thị gia tăng khi đi sâu vào vùng lõi đô thị, tính thấm nước giảm dần từ nông thôn tới đô thị. Điều đó quy định sự thay đổi về phộ phong phú của loài trong quần xã. Loài bản địa giảm dần từ nông thôn đến vùng lõi đô thị, hoặc loài phi bản đại gia tăng trong một cấu trúc thảm thực vật không đổi (>3cm diameter at breast height, dbh).

Ví dụ như vấn đề mà các loài thực vật gặp phải trong không gian đô thị đã được Waynne C. Zipperer và Glenn R. Guntenspergen minh họa trong 2 đồ thị sau.

Các khu vực đô thị là vô cùng phong phú trong các loại thảm thực vật hoặc ổ sinh thái (Gilbert 1991, Sukopp và cộng sự 1995, Godde và cộng sự 1995, Wheater 1999, Boada và Capdevila 2000). Các loại thảm thực vật trong đô thị có thể chia một cách đơn giản thành 3 nhóm: (1) phần còn lại của quần xã tự nhiên, bị chi phối bởi thực vật bản địa; (2) nhóm cây trồng chịu ảnh hưởng bởi kĩ thuật làm vườn trong điều kiện đô thị; (3) quần xã thực vật thích nghi với điều kiện đô thị, không chịu tác động của con người.

-                      Cấu trúc chiều dọc.

Cấu trúc quần xã theo chiều dọc thường đề cập đến phân phối hoặc phân tầng của lớp thảm thực vật, chủ yếu được xác định bằng ánh sáng cường độ. Một khu rừng với tán, cây bụi, và thảo mộc lớp. Mỗi lớp có thể nhận được khoảng 10% ánh sáng mặt trời nhận được từng lớp ở trên nó. Sự phân bố thực vật theo tầng phụ thuộc vào tính ưa sáng hay ưa bóng của các loài khác nhau. Năng lượng mặt trời giảm nhanh qua các tầng tán lá. Động vật trong rừng có thực phẩm khác nhau và yêu cầu bao gồm và tương đối khác nhau trong mỗi lớp theo chiều dọc. Ngoài ra, gỗ chết đứng thân và chi nhánh là một môi trường sống quan trọng cho nhiều nhóm động vật. Trong duy trì đa dạng sinh học động vật, ví dụ như, trong một khu vực công viên bán tự nhiên, số lượng của lớp thảm thực vật thường được xem là sơ cấp và sự đa dạng của thực vật là thứ cấp. Sự mất mát tương đối của các cấu trúc quần xã theo chiều dọc là một cách hữu ích để đo đạc suy thoái môi trường sống.

-                      Cấu trúc chiều ngang.

Cấu trúc quần xã theo chiều ngang có thể được mô tả như thảm thực vật theo một gradient hay trong các patch. Như vậy, cấu trúc quần xã sinh vật ở đô thị có thể được phân tích theo gradient đô thị - nông thôn tổng quát (McDonell, 1997). Tuy nhiên, các thành phần như đá, đất và điều kiện nguồn nước tồn tại loang lổ, không đồng nhất với ranh giới thay đổi khá đột ngột. Điều kiện đó quy định các thảm thực vật có trạng thái chắp vá với nhau với đường ranh giới phân biệt. Trạng thái của các đường ranh giới giữa các thảm thực vật trong đô thị chịu ảnh hưởng bởi của con người. Thông thường các hoạt động của con người nhấn mạnh độ sắc nét của chúng.

-                      Cấu trúc loài – Loài bản địa và loài phi bản địa (native species & non-native species).

