Luận văn: Nghiên cứu chế phẩm sinh học tăng độ ẩm chống cháy rừng thông

Luận văn nghiên cứu giải pháp phòng chống cháy rừng thông bằng chế phẩm sinh học, giúp tăng độ ẩm vật liệu cháy, hạn chế tối đa nguy cơ hỏa hoạn.

• Tác giả: Nguyễn Đức Anh
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts Trần Quốc Hưng
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Lâm học
• Đề tài: Nghiên cứu cơ sở khoa học sản xuất chế phẩm sinh học tăng độ ẩm của vật liệu cháy dưới tán rừng thông nhằm hạn chế khả năng cháy rừng ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ Lâm nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Khái niệm về chế phẩm sinh học và ứng dụng trong phòng chống cháy rừng

Chế phẩm sinh học là sản phẩm được tạo ra từ các vi sinh vật có khả năng sinh màng nhầy (polysacharit), giúp tăng độ ẩm của vật liệu cháy dưới tán rừng thông. Đây là một giải pháp hiệu quả và bền vững để hạn chế khả năng cháy rừng ở Việt Nam. Các chế phẩm này hoạt động bằng cách tăng hàm lượng nước trong litter (vật liệu hữu cơ rơi dưới tán cây), từ đó giảm nguy cơ cháy rừng. Nghiên cứu của Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này. Chế phẩm sinh học phòng chống cháy rừng thông không chỉ an toàn về mặt sinh học mà còn thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm đất và nước.

1.1. Đặc điểm chế phẩm sinh học chứa vi sinh vật sinh màng nhầy

Vi sinh vật sinh màng nhầy có khả năng tạo ra các polymer tự nhiên giúp tăng khả năng giữ ẩm của vật liệu cháy. Các chủng vi sinh vật được phân lập từ môi trường rừng thông có khả năng thích ứng tốt với điều kiện sinh thái địa phương. Khi ứng dụng vào rừng thông, chế phẩm này sẽ phát triển tự nhiên và duy trì hiệu quả phòng chống cháy rừng lâu dài.

1.2. Cơ chế hoạt động giảm nguy cơ cháy rừng

Chế phẩm sinh học tăng độ ẩm vật liệu cháy dưới tán rừng thông bằng cách: (1) Giữ nước trong litter lâu hơn; (2) Tạo lớp màng nhầy bảo vệ; (3) Cải thiện cấu trúc đất. Độ ẩm cao làm giảm khả năng cháy của vật liệu, ngăn chặn sự lan rộng của ngọn lửa và hạn chế khả năng cháy rừng hiệu quả.

II. Quy trình nghiên cứu và phát triển chế phẩm sinh học

Quá trình phát triển chế phẩm sinh học phòng chống cháy rừng thông bao gồm ba bước chính: (1) Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật sinh màng nhầy; (2) Xây dựng quy trình sản xuất; (3) Kiểm định an toàn sinh học. Nghiên cứu được tiến hành tại Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam và Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Các chủng vi sinh vật được đánh giá dưới các điều kiện nhiệt độ và ẩm độ khác nhau để đảm bảo hiệu quả trong điều kiện tự nhiên. Chế phẩm sinh học được sản xuất theo những tiêu chuẩn khắt khe để đảm bảo chất lượng và an toàn cho hệ sinh thái.

2.1. Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật

Bước đầu tiên là phân lập vi sinh vật sinh màng nhầy từ các mẫu đất và litter trong rừng thông. Các chủng được tuyển chọn dựa trên khả năng: sinh tổng lượng polysacharit cao, thích ứng với điều kiện Việt Nam, và an toàn sinh học. Quá trình này sử dụng các phương pháp vi sinh học hiện đại để đảm bảo chính xác.

2.2. Xây dựng quy trình sản xuất và kiểm định

Sau khi tuyển chọn, các chủng vi sinh vật được nuôi cấy và phát triển thành chế phẩm sinh học thương mại. Quy trình sản xuất bao gồm: chuẩn bị môi trường nuôi cấy, kiểm soát nhiệt độ ẩm độ, thu hoạch, và bảo quản. Kiểm định an toàn sinh học được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế.

