Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp thụ khí CO2 và cải tạo đất của rừng trồng Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) ở một số tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Viết Khoa, dưới sự hướng dẫn khoa học của người hướng dẫn khoa học Võ Đại Hải, bảo vệ tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (chuyên ngành Môi trường đất và nước, mã số: 62.05).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) là giống lai tự nhiên giữa Keo tai tượng và Keo lá tràm, có nguồn gốc từ Australia và được gây trồng rộng rãi tại Việt Nam với diện tích hàng chục ngàn hecta trên hơn 25 tỉnh, thành phố. Loài cây này được đưa vào danh mục cây trồng rừng sản xuất chủ yếu theo Quyết định 16/2005/QĐ-BNN ngày 15/3/2005 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Trước bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu gắn liền với sự gia tăng phát thải khí nhà kính (chủ yếu là CO2), Công ước khung của Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC) và Nghị định thư Kyoto (tháng 12/1997) với Cơ chế phát triển sạch (CDM) đã mở ra cơ hội thương mại hóa lượng carbon tích lũy từ hệ sinh thái rừng.

Tại Việt Nam, Chính phủ đã ban hành Nghị định 48/2007/NĐ-CP ngày 28/3/2007 quy định nguyên tắc và phương pháp định giá các loại rừng, cùng Quyết định 380/QĐ-TTg ngày 10/4/2008 về thí điểm chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu định lượng khả năng hấp thụ carbon và giá trị thương mại carbon của rừng ở Việt Nam thời điểm đó còn rất ít ỏi, tản mạn, thiếu tính hệ thống và thiếu dữ liệu cơ bản, dẫn đến việc giá trị sinh thái của rừng chưa được hạch toán đầy đủ trong hệ thống tài khoản lâm nghiệp quốc gia. Bên cạnh đó, các nghiên cứu chuyên sâu về khả năng cải tạo các tính chất lý, hóa, sinh học đất và hạn chế xói mòn của rừng trồng thuần loài Keo lai tại khu vực miền núi phía Bắc còn thiếu hụt dữ liệu thực nghiệm đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

  1. Xác định được sinh khối và khả năng hấp thụ CO2 của rừng trồng Keo lai thuần loài theo tuổi, mật độ và các nhân tố điều tra lâm phần tại một số tỉnh miền núi phía Bắc.
  2. Đề xuất được một số ứng dụng trong việc tra cứu, tính toán và dự báo sinh khối và lượng CO2 hấp thụ của rừng trồng Keo lai.
  3. Đánh giá được khả năng cải tạo đất của rừng trồng Keo lai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Rừng trồng Keo lai thuần loài, đều tuổi và đất dưới tán rừng trồng Keo lai.
  • Phạm vi không gian (địa điểm): Nghiên cứu thực địa được giới hạn tại hai tỉnh Hòa Bình và Phú Thọ. Tại Hòa Bình, khu vực khảo sát đặt tại xã Lâm Sơn, huyện Lương Sơn (đất trước khi trồng là đất trống đồi trọc hoặc đất sau khai thác Bồ đề, chu kỳ kinh doanh thứ nhất, mật độ trồng ban đầu 1.660 cây/ha, mật độ thực tế 1.300–1.600 cây/ha). Tại Phú Thọ, khu vực khảo sát đặt tại 8 xã thuộc huyện Đoan Hùng gồm Đoan Hùng, Ngọc Quan, Tây Cốc, Bằng Doãn, Ca Đình, Bằng Luân, Minh Lương, Phương Trung thuộc Công ty Lâm nghiệp Đoan Hùng (đất đã qua một vài chu kỳ trồng cây nguyên liệu giấy Keo, Bạch đàn; mật độ trồng ban đầu 1.660 cây/ha, mật độ thực tế 1.300–1.600 cây/ha). Cả hai khu vực đều phát triển trên loại đất đỏ vàng trên đá sét và đá biến chất (tên quốc tế: Ferralic Acrisols / Endoferri Ferralic Acrisols - AFA).
  • Phạm vi thời gian và tuổi rừng: Khảo sát các lâm phần Keo lai có độ tuổi từ 1 đến 7 tuổi (chu kỳ kinh doanh 7 năm, trồng từ năm 2003 trở lại).
  • Giới hạn lấy mẫu: Nghiên cứu sinh khối thực vật và đất được thu thập tại một thời điểm lấy mẫu, chưa có điều kiện khảo sát sự biến động sinh khối theo từng mùa trong năm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

