Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng nồng độ khí nhà kính, đặc biệt là khí carbonic ($CO_2$), đang tác động trực tiếp đến cấu trúc và chức năng của các hệ sinh thái trên Trái Đất (IPCC, 2000). Trong chu trình carbon toàn cầu, hệ sinh thái rừng đóng vai trò trung tâm khi lưu giữ khoảng 80% trữ lượng carbon trên mặt đất và khoảng 40% trữ lượng carbon dưới mặt đất (IPCC, 2000). Nhằm thực hiện các cam kết quốc tế trong khuôn khổ Hiệp định khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu (UNFCCC, 1992) và Nghị định thư Kyoto (1997), việc kiểm kê, giám sát và định lượng chính xác sinh khối cũng như trữ lượng carbon của rừng là yêu cầu bắt buộc đối với các quốc gia thành viên.

Tại Việt Nam, nhu cầu điều tra sinh khối, dự trữ carbon và xây dựng cơ chế chi trả dịch vụ môi trường rừng (PFES) ngày càng trở nên cấp thiết (Phạm Minh Sang và Lưu Cảnh Trung, 2006; Bảo Huy, 2010). Tỉnh Ninh Thuận có tổng diện tích rừng tự nhiên là 133.101 ha, trong đó hai kiểu rừng kín thường xanh hơi khô nhiệt đới ($R_{kx}$) và rừng thưa nửa thường xanh hơi khô nhiệt đới ($R_{tr}$) chiếm diện tích chủ đạo với 94.635 ha, tập trung chủ yếu tại huyện Bác Ái (42.080 ha) và huyện Ninh Sơn (Cục Thống kê Ninh Thuận, 2012). Tuy nhiên, ngành lâm nghiệp địa phương vẫn thiếu hụt hệ thống số liệu định lượng và các mô hình thống kê phù hợp về trữ lượng sinh khối và carbon đối với hai kiểu rừng này, dẫn đến những khó khăn trong công tác quy hoạch lâm sinh và thực thi chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng. Luận án của nghiên cứu sinh Trịnh Minh Hoàng tập trung giải quyết khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm này tại khu vực Vườn quốc gia Phước Bình, tỉnh Ninh Thuận.

Mục tiêu tổng quát của luận án là ước lượng và đánh giá sinh khối và dự trữ carbon trên mặt đất đối với $R_{kx}$ và $R_{tr}$ nhằm làm cơ sở khoa học cho quản lý rừng, kỹ thuật lâm sinh, điều tra rừng và tính toán chi trả dịch vụ môi trường rừng ở tỉnh Ninh Thuận.

Mục tiêu cụ thể của luận án gồm 3 nội dung:

  1. Phân tích kết cấu loài cây gỗ và cấu trúc quần thụ để làm cơ sở cho việc chọn loài cây gỗ trong thu mẫu sinh khối và ước lượng nhanh sinh khối đối với $R_{kx}$ và $R_{tr}$.
  2. Xây dựng các hàm sinh khối trên mặt đất với những biến dự đoán thích hợp để làm cơ sở cho việc ước lượng sinh khối và dự trữ carbon trên mặt đất đối với cây gỗ và quần thụ thuộc $R_{kx}$ và $R_{tr}$.
  3. Xác định sinh khối và dự trữ carbon trên mặt đất đối với $R_{kx}$ và $R_{tr}$ để làm cơ sở cho quản lý rừng, kỹ thuật lâm sinh, điều tra rừng và tính toán chi trả dịch vụ môi trường rừng ở tỉnh Ninh Thuận.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cây gỗ và quần thụ thuộc hai kiểu thảm thực vật tự nhiên: Rừng kín thường xanh hơi khô nhiệt đới ($R_{kx}$) và Rừng thưa nửa thường xanh hơi khô nhiệt đới ($R_{tr}$).
  • Phạm vi không gian: Vườn quốc gia Phước Bình thuộc tỉnh Ninh Thuận (tọa độ địa lý từ 11°58'32" đến 12°10'00" vĩ độ Bắc; 108°41'00" đến 108°49'05" kinh độ Đông; đai độ cao đến 1.200 m so với mực nước biển; phát triển trên đất feralit đỏ vàng trên đá macma chua và trung tính).
  • Phạm vi nội dung: Giới hạn ở việc xác định sinh khối và dự trữ carbon trong bộ phận sinh khối trên mặt đất (AGB) của cây gỗ cá thể và lâm phần; không bao gồm sinh khối dưới mặt đất (rễ), thảm mục, cây chết và carbon hữu cơ trong đất.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu sinh khối rừng cho thấy phương pháp đo đạc thực nghiệm đã bắt đầu từ công trình của Ebermeyer (1876) tại Đức và phát triển mạnh mẽ qua Chương trình Sinh học Quốc tế (IBP, 1960) cùng các nghiên cứu ở thập niên 1980 (Satoo, 1982). Các công trình quốc tế đã phân lập năm phương pháp xác định sinh khối chính (Lowe và ctv, 2000; Jenkins và ctv, 2003; Jalkanen và ctv, 2005; Zianis và ctv, 2005; Houghton, 2005): cân đo trực tiếp trên ô mẫu; mô hình hóa bằng hàm thống kê sinh khối allometric; sử dụng số liệu điều tra rừng kết hợp hệ số chuyển đổi và mở rộng sinh khối ($BCEF$, $BEF$) hoặc tỷ lệ thành phần ($R_i$); phương pháp radar (Rignot và ctv, 1995); và phương pháp viễn thám kết hợp GIS (Drake và ctv, 2003; Ravindranath và Ostwald, 2008; Kuimi và ctv, 2012).

Về xây dựng phương trình allometric, các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển nhiều dạng hàm cho rừng nhiệt đới và ôn đới:

  • Zianis và ctv (2005) tổng hợp 607 hàm thể tích và sinh khối, chỉ ra rằng 280 hàm thực nghiệm sử dụng biến dự đoán duy nhất là đường kính ngang ngực ($D$), trong khi 200 hàm kết hợp cả $D$ và chiều cao vút ngọn ($H$).
  • Ketterings và ctv (2001) xây dựng hàm sinh khối cho rừng thứ sinh ở Sumatra (Indonesia) dựa trên biến $D$ và khối lượng thể tích gỗ ($\rho$), đồng thời biến đổi hàm lũy thừa để loại bỏ sai số khi đo biến $H$ trong điều kiện rừng nhiệt đới.
  • Chavé và ctv (2005) phát triển các mô hình tương quan sinh khối thân ($B_T$) đa biến từ $D$, $H$, $\rho$ và hệ số hình thân ($F$), đồng thời phân tích tính chất phân bố sai số theo lập địa.
  • Návar (2009) thống kê 82,6% các hàm sinh khối công bố trên thế giới ở dạng chuyển đổi logarit tuyến tính, 12,0% ở dạng phi tuyến tính và 5,4% ở dạng tuyến tính thuần túy.
  • Các công trình khác ở châu Á như Basuki và ctv (2009) tại Kalimantan (Indonesia); Chaiyo và ctv (2011), Terakunpisut và ctv (2007) sử dụng mô hình của Ogawa (1965) và Tsutsumi (1983) tại Thái Lan; Kenzo và ctv (2009) tại Malaysia; Lodhiyal (2003) tại Ấn Độ; Wang và ctv (2011) tại Trung Quốc.

Về phương pháp sử dụng hệ số mở rộng sinh khối ($BEF_i$) và tỷ lệ thành phần sinh khối ($R_i$):

  • IPCC (2000, 2003, 2004, 2006) ban hành khung hướng dẫn quốc tế về áp dụng $BEF$ và $BCEF$ từ dữ liệu trữ lượng gỗ ($V_T$, $M$) trong kiểm kê khí nhà kính lĩnh vực LULUCF/AFOLU.
  • Jenkins và ctv (2003) xây dựng hệ thống hàm tỷ lệ sinh khối thành phần ($R_i$) theo dạng hàm sigmoid dựa trên biến $D$ tại Hoa Kỳ.
  • Lehtonen và ctv (2004), Jalkanen và ctv (2005), Repola (2009) phát triển các hàm phi tuyến tính mô tả sự biến thiên của $BEF$ theo cấp tuổi ($A$) và cấp đường kính ($D$) tại Thụy Điển và Phần Lan.
  • Về tỷ lệ chuyển đổi carbon ($PC%$), Brown và ctv (1989), IPCC (2003, 2004) đưa ra khoảng dao động từ 44% đến 49% (trung bình 47%); Losi và ctv (2003) sử dụng 48%; Djomo và ctv (2011) xác định 46,53% qua phân tích CNS.

Tại Việt Nam, các mô hình thể tích thân cây đã được thiết lập bởi Đồng Sỹ Hiền (1974), Nguyễn Ngọc Lung và Đào Công Khanh (1999), Vũ Tiến Hinh (2005, 2012), Phạm Trọng Thịnh (2006). Các nghiên cứu sinh khối tập trung chủ yếu vào rừng trồng và một số trạng thái rừng đặc thù:

  • Lê Hồng Phúc (1995), Viên Ngọc Nam và Tôn Thiên An (2010) nghiên cứu rừng Thông ba lá (Pinus kesiya) tại Lâm Đồng.
  • Viên Ngọc Nam (1998) lập mô hình sinh khối rừng Đước (Rhizophora apiculata) tại Cần Giờ.
  • Võ Đại Hải (2008) nghiên cứu rừng trồng Keo lai; Phạm Xuân Quý (2010, 2012) nghiên cứu rừng Tràm (Melaleuca cajuputi) ở Tây Nam Bộ; Phạm Thế Dũng và Vũ Đình Hướng (2010) khảo sát sinh khối một số loài cây rừng tự nhiên.
  • Bảo Huy (2010), Bao Huy và ctv (2012) xây dựng các hàm tương quan sinh khối cho cây cá thể (dựa trên $D$, $H$, $V$) và lâm phần (dựa trên $N$, $G$) đối với rừng tự nhiên vùng Tây Nguyên.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trong nước trước đây tập trung vào rừng trồng hoặc rừng mưa nhiệt đới ẩm, chưa có hệ thống phương trình allometric, hệ số mở rộng sinh khối ($BEF_i$) và tỷ lệ thành phần sinh khối ($R_i$) được kiểm định riêng cho hệ sinh thái rừng tự nhiên vùng khô hạn và bán khô hạn Nam Trung Bộ. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng việc cung cấp bộ công cụ định lượng đồng bộ cho hai kiểu rừng đặc thù $R_{kx}$ và $R_{tr}$ tại tỉnh Ninh Thuận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án vận dụng hướng dẫn của Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC 2000, 2003, 2004, 2006) trong kiểm kê carbon rừng, tập trung vào bể carbon sinh khối trên mặt đất (AGB). Các khái niệm và đại lượng kỹ thuật được chuẩn hóa bao gồm:

  • Đường kính thân cây ngang ngực ($D$, cm tại vị trí 1,3 m), chiều cao vút ngọn ($H$, m), tiết diện ngang cá thể ($g$, $m^2$) và lâm phần ($G$, $m^2$/ha).
  • Thể tích thân cây ($V$ hoặc $V_T$, $m^3$) và trữ lượng lâm phần ($M$, $m^3$/ha).
  • Sinh khối tươi ($B_i(t)$) và sinh khối khô ($B_i$, kg hoặc tấn) của các bộ phận: thân ($B_T$), cành ($B_C$), lá ($B_L$), cành lá ($B_{CL}$) và tổng sinh khối trên mặt đất ($B_{To}$).
  • Hệ số điều chỉnh sinh khối khô ($BEF_i = B_i / V_T$, tấn/$m^3$) và tỷ lệ sinh khối thành phần so với thân ($R_i = B_i / B_T$).
  • Tỷ lệ carbon trong sinh khối khô ($PC% = 47%$) áp dụng theo tiêu chuẩn IPCC (2004) đối với cây gỗ nhiệt đới châu Á.

Phương pháp thu thập dữ liệu thực địa

  1. Phương pháp điều tra ô tiêu chuẩn (Plot inventory):
  • Thiết lập 35 ô mẫu định vị điển hình đại diện cho các trạng thái rừng thuộc hai kiểu rừng $R_{kx}$ và $R_{tr}$ tại Vườn quốc gia Phước Bình. Kích thước ô mẫu dao động từ 0,2 ha đến 1,0 ha (tổng diện tích điều tra phù hợp với hướng dẫn lâm học của Thái Văn Trừng, 1999 và Clark và ctv, 2001).
  • Trong từng ô mẫu, toàn bộ cây gỗ có đường kính $D \ge 8,0$ cm được đo đếm các chỉ tiêu sinh trắc ($D$, $H$, $D_T$, $L_T$, trạng thái sống) để xác định mật độ ($N$, cây/ha), tiết diện ngang ($G$, $m^2$/ha), trữ lượng ($M$, $m^3$/ha), tổ thành loài ($IVI%$) và phân bố cấu trúc $N/D$, $N/H$.
  1. Phương pháp thu thập cây mẫu sinh khối (Destructive sampling):
  • Chọn lựa tổng cộng 88 cây mẫu đại diện thuộc các loài ưu thế và đồng ưu thế tầng tán (47 cây ở $R_{kx}$ và 41 cây ở $R_{tr}$).
  • Tiến hành chặt hạ cây mẫu, phân chia thành các bộ phận riêng biệt: thân cây, cành, lá. Thân cây được cắt thành từng đoạn, cân xác định khối lượng tươi ($B_T(t)$) ngay tại hiện trường với độ chính xác 0,1 kg. Cành và lá được thu gom toàn bộ và cân xác định khối lượng tươi riêng biệt ($B_C(t)$, $B_L(t)$).
  • Rút mẫu ngẫu nhiên từ mỗi bộ phận (mẫu cành, lá khối lượng 0,5 – 1,0 kg; các thớt gỗ thân dày 3 – 5 cm ở các vị trí gốc, giữa thân và ngọn) để đưa về phòng thí nghiệm sấy khô ở nhiệt độ tiêu chuẩn nhằm xác định tỷ lệ chất khô, khối lượng thể tích gỗ và chuyển đổi toàn bộ khối lượng tươi sang khối lượng khô tuyệt đối ($B_i$).

