Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
Energy, Equilibria, Feedback and Sustainability
The two laws, applied to ecosystems. The first law of thermodynamics states that energy cannot be created or destroyed, only transformed. The second law states that energy transformations are never fully efficient: some energy is always degraded to heat, and entropy — disorder — increases. Applied to ecology, the second law explains why only around ten per cent of energy passes from one trophic level to the next, and therefore why food chains are short. It also explains why ecosystems can maintain their high order only because of a continuous input of solar energy; the moment that input stops, the system runs down.
Equilibria. A steady-state equilibrium is the normal condition of an ecosystem: there are continuous inputs and outputs, and conditions fluctuate around a long-term mean without net change. A static equilibrium has no inputs or outputs at all and no change, which describes non-living systems such as a boulder on a hillside. The distinction matters because an ecosystem in steady state is not motionless — it is dynamic.
Feedback. Negative feedback counteracts a change and returns the system towards its original state; it is the mechanism that maintains steady-state equilibrium, as when a rise in the prey population supports more predators, which then reduces the prey population. Positive feedback amplifies a change and drives the system away from its original state, as when melting ice lowers surface albedo, more radiation is absorbed, and more ice melts. Positive feedback is what produces tipping points, beyond which a system shifts to a new state and may not return.
Resilience and diversity. Resilience is a system's capacity to absorb disturbance and still function. It tends to increase with biodiversity, because alternative pathways exist if one species is lost, and it tends to decrease with the size of storages relative to flows, because a system holding little in reserve has less to draw on.
Sustainability and natural capital. Natural capital is the stock of natural resources and ecosystem processes; natural income is the yield that stock produces. Use is sustainable when it does not exceed natural income — living off the interest rather than the capital. An ecological footprint estimates the biologically productive area required to supply a population's consumption and absorb its waste, and comparing it with the area actually available shows whether that population is living within its natural income. An environmental impact assessment is the formal process of predicting the effects of a proposed development before it is approved; its value depends on there being a baseline study, on monitoring afterwards, and on the findings being able to change the decision.
Hai định luật, áp dụng vào hệ sinh thái. Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học phát biểu rằng năng lượng không được tạo ra cũng không mất đi, chỉ chuyển hoá. Định luật thứ hai phát biểu rằng các phép chuyển hoá năng lượng không bao giờ đạt hiệu suất hoàn toàn: luôn có một phần năng lượng bị suy giảm thành nhiệt, và entropy — tức mức độ mất trật tự — tăng lên. Áp dụng vào sinh thái học, định luật thứ hai giải thích vì sao chỉ khoảng mười phần trăm năng lượng đi được từ bậc dinh dưỡng này sang bậc kế tiếp, và do đó vì sao chuỗi thức ăn ngắn. Nó cũng giải thích vì sao hệ sinh thái duy trì được mức trật tự cao của mình chỉ nhờ dòng năng lượng Mặt Trời đi vào liên tục; ngừng dòng đó lại thì hệ suy tàn.
Các trạng thái cân bằng. Cân bằng ổn định động là trạng thái bình thường của một hệ sinh thái: có dòng vào và dòng ra liên tục, và các điều kiện dao động quanh một giá trị trung bình dài hạn mà không có biến đổi ròng. Cân bằng tĩnh hoàn toàn không có dòng vào và dòng ra và không có biến đổi, và nó mô tả các hệ không sống như một tảng đá nằm trên sườn đồi. Phân biệt này quan trọng vì một hệ sinh thái ở trạng thái ổn định KHÔNG bất động — nó động.
Phản hồi. Phản hồi âm chống lại một thay đổi và đưa hệ trở về trạng thái ban đầu; đây là cơ chế duy trì cân bằng ổn định động, chẳng hạn khi quần thể con mồi tăng thì nuôi được nhiều thú săn mồi hơn, và điều đó lại kéo quần thể con mồi xuống. Phản hồi dương khuếch đại một thay đổi và đẩy hệ ra xa trạng thái ban đầu, chẳng hạn khi băng tan làm suất phản xạ bề mặt giảm, bề mặt hấp thụ nhiều bức xạ hơn, và băng tan thêm. Phản hồi dương chính là thứ tạo ra điểm tới hạn, mà quá đó hệ chuyển sang một trạng thái mới và có thể không quay lại được.
Khả năng chống chịu và tính đa dạng. Khả năng chống chịu là năng lực hấp thụ một xáo trộn mà vẫn tiếp tục vận hành. Nó có xu hướng tăng theo mức đa dạng sinh học, vì tồn tại các đường dẫn thay thế khi mất một loài, và nó có xu hướng giảm khi các kho nhỏ so với các dòng, vì một hệ giữ ít dự trữ thì có ít thứ để dựa vào.
Tính bền vững và vốn tự nhiên. Vốn tự nhiên là trữ lượng tài nguyên thiên nhiên cùng các quá trình sinh thái; thu nhập tự nhiên là phần sản lượng mà trữ lượng đó sinh ra. Việc sử dụng là bền vững khi nó không vượt quá thu nhập tự nhiên — tức sống bằng tiền lãi chứ không tiêu vào vốn gốc. Dấu chân sinh thái ước lượng diện tích có năng suất sinh học cần thiết để cung cấp mức tiêu dùng của một dân số và hấp thụ chất thải của nó, và so sánh nó với diện tích thực sự có sẵn cho biết dân số đó có đang sống trong phạm vi thu nhập tự nhiên hay không. Đánh giá tác động môi trường là quy trình chính thức dự báo các tác động của một dự án trước khi nó được phê duyệt; giá trị của nó phụ thuộc vào việc có nghiên cứu nền hay không, có giám sát sau đó hay không, và kết luận có thể làm thay đổi quyết định hay không.
Phân loại từng chuỗi sau là phản hồi âm hay phản hồi dương, và giải thích: (a) số thỏ tăng, cáo có nhiều thức ăn nên sinh sản nhiều hơn, số thỏ giảm; (b) băng biển tan, mặt biển hở hấp thụ nhiều nhiệt hơn, nhiệt độ tăng, băng tan thêm; (c) nhiệt độ tăng, bốc hơi tăng, mây tầng thấp nhiều hơn, bức xạ Mặt Trời bị phản xạ nhiều hơn, nhiệt độ giảm; (d) băng vĩnh cửu tan, mêtan thoát ra, nhiệt độ tăng, băng vĩnh cửu tan thêm.
Quy tắc phân loại, phải nêu trước khi trả lời. Đi hết chuỗi rồi hỏi: kết quả cuối cùng làm cho thay đổi ban đầu mạnh thêm hay yếu đi. Mạnh thêm là phản hồi dương; yếu đi hoặc bị đảo ngược là phản hồi âm. Tuyệt đối không phân loại theo cảm giác tốt xấu — phản hồi dương không có nghĩa là tốt, và phản hồi âm không có nghĩa là xấu.
(a) Phản hồi ÂM. Thay đổi ban đầu là số thỏ TĂNG; kết quả cuối chuỗi là số thỏ GIẢM. Kết quả đối lập với thay đổi ban đầu, nên đây là phản hồi âm. Đây chính là cơ chế giữ cho hai quần thể dao động quanh một mức trung bình dài hạn, tức duy trì cân bằng ổn định động.
(b) Phản hồi DƯƠNG. Thay đổi ban đầu là băng TAN; kết quả cuối chuỗi là băng tan THÊM. Kết quả cùng chiều và làm thay đổi ban đầu mạnh lên, nên đây là phản hồi dương. Vòng băng và suất phản xạ này là lời giải thích chính cho việc Bắc Cực ấm lên nhanh hơn trung bình toàn cầu nhiều lần.
(c) Phản hồi ÂM. Thay đổi ban đầu là nhiệt độ TĂNG; kết quả cuối chuỗi là nhiệt độ GIẢM. Đây là vòng phản hồi mây, và nó là một trong những nguồn bất định lớn nhất trong các mô hình khí hậu, vì độ lớn của nó khó xác định và vì mây tầng cao lại có tác dụng ngược với mây tầng thấp.
(d) Phản hồi DƯƠNG. Băng vĩnh cửu tan làm nhiệt độ tăng làm băng vĩnh cửu tan thêm. Vòng này đặc biệt đáng lo vì lượng cacbon bị khoá trong băng vĩnh cửu rất lớn và vì nó có thể tự duy trì ngay cả khi phát thải của con người dừng lại.