  1. Nghiên cứu về Keo lai: Giống Keo lai tự nhiên được Messrs Herburn và Shim phát hiện lần đầu năm 1972 tại Sook Telupid (Sabah, Malaysia), được Tham (1976) và Pedgley (1978) xác nhận. Nhiều tác giả ghi nhận Keo lai tự nhiên tại Papua New Guinea (Turnbull, 1986; Gun và cs, 1987; Griffin, 1988), Sabah (Rufelds, 1987), Ulu Kukut (Darus và Rasip, 1989), Thái Lan (Kijkar, 1992), Đài Loan (Kiang Tao và cs, 1988). Các nghiên cứu về sinh trưởng và lâm sinh của Cyril Pinso (1991), Pinso và Nasi (1991), Pinyopusarerk (1990) chứng minh ưu thế lai rõ rệt về sinh trưởng, độ thẳng thân, đoạn thân dưới cành so với hai loài bố mẹ. Các nghiên cứu nhân giống invitro và hom được thực hiện bởi Griffin (1988), Darus (1991), Umboh và cs (1993). Yêu cầu lập địa được Cyrin (1977) nhận định tương đồng với Acacia mangium.
  2. Nghiên cứu sinh khối rừng: Khung lý thuyết xuất phát từ định luật tối thiểu của Liebig J. (1840), bản đồ năng suất của Lieth H. (1964), các chương trình IBP (1964) và MAB (1971), số liệu tổng hợp của Dajoz (1971), Canell M. (1982), Lasco (2002). Các phương pháp xác định sinh khối bao gồm: phương pháp viễn thám (P. Duyvndeaud, 1971); phương pháp tốc độ đồng hóa CO2 (Trasnean, 1926; Huber, 1952; Monteith, 1960–1962; Lemon, 1960–1987; Inone, 1965–1968); phương pháp Chlorophyll (Aruga và Maidi, 1963); phương pháp thu hoạch và cây mẫu của Odum E.P. (1971), Newbould P.J. (1967); phương pháp hàm toán học tương quan kích thước cây (Whittaker, 1966; Tritton và Hornbeck, 1982; Smith và Brand, 1983; Grier và cs, 1989; Reichel, 1991; Burton V. Barner và cs, 1998); phương pháp lấy mẫu tầng cây bụi thảm tươi (Catchpole và Wheeler, 1992; Australian Greenhouse Office, 2002; Kurniatun và cs, 2001).
  3. Nghiên cứu khả năng hấp thụ CO2 của rừng: Các tính toán chu trình carbon toàn cầu (Adams và cs, 1993, 1999; Brown, 1998; Mc Kenzie, 2001). Murdiyarso D. (1995) xác định lượng carbon rừng Indonesia đạt 161–300 tấn C/ha. Ika Heriansyah và Chairil (2005) so sánh khả năng hấp thụ CO2 tại Java giữa Thông (22,09 tấn CO2/ha/năm) và Keo tai tượng (18,59 tấn CO2/ha/năm). Noordwijk (2000) nghiên cứu rừng thứ sinh đạt 2,5 tấn C/ha/năm (biến động 0,5–12,5 tấn C/ha/năm). Subarudi và cs (2003) xây dựng phương trình lượng carbon trong sinh khối Keo tai tượng: $C = 0{,}20 \times Vt^{0{,}75}$. Lasco R. (1999, 2003) tại Philippines và Thái Lan ghi nhận carbon sinh khối trên mặt đất dao động từ 72 đến 201 tấn C/ha. Giá trị thương mại carbon được định lượng trong báo cáo của Ngân hàng Thế giới (1998), Natasha và Ina (2002), Camille và Bruce (1994, 2003).
  4. Nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến đất: Richard (1948, 1959), Chijoke (1980) dẫn Ormand và Will về suy thoái đất sau khai thác luân kỳ ngắn Pinus radiata; Turvey (1978); Trertov (1974) về suy thoái lý tính và hữu cơ khi chuyển rừng tự nhiên sang Mỡ, Bồ đề, Luồng. Trái lại, Evan (1978) chứng minh rừng Acacia duy trì được năng suất qua các chu kỳ.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  1. Nghiên cứu Keo lai: Phát hiện tại Ba Vì và Đông Nam Bộ bởi Trung tâm Nghiên cứu Giống cây rừng; Lê Đình Khả và cộng sự (1993, 1995, 1997, 1999) khảo nghiệm dòng vô tính, đánh giá tỷ trọng gỗ (cao hơn Keo tai tượng 13,2–23,5%), hiệu suất bột giấy, nốt sần rễ cố định đạm (gấp 2,4–13 lần loài bố mẹ); Lưu Bá Thịnh (khảo nghiệm hậu thế); Hà Huy Thịnh và cs (2006–2008); Lê Quốc Huy và Nguyễn Minh Châu (ứng dụng Rhizobium); Nguyễn Ngọc Tân và cs (1997, nhân giống invitro trên môi trường MS + BAP 2 mg/l, giâm hom với IBA, ABT ra rễ >70%). Các nghiên cứu lập địa, mật độ và bón phân của Trần Quang Việt và cs (2001), Đỗ Đình Sâm và cs (2001), Nguyễn Huy Sơn (2004), Phạm Thế Dũng và cs (2005). Viên Ngọc Nam và Hồng Nhật (2005) xác định sinh khối Keo lai tại miền Nam bằng phương trình tuyến tính $\log(W) = \log(a) + b \log(D_{1{,}3})$.
  2. Nghiên cứu sinh khối và hấp thụ CO2: Phương pháp cây tiêu chuẩn trong ô tiêu chuẩn được áp dụng bởi Võ Đại Hải (2007, 2009), Ngô Đình Quế (2005), Vũ Tấn Phương (2006). Phương pháp biểu sản lượng và mô hình sinh trưởng của Nguyễn Ngọc Lung và Nguyễn Tường Vân (2004), Vũ Tiến Hinh, Đào Công Khanh, Đặng Thịnh Triều (2010). Các nghiên cứu cụ thể trên từng loài: Nguyễn Hoàng Trí (1986, rừng Đước); Vũ Văn Thông (1998, Keo lá tràm Thái Nguyên); Hoàng Văn Dưỡng (2000, Keo lá tràm); Đặng Trung Tấn (2001, Đước Cà Mau đạt sinh khối khô 327 m3/ha, tăng trưởng 9 m3/ha/năm); Lê Hồng Phúc (1996, Thông ba lá); Nguyễn Tuấn Dũng (2005, Núi Luốt); Võ Đại Hải (2007, rừng Mỡ); Nguyễn Duy Kiên (2007, Keo tai tượng Tuyên Quang); Lý Thu Quỳnh (2007, rừng Mỡ); Phạm Tuấn Anh (2007, rừng tự nhiên Đắk Nông); Hoàng Xuân Tý (2004); Đặng Thịnh Triều (2010, Thông mã vĩ và Thông nhựa); Phạm Ngọc Mậu (2007, Bạch đàn uro và Keo tai tượng tại Đoan Hùng và Đại Lải).
  3. Nghiên cứu cải tạo đất: Tiêu chuẩn hóa quốc tế của Mạng lưới quản lý đất dốc vùng nhiệt đới Đông Nam Á/FAO (2000, 2001); thang đánh giá hóa học, lý học, sinh học đất tại Việt Nam; các nghiên cứu xói mòn của Thái Phiên và Nguyễn Huệ (1996), Thái Phiên và Nguyễn Tử Siêm (1991), Hoàng Xuân Tý, Huỳnh Đức Nhân (2000); biến động độ phì dưới tán rừng của Nguyễn Ngọc Bình (1970), Ngô Đình Quế (1985, 2000), Hoàng Xuân Tý (1988), Nguyễn Đình Thành (1999), Lê Đình Khả và cs (1999), Phạm Ngọc Mậu (2007).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù Keo lai được trồng với quy mô rất lớn, các công trình trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào chọn tạo giống, khảo nghiệm sinh trưởng và kỹ thuật lâm sinh thông thường. Chưa có công trình nào đánh giá một cách toàn diện, định lượng và có hệ thống về:

