Chu trình vật chất trong hệ thống tự nhiên vận hành thế nào?

Điểm cốt lõi cần phân biệt là năng lượng và vật chất vận hành theo cách khác nhau trong hệ sinh thái. Năng lượng chủ yếu đi theo một chiều qua các bậc dinh dưỡng và cuối cùng thất thoát dưới dạng nhiệt, trong khi vật chất được tái sử dụng thông qua các chu trình sinh địa hóa.

Chu trình vật chất là gì?

Trong hệ thống tự nhiên, vật chất không đơn giản “đi một vòng” theo một đường cố định. Một nguyên tố có thể chuyển qua nhiều kho chứa và nhiều dạng khác nhau trước khi quay trở lại một trạng thái có thể được sử dụng tiếp.

Chẳng hạn, carbon có thể tồn tại trong khí quyển dưới dạng carbon dioxide, trong sinh khối thực vật và động vật, trong đất, đại dương hoặc các kho chứa địa chất. Carbon được trao đổi giữa những kho này thông qua các quá trình như quang hợp, hô hấp, phân giải và các quá trình địa chất. USGS mô tả carbon là một thành phần được luân chuyển qua các hệ tự nhiên, đồng thời có thể được lưu trữ lâu dài trong các bể chứa carbon như rừng, đất ngập nước và đại dương sâu.

Vì vậy, có thể hiểu ngắn gọn: chu trình vật chất mô tả sự vận động của các nguyên tố và vật chất giữa sinh quyển với khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và đất, thông qua các quá trình sinh học, hóa học và địa chất.

Chu trình vật chất vận hành qua những thành phần nào?

Một chu trình vật chất thường có thể được hình dung qua ba thành phần liên kết:

·         Kho chứa: Nơi vật chất tồn tại trong một khoảng thời gian, chẳng hạn khí quyển, đất, nước, sinh khối hoặc đá

·         Dòng chuyển: Sự di chuyển của vật chất từ kho này sang kho khác

·         Quá trình biến đổi: Những cơ chế làm thay đổi dạng tồn tại hoặc khả năng sử dụng của vật chất

Các quá trình sinh học giữ vai trò quan trọng. Sinh vật hấp thụ các chất từ môi trường để xây dựng cơ thể; khi sinh vật bài tiết, chết hoặc bị phân giải, vật chất lại được trả về môi trường. Vi sinh vật đặc biệt quan trọng trong nhiều chu trình vì chúng tham gia phân giải và biến đổi các dạng vật chất.

Bên cạnh đó, các quá trình vật lý và địa chất cũng tham gia. Phong hóa và xói mòn có thể giải phóng vật chất từ đá; nước mưa và dòng chảy đưa các chất từ đất vào sông, hồ và đại dương. Trong chu trình phosphorus, chẳng hạn, phosphate có thể được giải phóng từ đá nhờ phong hóa rồi theo dòng chảy đi vào thủy vực.

Do đó, chu trình vật chất không phải chỉ là một quá trình sinh học. Nó là kết quả của sự phối hợp giữa sinh học, hóa học, vật lý và địa chất.

Sinh vật và môi trường vô sinh trao đổi vật chất ra sao?

Sinh vật là một mắt xích trong chu trình, không phải nơi vật chất kết thúc.

Thực vật hấp thụ nước, carbon dioxide và các chất dinh dưỡng vô cơ để tạo nên vật chất hữu cơ. Động vật nhận vật chất này thông qua thức ăn. Khi sinh vật hô hấp, bài tiết hoặc chết, một phần vật chất được trả lại môi trường. Các sinh vật phân giải tiếp tục biến đổi vật chất hữu cơ thành những dạng vô cơ có thể quay trở lại đất, nước hoặc khí quyển.

Nitrogen là một ví dụ cho thấy quá trình này không chỉ đơn giản là “hấp thụ rồi trả lại”. Phần lớn nitrogen trong khí quyển tồn tại dưới dạng N₂ và không dễ được phần lớn sinh vật sử dụng trực tiếp; nitrogen cần được chuyển thành những dạng có khả năng sinh học sử dụng được thông qua các quá trình như cố định nitrogen. Sau đó, nitrogen tiếp tục được đồng hóa, chuyển hóa và trả lại môi trường.

Như vậy, trao đổi vật chất giữa sinh vật và môi trường vừa duy trì cơ thể sống, vừa đưa vật chất trở lại hệ thống để tiếp tục được sử dụng.