Vì sao phản hồi dương gắn với điểm tới hạn. Phản hồi âm kéo hệ về trạng thái cũ, nên hệ ổn định. Phản hồi dương đẩy hệ ra xa trạng thái cũ, và nếu nó đủ mạnh thì hệ vượt qua một ngưỡng mà sau đó vòng phản hồi tự duy trì ngay cả khi nguyên nhân ban đầu bị loại bỏ. Đó là điểm tới hạn, và ở bên kia điểm đó hệ chuyển sang một trạng thái ổn định mới — có thể là một trạng thái mà con người không mong muốn và không đảo ngược được ở thang thời gian con người.
Một khu rừng có trữ lượng gỗ 500 000 mét khối và tốc độ tăng trưởng hằng năm 3%. (a) Tính thu nhập tự nhiên. (b) Nếu khai thác 20 000 mét khối mỗi năm thì có bền vững không? (c) Nếu khai thác 25 000 mét khối mỗi năm thì sau bao lâu trữ lượng giảm rõ rệt, và điều gì làm tình hình xấu nhanh hơn tính toán đơn giản?
(a) Thu nhập tự nhiên. Thu nhập tự nhiên là phần sản lượng mà vốn gốc sinh ra trong một năm: 500 000 nhân 3% bằng 15 000 mét khối mỗi năm. Đây chính là mức khai thác tối đa giữ được trữ lượng không đổi.
(b) Khai thác 20 000 mét khối. Mức này vượt thu nhập tự nhiên 5 000 mét khối, nên không bền vững: mỗi năm trữ lượng giảm đi 5 000 mét khối. Cách diễn đạt chuẩn để lấy điểm là dùng ẩn dụ tài chính — đây là việc tiêu vào vốn gốc chứ không sống bằng tiền lãi.
(c) Khai thác 25 000 mét khối, và vì sao tính đơn giản là quá lạc quan. Nếu tính thô, mức thâm hụt là 10 000 mét khối mỗi năm nên sau 10 năm trữ lượng còn khoảng 400 000. Nhưng phép tính đó sai theo hướng lạc quan, vì thu nhập tự nhiên phụ thuộc vào vốn gốc. Năm thứ hai, trữ lượng chỉ còn 490 000 nên tăng trưởng chỉ còn 14 700 chứ không phải 15 000, và mức thâm hụt tăng lên 10 300. Cứ mỗi năm, vốn nhỏ đi thì lãi nhỏ đi, và thâm hụt lớn thêm.
Đây là cơ chế phản hồi DƯƠNG, và nêu được điều đó là phần ăn điểm: khai thác quá mức làm giảm vốn, vốn giảm làm giảm khả năng tái tạo, và điều đó lại làm mức khai thác trở nên quá mức hơn nữa. Vì vậy suy giảm không diễn ra theo đường thẳng mà tăng tốc dần.
Hai yếu tố nữa làm tình hình xấu nhanh hơn. Thứ nhất, tỷ lệ tăng trưởng 3% không phải hằng số: khi rừng bị mở tán quá mức, vi khí hậu thay đổi, đất bị xói và cây con khó tái sinh, nên chính tỷ lệ tăng trưởng cũng giảm. Thứ hai, việc khai thác thường lấy đi những cây to nhất và khoẻ nhất trước, tức lấy đi đúng phần sinh sản mạnh nhất, nên khả năng tái tạo giảm nhanh hơn so với mức giảm của tổng trữ lượng.
Câu tổng quát để dùng cho mọi câu hỏi về bền vững. So sánh mức lấy đi với thu nhập tự nhiên, chứ không so với tổng trữ lượng; và nhớ rằng vượt ngưỡng không gây suy giảm tuyến tính mà gây suy giảm tăng tốc, vì vốn gốc nhỏ đi làm thu nhập tự nhiên nhỏ theo.
Bẫy 2 — nhầm cân bằng ổn định động với bất động. Hệ sinh thái ở trạng thái ổn định vẫn có dòng vào và dòng ra liên tục và vẫn dao động; cái không đổi là giá trị trung bình dài hạn. Cân bằng TĨNH mới là không có dòng nào, và nó chỉ mô tả hệ không sống.
Bẫy 3 — so mức khai thác với TỔNG trữ lượng thay vì với THU NHẬP tự nhiên. Bền vững là lấy không quá phần sinh ra hằng năm; và vượt ngưỡng gây suy giảm TĂNG TỐC vì vốn gốc nhỏ đi làm thu nhập tự nhiên nhỏ theo.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Foundations of Environmental Systems and Societies gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.