  • Cấu trúc sinh khối (trên mặt đất, dưới mặt đất, cây bụi thảm tươi, vật rơi rụng) và hàm lượng carbon tích lũy của Keo lai phân theo 4 cấp đất và chuỗi tuổi 1–7 tuổi.
  • Xây dựng mô hình toán học tương quan giữa sinh khối, lượng carbon/CO2 với các nhân tố điều tra cơ bản ($D_{1{,}3}, H_{vn}, A, N$) và thiết lập bảng tra lượng CO2 hấp thụ phục vụ chi trả dịch vụ môi trường rừng.
  • Đánh giá tổng hợp động thái cải tạo tính chất lý học, hóa học, sinh học của đất và khả năng giảm thiểu xói mòn của rừng Keo lai qua các độ tuổi so với đất trống không canh tác tại vùng miền núi phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Cấp đất (cấp năng suất): Phản ánh điều kiện lập địa nơi trồng ảnh hưởng tới năng suất rừng, thể hiện mối quan hệ giữa yếu tố lập địa với sinh trưởng lâm phần thông qua chỉ tiêu chiều cao bình quân tầng cây trội ($H_{dom}$) ứng với tuổi ($A$) nhất định. Luận án kế thừa thang phân chia cấp đất rừng trồng Keo lai thành 4 cấp: cấp I (tốt nhất), cấp II, cấp III và cấp IV (xấu nhất).
  • Khả năng hấp thụ CO2 của rừng: Khả năng thu giữ carbon từ CO2 khí quyển để chuyển hóa và tích lũy trong cơ thể thực vật rừng (sinh khối thân, cành, lá, rễ, cây bụi, thảm tươi, vật rơi rụng) và đất rừng.
  • Tiêu chuẩn đánh giá đất: Sử dụng ngưỡng đánh giá tối thiểu của FAO (2000, 2001) đối với đất dốc nhiệt đới ($\text{pH}{\text{H}2\text{O}} < 4{,}5$; $\text{pH}{\text{KCl}} < 4{,}2$; $\text{C} < 1{,}5%$; $\text{P} < 200\text{ ppm}$; $\text{CEC} < 10\text{ meq}/100\text{g}$; $\text{K}^+{\text{dt}} < 0{,}2\text{ meq}/100\text{g}$; $\text{Ca}^{2+} < 0{,}5\text{ meq}/100\text{g}$) kết hợp thang phân loại độ phì hóa học đất lâm nghiệp Việt Nam và chỉ số vệ sinh sinh học ($\text{CSVS} = \text{Nitơ anbuin} / \text{Nitơ hữu cơ}$).