Vì sao các chu trình vật chất liên kết với nhau?

Các chu trình vật chất không hoạt động độc lập. Một thay đổi trong chu trình này có thể tác động đến chu trình khác vì nhiều quá trình cùng sử dụng nước, sinh vật, đất, khí quyển và các kho chứa chung.

Nước là ví dụ rõ ràng. Dòng chảy và nước mưa có thể vận chuyển carbon, nitrogen, phosphorus và sulfur từ đất vào các thủy vực. Vì vậy, chu trình nước trở thành một phần quan trọng trong sự vận chuyển của nhiều nguyên tố khác.

Carbon, nitrogen và phosphorus cũng có quan hệ chặt chẽ trong hệ sinh thái. USGS ghi nhận các chu trình carbon, nitrogen và phosphorus được liên kết thông qua nhu cầu vật chất của sinh vật và các quá trình chuyển hóa; những thay đổi trong các chu trình này có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái.

Điều này có nghĩa là khi nghiên cứu một chu trình, không nên xem nó như một đường vòng khép kín hoàn toàn. Chu trình vật chất thực tế là một mạng lưới các dòng vật chất liên kết với nhau.

Điều gì xảy ra khi chu trình vật chất bị xáo trộn?

Chu trình vật chất có khả năng tự điều chỉnh trong những giới hạn nhất định, nhưng tốc độ và quy mô tác động từ bên ngoài có thể làm thay đổi lượng vật chất trong các kho chứa hoặc tốc độ trao đổi giữa chúng.

Hoạt động của con người có thể tác động đến các chu trình thông qua thay đổi sử dụng đất, đốt nhiên liệu hóa thạch, nông nghiệp, phát thải chất dinh dưỡng và các hoạt động làm thay đổi dòng chảy. USGS xác định khí hậu, địa chất, thủy văn, hệ sinh thái và hoạt động của con người đều có thể ảnh hưởng đến chu trình sinh địa hóa.

Một ví dụ là dòng chảy mang nitrogen và phosphorus từ đất vào sông, hồ và biển. Khi lượng chất dinh dưỡng đưa vào thủy vực tăng quá mức, hệ quả có thể bao gồm phú dưỡng, nở hoa tảo và suy giảm oxygen trong nước.

Vì vậy, “vật chất được tuần hoàn” không có nghĩa là mọi lượng vật chất luôn được phân bố cân bằng. Một nguyên tố vẫn có thể tiếp tục tuần hoàn nhưng tốc độ, dạng hóa học, nơi lưu trữ hoặc lượng vật chất trong từng kho chứa có thể thay đổi.

Có thể nhận biết chu trình vật chất trong tự nhiên như thế nào?

Để nhận biết một chu trình vật chất, có thể lần theo bốn câu hỏi:

1.    Vật chất đang ở đâu? Xác định các kho chứa như sinh vật, đất, nước, khí quyển hoặc đá

2.    Vật chất chuyển đi đâu? Xác định hướng trao đổi giữa các kho chứa

3.    Quá trình nào làm vật chất chuyển đổi? Xem xét các quá trình như quang hợp, hô hấp, phân giải, phong hóa, xói mòn, hòa tan hoặc cố định nitrogen

4.    Vật chất quay trở lại hệ thống bằng cách nào? Xác định con đường đưa nguyên tố trở lại môi trường hoặc trở thành nguồn cho sinh vật khác

Cách nhìn này giúp phân biệt chu trình vật chất với một chuỗi thức ăn đơn thuần. Chuỗi thức ăn chủ yếu mô tả sự truyền vật chất và năng lượng giữa các sinh vật, còn chu trình vật chất mở rộng phạm vi sang cả môi trường vô sinh và các quá trình hóa học, vật lý, địa chất. Các chu trình nước, carbon, nitrogen, phosphorus và sulfur là những ví dụ tiêu biểu.

Tóm lại, chu trình vật chất là sự tuần hoàn và biến đổi của vật chất giữa các thành phần sống và không sống của hệ tự nhiên. Vật chất có thể thay đổi dạng và di chuyển qua nhiều kho chứa, nhưng vẫn được tái sử dụng trong hệ thống. Chính sự luân chuyển này cung cấp và tái phân phối các nguyên tố cần thiết cho sự sống, đồng thời góp phần duy trì cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái.