Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Môi trường đất và nước (mã số: 62.05) của nghiên cứu sinh Nguyễn Viết Khoa, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội (năm 2011), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Võ Đại Hải, tập trung giải quyết bài toán định lượng chức năng môi trường của rừng trồng thông qua đề tài: "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".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) là dạng cây lai tự nhiên giữa Keo tai tượng và Keo lá tràm, sở hữu đặc tính sinh trưởng nhanh, biên độ thích nghi rộng, khả năng chống chịu khô hạn và sinh trưởng tốt trên các lập địa nghèo dinh dưỡng. Tại Việt Nam, Keo lai đã được đưa vào cơ cấu cây trồng rừng sản xuất chính theo Quyết định số 16/2005/QĐ-BNN ngày 15/3/2005 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn trên 9 vùng sinh thái lâm nghiệp, với quy mô canh tác lên tới hàng chục nghìn hecta tại hơn 25 tỉnh, thành phố.

Trước sức ép cạn kiệt tài nguyên rừng tự nhiên và nhu cầu gỗ nguyên liệu phục vụ công nghiệp chế biến, việc phát triển các loài cây sinh trưởng nhanh nhập nội có năng suất cao là một đòi hỏi thực tế. Đồng thời, dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng phát thải khí nhà kính (chủ yếu là CO2), cộng đồng quốc tế đã thông qua Công ước khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC) và Nghị định thư Kyoto (12/1997) với Cơ chế phát triển sạch (CDM). Cơ chế này tạo điều kiện cho ngành lâm nghiệp thương mại hóa lượng carbon tích lũy từ hệ sinh thái rừng. Ở cấp độ quốc gia, Chính phủ Việt Nam đã ban hành Nghị định số 48/2007/NĐ-CP ngày 28/3/2007 quy định nguyên tắc và phương pháp định giá các loại rừng, cùng Quyết định số 380/QĐ-TTg ngày 10/4/2008 về việc triển khai thí điểm chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: các nghiên cứu về định lượng carbon và đánh giá tác động môi trường đất của rừng trên thế giới cũng như tại Việt Nam còn phân tán, thiếu tính hệ thống và thiếu dữ liệu cơ bản. Giá trị sinh thái của rừng trồng Keo lai chưa được tính toán đầy đủ trong hệ thống hạch toán tài khoản lâm nghiệp quốc gia; đồng thời thiếu các công cụ tra cứu thực hành để xác định nhanh trữ lượng CO2 hấp thụ phục vụ cơ chế chi trả dịch vụ môi trường và thương mại carbon.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

  1. Xác định 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 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 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 (Acacia mangium x Acacia auriculiformis) thuần loài, đều tuổi và môi trường đất dưới tán rừng trồng Keo lai.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại hai địa bàn đại diện thuộc khu vực miền núi phía Bắc:
    • Huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình (tại xã Lâm Sơn): Rừng trồng trên đất trống đồi trọc và đất sau nương rẫy, chu kỳ kinh doanh thứ nhất (7 năm, bắt đầu trồng từ năm 2004), mật độ ban đầu 1.660 cây/ha, mật độ thời điểm điều tra từ 1.300 đến 1.600 cây/ha, trữ lượng gỗ tuổi 7 đạt 100 - 130 m3/ha.
    • Huyện Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ (khảo sát trên địa bàn 8 xã: Đoan Hùng, Ngọc Quan, Tây Cốc, Bằng Doãn, Ca Đình, Bằng Luân, Minh Lương, Phương Trung): Rừng trồng nguyên liệu giấy cung cấp cho Công ty Giấy Bãi Bằng trên đất đã qua một vài chu kỳ canh tác keo, bạch đàn; mật độ ban đầu 1.660 cây/ha, mật độ thực tế 1.300 - 1.600 cây/ha, trữ lượng gỗ tuổi 7 đạt 110 - 140 m3/ha.
  • Phạm vi thời gian và cấp tuổi: Luận án tập trung nghiên cứu trên các lâm phần Keo lai từ 1 đến 7 tuổi (giai đoạn trồng phổ biến từ năm 2003 - 2004 đến thời điểm nghiên cứu).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã tổng thuật các hướng nghiên cứu quốc tế liên quan đến đề tài:

  • Nghiên cứu về Keo lai: Giống lai tự nhiên giữa A. mangium và A. auriculiformis được Messrs Herburn và Shim phát hiện lần đầu năm 1972 tại bang Sabah (Malaysia), được Tham (1976) và Pedgley (1978) giám định hình thái thực vật. Các ghi nhận tiếp theo tại Papua New Guinea bởi Turnbull (1986), Gun và cộng sự (1987), Griffin (1988); tại Malaysia bởi Rufelds (1987), Darus và Rasip (1989); tại Thái Lan bởi Kijkkar (1992); tại Indonesia bởi Umboh và cộng sự (1993); tại Đài Loan bởi Kiang Tao và cộng sự (1988). Các đặc tính ưu thế lai về sinh trưởng, độ thẳng thân và chất lượng sợi gỗ được khẳng định bởi Cyril Pinso và Nasi (1991), Pinyopusarerk (1990). Nghiên cứu lập địa của Cyrin (1977) chỉ ra yêu cầu sinh thái của Keo lai tương đồng với Keo tai tượng. Về nhân giống, Darus (1991) đã hoàn thiện quy trình vi nhân giống trên môi trường MS có bổ sung 0,5 mg/l BAP cho tỷ lệ ra rễ đạt 70%.
  • Nghiên cứu về sinh khối rừng: Các quy luật cơ bản khởi nguồn từ định luật tối thiểu của Liebig J. (1840), công trình tổng kết sinh khối của Riley G., bản đồ năng suất sinh học toàn cầu của Lieth H. (1964) trong khuôn khổ Chương trình Sinh học Quốc tế (IBP, 1964) và Con người và Sinh quyển (MAB, 1971). Cannell M. G. R. (1982) tổng hợp dữ liệu sinh khối từ 1.200 lâm phần tại 46 quốc gia. Lasco (2002) chỉ ra rừng che phủ 21% diện tích mặt đất nhưng chiếm 75% tổng sinh khối thực vật trên cạn. Phương pháp xác định sinh khối được phát triển đa dạng: phương pháp viễn thám vệ tinh; phương pháp trao đổi CO2 (Transean, 1926; Huber, 1952; Lemon, 1960 - 1987; Inoue, 1965 - 1968); phương pháp diệp lục (Aruga và Monsi, 1963); phương pháp thu hoạch và giải tích cây mẫu (Odum, 1971; Satoo, 1965; Whittaker, 1966, 1968; Newbould, 1967; Tritton và Hornbeck, 1982); phương pháp lấy mẫu rễ (Schurrman và Goedewagen, 1971; McKenzie và cộng sự, 2001); phương pháp đánh giá tầng cây bụi thảm tươi (Catchpole và Wheeler, 1992; Australian Greenhouse Office, 2002; Kurniatun và cộng sự, 2001).
  • Nghiên cứu về hấp thụ CO2 và thương mại carbon: Chu trình carbon toàn cầu lưu giữ khoảng 2,5 Tt C trong thực vật và đất (Brown, 1998; Adams và cộng sự, 1993; Hoen và Solberg, 1994; Plantinga và cộng sự, 1999). Nghiên cứu định lượng carbon tại Đông Nam Á được thực hiện bởi Murdiyarso D. (1995) tại Indonesia (161 - 300 tấn C/ha); Ika Heriansyah và Chairil (2005) so sánh Thông và Keo tai tượng trên đảo Java; Subarudi và cộng sự (2003) xây dựng hàm hồi quy carbon cho Keo tai tượng; Lasco R. (1999, 2003) tại Philippines và Thái Lan; Abu Bakar (2002) tại Malaysia. Các nghiên cứu định giá thương mại dịch vụ carbon rừng được Ngân hàng Thế giới (1998), Natasha và Ina (2002), Camille và Bruce (1994, 2003) thực hiện.
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến đất: Các công trình của Richards (1948, 1959), Chijoke (1980) dẫn chứng nghiên cứu của Ormand và Will về sự suy thoái đất sau khai thác Pinus radiata; Turvey (1978); Evans (1978) nghiên cứu chu kỳ luân canh Acacia; Tsertov (1974) ghi nhận sự thoái hóa đất khi chuyển đổi rừng tự nhiên sang trồng thuần loài một số loài cây bản địa.