Các nhóm phân loại có số lượng lớn trong hệ sinh thái đô thị bao gồm thực vật, động vật không xương sống và chim. Theo Chi cục bảo vệ môi trường thành phố Hồ Chí Minh (2010), đa dạng sinh học ở thành phố Hồ Chí Minh được thống kê gồm có:

Thực vật bậc thấp - tảo : 555 loài

Thực vật thủy sinh và ven bờ  : 448oài

Thực vật bậc cao có mạch mọc hoang : 572 loài

Động vật không xương sống  : 654 loài

Lớp cá  : 171 loài

            Lớp lưỡng cư   : 14 loài

Lớp bò sát   :   60 loài

Lớp chim  : 140 loài

Lớp thú  :   41 loài

Loài phi bản địa là loài có nguồn gốc từ nơi khác, di chuyển đến và cư trú trong các ổ sinh thái ở đô thị theo quá trình động học metapopulation. Các loài phi bản địa có thể được coi là kẻ xâm chiếm. Ví dụ cho loài phi bản địa xâm chiếm thành công nhất vào các ổ sinh thái đô thị là côn trùng. Các loài phi bản địa còn có thể do con người mang đến trong quá trình du nhập các sinh vật thuần hóa. Những loài phi bản địa cạnh tranh và làm suy yếu các quần thể loài bản địa. Theo Reichard và White (2001), đa phần sự giới thiệu loài mới không ảnh hưởng lên hệ sinh thái, như 5% trong số các loài đó trở thành loài xâm chiếm, ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái.

Quy hoạch, thiết kế, và quản lý không gian xanh không chỉ quan tâm về độ phong phú của loài, mà còn đặc biệt quan tâm đến thành phần loài (Zipperer và Foresman 1997). Đa dạng hoá cây xanh đường phố làm tăng sự đa dạng chim, với sự phong phú của gia cầm và thành phần loài phụ thuộc vào loài cây được sử dụng. Thay thế cây bản địa với cây phi bản địa có thể được dự kiến ​​sẽ giảm sự đa dạng chim.

-                      Mối quan hệ giữa các loài.

Các loài trong quần xã có mối quan hệ hỗ trợ và kìm hãm lẫn nhau trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Một mối quan hệ nổi bật trong hệ sinh thái đô thị là mối quan hệ của sinh vật vector truyền bệnh với các loài khác. Vấn đề sức khỏe cộng đồng phụ thuộc vào tốc độ phát triển và phát tán của các vật trung gian truyền bệnh. Một số loài nổi bật trong lịch sử phát triển nhân loại là: chuột với bệnh dịch hạnh, muỗi với bệnh sốt xuất huyết…

Mối liên hệ giữa các loài tạo nên sự kiểm soát số lượng quần thể, kiểm soát sự phát triển của mỗi loài từ nhiều hướng khác nhau.

-                      Đa dạng loài kiểu alpha & beta. Sự đa dạng về loài trong hệ sinh thái đô thị bao gồm sự đa dạng cao trong ổ sinh thái đơn (alpha – diversity) và sự biến đổi giữa các quần xã trong các patch (beta – diversity). Sự đa dạng về loài trong hệ sinh thái đô thị là kết quả của sự phân mảnh môi trường đô thị, tạo ra sự đa dạng trong môi trường sống đô thị và là kết quả của sự xâm lấn bởi các loài ngoại lai vào đô thị. (Jari Niemela¨, D. Johan Kotze và Vesa Yli-Pelkonen)

Chúng tôi xin tiếp tục giới thiệu sơ lược một số luận điểm được trình bày trong cuốn sách của Richard T. T. Forman, 'Urban Regions - Ecology and planning beyond the city'.

Khái niệm greenspace (không gian mở, không gian xanh): là không gian không có các công trình xây dựng lớn trong khu vực đô thị. Bao gồm một số kiểu như các vùng đất ngập nước làm giảm dự trữ lũ lụt thiên nhiên, bảo vệ đa dạng sinh học, hành lang cây cung cấp bóng râm mát vào mùa hè, khu vực trồng rau và trái cây ở gần một thành phố.

Khái niệm patch (mảnh ghép) và sự phân mảnh.

Patch ổ sinh thái (“miếng vá” ổ sinh thái) là một khu vực tự nhiên trong hệ thống đô thị, có khả năng làm ổ sinh thái (n chiều) cho một tập hợp các loài sinh sống. Kích thước, hình dạng của patch không giống nhau tùy từng trường hợp.

Biểu hiện nổi bật của sự phân mảnh ổ sinh thái bao gồm: giảm và cô lập các patch tự nhiên; thay đổi cấu trúc không gian của ổ sinh thái do xáo trộn có nguyên nhân ngoại lai dẫn đến các patch nhỏ không nằm xen kẽ với các ổ sinh thái khác; thay đổi cảnh quan gồm cả việc patch lớn bị chia thành các mảnh nhỏ; thảm thực vật ban đầu bị chuyển đổi thành dạng  thảm thực vật khác khiến các mảnh vỡ của dạng ban đầu nằm rải rác. Cảnh quan đô thị xét theo quan điểm sinh thái cảnh quan, là cảnh quan phân mảnh. Môi trường sống đô thị có sự phân mảnh. Sự phân mảnh trong môi trường sinh thái đô thị có nguồn gốc từ sự sắp xếp đất sử dụng. Các patch ổ sinh thái bị chia tách với nhau bởi một mạng lưới (matrix) các khu xây dựng và các thảm xanh không tự nhiên (non – native). Tính liên kết giữa các patch ổ sinh thái trong đô thị thường thấp và tùy thuộc vào khả năng di chuyển của loài. Tính chất phân mảnh của môi trường sống là cơ sở cho thành phần loài trong quần xã.

 Corridor: ổ sinh thái hành lang là một khu vực dạng đường thẳng, có khả năng liên kết các patch ổ sinh thái. Ổ sinh thái hành lang có thể tồn tại ở môi trường cạn hoặc môi trường nước. Hành lang này có thể liên tục hoặc không liên tục. Sự di chuyển giữa các patch ổ sinh thái cũng tùy thuộc vào loài. Như các loài chim với khả năng bay thường dễ di chuyển hơn giữa các patch trong đô thị. Còn một số loài động vật không xương sống nhỏ thường khó có thể vượt qua các rào chắn.

(http://www.set-revue.fr/establishment-national-ecological-network-conserve-biodiversity-pros-and-cons-ecological-corridors/texte)

Mô hình patch – corridor – matrix và tính chất: Các ổ sinh thái và các vùng xây dựng tồn tại trong đô thị, tạo nên mô hình patch – corridor – matrix. Tính phân mảnh khiến các ổ sinh thái khác nhau ít được gắn kết, vi khí hậu của từng khu vực là khác nhau. Có thể quan sát thấy trong hình, các patch có kích thước khác nhau, các khu hành lang có thể gắn kết hoặc rời rạc, các patch nhỏ phân bố không đều. 

Patch lớn là cấu trúc duy nhất bảo vệ nguồn nước ngầm, bảo vệ các loài nội địa và cung cấp ổ sinh thái nòng cốt (core habitat), nhà sống cho các loài động vật có xương sống. Patch lớn hơn sẽ bao gồm nhiều ổ sinh thái hơn và như vậy sẽ góp phần làm gia tăng đa dạng sinh học. Kích thước nhỏ nhất của patch quy định những loại động vật và thực vật. Ví dụ, những loài chuột và thỏ cần kích thước nhỏ nhất của patch từ 1 đến 10 ha. Ngược lại, kích thước tối ưu của patch ở khu vực đường phân thủy dành cho cá hồi biển là 2500 ha. Tổng quát, sự bảo tồn từ 20 đến 60 % ổ sinh thái tự nhiên trong cảnh quan là cần thiết để duy trì đa dạng sinh học (Valentin 2004). Những kích cỡ nhỏ nhất hay tối ưu chịu ảnh hưởng bởi chất lượng của patch, phụ thuộc vào cấu trúc patch. 