Phương pháp nghiên cứu thực địa và bố trí thí nghiệm

  1. Xác định cấp đất:
    • Lập phương trình tương quan chiều cao – đường kính của lâm phần: $H = a + b \ln(D_{1{,}3})$.
    • Tính đường kính bình quân 20% số cây lớn nhất trong ô ($D_{dom}$): $$D_{dom} = \sqrt{\frac{D_1^2 + D_2^2 + \dots + D_n^2}{n}}$$
    • Thay $D_{dom}$ vào phương trình $H/D$ để tính $H_{dom}$, sau đó tra biểu cấp đất rừng trồng Keo lai đều tuổi.
  2. Bố trí hệ thống ô tiêu chuẩn (ÔTC):
    • Bố trí 12 ÔTC cho mỗi cấp đất, tổng cộng 4 cấp đất là 48 ÔTC (ô sơ cấp), diện tích mỗi ô là $1.000\text{ m}^2$, rải đều từ tuổi 1 đến tuổi 7.
    • Trong mỗi ÔTC sơ cấp, lập 5 ô thứ cấp diện tích $25\text{ m}^2$ ($5\text{m} \times 5\text{m}$) gồm 4 ô ở 4 góc và 1 ô ở trung tâm để thu thập cây bụi thảm tươi.
    • Tại trung tâm mỗi ô thứ cấp, lập 1 ô dạng bản diện tích $1\text{ m}^2$ ($1\text{m} \times 1\text{m}$) để thu thập vật rơi rụng.
  3. Đo đếm lâm phần và xác định cây tiêu chuẩn:
    • Đo toàn bộ cây trong ÔTC: đường kính ngang ngực ($D_{1{,}3}$), chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$), đường kính tán ($D_{tán}$), chiều dài tán ($L_{tán}$).
    • Tính tiết diện ngang thân cây ($G_{1{,}3}$), thể tích thân cây ($V = G \cdot H \cdot f$). Cây có thể tích trung bình ($V_{bq}$) được chọn làm cây tiêu chuẩn.
  4. Phương pháp xác định sinh khối thực vật:
    • Mỗi ÔTC chặt hạ 3 cây tiêu chuẩn. Phân chia cây thành các bộ phận: thân, cành, lá. Đào toàn bộ hệ thống rễ có đường kính $> 2\text{ mm}$. Cân khối lượng tươi tại hiện trường ($Ptươi$).
    • Thân cây cắt thành các đoạn 1 m, giải tích thân cây và cưa 3 thớt mẫu dày 3 cm tại 3 vị trí (gốc, giữa thân, ngọn). Cành lấy 1 mẫu 1 kg tại vị trí giữa cành; lá trộn đều lấy 1 mẫu 0,3 kg; rễ lấy 1 mẫu rễ cọc và 1 mẫu rễ bên (1 kg/mẫu).
    • Tầng cây bụi thảm tươi: cắt toàn bộ phần trên mặt đất, đào rễ trong 5 ô thứ cấp, cân tươi, lấy mẫu 0,5 kg.
    • Tầng vật rơi rụng: thu gom toàn bộ trong 5 ô dạng bản ($1\text{ m}^2$), cân tươi, lấy mẫu 0,3 kg.
    • Mẫu thực vật được sấy tại phòng thí nghiệm ở nhiệt độ $105^\circ\text{C}$ trong vòng 1–2 ngày đến khối lượng không đổi để tính tỷ lệ sinh khối khô/tươi và suy ra sinh khối khô tuyệt đối ($Pkhô$). Độ ẩm tính theo: $\text{MC}(%) = [(\text{FW} - \text{DW}) / \text{FW}] \times 100$.
  5. Phương pháp phân tích Cacbon:
    • Hàm lượng Cacbon trong thực vật và mẫu đất được phân tích bằng phương pháp Walkley-Black.
    • Lượng carbon tích lũy: $\text{Hàm lượng C} = \text{TDM} \times \text{C}%$.
    • Trữ lượng carbon hữu cơ trong đất ($\text{SOC}$, tấn/ha) tính theo: $\text{SOC} = D \times \text{BD} \times \text{C}%$ (với $D$ là độ sâu tầng đất tính bằng cm, $\text{BD}$ là dung trọng tính bằng $\text{g/cm}^3$, $\text{C}%$ là phần trăm carbon).
  6. Phương pháp nghiên cứu môi trường đất:
    • So sánh đất rừng Keo lai giữa các cấp tuổi và đối chứng đất trống không canh tác (ĐC) có cùng điều kiện địa hình (độ dốc, hướng dốc):
      • Tại Lương Sơn (Hòa Bình): so sánh đất rừng Keo lai tuổi 2, 4, 6 với nhau và với đối chứng đất không canh tác tại thời điểm 2 tuổi (ĐC1) và 6 tuổi (ĐC2).
      • Tại Đoan Hùng (Phú Thọ): so sánh đất rừng Keo lai tuổi 1, 3, 5 với nhau và với đối chứng đất không canh tác tại thời điểm 1 tuổi (ĐC1) và 5 tuổi (ĐC2).
    • Lấy mẫu: Mỗi tuổi cây và đối chứng chọn 3 ô điển hình ở 3 vị trí sườn đồi (đỉnh, sườn, chân). Mỗi ô lấy mẫu tại 13 vị trí theo phương pháp đường chéo trên 3 tầng độ sâu: 0–20 cm, 20–50 cm, 50–80 cm. Tổng số 117 mẫu đất, trộn đều lấy 1,0 kg mẫu đại diện phân tích tại phòng thí nghiệm Bộ môn Khoa học Đất – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
    • Đào và mô tả phẫu diện đất ($1{,}2\text{m} \times 1{,}5\text{m}$, sâu 1,5–2,0 m hoặc chạm đá mẹ), phân chia các tầng phát sinh $A_1, A_2, A_3, B, C$.
    • Các chỉ tiêu phân tích gồm: $\text{pH}{\text{KCl}}$, hàm lượng Fe và Al di động, dung trọng, độ xốp, thành phần cơ giới, chất hữu cơ tổng số (OM), N tổng số, $P_2O_5$ tổng số, $K_2O$ tổng số, N thủy phân ($N{tp}$), $P_2O_5$ dễ tiêu, $K_2O$ dễ tiêu, CEC, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, vi sinh vật tổng số (VSVTS), vi sinh vật cố định đạm tự do (VSVCĐN) và lượng đất mất do xói mòn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này hệ thống hóa cơ sở lý luận và thực tiễn trong nước và quốc tế về 4 chủ đề chính: sinh vật học và gây trồng Keo lai; phương pháp luận nghiên cứu sinh khối rừng; cơ chế và định lượng khả năng hấp thụ CO2; tác động của hệ sinh thái rừng đến độ phì nhiêu và tính chất lý hóa học của đất.