Phương pháp phân tích và mô hình hóa thống kê

  1. Ước lượng tham số mô hình: Sử dụng thuật toán hồi quy phi tuyến tính (Non-linear regression) để ước lượng các tham số $a, b, c$ cho các phương trình sinh khối cây cá thể và lâm phần.
  2. Dạng phương trình kiểm định:
  • Dạng hàm lũy thừa (Power / Multiplicative function): $Y = a \cdot X^b$ hoặc $Y = a \cdot X_1^b \cdot X_2^c$
  • Dạng hàm Korsun – Strand: $Y = a \cdot \exp(b/X + c \cdot X)$ hoặc các dạng biến đổi tương đương.
  • Dạng hàm tỷ lệ và hệ số mở rộng: $BEF_i = (a + b/D)^2$, $BEF_i = a \cdot D^{-b}$, $R_i = a + b \cdot \ln(D)$, $R_i = a \cdot D^b$.
  1. Tiêu chuẩn đánh giá và lựa chọn mô hình: Mô hình tối ưu được lựa chọn dựa trên sự kết hợp của các tiêu chuẩn thống kê:
  • Tổng sai lệch bình phương nhỏ nhất ($SSR \to \min$).
  • Hệ số xác định cao nhất ($R^2 \to \max$).
  • Sai số chuẩn ước lượng ($S_e \to \min$).
  • Sai số tuyệt đối trung bình ($MAE$) và sai số tuyệt đối phần trăm trung bình ($MAPE$).

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu và Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vai trò của bể carbon rừng trong giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu theo các báo cáo IPCC (2000, 2003, 2004, 2006). Tác giả phân tích chi tiết ưu nhược điểm của 5 phương pháp định lượng sinh khối: phương pháp cân đo trực tiếp mang lại độ chính xác cao nhất nhưng phá hủy tài nguyên và tốn kém chi phí; phương pháp viễn thám/radar cho phạm vi rộng nhưng sai số lớn nếu thiếu dữ liệu mặt đất; phương pháp hàm allometric và hệ số chuyển đổi ($BEF$, $BCEF$, $R_i$) từ dữ liệu điều tra rừng là giải pháp phù hợp và kinh tế nhất cho quy mô vùng. Luận án phân tích 5 nguồn sai số trong ước lượng sinh khối rừng nhiệt đới theo Chavé và ctv (2005) và Sarmiento và ctv (2005) (chọn hàm, chọn mẫu cây, kích thước ô tiêu chuẩn, tính không thuần nhất của rừng và tỷ lệ rút mẫu), qua đó xác lập luận cứ cho việc lựa chọn dung lượng 35 ô mẫu và 88 cây mẫu thực nghiệm tại Ninh Thuận.

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

Chương này mô tả điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu tại Vườn quốc gia Phước Bình (Ninh Thuận), với chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa khô hạn đặc thù (mùa khô kéo dài 6 tháng, nhiệt độ trung bình 22,0°C, lượng mưa trung bình năm thấp, độ ẩm 80%). Chương 2 trình bày chi tiết quy trình bố trí 35 ô tiêu chuẩn (0,2 – 1,0 ha), phương pháp điều tra lâm học, kỹ thuật chặt hạ và cân đo 88 cây mẫu (47 cây ở $R_{kx}$, 41 cây ở $R_{tr}$), phương pháp xử lý mẫu phòng thí nghiệm để xác định sinh khối khô tuyệt đối, và toàn bộ hệ thống các hàm toán học thử nghiệm cùng các thuật toán hồi quy phi tuyến tính.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

1. Kết cấu loài cây gỗ và cấu trúc của $R_{kx}$ và $R_{tr}$

Phân tích từ 35 ô mẫu tiêu chuẩn cho thấy sự khác biệt rõ rệt về tổ thành và cấu trúc lâm phần giữa hai kiểu rừng qua các trạng thái diễn thế (IIB, IIIA1, IIIA2, IIIA3 đối với $R_{kx}$; IIB, IIIA1, IIIA2 đối với $R_{tr}$):

  • Tổ thành loài ($IVI%$): Rừng $R_{kx}$ có mức độ đa dạng loài cao hơn, ưu thế bởi các loài cây họ Dầu, họ Re, họ Dẻ; trong khi $R_{tr}$ ưu thế bởi các loài rụng lá hoặc nửa rụng lá chịu hạn.
  • Cấu trúc mật độ ($N$), tiết diện ngang ($G$) và trữ lượng ($M$): Tăng dần từ trạng thái phục hồi (IIB) đến các trạng thái rừng giàu (IIIA3).
  • Cấu trúc phân bố số cây theo cấp đường kính ($N/D$) và cấp chiều cao ($N/H$): Đều tuân theo quy luật giảm hoặc phân bố giảm lệch (Weibull / Meyer), phản ánh đặc trưng của quần xã rừng tự nhiên nhiệt đới tái sinh liên tục.

2. Xây dựng các hàm sinh khối đối với cây gỗ cá thể

Từ dữ liệu 88 cây mẫu chặt hạ, các phương trình tương quan sinh khối allometric tốt nhất được lựa chọn qua kiểm định $SSR_{\min}$ và $R^2$:

  • Đối với rừng kín thường xanh hơi khô ($R_{kx}$):
    • Tổng sinh khối trên mặt đất ($B_{To}$) và sinh khối thân ($B_T$): Hàm lũy thừa đơn biến theo đường kính ($D$) cho độ chính xác cao nhất: $B_{To} = a \cdot D^b$ và $B_T = a \cdot D^b$.
    • Sinh khối cành ($B_C$) và sinh khối lá ($B_L$): Hàm Korsun – Strand với biến dự đoán $D$ đạt độ phù hợp tối ưu so với các dạng hàm khác.
  • Đối với rừng thưa nửa thường xanh hơi khô ($R_{tr}$):
    • Toàn bộ các thành phần sinh khối trên mặt đất ($B_{To}$, $B_T$, $B_C$, $B_L$, $B_{CL}$) đều phù hợp nhất với hàm lũy thừa đơn biến theo đường kính: $B_i = a \cdot D^b$.
Bảng 1: Tổng hợp dạng hàm allometric tối ưu cho cây cá thể ở hai kiểu rừng
Kiểu rừng Thành phần sinh khối Dạng hàm tối ưu Biến số dự đoán Tiêu chuẩn lựa chọn
Rừng kín thường xanh ($R_{kx}$) Tổng sinh khối ($B_{To}$) Hàm lũy thừa ($Y = a \cdot D^b$) Đường kính $D$ $SSR_{\min}$, $R^2 \max$
Sinh khối thân ($B_T$) Hàm lũy thừa ($Y = a \cdot D^b$) Đường kính $D$ $SSR_{\min}$, $R^2 \max$
Sinh khối cành ($B_C$) Hàm Korsun – Strand Đường kính $D$ $SSR_{\min}$, $R^2 \max$
Sinh khối lá ($B_L$) Hàm Korsun – Strand Đường kính $D$ $SSR_{\min}$, $R^2 \max$
Rừng thưa ($R_{tr}$) Tất cả thành phần ($B_{To}, B_T, B_C, B_L, B_{CL}$) Hàm lũy thừa ($Y = a \cdot D^b$) Đường kính $D$ $SSR_{\min}$, $R^2 \max$

3. Quy luật biến thiên của hệ số điều chỉnh ($BEF_i$) và tỷ lệ thành phần ($R_i$)

  • Hệ số điều chỉnh sinh khối ($BEF_i$): Đối với cả $R_{kx}$ và $R_{tr}$, $BEF_i$ của các thành phần có xu hướng giảm phi tuyến khi đường kính ($D$) hoặc thể tích thân cây ($V$) gia tăng. Dạng phương trình thực nghiệm phù hợp nhất là: $$BEF_i = \left(a + \frac{b}{D}\right)^2 \quad \text{và} \quad BEF_i = a \cdot D^{-b}$$
  • Tỷ lệ sinh khối thành phần so với thân ($R_i$): Tỷ lệ tổng sinh khối ($R_{To} = B_{To}/B_T$) cũng như tỷ lệ cành lá ($R_{CL} = B_{CL}/B_T$) có xu hướng tăng dần theo sự gia tăng của cấp đường kính $D$, tuân theo các hàm: $$R_i = a + b \cdot \ln(D) \quad \text{và} \quad R_i = a \cdot D^b$$

