Tương tác cạnh tranh là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa Tương tác cạnh tranh

Tương tác cạnh tranh (competition) là quan hệ sinh thái trong đó hai cá thể hoặc hai loài cùng khai thác một nguồn tài nguyên chung như thức ăn, không gian sống, ánh sáng hoặc khoáng chất, dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng nguồn đó khi mật độ đối thủ tăng lên.

Cạnh tranh nội loài (intraspecific competition) xảy ra giữa các cá thể cùng loài khi quần thể đạt mật độ cao, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh trưởng, sinh sản và khả năng sống sót; cạnh tranh liên loài (interspecific competition) diễn ra giữa các loài khác nhau, ảnh hưởng đến phân bố và đa dạng cộng đồng sinh vật.

Tương tác cạnh tranh có thể gây ra hiệu ứng loại trừ cạnh tranh (competitive exclusion), buộc các loài phải phân vùng sinh thái (niche partitioning) hoặc thích nghi qua chọn lọc tự nhiên. Hiệu ứng này quyết định cấu trúc cộng đồng, mức độ phong phú loài và ổn định hệ sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Mô hình Lotka–Volterra là khung cơ bản để mô tả cạnh tranh hai loài với phương trình:

$\begin{cases} \frac{dN_1}{dt} = r_1 N_1\left(1 - \frac{N_1 + \alpha_{12}N_2}{K_1}\right),\\ \frac{dN_2}{dt} = r_2 N_2\left(1 - \frac{N_2 + \alpha_{21}N_1}{K_2}\right), \end{cases}$

Ở đó ri là tốc độ tăng trưởng tối đa, Ki là sức chứa (carrying capacity) của môi trường cho loài i, và hệ số tương tác αij thể hiện mức độ ức chế của loài j lên loài i—giá trị càng cao đồng nghĩa cạnh tranh càng mạnh.

• Điểm cân bằng đồng tồn: khi N1* và N2* thỏa mãn đồng thời hai phương trình = 0.
• Điều kiện loại trừ: nếu K1/α12 < K2 và ngược lại, luôn tồn tại loài ưu thế.

Cơ chế sinh học

Cạnh tranh trực tiếp (interference competition) diễn ra khi cá thể chủ động ngăn cản đối thủ tiếp cận nguồn tài nguyên qua hành vi tranh giành lãnh thổ, tấn công hoặc phát nọc độc. Ví dụ, một số loài thực vật tiết allelochemical ức chế mầm cây khác trong vùng rễ.

Cạnh tranh gián tiếp (exploitative competition) xảy ra khi các cá thể sử dụng chung nguồn tài nguyên và làm giảm lượng còn lại cho đối thủ, chẳng hạn cá rô và cá mè tranh thức ăn phù du trong ao nuôi.

Allelopathy là dạng cạnh tranh qua trung gian hóa học, trong đó loài này bài tiết chất ức chế (ví dụ chất phenolic) làm giảm khả năng nảy mầm hoặc sinh trưởng của loài khác.

• Interference: bảo vệ lãnh thổ, tiếp xúc cơ học, tấn công.
• Exploitative: khai thác nhanh, tăng tốc độ hấp thu.
• Allelopathy: bài tiết chất ức chế, tác động sinh hóa.

Đánh giá và đo lường mức độ cạnh tranh

Chỉ số R* xác định mức độ tài nguyên tối thiểu cần thiết để duy trì quần thể; loài có R* thấp hơn sẽ chiếm ưu thế trong cạnh tranh tài nguyên. Chỉ số Ic đo cường độ tương tác cạnh tranh giữa các loài trong cộng đồng.

Thí nghiệm loại bỏ (removal experiments) loại bỏ một loài khỏi hệ để quan sát phản ứng sinh trưởng của loài còn lại, giúp ước lượng hệ số αij. Phương pháp này thường kết hợp mô hình thủy sinh hoặc thí nghiệm đồng cỏ.

• R* thấp ⇨ ưu thế trong cạnh tranh tài nguyên.
• Alpha cao ⇨ đối thủ ức chế mạnh.
• Đa dạng giảm ⇨ cạnh tranh gay gắt, loại trừ loài yếu.

Ví dụ trong tự nhiên

Trên đồng cỏ Nam Mỹ, hai loài cỏ Panicum maximum và Cynodon nlemfuensis cạnh tranh gay gắt ánh sáng và chất dinh dưỡng đất. Khi mật độ P. maximum vượt 70 cây/m², ưu thế chiếm chỗ làm giảm sinh khối của C. nlemfuensis xuống dưới 30 % so với điều kiện đơn loài.

Trong hệ thủy sinh, cá rô phi (Oreochromis niloticus) và cá rô vàng (Lepomis gibbosus) tranh thức ăn phù du. Nghiên cứu tại hồ Oneida (Mỹ) cho thấy khi tỷ lệ cá rô phi > 60 % tổng số cá rô, mật độ zooplankton giảm 40 %, gây ảnh hưởng chuỗi thức ăn trên.

Đối với thực vật thủy sinh, Egeria densa và Myriophyllum spicatum cạnh tranh oxy hòa tan và khoáng; trong điều kiện ánh sáng thấp, E. densa chiếm ưu thế nhờ tốc độ sinh trưởng nhanh, đẩy M. spicatum vào góc tối của hồ.

Ảnh hưởng đến cấu trúc cộng đồng

Cạnh tranh có thể làm giảm đa dạng loài khi một loài vượt trội chiếm hết tài nguyên, dẫn đến loại trừ đối thủ. Trên rạn san hô, khi loài tảo macro Lobophora variegata bùng phát, các loài san hô yếu hơn mất chỗ bám và chết hàng loạt.

Để giảm cạnh tranh, nhiều loài phát triển chiến lược phân vùng sinh thái (niche partitioning): chim sẻ sẻ chia không gian tìm mồi theo chiều dọc cành cây, loài lấy mồi ở ngọn, loài khác ở gốc.

• Giảm phong phú loài (species richness) khi cạnh tranh quá gay gắt.
• Tăng tính ổn định khi các loài thích nghi phân chia nguồn tài nguyên.
• Khuyến khích đa dạng sinh học khi có phân vùng môi trường vi mô.

Liên hệ với các hình thức tương tác khác

Cạnh tranh nằm trên continuum với hỗ trợ (facilitation): ở môi trường khắc nghiệt, loài này có thể hỗ trợ loài khác trước khi cạnh tranh bắt đầu. Ví dụ, cây keo đầu đàn cố định đạm giúp cây non phát triển, sau đó cạnh tranh chỗ đứng và nước.

Khác với kí sinh (parasitism) và tiêu thụ (predation), cạnh tranh không nhất thiết dẫn đến chết nhanh đối tượng, mà làm giảm dần sinh trưởng và sinh sản. Predator–prey tạo dao động chu kỳ; competition làm điều chỉnh mật độ ổn định hơn.

• Mutualism vs. competition: rễ cây cộng sinh nấm (mycorrhiza) hỗ trợ trao đổi dưỡng chất trước khi cạnh tranh khoáng.
• Predation vs. competition: loài ăn thịt gián tiếp giảm cạnh tranh thức ăn cho các loài ăn tạp.
• Antagonism vs. competition: allelopathy là cạnh tranh qua hóa chất xen lẫn hình thức kìm hãm tương tự như kháng sinh.

Ứng dụng quản lý và bảo tồn

Trong quản lý xâm hại, dùng cạnh tranh sinh học (biological control) là thả loài bản địa mạnh hơn để kiềm chế loài xâm hại. Ví dụ, thả Carcinus maenas vào vùng nhiễm lâu loại hại trên cồn quế giúp giảm 70 % mật độ loài xâm hại Charybdis japonica.

Thiết kế phục hồi sinh thái thông qua tái tạo đa dạng tài nguyên: xen canh cây trồng cứng và cây chịu hạn để giảm cạnh tranh nước và cải thiện năng suất tổng thể.

• Xen canh ngô–đậu để giảm cạnh tranh nitơ và nước.
• Sử dụng cây che bóng râm để giảm cạnh tranh ánh sáng giữa tầng cao và tầng thấp.
• Điều chỉnh mật độ thả cá nuôi lồng trên ao hồ để tránh cạnh tranh oxy và thức ăn.

Tài liệu tham khảo

1. Begon, M., Townsend, C. R. & Harper, J. L., Ecology: From Individuals to Ecosystems, 4th ed., Wiley, 2006.
2. Schoener, T. W., “Theory of Competition,” Annual Review of Ecology and Systematics, vol. 13, 1982.
3. Tilman, D., “Competition and Biodiversity in Spatially Structured Habitats,” Ecology, vol. 75, 1994.
4. ScienceDirect, “Competition Ecology,” Elsevier, truy cập 2025, sciencedirect.com.
5. Grimm, V. & Railsback, S. F., Individual-Based Modeling and Ecology, Princeton Univ. Press, 2005.