Tác giả phân tích các ưu điểm vượt trội về sinh trưởng của giống Keo lai F1 so với các loài bố mẹ, tổng kết các mô hình tính toán sinh khối từ phương pháp gián tiếp qua viễn thám đến trực tiếp qua cây mẫu và hồi quy kích thước thân cây. Tác giả điểm lại các thang đo đánh giá chất lượng đất quốc tế (FAO) và tiêu chuẩn Việt Nam, nêu rõ thực trạng nghiên cứu trong nước trước năm 2010 mới chỉ dừng lại ở các khảo nghiệm lập địa hoặc một vài trạng thái rừng tự nhiên/rừng trồng khác mà chưa hình thành bộ dữ liệu định lượng đầy đủ về sinh khối, carbon và đất cho rừng trồng Keo lai miền núi phía Bắc.

Chương 2: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

(Tiêu đề tại trang 27: Chương 2: Đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu). Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, lịch sử sử dụng đất tại 2 vùng nghiên cứu: Lương Sơn (Hòa Bình) và Đoan Hùng (Phú Thọ). Cả hai vùng đều có địa hình đồi núi thấp, đất phát triển trên đá sét và đá biến chất thuộc nhóm đất đỏ vàng (Ferralic Acrisols), tầng đất từ trung bình đến dày.

Chương này trình bày toàn bộ quy trình thiết kế 48 ô tiêu chuẩn $1.000\text{ m}^2$ đại diện cho 4 cấp đất và 7 cấp tuổi, phương pháp lập ô thứ cấp ($25\text{ m}^2$) và ô dạng bản ($1\text{ m}^2$), kỹ thuật chặt hạ giải tích 3 cây mẫu/ô, thu hồi hệ thống rễ $> 2\text{ mm}$, phương pháp sấy khô xác định tỷ lệ chất khô, phương pháp chuẩn độ Walkley-Black phân tích carbon và thiết kế lấy mẫu đất phân tầng (0–20 cm, 20–50 cm, 50–80 cm) tại 3 vị trí địa hình (đỉnh, sườn, chân đồi).

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ các phát hiện thực nghiệm của luận án, được cấu trúc thành 4 nội dung lớn:

1. Sinh khối rừng Keo lai trồng thuần loài đều tuổi (Mục 3.1)

  • Sinh khối cây cá thể ($P$): Phân tích chi tiết sinh khối tươi và khô của các bộ phận thân, cành, lá, vỏ và rễ cây. Xác định tỷ lệ sinh khối khô so với sinh khối tươi ($DW/FW$) của từng thành phần (Bảng 3.4), thiết lập mối tương quan giữa sinh khối dưới mặt đất ($Pdmd$ hay $P_1$) và sinh khối trên mặt đất ($Ptmd$ hay $P_2$) qua Bảng 3.3. Tỷ trọng sinh khối thân gỗ luôn chiếm ưu thế tuyệt đối trong cấu trúc cây cá thể.
  • Sinh khối cây bụi thảm tươi (CBTT) và vật rơi rụng (VRR): Đo đạc sinh khối tích lũy dưới tán rừng Keo lai theo các cấp tuổi và cấp đất (Bảng 3.5), cho thấy sự biến động của thảm tươi và lượng vật rơi rụng tích lũy trên mặt đất qua các giai đoạn khép tán.
  • Tổng sinh khối toàn lâm phần ($Ptlp$): Xác định cấu trúc sinh khối khô lâm phần theo 4 cấp đất (cấp I đến cấp IV) và các cấp tuổi từ 1 đến 7 tuổi (Bảng 3.6 và Hình 3.4, 3.5), phản ánh quy luật tăng trưởng sinh khối nhanh ở giai đoạn 3–5 tuổi và đạt độ tích lũy cao ở tuổi 6–7.

2. Khả năng hấp thụ Carbon của rừng trồng Keo lai thuần loài (Mục 3.2)

  • Hàm lượng Carbon trong thực vật: Kết quả phân tích trong phòng thí nghiệm xác định tỷ lệ phần trăm carbon tích lũy trong các bộ phận thân, cành, lá, rễ của cây Keo lai (Bảng 3.7).
  • Lượng Carbon trong cây cá thể ($C$): Định lượng tổng lượng carbon hấp thụ và cấu trúc phân bố giữa phần trên mặt đất ($C_2$) và dưới mặt đất ($C_1$) theo cấp tuổi và cấp đất (Bảng 3.8, 3.9, 3.10; Hình 3.6, 3.7, 3.8). Thiết lập tương quan chặt chẽ giữa tổng carbon với sinh khối tươi ($Ptươi$) và sinh khối khô ($Pkhô$) qua Bảng 3.11, 3.12, 3.13.
  • Lượng Carbon toàn lâm phần: Tổng hợp trữ lượng carbon tích lũy trong toàn bộ hệ thực vật lâm phần Keo lai (Bảng 3.14 và Hình 3.9).