4. Xây dựng hàm sinh khối cấp quần thụ từ số liệu điều tra rừng

Đối với quy mô lâm phần, tác giả đã thiết lập các mô hình dự đoán trực tiếp sinh khối từ các chỉ tiêu điều tra truyền thống. Kết quả kiểm định khẳng định:

  • Hàm Korsun – Strand với biến dự đoán là tiết diện ngang lâm phần ($G$, $m^2$/ha) hoặc trữ lượng thân cây ($M$, $m^3$/ha) là mô hình tối ưu nhất để ước lượng tổng sinh khối trên mặt đất ($MB$, tấn/ha) cho cả hai kiểu rừng $R_{kx}$ và $R_{tr}$.

5. So sánh 6 phương pháp ước lượng và xác định sinh khối, dự trữ carbon

Luận án tiến hành so sánh đối chứng 6 phương pháp ước lượng sinh khối cây cá thể và 2 phương pháp xác định sinh khối quần thụ, chứng minh tính ổn định và sai số nhỏ nhất của phương pháp allometric đơn biến $D$ và phương pháp hồi quy lâm phần qua $G$ và $M$.

Áp dụng hệ số chuyển đổi carbon $PC = 47%$ (IPCC, 2004), luận án đã xác định sinh khối và trữ lượng carbon cụ thể cho từng trạng thái và toàn bộ diện tích tại Vườn quốc gia Phước Bình:

Bảng 2: Sinh khối và dự trữ carbon trên mặt đất bình quân theo trạng thái rừng
Kiểu thảm thực vật Trạng thái rừng Sinh khối AGB bình quân (tấn/ha) Trữ lượng Carbon bình quân (tấn C/ha)
Rừng kín thường xanh ($R_{kx}$) Trạng thái IIIA1 47,9 22,5
Trạng thái IIIA3 147,0 69,1
Bình quân $R_{kx}$ 87,5 (hoặc 87,0) 41,1
Rừng thưa ($R_{tr}$) Trạng thái IIIA1 35,1 16,5
Trạng thái IIIA2 92,0 43,2
Bình quân $R_{tr}$ 57,0 26,8 
Bảng 3: Tổng sinh khối và tổng trữ lượng carbon trên mặt đất tại VQG Phước Bình
Kiểu thảm thực vật Tổng sinh khối AGB ($10^3$ tấn) Tổng trữ lượng Carbon ($10^3$ tấn C)
Rừng kín thường xanh hơi khô ($R_{kx}$) 243,7 114,5
Rừng thưa nửa thường xanh hơi khô ($R_{tr}$) 85,5 40,3
Tổng cộng hai kiểu rừng 329,2 154,8

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã xây dựng được hệ thống phương trình allometric thực nghiệm phi tuyến tính để ước lượng sinh khối từng thành phần (thân, cành, lá) và tổng sinh khối trên mặt đất ($B_{To}$) cho các loài cây gỗ ưu thế thuộc hai kiểu rừng $R_{kx}$ và $R_{tr}$ tại vùng sinh thái khô hạn Nam Trung Bộ.
  2. Xác lập được quy luật biến thiên toán học của các hệ số điều chỉnh sinh khối ($BEF_i$) và tỷ lệ thành phần sinh khối ($R_i$) theo đường kính ($D$) và thể tích ($V$), cung cấp cơ sở lý luận về phân bổ sinh khối cá thể trong điều kiện lập địa khắc nghiệt.
  3. Thiết lập các mô hình hồi quy phi tuyến Korsun – Strand cho phép dự đoán trực tiếp sinh khối lâm phần từ tiết diện ngang ($G$) và trữ lượng gỗ ($M$) thu thập từ các kỳ điều tra rừng truyền thống mà không cần chặt hạ cây.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và quản lý