Tỉ lệ rìa của patch ảnh hưởng đến thành phần loài. Tỉ lệ rìa tính bằng biểu thức:

                                    (Chu vi patch)/(2 x Diện tích patch^1/2)

Rìa của patch gia tăng khi tính phân mảnh trong khu vực gia tăng. Khu vực rìa có điều kiện khác biệt so với bên trong patch. Ví dụ như bìa rừng thường nhận được nhiều ánh nắng hơn, nhiệt độ cao hơn và giá mạnh hơn so với rừng sâu. Tổ hợp các điều kiện vật lí thay đổi làm thay đổi ổ sinh thái đa diện. Thành phần loài thích nghi thay đổi theo sự thay đổi của ổ sinh thái. 

Ổ sinh thái hành lang cung cấp không gian cho các sinh vật di chuyển giữa các patch và có tác dụng bảo vệ nguồn nước. Những hành lang tự nhiên rộng được cho là tối ưu nhất cho các hệ thống trên cạn. Nhưng trong khu vực đô thị thì điều đó không khả thi, và bị thay đổi. Một dạng phổ biến trong đô thị là dạng một nhóm các patch nhỏ cung cấp các tuyến đường cho sự di chuyển, tạo thành một mảng tuyến tính tổng thể giữa xung quanh các bản vá lỗi lớn hơn. Đó được cho là cách bố trí không gian tối ưu, theo dạng các phiến đá để di chuyển (Dramstad, 1996). Tương tự, những hành lang ven sông được mong muốn và cung cấp nhiều lợi ích nhất tạo ra sự bền vững của bờ, chất lượng ổ sinh thái, nhiệt độ nước, và chất lượng của nước. 

Mô hình patch – corridor – matrix được ứng dụng vào việc tiếp tục bảo vệ các loài trong đô thị. Tập hợp của các patch lớn tự nhiên (a group of large natural patch) được xem là mục tiêu ưu tiên hàng đầu. Sau đó là nối kết các patch lớn với khu hành lang (greenway hay greenbelt).

 Học thuyết metapopulation. (Hanski 1998): Một metapopulation là một quần thể sinh vật được chia tách thành các nhóm nhỏ với sự di chuyển của các cá thể giữa các nhóm đó. Học thuyết metapopulation dùng để giải thích sự suy giảm của một loài với các subpopulation trong môi trường phân mảnh. Khi môi trường sống bị phân mảnh, quần thể loài bản địa tồn tại trước đó sẽ bị chia tách thành các subpopulation sống trong các patch, corridor khác nhau, có liên kết với nhau hoặc không. Sự tồn tại của subpopulation trong môi trường phân mảnh phụ thuộc vào đặc tính dạng, kích thước, tỉ lệ rìa, sự liên kết của ổ sinh thái trong không gian đó, tức là phụ thuộc vào đặc tính của các patch, corridor. Ví dụ một hệ thống nơi 1 patch lớn chứa 1 số lượng giới hạn các loài nhất định, thì 4 hay 5 patch là số lượng nhỏ nhất cần có để duy trì tính đa dạng về loài trong hệ thống (metapopulation) đó.

“A larger patch normally has a larger population size for a given species than a smaller patch, making it less likely that the species will go locally extinct in the larger patch.” (Dramstad et al. 1996, Plat P3)

Nguyên nhân dẫn đến suy giảm loài và tuyệt chủng loài tại địa phương gồm có:

-          sự suy giảm tính liên kết, gặp gỡ bắt cặp trong quần thể

-          giao phối gần dẫn đến suy giảm tỉ lệ gene dị hợp, tăng tỉ lệ cá thể đồng hợp.

-          tổ hợp điều kiện vật lí thay đổi dẫn đến thay đổi ổ sinh thái đa diện của loài.

Kết quả là sự suy giảm loài bản địa trong các ổ sinh thái và sự tuyệt chủng tại địa phương. Động học metapopulation mô tả quá trình tuyệt chủng ở địa phương của loài bản địa và tiếp theo là sự xâm nhập của các loài ngoại lai. Ví dụ, tại Berlin, tỷ lệ loài thực vật ngoại lai tăng từ 28% trong các khu vực ngoại thành đến 50% trong trung tâm thành phố (Sukopp 1979).