3. Mối quan hệ tương quan và xây dựng bảng tra lượng CO2 hấp thụ (Mục 3.3)

  • Thiết lập hệ thống phương trình hồi quy tương quan đa biến và đơn biến giữa sinh khối khô cây cá thể, sinh khối lâm phần, lượng carbon cây cá thể và lâm phần với các nhân tố điều tra cơ bản: đường kính ngang ngực ($D_{1{,}3}$), chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$), tuổi lâm phần ($A$), và mật độ cây ($N$) trên các cấp đất khác nhau (Bảng 3.15, 3.16, 3.17, 3.18). Độ tin cậy của các phương trình được kiểm định qua hệ số tương quan $R$, sai số tiêu chuẩn $S$, tiêu chuẩn Fisher ($Sig.F$) và Student ($Sig.Tb1$).
  • Hệ thống bảng tra: Xây dựng hoàn chỉnh 5 bảng tra sinh khối lâm phần Keo lai (Bảng 3.19 đến 3.23 cho cấp đất I, II, III, IV và bảng chung) và 5 bảng tra trữ lượng CO2 tương đương ($CO_{2td}$) của lâm phần Keo lai trồng thuần loài (Bảng 3.24 đến 3.28 cho cấp đất I, II, III, IV và bảng chung) theo biến số tuổi và mật độ lâm phần.

4. Khả năng cải tạo đất của rừng Keo lai (Mục 3.4)

Tác giả so sánh chi tiết các chỉ tiêu chất lượng môi trường đất qua các cấp tuổi (1, 3, 5 tuổi tại Đoan Hùng; 2, 4, 6 tuổi tại Lương Sơn) và đối chứng đất trống không canh tác tại 3 vị trí địa hình (đỉnh, sườn, chân đồi) và 3 tầng độ sâu (0–20 cm, 20–50 cm, 50–80 cm):

  • Tính chất lý học:
    • Dung trọng đất ($D_{đất}$): Giảm dần theo tuổi rừng ở tầng đất mặt (0–20 cm), chứng minh đất ngày càng tơi xốp hơn so với đối chứng (Bảng 3.33, 3.34; Hình 3.10, 3.11).
    • Độ xốp đất: Tăng rõ rệt qua các cấp tuổi rừng tại cả Đoan Hùng và Lương Sơn (Bảng 3.35, 3.36).
    • Thành phần cơ giới: Biến động tỷ lệ các cấp hạt cát, limon, sét qua các thời điểm khảo sát (Bảng 3.37, 3.38).
  • Tính chất hóa học:
    • Độ chua và độc chất: Diễn biến $\text{pH}_{\text{KCl}}$, hàm lượng sắt ($Fe$) và nhôm ($Al$) di động phân tầng (Bảng 3.32).
    • Chất hữu cơ tổng số (OM): Tăng trưởng mạnh theo tuổi rừng so với đối chứng đất trống, thể hiện rõ mức độ tích lũy mùn qua lớp vật rơi rụng phân hủy (Bảng 3.39, 3.40, 3.41, 3.42; Hình 3.12, 3.13).
    • Dinh dưỡng tổng số: Hàm lượng $N$ tổng số (Bảng 3.43, 3.44; Hình 3.14, 3.15), $P_2O_5$ tổng số (Bảng 3.45, 3.46; Hình 3.16, 3.17), $K_2O$ tổng số (Bảng 3.47, 3.48; Hình 3.18, 3.19).
    • Dinh dưỡng dễ tiêu: $N$ dễ tiêu ($N_{tp}$), $P_2O_5$ dễ tiêu, $K_2O$ dễ tiêu được tính toán chi tiết theo nồng độ (mg/100g đất) và quy đổi ra trữ lượng tuyệt đối (tấn/ha tầng mặt 0–20 cm) trung bình 3 vị trí đỉnh, sườn, chân đồi (Bảng 3.49 đến 3.57; Hình 3.20 đến 3.31).
    • Khả năng trao đổi cation: Dung tích hấp thu cation (CEC) và hàm lượng các cation kiềm trao đổi $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ đều tăng dần theo tuổi rừng (Bảng 3.58, 3.59).
  • Tính chất sinh học và bảo vệ đất:
    • Mật độ vi sinh vật: Số lượng vi sinh vật tổng số (VSVTS) và vi sinh vật cố định nitơ tự do (VSVCĐN) tầng đất mặt tăng vọt theo độ tuổi khép tán của rừng so với đất trống (Bảng 3.60, 3.61).
    • Hạn chế xói mòn: Đo đạc thực tế lượng đất mất do xói mòn tại Lương Sơn (Hòa Bình) cho thấy rừng Keo lai làm suy giảm mạnh lượng đất trôi rửa bề mặt theo thời gian (Bảng 3.62 và Hình 3.32).
Nhóm chỉ tiêu Danh mục bảng số liệu trong văn bản Nội dung phản ánh chính
Sinh khối thực vật Bảng 3.1 đến 3.6 Cấu trúc sinh khối trên/dưới mặt đất, tỷ lệ khô/tươi, thảm tươi, vật rơi rụng và sinh khối lâm phần theo 4 cấp đất và 7 cấp tuổi.
Cacbon và CO2 Bảng 3.7 đến 3.14 Tỷ lệ % C, cấu trúc phân bố C cá thể và lâm phần, tương quan giữa C với sinh khối tươi/khô.
Mô hình & Bảng tra Bảng 3.15 đến 3.28 Phương trình hồi quy tương quan; Bảng tra sinh khối và bảng tra trữ lượng CO2 tương đương theo cấp đất (I–IV và chung).
Lý tính đất & Xói mòn Bảng 3.33–3.38, 3.62 Dung trọng, độ xốp, thành phần cơ giới đất; diễn biến lượng đất xói mòn mất đi tại Hòa Bình.
Hóa tính & Độ phì Bảng 3.32, 3.39–3.59 pH, Fe-Al di động, OM, N-P-K tổng số, N-P-K dễ tiêu (mg/100g và tấn/ha tầng mặt), CEC, Ca2+, Mg2+.
Sinh học đất Bảng 3.60, 3.61 Số lượng vi sinh vật tổng số và vi sinh vật cố định đạm tự do tầng đất mặt tại Phú Thọ và Hòa Bình.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Xác định được một cách có hệ thống và toàn diện các số liệu định lượng về sinh khối khô, cấu trúc sinh khối (thân, cành, lá, vỏ, rễ, cây bụi thảm tươi, vật rơi rụng) và khả năng hấp thụ carbon/CO2 của rừng trồng thuần loài Keo lai theo chuỗi tuổi từ 1 đến 7 tuổi trên 4 cấp đất khác nhau tại khu vực miền núi phía Bắc.
  2. Thiết lập được các phương trình hồi quy tương quan toán học có độ tin cậy cao giữa sinh khối khô, lượng carbon hấp thụ của cây cá thể và toàn lâm phần với các nhân tố điều tra rừng dễ đo đếm ($D_{1{,}3}, H_{vn}, A, N$).
  3. Làm sáng tỏ cơ sở khoa học về tác động cải tạo đất của rừng Keo lai qua các cấp tuổi: chứng minh rừng Keo lai làm giảm dung trọng, tăng độ xốp, cải thiện căn bản hàm lượng chất hữu cơ (OM), đạm, lân, kali tổng số và dễ tiêu, nâng cao dung tích hấp thu CEC và mật độ vi sinh vật đất, đồng thời làm giảm lượng đất bị bào mòn xói mòn so với đất trống không canh tác.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống các bảng tra sinh khối và bảng tra trữ lượng CO2 hấp thụ tương đương của lâm phần Keo lai thuần loài theo tuổi và mật độ cho từng cấp đất (cấp I, II, III, IV) và bảng tra chung cho toàn vùng. Đây là công cụ thực nghiệm phục vụ việc tra cứu nhanh, dự báo và tính toán giá trị thương mại carbon của rừng trồng Keo lai.
  2. Cung cấp luận cứ thực tiễn phục vụ việc triển khai chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng theo Quyết định 380/QĐ-TTg và xác định giá trị môi trường của rừng theo Nghị định 48/2007/NĐ-CP của Chính phủ.
  3. Cung cấp căn cứ khoa học giúp các đơn vị lâm nghiệp lựa chọn lập địa phù hợp, xác định chu kỳ kinh doanh và đề xuất các biện pháp quản lý, bảo vệ đất lâm nghiệp bền vững tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