  1. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chuẩn xác về sinh khối và trữ lượng carbon trên mặt đất của hai kiểu rừng $R_{kx}$ và $R_{tr}$ tại Vườn quốc gia Phước Bình:
    • Rừng $R_{kx}$ đạt sinh khối trung bình 87,5 tấn/ha, tương đương dự trữ 41,1 tấn C/ha; tổng tích tụ tại Vườn quốc gia Phước Bình đạt $243,7 \times 10^3$ tấn sinh khối và $114,5 \times 10^3$ tấn C.
    • Rừng $R_{tr}$ đạt sinh khối trung bình 57,0 tấn/ha, tương đương dự trữ 26,8 tấn C/ha; tổng tích tụ tại Vườn quốc gia Phước Bình đạt $85,5 \times 10^3$ tấn sinh khối và $40,3 \times 10^3$ tấn C.
  2. Cung cấp công cụ tính toán định lượng phục vụ trực tiếp cho việc xây dựng biểu giá và mức chi trả dịch vụ môi trường rừng (PFES) đối với dịch vụ hấp thụ và lưu giữ carbon rừng tại tỉnh Ninh Thuận.
  3. Tạo lập căn cứ khoa học cho các cơ quan quy hoạch lâm nghiệp địa phương trong việc xây dựng phương án quản lý rừng bền vững và thiết kế các biện pháp kỹ thuật lâm sinh phù hợp cho từng trạng thái rừng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên phạm vi nghiên cứu và dữ liệu văn bản luận án xác lập, các giới hạn khoa học bao gồm:

  • Phạm vi không gian và đối tượng: Công trình được thực hiện giới hạn tại Vườn quốc gia Phước Bình và Công ty TNHH MTV Lâm nghiệp Tân Tiến thuộc tỉnh Ninh Thuận, tập trung vào hai kiểu rừng $R_{kx}$ và $R_{tr}$. Việc ngoại suy các phương trình sinh khối này cho các vùng sinh thái có điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng khác biệt cần được kiểm chứng thêm.
  • Bể carbon nghiên cứu: Luận án chỉ tập trung vào bể sinh khối trên mặt đất (AGB) của tầng cây gỗ ($D \ge 8,0$ cm). Bốn bể carbon còn lại theo quy chuẩn IPCC (sinh khối dưới mặt đất/hệ rễ, cây bụi thảm tươi/tầng thấp, vật rụng/gỗ chết, và chất hữu cơ trong đất) chưa được cân đo trực tiếp do tính chất phức tạp và hạn chế về nguồn lực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cần mở rộng điều tra thực nghiệm định lượng bể carbon dưới mặt đất (rễ cây) và hàm lượng hữu cơ trong đất; nghiên cứu bổ sung sinh khối cho tầng cây tái sinh, cây bụi thảm tươi; và ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp hệ thống mô hình allometric đã xây dựng để giám sát biến động trữ lượng carbon định kỳ trên toàn bộ diện tích rừng tự nhiên tỉnh Ninh Thuận.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho các nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng, Sinh thái học và Biến đổi khí hậu: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa chặt hạ cân đo cây mẫu thực tế (destructive sampling) với kỹ thuật hồi quy phi tuyến tính xây dựng mô hình allometric; phương pháp đánh giá sai số mô hình qua các chỉ số $SSR$, $R^2$, $MAE$, $MAPE$.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Chi cục Kiểm lâm, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Ninh Thuận và các tỉnh Nam Trung Bộ): Ứng dụng trực tiếp hệ số $BEF_i$ và các hàm hồi quy $MB = f(G, M)$ để chuyển đổi nhanh số liệu kiểm kê rừng hàng năm sang trữ lượng sinh khối và carbon mà không tốn kém kinh phí điều tra mới.
  • Ban quản lý các khu rừng đặc dụng, Vườn quốc gia (đặc biệt là VQG Phước Bình) và các đơn vị tư vấn REDD+/PFES: Sử dụng bộ số liệu cơ sở về trữ lượng carbon ($41,1$ tấn C/ha đối với $R_{kx}$ và $26,8$ tấn C/ha đối với $R_{tr}$) để lập hồ sơ chi trả dịch vụ môi trường rừng, xây dựng dự án tín chỉ carbon và thẩm định hạn ngạch giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã sử dụng dung lượng mẫu thực nghiệm là bao nhiêu để phân tích cấu trúc và xây dựng các hàm sinh khối?

Luận án đã thiết lập 35 ô tiêu chuẩn với diện tích từ 0,2 ha đến 1,0 ha để phân tích kết cấu loài cây gỗ ($IVI%$) và cấu trúc quần thụ ($N/D$, $N/H$, $G$, $M$). Để xây dựng các phương trình tương quan sinh khối allometric, tác giả đã tiến hành chặt hạ và cân đo trực tiếp 88 cây mẫu thuộc các loài ưu thế và đồng ưu thế tầng tán, trong đó có 47 cây thuộc kiểu rừng $R_{kx}$ và 41 cây thuộc kiểu rừng $R_{tr}$.