III. Hiệu quả của chế phẩm sinh học trong phòng chống cháy rừng thông

Các kết quả nghiên cứu cho thấy chế phẩm sinh học tăng độ ẩm của vật liệu cháy dưới tán rừng thông rất hiệu quả. Khi áp dụng chế phẩm, độ ẩm litter tăng từ 15-20% lên 40-50%, làm giảm đáng kể nguy cơ cháy. Hạn chế khả năng cháy rừng thông qua phương pháp này đã được chứng minh trong các bài kiểm tra tại các khu rừng thông ở Việt Nam. Hiệu quả kéo dài từ 6 đến 12 tháng tùy thuộc vào điều kiện thời tiết. Phương pháp này an toàn sinh học, không gây tác hại đến thành phần vi sinh vật bản địa hoặc các loài động vật trong rừng.

3.1. Tăng độ ẩm vật liệu cháy và giảm khả năng cháy

Chế phẩm sinh học giúp tăng độ ẩm litter một cách ổn định và duy trì lâu dài. Kết quả thực nghiệm cho thấy rừng thông được bôi chế phẩm có khả năng cháy thấp hơn 60-70% so với rừng không được xử lý. Vật liệu ẩm hơn sẽ khó cháy hơn, giúp phòng chống cháy rừng thông hiệu quả.

3.2. Tính an toàn sinh học và tác động môi trường

Vi sinh vật trong chế phẩm sinh học phòng chống cháy rừng không có tác hại đến con người hay động vật. Các chủng được chọn lọc kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn sinh học. Chế phẩm còn giúp cải thiện chất lượng đất, tăng cường phân hủy vật liệu hữu cơ, và bảo vệ hệ sinh thái rừng tự nhiên.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển khai chế phẩm sinh học ở Việt Nam

Để phòng chống cháy rừng thông hiệu quả, các cơ quan lâm nghiệp Việt Nam đang tiến hành triển khai ứng dụng chế phẩm sinh học trong các khu vực có nguy cơ cháy cao. Quá trình triển khai bao gồm: huấn luyện kỹ thuật cho cán bộ lâm nghiệp, sản xuất đủ lượng chế phẩm, và theo dõi hiệu quả. Hạn chế khả năng cháy rừng thông bằng chế phẩm sinh học đã được chứng minh là giải pháp tiết kiệm chi phí và bền vững. Việc sử dụng công nghệ sinh học để hạn chế cháy rừng không chỉ bảo vệ tài nguyên rừng mà còn giảm thiểu khí thải carbon và ô nhiễm không khí.

4.1. Kỹ thuật sử dụng chế phẩm sinh học trong rừng

Chế phẩm sinh học có thể được áp dụng bằng phương pháp phun rắc trên bề mặt litter rừng thông. Liều lượng khuyến cáo là 50-100 lít/hectare, được thực hiện vào mùa mưa để đảm bảo tăng độ ẩm hiệu quả. Việc phòng chống cháy rừng thông thông qua kỹ thuật này đơn giản, không cần thiết bị phức tạp.

4.2. Lợi ích kinh tế và môi trường từ ứng dụng chế phẩm

Sử dụng chế phẩm sinh học hạn chế khả năng cháy rừng giúp giảm chi phí chữa cháy rừng, bảo vệ tài nguyên rừng, và duy trì đa dạng sinh học. Phương pháp này còn thân thiện với môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại. Triển khai rộng rãi có thể góp phần quan trọng vào phòng chống cháy rừng bền vững ở Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu về cháy rừng Theo nghiên cứu của FAO đưa ra khái niệm về cháy rừng: “Cháy rừng là sự xuất hiện và lan truyền của những đám cháy trong rừng mà không nằm trong sự kiểm soát của con người, gây nên những tổn thất nhiều mặt về tài nguyên, của cải và môi trường”. Cháy rừng xảy ra khi có mặt đồng thời của 3 thành tố là nguồn nhiệt, ôxy và vật liệu cháy (VLC); và tùy thuộc vào đặc điểm của các yếu tố nêu trên, cháy rừng có thể được hình thành, phát triển hay bị ngăn chặn hoặc suy yếu đi (Brown, 1979; Chandler et al. Vì vậy, về bản chất những biện pháp PCR chính là những biện pháp tác động vào 3 yếu tố trên theo chiều hướng ngăn chặn và giảm thiểu quá trình cháy.