Kiến nghị của luận án

  • Ứng dụng hệ thống bảng tra sinh khối và CO2 đã xây dựng vào công tác điều tra, quy hoạch và lượng giá kinh tế môi trường rừng Keo lai.
  • Quản lý rừng trồng Keo lai theo phương thức lâm nghiệp bền vững, hạn chế đốt thực bì sau khai thác nhằm bảo vệ nguồn hữu cơ và dinh dưỡng đất đã được rừng cải tạo tích lũy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế do luận án tự nêu

  • Giới hạn chuỗi cấp tuổi: Do diện tích rừng Keo lai tại các khu vực nghiên cứu (Hòa Bình, Phú Thọ) phần lớn mới được trồng từ sau năm 2003, luận án chỉ khảo sát được các lâm phần trong chu kỳ kinh doanh thứ nhất từ 1 đến 7 tuổi, chưa theo dõi được các giai đoạn tuổi lớn hơn hoặc rừng ở chu kỳ kinh doanh thứ hai, thứ ba.
  • Thời điểm lấy mẫu sinh khối: Sinh khối tầng cây bụi thảm tươi, vật rơi rụng và quá trình rụng lá có tính chu kỳ theo mùa sinh trưởng; tuy nhiên do giới hạn điều kiện nghiên cứu, đề tài mới chỉ thu thập số liệu tại một thời điểm lấy mẫu đơn lẻ trong năm, chưa phản ánh được động thái biến đổi theo các mùa khác nhau.
  • Phạm vi không gian: Khảo sát thực địa mới tập trung tại 2 tỉnh đại diện thuộc vùng miền núi phía Bắc (Hòa Bình và Phú Thọ), chưa bao quát toàn bộ các vùng sinh thái gây trồng Keo lai khác trên phạm vi cả nước.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục mở rộng nghiên cứu sinh khối và khả năng hấp thụ CO2 của Keo lai ở các giai đoạn tuổi lớn hơn (kinh doanh gỗ lớn) và qua các chu kỳ kinh doanh luân canh liên tiếp.
  • Khảo sát biến động sinh khối thảm tươi, vật rơi rụng và động thái dinh dưỡng đất theo các mùa trong năm để hoàn thiện chu trình chuyển hóa vật chất dưới tán rừng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Lâm học, Quản lý tài nguyên rừng, Khoa học Môi trường và Thổ nhưỡng: Tham khảo quy trình phương pháp luận điều tra sinh khối kết hợp ô tiêu chuẩn sơ cấp ($1.000\text{ m}^2$), ô thứ cấp ($25\text{ m}^2$) và ô dạng bản ($1\text{ m}^2$); phương pháp giải tích cây tiêu chuẩn xác định sinh khối khô thân, cành, lá, rễ ($> 2\text{ mm}$); kỹ thuật phân tích phẫu diện đất theo 3 vị trí địa hình (đỉnh, sườn, chân) và 3 tầng phát sinh.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách (Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Tổng cục Lâm nghiệp, Quỹ Bảo vệ và Phát triển rừng): Sử dụng hệ thống bảng tra trữ lượng CO2 tương đương để tính toán hạn mức hấp thụ carbon, xây dựng khung giá chi trả dịch vụ môi trường rừng (PES) và tham gia các cơ chế thương mại carbon (CDM, tín chỉ carbon).
  • Các doanh nghiệp lâm nghiệp, công ty nguyên liệu giấy và chủ rừng: Tham khảo các phương trình tương quan và bảng tra sinh khối để ước tính sản lượng gỗ, đánh giá cấp đất lập địa và áp dụng các biện pháp canh tác duy trì độ phì đất lâu dài.