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Nghiên cứu về giống và lâm sinh Keo lai: Trung tâm Nghiên cứu Giống cây rừng (Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam) phát hiện Keo lai tự nhiên tại Ba Vì và Đông Nam Bộ. Lê Đình Khả và cộng sự (1993, 1995, 1997, 1999) đã tuyển chọn dòng vô tính, khảo nghiệm hậu thế và chứng minh Keo lai có tỷ trọng gỗ, dung lượng bột giấy vượt trội loài bố mẹ; đặc biệt nốt sần rễ cố định đạm giai đoạn 3 tháng tuổi cao gấp 2,4 - 13 lần về số lượng và gấp 4 - 11 lần về khối lượng khô so với bố mẹ. Lưu Bá Thịnh (vùng Đông Nam Bộ), Hà Huy Thịnh và cộng sự (2006 - 2008), Lê Quốc Huy và Nguyễn Minh Châu (ứng dụng vi khuẩn Rhizobium), Nguyễn Ngọc Tân và cộng sự (1997, vi nhân giống mô Keo lai) đã phát triển kỹ thuật nhân giống. Về mật độ và lập địa, Đỗ Đình Sâm và cộng sự (2001), Trần Quang Việt và cộng sự (2001), Nguyễn Huy Sơn (2004), Phạm Thế Dũng và cộng sự (2005) đề xuất mật độ 1.111 cây/ha cho mục tiêu gỗ lớn và 1.428 - 1.660 cây/ha cho gỗ nguyên liệu giấy. Viên Ngọc Nam và Hồng Nhật (2005) xác định sinh khối Keo lai tại phía Nam đạt 46,69 - 52,11 tấn/ha (tuổi 5) và 82,22 - 119,68 tấn/ha (tuổi 7).
  • Nghiên cứu sinh khối và hấp thụ CO2: Phương pháp lập ô tiêu chuẩn và giải tích cây mẫu được áp dụng bởi Võ Đại Hải (2007, nghiên cứu rừng Mỡ thuần loài), Ngô Đình Quế (2005), Vũ Tấn Phương (2006), Nguyễn Ngọc Lung và Nguyễn Tường Vân (2004, ứng dụng biểu sản lượng tính cho Thông ba lá), Vũ Tiến Hinh, Đào Công Khanh, Nguyễn Hoàng Trí (1986, rừng ngập mặn Cà Mau), Vũ Văn Thông (1998, Keo lá tràm tại Thái Nguyên), Hoàng Văn Dưỡng (2000), Đặng Trung Tấn (2001), Lê Hồng Phúc (1996), Nguyễn Văn Dũng (2005), Nguyễn Tuấn Dũng (2005), Lý Thu Quỳnh (2007), Phạm Tuấn Anh (2007), Đặng Thịnh Triều (2010, Thông mã vĩ và Thông nhựa), Phạm Ngọc Mậu (2007, Bạch đàn urô và Keo tai tượng tại Đoan Hùng và Đại Lải).
  • Nghiên cứu cải tạo đất và xói mòn: Nguyễn Ngọc Bình (1970), Ngô Đình Quế (1985, 2000), Hoàng Xuân Tý (1988, thoái hóa đất dưới rừng Bồ đề thuần loài), Nguyễn Đình Thành (1999), Thái Phiên và Nguyễn Tử Siêm (1991, xói mòn đất dốc), Thái Phiên và Nguyễn Huệ (1996), Huỳnh Đức Nhân (2000), Phạm Ngọc Mậu (2007, hoàn trả dinh dưỡng qua vật rơi rụng của Keo tai tượng và Bạch đàn).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù Keo lai được gây trồng rộng rãi, các công trình trước đây chủ yếu tập trung vào khảo nghiệm giống, kỹ thuật nhân giống mô - hom và năng suất gỗ thương phẩm. Luận án đi sâu giải quyết khoảng trống: thiết lập hệ thống thực nghiệm định lượng đồng bộ sinh khối, khả năng hấp thụ CO2 theo cấu trúc 4 cấp đất và 7 cấp tuổi; xây dựng hệ phương trình tương quan hồi quy và lập bảng tra trữ lượng CO2 tương đương; đồng thời phân tích định lượng đầy đủ các chỉ tiêu lý học, hóa học, sinh học đất và xói mòn đất dưới rừng trồng Keo lai thuần loài tại miền núi phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khái niệm cấp đất: Cấp đất (hay cấp năng suất) phản ánh mối quan hệ biện chứng giữa các yếu tố lập địa với sức sinh trưởng của lâm phần, được biểu thị qua tương quan giữa chiều cao tầng cây trội ($H_{dom}$) và tuổi cây ($A$). Đối với Keo lai, luận án chia làm 4 cấp đất: Cấp đất I (lập địa tốt nhất), Cấp đất II, Cấp đất III và Cấp đất IV (lập địa xấu nhất).
  • Khái niệm hấp thụ CO2: Khả năng hấp thụ CO2 của rừng là khả năng đồng hóa và thu giữ carbon từ khí quyển thông qua quang hợp để tích lũy thành sinh khối hữu cơ ở thực vật rừng và carbon hữu cơ trong đất.
  • Phân loại đất: Đất tại hai khu vực nghiên cứu (Hòa Bình và Phú Thọ) thuộc nhóm đất đỏ vàng biến đổi do canh tác trên đá sét và đá biến chất (Ferralic Acrisols), định danh theo hệ thống phân loại FAO-UNESCO-WRB là Endoferri Ferralic Acrisols (AFA). Đặc điểm phẫu diện:
    • Tầng 0 - 20 cm: Màu xám đến xám đen, tơi xốp, kết cấu viên hạt mịn, tập trung nhiều rễ cây nhỏ.
    • Tầng 20 - 50 cm: Màu xám nhạt, độ chặt tăng dần, lẫn rễ cây, chuyển lớp từ từ.
    • Tầng 50 - 80 cm: Màu nâu tươi đến vàng sáng, xuất hiện kết vôn nhỏ (10 - 20%) hoặc lẫn sỏi cuội (khoảng 50% tại Phú Thọ).