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra 3 yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển cháy rừng là thời tiết, loại rừng và hoạt động kinh tế - xã hội (KT - XH) của con người. Thời tiết đặc biệt là lượng mưa (Lm), nhiệt độ không khí (Tkk), độ ẩm không khí (Wkk) và tốc độ gió (Vg) ảnh hưởng quyết định đến tốc độ bốc hơi và độ ẩm vật liệu cháy (Wvlc) rừng qua đó ảnh hưởng đến khả năng bén lửa và lan tràn đám cháy. Loại rừng ảnh hưởng tới tính chất vật lý, hoá học, khối lượng và phân bố của vật liệu cháy qua đó ảnh hưởng đến loại cháy, khả năng hình thành và tốc độ lan tràn của đám cháy và hoạt động KT - XH của con người, như: sản xuất nương rẫy, săn bắn thú rừng và du lịch sinh thái,. đều có ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ và phân bố nguồn lửa khởi đầu của các đám cháy.

Phần lớn các biện pháp PCR đều được xây dựng trên cơ sở phân tích đặc điểm 3 yếu tố trên trong hoàn cảnh cụ thể ở địa phương (Pancel, 1993; Richmond, 1976). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 4 Nghiên cứu về vật liệu cháy rừng Vật liệu cháy là một trong ba yếu tố hình thành tam giác lửa, có nghĩa là một trong các yếu tố duy trì sự cháy cùng với oxy. Từ trước đến nay người ta đã rất chú trọng vào VLC bằng các biện pháp đốt trước, dọn các thực bì nhằm giảm thiểu số lượng vật liệu dễ cháy. Khối lượng và tính chất của vật liệu cháy ảnh hưởng đến cháy (chất có thể cháy) cung cấp cho các điều kiện cần thiết cho các đặc điểm và các tác động đến một đám cháy rừng.

Vì vậy, nghiên cứu các vật liệu dễ cháy dưới tán rừng thông nhằm đề xuất biện pháp ngăn chặn lửa hiệu quả trở thành vấn đề được quan tâm bởi các nhà quản lý cũng như các nhà khoa học. Các mô hình cháy cho phép đánh giá khả năng xảy ra cháy liên quan đến các vật liệu cháy phức tạp dưới điều kiện đốt trước (Johnson và Peterson, 2005). Nghiên cứu vi sinh vật sinh màng nhầy Trong đất nhóm vi sinh vật sinh màng nhầy (polysacarit) có vai trò quan trọng trong việc giữa ẩm đất và vật liệu cháy dưới tán rừng. Nhóm sinh màng nhầy bao gồm: Lipomyces, Bacillus, Azotobacter, Beijerinckia, Enterobacter… Các nhóm vi sinh vật này, trong quá trình sinh trưởng phát triển, đã tiết ra polysacarit sinh học.

Khi có mặt Ca++, các polysacarit sẽ cùng tác động tương hỗ trong đất, giúp gắn kết các hạt đất, các hạt cát với nhau để tạo thành một cấu tượng ổn định và bền vững. Do đó đất có khả năng tăng độ kết cấu, có khả năng giữ nước, chống rửa trôi, làm giảm sự bay hơi nước; thông qua đó độ phì của đất được cải thiện (Babieva và Gorin, 1987). Trên thế giới, vi sinh vật sinh màng nhầy đã được nghiên cứu và ứng dụng trong cải tạo đất từ những năm 80 của thế kỷ XX. Đến những năm 90, việc sản xuất chế phẩm thương mại đã được tiến hành; Superbio là một trong những sản phẩm thương mại đầu tiên được biết đến.

Kết quả nghiên cứu của Babieva (1987) cho thấy nhóm VSV sinh màng nhầy Lipomyces, Bacillus có khả năng giữ ẩm đất trong cải tạo đất khô hạn. Alekxandrov và cs thuộc Khoa Thổ nhưỡng, Đại học Tổng hợp Moskova Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 5 đã nghiên cứu vi khuẩn sinh màng nhầy Bacillus sp. để tạo chế phẩm phân bón vi sinh giữ ẩm cho đất. Chế phẩm này đã được sử dụng để tăng năng xuất cây trồng ở các vùng khô hạn thuộc vùng Capcaz.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã sử dụng các chế phẩm vi sinh giữ ẩm để cải tạo đất đá vôi miền Nam Trung Quốc để trồng các cây công nghiệp. Nhìn chung, cháy rừng được coi là một trong những thảm họa của tự nhiên. Cháy không những làm mất nơi sinh sống của rất nhiều các loài động thực vật, mà còn ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu toàn cầu, bên cạnh đó còn đe dọa đến đời sống và kinh tế xã hội của những người sống gần khu vực xung quanh nó. Việc nghiên cứu tạo ra chế phẩm có khả năng phân hủy vật liệu cháy trong tự nhiên nhờ tập đoàn vi sinh vật được tuyển chọn có khả năng phân hủy nhanh nhất, hiệu quả nhất.

Giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy vật liệu cháy, giảm thiểu nguy cơ cháy rừng là việc hết sức quan trọng và cần thiết. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 1. Nghiên cứu về cháy rừng và biện pháp phòng chống cháy rừng thông Nghiên cứu về cháy rừng Quá trình phát sinh, phát triển cháy rừng gồm 3 yêu tố: vật liệu cháy, oxy và nguồn nhiệt. Trong đó VLC giữ vai trò cực kỳ quan trọng.

Quy mô và mức độ lan tràn nhanh hay chậm quyết định ở khối lượng và độ ẩm của VLC. Nguồn VLC quyết định bởi đặc điểm của từng hệ sinh thái rừng. Hệ sinh thái rừng thông, ngoài thông chiếm ưu thế, dưới chúng còn nhiều loài cây bụi thảm tươi. Về mùa mưa rừng thông thường xanh tốt.

Về mùa khô cây rừng rụng lá và tỉa cành, tầng thảm tươi cây bụi thường vàng úa khô héo. Vào các tháng mùa khô số ngày khô hạn liên tục càng lớn thì khối lượng VLC trong rừng càng gia tăng nhanh. Do sản phẩm rơi rụng của rừng thông và cả bản thân cây thông còn sống chứa nhiều dầu, cây đổ bị chết khô, cây chết đứng, cành rơi lá rụng, hoa quả rụng, vỏ cây, rễ cây, lớp cỏ thảm tươi cây bụi… đã bị chết khô tạo ra nguồn vật liệu rừng ở mặt đất và trong không gian rất lớn, dễ bắt lửa (Bế Minh Châu, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 6 2001; Phạm Ngọc Hưng, 1998). Ở rừng thông có 2 tầng VLC nên thường xuất hiện 2 loại cháy Nghiên cứu về vật liệu cháy ở rừng thông Vật liệu cháy theo nghĩa rộng là tất cả vật chất hữu cơ ở trong rừng có thể bắt lửa và bốc cháy bao gồm: thảm mục, cành lá, hoa quả rơi rụng, cỏ, cây bụi thảm tươi, rễ cây, vỏ cây, nhựa cây, gốc cây cây chết đứng, cây bị chết khô, than bùn ….

phân bố trong đất hay trên mặt đất (Phạm Ngọc Hưng, 1988; Bế Minh Châu, 2001). Vật liệu cháy là một trong 3 yếu tố quan trọng quyết định sự hình thành và phát triển của một đám cháy (VLC, oxy, nguồn nhiệt). Nếu VLC càng nhiều, độ ẩm của VLC càng thấp khả năng bắt lửa càng nhanh, mức độ quy mô đám cháy càng lớn thì tác hại cháy rừng càng nghiêm trọng. Nếu khối lượng VLC trong rừng chỉ kể những phần thực vật đã bọ khô nỏ thì chúng luôn biến động theo không gian và thời gian.

Về không gian được quy định bởi vĩ độ, địa lý, địa hình và các yếu tố sinh thái kèm theo như (đất đai khí hậu…). Về thời gian phụ thuộc vào tuổi các lâm phần thông và mùa vụ trong năm. Tuổi cây càng cao thì tỷ lệ chất khô càng nhiều (Nguyễn Văn Trương, 1983; Nguyễn Văn Viễn, 1982). Theo nghiên cứu của Phạm Ngọc Hưng (1988) phân chia vật liệu cháy ở rừng thông nhựa như sau: Vật liệu cháy ở rừng thông non: Rừng thông non là rừng trồng từ 1-7 tuổi, đặc điểm giai đoạn thông non rừng chưa khép tán ánh sáng nhiều nên các loại cây dưới tán rừng chịu chua, hạn mọc rất nhanh: như Ràng ràng; sim, mua, lau, chít, chè vè, cỏ tranh… Lớp thảm tươi có độ cao 0,8-1,2 m.

Mùa Xuân và mùa hè mưa nhiều mọc rất xanh tốt. Sang các tháng mùa khô hanh (tháng 10 đến tháng 3 năm sau) lượng mưa rất thấp, lượng bốc hơi nước cao đây là thời kỳ khô hạn kéo dài. Cả lớp thảm tươi bị khô héo và chết vàng úa tạo lên nguồn VLC rừng mặt đất lớn và dễ bắt cháy. Cây thông giai đoạn này còn non yếu, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 7 thấp nên khi xuất hiện cháy thường cả khu rừng thường bị chết từ 70-100% (Phạm Ngọc Hưng, 1982).

Vật liệu cháy ở rừng thông trung niên: Đây là giai đoạn rừng khép tán có tuổi từ 8-15 tuổi rừng đã được chặt tỉa thưa, loại trừ cây cong keo, sâu bệnh, cây thông cũng bắt đầu tự tỉa thưa đào thải các cành khô lá rụng (Phùng Ngọc Lan, 1985; Phạm Ngọc Hưng, 1982). Do tán rừng thưa ánh sáng vẫn lọt nhiều nên tầng cây bụi dưới tán rừng vẫn còn rậm rạp. Về mua khô tầng cây cỏ, cây bụi cao 0,8-1,2 m gồm: Ràng ràng, guột, tế, sim, mua… bị khô héo chết đi cùng với cành khô lá rụng tạo ra lớp VLCR trên mặt đất gấp 1-1,5 lần so với giai đoạn rừng non. Cây rừng lại cao hơn nên khi cháy mặt đất, thân cây thông thường bị cháy xém ở độ cao 3-4m, một phần tán lá bị cháy táp, bình quân 30% số cây bị chết.

Vật liệu cháy ở rừng thông thành thục: Loại rừng thông này có tuổi từ 16 trở đi chiều cao trung bình 12m, đường kính trung bình khoảng 25 cm, lớp thảm tươi gồm ràng ràng, sim, mua, cỏ dại cao 0,6-1,0 m. Giai đoạn này cây tự tỉa thưa cành, lá nhiều hơn, VLCR ở giai đoạn này nhiều hơn giai đoạn rừng non và rừng trung niên. Tác động của lửa rừng khi xuất hiện cháy trên mặt đất cây thường bị cháy táp, cây rừng bị cháy xém cả lớp vỏ khô ở ngoài nên chưa chết hẳn. Nhưng nó gây tác hại lớn đến sản lượng, sinh trưởng và phát triển của cây vài năm sau rừng thông mới phục hồi được.

Về khả năng và mức độ bắt lửa của VLC ở 3 loại rừng cũng rất khác nhau.