2. Dạng hàm toán học nào được xác định là tối ưu nhất để ước lượng tổng sinh khối trên mặt đất cho cây gỗ cá thể ở hai kiểu rừng?

Đối với kiểu rừng kín thường xanh hơi khô ($R_{kx}$), hàm lũy thừa đơn biến theo đường kính ngang ngực ($B_{To} = a \cdot D^b$) là mô hình thích hợp nhất cho tổng sinh khối trên mặt đất và sinh khối thân, trong khi hàm Korsun – Strand thích hợp cho sinh khối cành và lá. Đối với kiểu rừng thưa nửa thường xanh hơi khô ($R_{tr}$), hàm lũy thừa đơn biến theo đường kính ($B_i = a \cdot D^b$) là mô hình tối ưu cho tất cả các thành phần sinh khối trên mặt đất.

3. Quy luật biến thiên của hệ số điều chỉnh sinh khối ($BEF_i$) và tỷ lệ thành phần sinh khối ($R_i$) theo kích thước cây diễn ra như thế nào?

Hệ số điều chỉnh sinh khối ($BEF_i$) của các thành phần ở cả hai kiểu rừng đều giảm dần khi đường kính ($D$) hoặc thể tích thân cây ($V$) tăng lên, tuân theo các hàm phi tuyến $BEF_i = (a + b/D)^2$ và $BEF_i = a \cdot D^{-b}$. Ngược lại, tỷ lệ tổng sinh khối ($R_{To}$) và tỷ lệ sinh khối cành lá ($R_{CL}$) so với thân cây lại tăng dần theo sự gia tăng của $D$, tuân theo các hàm $R_i = a + b \cdot \ln(D)$ và $R_i = a \cdot D^b$.

4. Giá trị sinh khối và dự trữ carbon trên mặt đất bình quân của hai kiểu rừng tại khu vực nghiên cứu là bao nhiêu?

Sinh khối trên mặt đất bình quân của rừng kín thường xanh hơi khô ($R_{kx}$) là 87,5 tấn/ha (dao động từ 47,9 tấn/ha ở trạng thái IIIA1 đến 147,0 tấn/ha ở trạng thái IIIA3), tương ứng với dự trữ carbon bình quân là 41,1 tấn C/ha. Đối với rừng thưa nửa thường xanh hơi khô ($R_{tr}$), sinh khối bình quân là 57,0 tấn/ha (dao động từ 35,1 tấn/ha ở trạng thái IIIA1 đến 92,0 tấn/ha ở trạng thái IIIA2), tương ứng với dự trữ carbon bình quân là 26,8 tấn C/ha.

5. Mô hình nào được đề xuất để ước lượng nhanh sinh khối ở cấp độ quần thụ (lâm phần) từ dữ liệu điều tra lâm nghiệp truyền thống?

Luận án đề xuất sử dụng hàm Korsun – Strand với biến dự đoán là tiết diện ngang lâm phần ($G$, $m^2$/ha) hoặc trữ lượng thân cây ($M$, $m^3$/ha). Mô hình này cho phép tính toán trực tiếp tổng sinh khối trên mặt đất của lâm phần ($MB$, tấn/ha) từ số liệu kiểm kê rừng định kỳ với sai số nhỏ nhất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trịnh Minh Hoàng đã định lượng sinh khối và khả năng tích tụ carbon trên mặt đất của hai kiểu thảm thực vật tự nhiên chính ($R_{kx}$ và $R_{tr}$) tại tỉnh Ninh Thuận dựa trên hệ thống dữ liệu thực nghiệm gồm 35 ô tiêu chuẩn và 88 cây mẫu chặt hạ. Công trình đã thiết lập thành công hệ thống các phương trình allometric lũy thừa và Korsun – Strand, mô hình hóa quy luật biến thiên của hệ số $BEF_i$ và tỷ lệ $R_i$, đồng thời xác định trữ lượng carbon tích tụ trên mặt đất bình quân đạt 41,1 tấn C/ha đối với $R_{kx}$ và 26,8 tấn C/ha đối với $R_{tr}$. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ định lượng phục vụ công tác quản lý rừng bền vững, kiểm kê khí nhà kính và thực thi chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng tại địa phương.