Câu hỏi thường gặp

1. Khái niệm "cấp đất" được luận án định nghĩa như thế nào và Keo lai được phân chia thành mấy cấp đất?

Theo luận án, cấp đất (hay cấp năng suất) phản ánh điều kiện lập địa nơi trồng tác động đến năng suất rừng, thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố lập địa với sinh trưởng thông qua chỉ tiêu chiều cao bình quân tầng cây trội ($H_{dom}$) ứng với tuổi ($A$) nhất định. Đối với rừng trồng Keo lai, luận án phân chia thành 4 cấp đất: cấp đất I là cấp tốt nhất, cấp đất IV là cấp xấu nhất.

2. Dung lượng mẫu thực địa để xác định sinh khối và lượng CO2 trong luận án được thiết kế như thế nào?

Luận án bố trí 48 ô tiêu chuẩn sơ cấp diện tích $1.000\text{ m}^2$ (mỗi cấp đất bố trí 12 ô, rải đều từ tuổi 1 đến tuổi 7). Trong mỗi ô sơ cấp lập 5 ô thứ cấp diện tích $25\text{ m}^2$ ($5\text{m} \times 5\text{m}$) để đo cây bụi thảm tươi, và tại tâm mỗi ô thứ cấp lập 1 ô dạng bản $1\text{ m}^2$ ($1\text{m} \times 1\text{m}$) để thu gom vật rơi rụng. Tại mỗi ô sơ cấp, tiến hành chặt hạ 3 cây tiêu chuẩn để giải tích sinh khối (tổng cộng 144 cây tiêu chuẩn).

3. Quy trình xử lý mẫu để xác định sinh khối khô các bộ phận cây cá thể được thực hiện ra sao?

Cây tiêu chuẩn sau khi hạ được cân tươi ngay tại hiện trường. Thân cây cắt đoạn 1 m, lấy 3 thớt mẫu dày 3 cm tại gốc, giữa và ngọn; cành lấy 1 mẫu 1 kg ở giữa cành; lá trộn đều lấy mẫu 0,3 kg; rễ đào toàn bộ rễ $> 2\text{ mm}$, lấy 1 mẫu rễ cọc và 1 mẫu rễ bên (1 kg/mẫu). Toàn bộ mẫu được đưa về phòng thí nghiệm sấy ở nhiệt độ $105^\circ\text{C}$ trong 1–2 ngày đến khối lượng không đổi để tính tỷ lệ khối lượng khô/tươi ($DW/FW$).

4. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích hàm lượng Carbon trong thực vật và đất?

Luận án sử dụng phương pháp chuẩn độ Walkley-Black để xác định hàm lượng phần trăm carbon (%C) trong các bộ phận thực vật và chất hữu cơ trong đất. Trữ lượng carbon hữu cơ của đất ($\text{SOC}$, tấn/ha) được tính toán dựa trên tích số của độ sâu tầng đất ($D$, cm), dung trọng đất ($\text{BD}$, $\text{g/cm}^3$) và hàm lượng %C.

5. Thiết kế lấy mẫu đất để đánh giá khả năng cải tạo đất của Keo lai được bố trí như thế nào?

Tại mỗi cấp tuổi rừng và mô hình đối chứng (đất trống không canh tác), tác giả bố trí 3 ô điển hình tại 3 vị trí địa hình: đỉnh đồi, sườn đồi và chân đồi. Tại mỗi ô, lấy mẫu ở 13 vị trí theo phương pháp đường chéo trên 3 tầng độ sâu: 0–20 cm, 20–50 cm và 50–80 cm (tổng cộng 117 mẫu đất). Mẫu được trộn đều lấy 1,0 kg đại diện để phân tích các chỉ tiêu lý, hóa và sinh học đất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Viết Khoa đã giải quyết đồng bộ và định lượng bài toán xác định sinh khối, khả năng hấp thụ CO2 và tác động cải tạo đất của rừng trồng thuần loài Keo lai tại tỉnh Hòa Bình và Phú Thọ qua các cấp tuổi từ 1 đến 7 tuổi trên 4 cấp đất lập địa. Thông qua hệ thống 48 ô tiêu chuẩn thực địa và 144 cây giải tích, tác giả đã xây dựng thành công các mô hình tương quan toán học và bộ bảng tra trữ lượng CO2 tương đương phục vụ trực tiếp cho việc lượng giá dịch vụ môi trường rừng và hạch toán tín chỉ carbon. Đồng thời, các phân tích phẫu diện đất chuyên sâu đã chứng minh khả năng cải thiện rõ rệt các tính chất lý học, tích lũy dinh dưỡng hữu cơ, nâng cao hoạt tính vi sinh vật và giảm thiểu xói mòn đất dưới tán rừng Keo lai.