Phương pháp nghiên cứu thực địa

  • Hệ thống ô tiêu chuẩn (OTC):
    • Bố trí 48 OTC sơ cấp (diện tích mỗi OTC là 1.000 m2), chia đều cho 4 cấp đất (mỗi cấp đất 12 OTC) phân bổ qua các cấp tuổi từ 1 đến 7.
    • Trong mỗi OTC sơ cấp, thiết lập 5 ô thứ cấp diện tích 25 m2 ($5 \text{ m} \times 5 \text{ m}$) tại 4 góc và 1 ô ở trung tâm để điều tra tầng cây bụi, thảm tươi.
    • Tại tâm của mỗi ô thứ cấp, thiết lập 1 ô dạng bản diện tích 1 m2 ($1 \text{ m} \times 1 \text{ m}$) để thu thập và cân đo vật rơi rụng.
  • Xác định cấp đất thực địa:
    • Đo đếm toàn bộ đường kính ngang ngực ($D_{1,3}$) và chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) trong OTC.
    • Thiết lập phương trình tương quan: $H = a + b \cdot \ln(D_{1,3})$.
    • Tính đường kính tầng trội $D_{dom} = \sqrt{\frac{\sum D_i^2}{n}}$ của 20% số cây có đường kính lớn nhất trong lâm phần. Thay $D_{dom}$ vào phương trình tương quan để suy ra $H_{dom}$, sau đó tra biểu cấp đất Keo lai đều tuổi.
  • Phương pháp thu thập và xử lý sinh khối:
    • Chặt hạ 3 cây tiêu chuẩn trên mỗi OTC (tổng số 144 cây mẫu toàn nghiên cứu), chọn theo thể tích bình quân lâm phần ($V_{bq}$). Phân chia thành các bộ phận: thân cây, cành, lá, vỏ và rễ ($d > 2 \text{ mm}$). Cắt thân cây thành các lóng dài 1 m, lấy thớt mẫu dày 3 cm tại 3 vị trí (gốc, giữa thân, ngọn). Lấy mẫu cành (1 kg), lá (0,3 kg), rễ cọc và rễ bên (1 kg).
    • Thu gom toàn bộ sinh khối cây bụi thảm tươi trên 5 ô thứ cấp và vật rơi rụng trên ô dạng bản, cân khối lượng tươi tại hiện trường.
    • Tất cả các mẫu thực vật được sấy trong tủ sấy chuyên dụng ở nhiệt độ $105^\circ\text{C}$ trong vòng 1 - 2 ngày cho đến khi đạt khối lượng không đổi để tính tỷ lệ khối lượng khô kiệt ($DW$) so với khối lượng tươi ($FW$): $$MC (%) = \left[\frac{FW - DW}{FW}\right] \times 100$$

Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm

  • Hàm lượng Carbon thực vật và đất: Phân tích theo phương pháp Walkley-Black.
  • Trữ lượng carbon hữu cơ trong đất (SOC): $$\text{SOC (tấn/ha)} = D \times BD \times C%$$ Trong đó: $D$ là độ sâu tầng đất (cm), $BD$ là dung trọng đất ($g/\text{cm}^3$), $C%$ là hàm lượng carbon hữu cơ.
  • Các chỉ tiêu thổ nhưỡng:
    • Lý tính: Dung trọng ($D_{đất}$, phương pháp ống dung tích), độ xốp đất, thành phần cơ giới (phương pháp hút ống Robinson).
    • Hóa tính: Độ chua pHKCl (đo điện cực), sắt và nhôm di động, chất hữu cơ tổng số ($OM$, phương pháp Walkley-Black), đạm tổng số ($N%$, phương pháp Kjeldahl), lân tổng số ($P_2O_5 ts$, so màu sovonat), kali tổng số ($K_2O ts$, quang kế ngọn lửa), đạm thủy phân ($N_{tp}$), lân dễ tiêu ($P_2O_5 dt$, phương pháp Oniani), kali dễ tiêu ($K_2O dt$), dung tích hấp thu trao đổi cation ($CEC$), cation kiềm trao đổi ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$).
    • Sinh học: Xác định số lượng vi sinh vật tổng số (VSVTS) và vi sinh vật cố định đạm tự do (VSVCĐN) bằng phương pháp nuôi cấy đếm khuẩn lạc trên môi trường thạch dinh dưỡng chuyên dụng; chỉ số vệ sinh đất ($CSVS = N_{tp} / N_{hc}$).
    • Đo xói mòn đất: Phương pháp cắm cọc định vị đo lượng đất bóc mòn theo thời gian tại Lương Sơn, Hòa Bình.
  • Xử lý số liệu thống kê: Sử dụng phương pháp hồi quy tương quan đa biến; đánh giá độ tin cậy của phương trình bằng tiêu chuẩn Fisher ($Sig.F$) và kiểm định ý nghĩa của hệ số hồi quy bằng tiêu chuẩn Student ($Sig.Tb1$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về lập địa, cấp đất, cơ chế quang hợp tích lũy carbon và chức năng điều hòa môi trường của thảm thực vật rừng. Tác giả tổng quan chi tiết các thành tựu nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam về 4 mảng nội dung chính: đặc tính sinh học và giá trị sử dụng của Keo lai; phương pháp luận nghiên cứu sinh khối rừng; khả năng hấp thụ khí CO2 và thương mại hóa carbon; các tác động của rừng trồng đến tính chất lý, hóa, sinh học đất và xói mòn bề mặt.

Tác giả đưa vào tài liệu các thang đánh giá chất lượng đất quốc tế (mạng lưới quản lý đất dốc vùng nhiệt đới Đông Nam Á do FAO tài trợ, 2000) và thang tiêu chuẩn phân loại độ phì đất lâm nghiệp áp dụng tại Việt Nam:

Chỉ tiêu hóa học đất Đơn vị Rất nghèo Nghèo Trung bình Khá giàu Giàu
Chất hữu cơ ($OM$) % < 1,0 1,0 - 2,0 2,0 - 4,0 - > 4,0
Nitơ tổng số ($N$) % - < 0,08 0,08 - 0,15 0,15 - 0,20 > 0,20
Lân tổng số ($P_2O_5 ts$) % - < 0,06 0,06 - 0,10 - > 0,10
Kali tổng số ($K_2O ts$) % - < 0,80 0,80 - 2,00 - > 2,00
Nitơ thủy phân ($N_{tp}$) mg/100g - < 4,0 4,0 - 6,0 - > 6,0
Lân dễ tiêu ($P_2O_5 dt$) mg/100g - < 10,0 10,0 - 15,0 - > 15,0
Kali dễ tiêu ($K_2O dt$) mg/100g < 4,0 4,0 - 8,0 8,0 - 14,0 - > 14,0
pHKCl - < 4,0 (Rất chua) 4,0 - 4,5 (Chua nhiều) 4,5 - 5,0 (Chua) 5,0 - 5,5 (Chua ít) > 5,5 (Không chua)

Tác giả nhận định: phần lớn các nghiên cứu về đất rừng trước đây tại miền núi phía Bắc mới đánh giá biến động dinh dưỡng trên các loài cây bản địa (Mỡ, Bồ đề, Thông nhựa) hoặc cây trồng độc canh (Bạch đàn); các nghiên cứu thực nghiệm dài hạn đánh giá tác động của rừng trồng Keo lai thuần loài đến môi trường đất còn thiếu vắng dữ liệu định lượng.

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

Chương 2 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, lý lịch lập địa, nguồn gốc xuất xứ giống và lịch sử canh tác tại hai vùng nghiên cứu thực nghiệm là huyện Lương Sơn (Hòa Bình) và huyện Đoan Hùng (Phú Thọ). Toàn bộ quy trình điều tra dã ngoại, kỹ thuật chặt hạ giải tích 144 cây tiêu chuẩn, cách bố trí hệ thống 48 ô sơ cấp, 240 ô thứ cấp và 240 ô dạng bản được sơ đồ hóa và thuyết minh chuẩn mực. Chương này cũng chuẩn hóa các công thức giải tích thể tích thân cây ($V = G \cdot H \cdot f$), công thức quy đổi độ ẩm khối lượng khô kiệt, phương pháp chiết rút mẫu đất và thuật toán xử lý dữ liệu thống kê sinh học trên máy tính.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 là phần trọng tâm của luận án, tập hợp toàn bộ các kết quả định lượng được chia thành 4 cụm nội dung chính:

1. Sinh khối rừng Keo lai trồng thuần loài đều tuổi

  • Cấu trúc sinh khối cá thể: Kết quả giải tích xác định tỷ lệ phân bố sinh khối khô giữa các bộ phận cây cá thể Keo lai có tính quy luật: phần thân gỗ chiếm ưu thế tuyệt đối (trên 60%), tiếp đến là rễ, cành lá và vỏ cây. Tỷ lệ sinh khối khô dưới mặt đất (rễ) so với trên mặt đất dao động trong khoảng ổn định. Mối quan hệ giữa sinh khối khô ($P_{khô}$) và sinh khối tươi ($P_{tươi}$) tuân theo các hàm số toán học chặt chẽ.
  • Sinh khối tầng cây bụi thảm tươi và vật rơi rụng: Lượng tích lũy vật rơi rụng tăng dần theo cấp tuổi của rừng, đóng vai trò như lớp đệm sinh học bảo vệ bề mặt đất và tham gia hoàn trả vật chất hữu cơ.
  • Sinh khối toàn lâm phần: Tổng sinh khối khô toàn lâm phần ($P_{tlp}$) tăng mạnh từ tuổi 1 đến tuổi 7 và có sự phân hóa sâu sắc giữa 4 cấp đất: ở cùng một cấp tuổi, sinh khối trên cấp đất I cao vượt trội so với cấp đất IV.

2. Khả năng hấp thụ Carbon của rừng Keo lai thuần loài

  • Hàm lượng carbon: Kết quả phân tích phòng thí nghiệm xác định tỷ lệ carbon tích lũy trong các bộ phận thực vật Keo lai: thân gỗ và cành có hàm lượng C cao nhất, tiếp theo là rễ và lá.
  • Cấu trúc lượng carbon: Lượng carbon hấp thụ trên mặt đất ($C_2$) và dưới mặt đất ($C_1$) tương quan chặt với sinh khối của từng bộ phận. Tác giả xác định tương quan tuyến tính giữa tổng lượng carbon tích lũy trong cây với sinh khối khô và sinh khối tươi cá thể.
  • Lượng carbon tích lũy toàn lâm phần: Được lượng hóa chi tiết theo tuổi và cấp đất, hình thành cơ sở dữ liệu để tính toán lượng CO2 tương đương được cố định qua từng năm.

3. Tương quan sinh khối, carbon với các nhân tố điều tra và bảng tra CO2

Tác giả đã kiểm định và chọn lọc các phương trình hồi quy có hệ số tương quan cao ($R$), sai số tiêu chuẩn ($S$) thấp, mức ý nghĩa $Sig.F < 0,05$ và $Sig.Tb1 < 0,05$:

  • Quan hệ giữa sinh khối khô cây cá thể với các nhân tố điều tra cơ bản ($D_{1,3}, H_{vn}, D_{1,3}^2 H_{vn}$).
  • Quan hệ giữa tổng sinh khối lâm phần ($P_{tlp}$) và lượng carbon toàn lâm phần ($C_{tlp}$) với tuổi rừng ($A$), mật độ ($N$) và các chỉ tiêu tầng trội theo từng cấp đất.
  • Hệ thống bảng tra: Luận án đã xây dựng trọn bộ 10 bảng tra thực hành (từ Bảng 3.19 đến Bảng 3.28 trong nguyên bản), bao gồm:
    • Bảng tra sinh khối lâm phần Keo lai theo tuổi và mật độ cho cấp đất I, II, III, IV và bảng chung (Bảng 3.19 - 3.23).
    • Bảng tra trữ lượng CO2 tương đương trong thực vật lâm phần Keo lai thuần loài cho cấp đất I, II, III, IV và bảng chung (Bảng 3.24 - 3.28).

4. Khả năng cải tạo đất của rừng trồng Keo lai

Phân tích so sánh tính chất đất tại Đoan Hùng (tuổi 1, 3, 5) và Lương Sơn (tuổi 2, 4, 6) với đất đối chứng không canh tác (ĐC) cho thấy:

  • Độ chua và độc chất: Rừng Keo lai làm biến đổi tích cực trị số pHKCl, làm giảm rõ rệt hàm lượng ion sắt ($Fe^{3+}$) và nhôm ($Al^{3+}$) di động độc hại ở tầng đất mặt qua các năm canh tác.
  • Tính chất vật lý: Dung trọng đất ($D_{đất}$) tầng 0 - 20 cm giảm dần theo tuổi rừng (đất trở nên xốp hơn), độ xốp tầng mặt tăng rõ rệt so với đối chứng đất trống đồi trọc.
  • Hàm lượng hữu cơ và dinh dưỡng tổng số: Hàm lượng chất hữu cơ ($OM%$) và đạm tổng số ($N%$) tăng liên tục theo cấp tuổi rừng. Hàm lượng lân tổng số ($P_2O_5 ts$) và kali tổng số ($K_2O ts$) được duy trì và cải thiện nhờ lượng rơi rụng che phủ hàng năm.
  • Dinh dưỡng dễ tiêu: Hàm lượng đạm thủy phân ($N_{tp}$), lân dễ tiêu ($P_2O_5 dt$) và kali dễ tiêu ($K_2O dt$) tính bằng đơn vị mg/100g đất và quy đổi ra tấn/ha tầng đất mặt đều ghi nhận sự gia tăng vượt bậc so với đối chứng, đồng thời có sự phân hóa theo vị trí địa hình (chân đồi > sườn đồi > đỉnh đồi).
  • Đặc tính hấp phụ và hoạt tính sinh học: Dung tích hấp phụ trao đổi cation ($CEC$) cùng hàm lượng canxi, magie trao đổi ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) tăng dần. Số lượng vi sinh vật tổng số (VSVTS) và vi sinh vật cố định đạm tự do (VSVCĐN) ở tầng đất mặt tăng mạnh theo tuổi rừng.
  • Hạn chế xói mòn: Số liệu theo dõi lượng đất mất do xói mòn theo thời gian tại Lương Sơn (Hòa Bình) chứng minh rừng Keo lai khép tán có tác dụng giữ đất, cản dòng chảy tràn bề mặt, hạn chế suy thoái lớp đất mặt so với đất trống không có rừng che phủ.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Đã thiết lập được cơ sở khoa học định lượng về mối quan hệ giữa sinh khối tích lũy và lượng CO2 hấp thụ của rừng trồng Keo lai thuần loài với các nhân tố điều tra lâm phần cơ bản ($D_{1,3}, H_{vn}, A, N$) theo 4 cấp đất khác nhau.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống các phương trình hồi quy tương quan và lần đầu tiên lập bộ bảng tra sinh khối và lượng CO2 tương đương hấp thụ của lâm phần Keo lai thuần loài theo tuổi, mật độ và cấp đất tại khu vực miền núi phía Bắc.
  3. Làm sáng tỏ một cách toàn diện và có căn cứ thực nghiệm về tác dụng cải tạo độ phì nhiêu môi trường đất của rừng trồng Keo lai qua các cấp tuổi (cải thiện lý tính, hóa tính, hệ vi sinh vật đất và giảm thiểu xói mòn) so với đất trống thoái hóa.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ công cụ tra cứu thực hành (bảng tra CO2) giúp các nhà quản lý, cán bộ lâm nghiệp tính toán nhanh trữ lượng carbon và giá trị thương mại CO2 của rừng Keo lai mà không cần chặt hạ cây mẫu.
  2. Cung cấp luận cứ khoa học phục vụ công tác xây dựng chính sách định giá rừng theo Nghị định 48/2007/NĐ-CP và triển khai cơ chế chi trả dịch vụ môi trường rừng (hấp thụ và lưu giữ carbon) theo Quyết định 380/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.
  3. Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc quy hoạch sử dụng đất lâm nghiệp, lựa chọn loài cây phục hồi đất trống đồi trọc thoái hóa tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

Kiến nghị và đề xuất của tác giả

  • Cho phép áp dụng bộ bảng tra sinh khối và lượng CO2 hấp thụ vào thực tiễn quản lý, điều tra quy hoạch và lượng giá rừng Keo lai tại các tỉnh miền núi phía Bắc.
  • Khuyến nghị duy trì mô hình canh tác bền vững: hạn chế đốt dọn thực bì triệt để, giữ lại vật rơi rụng và thảm mục sau khai thác để duy trì chu trình dinh dưỡng và bảo vệ đất.
  • Tiếp tục nhân rộng mô hình trồng Keo lai để cải tạo đất đồi núi dốc bị thoái hóa rửa trôi mạnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Giới hạn cấp tuổi: Do các diện tích rừng trồng Keo lai tại Hòa Bình và Phú Thọ chủ yếu được gây trồng tập trung từ năm 2003 - 2004, đề tài mới chỉ đánh giá thực nghiệm được trên các cấp tuổi từ 1 đến 7 (chu kỳ kinh doanh gỗ nhỏ/nguyên liệu giấy), chưa có điều kiện khảo sát ở các cấp tuổi cao hơn cho mục tiêu kinh doanh gỗ lớn.
  2. Yếu tố mùa vụ của sinh khối: Sinh khối tầng cây bụi thảm tươi và vật rơi rụng có sự biến động lớn theo mùa sinh trưởng trong năm; tuy nhiên do giới hạn về thời gian và kinh phí, đề tài mới chỉ lấy mẫu định lượng tại một thời điểm nhất định, chưa phản ánh được đầy đủ động thái biến đổi theo các mùa khí hậu.
  3. Phạm vi địa lý: Mẫu nghiên cứu mới tập trung tại 2 tỉnh Hòa Bình và Phú Thọ, đại diện cho điều kiện lập địa miền núi phía Bắc, chưa mở rộng ra các vùng sinh thái lâm nghiệp khác như Bắc Trung Bộ, Duyên hải Nam Trung Bộ hay Đông Nam Bộ.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu động thái sinh khối và khả năng hấp thụ CO2 của Keo lai ở các cấp tuổi cao hơn (trên 7 tuổi đến 10 - 15 tuổi) nhằm phục vụ kinh doanh rừng gỗ lớn.
  • Bố trí các ô theo dõi định vị liên tục để đánh giá lượng rơi rụng và tốc độ phân giải chất hữu cơ theo từng tháng/mùa trong năm.
  • Nghiên cứu khả năng hấp thụ CO2 và cải tạo đất của Keo lai trong các mô hình rừng trồng hỗn giao (với các loài cây bản địa) so với mô hình trồng thuần loài.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Quỹ Bảo vệ và Phát triển rừng các cấp có thể tham khảo phương pháp và bộ số liệu để ban hành hướng dẫn kỹ thuật về chi trả dịch vụ hấp thụ carbon rừng; tính toán mức chi trả dịch vụ môi trường rừng cho các chủ rừng Keo lai.
  • Doanh nghiệp lâm nghiệp và chủ rừng: Các công ty lâm nghiệp, ban quản lý rừng phòng hộ/sản xuất, trang trại trồng rừng tại miền núi phía Bắc có công cụ tra cứu trực tiếp để dự báo năng suất sinh khối, trữ lượng gỗ và lượng CO2 tích lũy theo mật độ và tuổi rừng; từ đó xây dựng phương án quản lý rừng bền vững.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Luận án là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận nghiên cứu giải tích sinh khối thực vật rừng, phương pháp đánh giá phẫu diện và các chỉ tiêu lý học, hóa học, sinh học đất lâm nghiệp thuộc chuyên ngành Khoa học Môi trường, Lâm học và Quản lý Tài nguyên Thiên nhiên.

Các phần có giá trị tham khảo cao nhất

  1. Quy trình phương pháp luận điều tra dã ngoại: Kỹ thuật bố trí hệ thống ô sơ cấp (1.000 m2), ô thứ cấp (25 m2) và ô dạng bản (1 m2); phương pháp chặt hạ giải tích cây mẫu rễ và thân gỗ.
  2. Bộ bảng tra sinh khối và trữ lượng CO2 tương đương (Bảng 3.19 - 3.28): Cung cấp các số liệu định lượng chi tiết theo 4 cấp đất và bảng tổng hợp chung, có thể ứng dụng tính toán thực hành ngay trên thực địa.
  3. Bộ dữ liệu thực nghiệm về thổ nhưỡng: Hệ số biến thiên của các chỉ tiêu pH, OM, N, P, K dễ tiêu, dung trọng, xói mòn đất dưới rừng trồng qua các giai đoạn tuổi.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án phân chia cấp đất rừng trồng Keo lai dựa trên cơ sở khoa học và chỉ tiêu nào?

Tác giả phân chia cấp đất dựa trên mối quan hệ giữa sinh trưởng chiều cao tầng cây trội ($H_{dom}$) và tuổi lâm phần ($A$). Cụ thể: từ số liệu điều tra $D_{1,3}$ và $H_{vn}$ của lâm phần, tác giả lập phương trình tương quan dạng $H = a + b \cdot \ln(D_{1,3})$. Sau đó tính đường kính bình quân của 20% số cây lớn nhất lâm phần ($D_{dom} = \sqrt{\sum D_i^2 / n}$), thay vào phương trình để tìm $H_{dom}$. Đem giá trị $H_{dom}$ và tuổi rừng tra biểu cấp đất Keo lai để chia thành 4 cấp: Cấp I (lập địa tốt nhất), Cấp II, Cấp III và Cấp IV (lập địa xấu nhất).

2. Phương pháp bố trí ô tiêu chuẩn và thu thập mẫu sinh khối được thực hiện như thế nào?

Nghiên cứu lập tổng cộng 48 ô tiêu chuẩn sơ cấp diện tích 1.000 m2 (mỗi cấp đất 12 ô) phân bổ đều qua các cấp tuổi từ 1 đến 7. Trong mỗi ô sơ cấp lập 5 ô thứ cấp diện tích 25 m2 ($5 \text{ m} \times 5 \text{ m}$) ở 4 góc và tâm để cắt toàn bộ cây bụi thảm tươi (trên mặt đất và đào rễ). Tại tâm mỗi ô thứ cấp lập 1 ô dạng bản 1 m2 ($1 \text{ m} \times 1 \text{ m}$) để thu toàn bộ vật rơi rụng. Đối với tầng cây cao, mỗi ô sơ cấp chặt hạ 3 cây tiêu chuẩn (tổng số 144 cây toàn luận án), phân tách các bộ phận thân, cành, lá, vỏ và đào toàn bộ rễ có đường kính $> 2 \text{ mm}$, cân tươi tại chỗ và lấy mẫu sấy khô ở $105^\circ\text{C}$ đến khối lượng không đổi.

3. Công thức nào được sử dụng để xác định lượng carbon tích lũy trong đất?

Hàm lượng carbon hữu cơ trong mẫu đất được xác định bằng phương pháp Walkley-Black. Trữ lượng carbon hữu cơ trong đất (SOC) được tính theo công thức: $$\text{SOC (tấn/ha)} = D \times BD \times C%$$ Trong đó: $D$ là độ sâu tầng đất cần tính (cm), $BD$ là dung trọng thể tích của đất ($g/\text{cm}^3$), $C%$ là hàm lượng carbon hữu cơ phân tích được.

4. Khả năng cải tạo đất của rừng Keo lai được kiểm chứng qua những chỉ tiêu cụ thể nào?

Tác giả đánh giá toàn diện qua 4 nhóm chỉ tiêu:

  • Lý tính: Dung trọng ($D_{đất}$), độ xốp, thành phần cơ giới.
  • Hóa tính: Độ chua pHKCl, Fe và Al di động, chất hữu cơ tổng số ($OM$), đạm tổng số ($N$), lân tổng số ($P_2O_5 ts$), kali tổng số ($K_2O ts$), đạm thủy phân ($N_{tp}$), lân dễ tiêu ($P_2O_5 dt$), kali dễ tiêu ($K_2O dt$), dung tích hấp phụ trao đổi cation ($CEC$), hàm lượng $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ trao đổi.
  • Sinh học: Số lượng vi sinh vật tổng số (VSVTS), số lượng vi sinh vật cố định đạm tự do (VSVCĐN), chỉ số vệ sinh ($CSVS$).
  • Bảo vệ đất: Lượng đất bị bóc mòn mất đi do xói mòn bề mặt theo thời gian.

5. Những căn cứ pháp lý và chính sách nào khẳng định tính thời sự của việc định lượng carbon trong luận án?

Luận án căn cứ vào:

  • Nghị định thư Kyoto (12/1997) và Cơ chế phát triển sạch (CDM) trong khuôn khổ Công ước UNFCCC mà Việt Nam là thành viên.
  • Nghị định số 48/2007/NĐ-CP ngày 28/3/2007 của Chính phủ quy định nguyên tắc, phương pháp định giá các loại rừng.
  • Quyết định số 380/QĐ-TTg ngày 10/4/2008 của Thủ tướng Chính phủ về việc thực hiện thí điểm chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng.
  • Quyết định số 16/2005/QĐ-BNN ngày 15/3/2005 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về danh mục các loài cây trồng rừng sản xuất chính cho 9 vùng sinh thái.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Viết Khoa là một công trình khoa học thực nghiệm được thực hiện công phu, giải quyết trọn vẹn mục tiêu định lượng sinh khối, khả năng hấp thụ CO2 và tác động môi trường đất của rừng trồng Keo lai thuần loài giai đoạn từ 1 đến 7 tuổi tại hai tỉnh miền núi phía Bắc (Hòa Bình và Phú Thọ). Bằng việc kết hợp phương pháp chặt hạ giải tích cây mẫu trên 48 ô tiêu chuẩn với hệ thống phân tích hóa lý thổ nhưỡng chuẩn hóa, luận án đã xây dựng thành công bộ bảng tra sinh khối và trữ lượng CO2 tương đương theo 4 cấp đất và cấp tuổi. Kết quả nghiên cứu không chỉ làm sáng tỏ vai trò bồi dưỡng độ phì và bảo vệ đất của Keo lai, mà còn trực tiếp cung cấp cơ sở dữ liệu thực hành phục vụ công tác định giá rừng và thực thi chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng tại Việt Nam.