Luận án tiến sĩ: Thiết lập mô hình ước tính sinh khối cây rừng khộp Việt Nam

Luận án tiến sĩ trình bày phương pháp thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cây rừng khộp tại Việt Nam, cung cấp công cụ

• Tác giả: Nguyễn Thị Tình
• Người hướng dẫn: GS. Bảo Huy
• Trường học: Đại học Tây Nguyên
• Chuyên ngành: Lâm sinh
• Đề tài: Thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cây rừng khộp ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đắk Lắk

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình ước tính sinh khối cây rừng khộp

Rừng khộp là hệ sinh thái rừng nhiệt đới khô, phân bố chủ yếu ở vùng thấp Tây Nguyên và Đông Nam Bộ Việt Nam. Việc ước tính chính xác sinh khối trên mặt đất (AGB) là then chốt cho quản lý tài nguyên rừng và chương trình giảm phát thải khí nhà kính. Các mô hình sinh khối sử dụng biến số lâm phần như đường kính ngang ngực (D) và chiều cao (H) để dự đoán AGB. Hàm Power được áp dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản và độ tin cậy. Luận án này nhằm thiết lập một hệ thống mô hình toàn diện và thẩm định chéo để tăng độ chính xác áp dụng cho rừng khộp Việt Nam.

1.1. Đặc điểm sinh thái của rừng khộp Việt Nam

Rừng khộp Việt Nam là rừng thường xanh hoặc nửa rụng lá, có tầng tán không liên tục và mật độ cây gỗ thay đổi lớn. Loại rừng này chịu ảnh hưởng mạnh của mùa khô, với lượng mưa trung bình năm và nhiệt độ là các yếu tố sinh thái quan trọng. Độ cao so với mặt biển và loại đất cũng tạo ra sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc rừng. Sự biến động này đòi hỏi các mô hình sinh khối phải linh hoạt và được kiểm chứng trên nhiều vùng sinh thái.

1.2. Vai trò của mô hình sinh khối trong quản lý rừng bền vững

Mô hình sinh khối cung cấp công cụ định lượng để ước tính carbon dự trữ trong rừng. Điều này vô cùng quan trọng cho các chương trình quốc tế như REDD+ (Giảm phát thải từ mất rừng và suy thoái rừng). Các mô hình giúp đánh giá chính xác trữ lượng rừng, từ đó hỗ trợ ra quyết định về khai thác, bảo tồn và trồng rừng. Chúng cũng là cơ sở khoa học để xây dựng kế hoạch quản lý rừng bền vững và thích ứng với biến đổi khí hậu.

II. Thách thức trong ước tính sinh khối rừng khộp

Việc xây dựng mô hình sinh khối cho rừng khộp đối mặt với nhiều thách thức. Thứ nhất, sự biến động tự nhiên về thành phần loài và cấu trúc rừng giữa các vùng sinh thái rất lớn. Thứ hai, các nhân tố sinh thái môi trường như lượng mưa, độ cao và mật độ cây (BA) tác động phức tạp đến mối quan hệ giữa sinh khối và biến số lâm phần. Dữ liệu từ cây mẫu chặt hạ tốn kém và có giới hạn về số lượng, đòi hỏi phương pháp tiếp cận hiệu quả. Thẩm định chéo là kỹ thuật then chốt để kiểm tra độ tin cậy và tính khái quát của mô hình trên dữ liệu mới.

2.1. Biến động dữ liệu sinh khối theo không gian

Dữ liệu sinh khối rừng khộp thể hiện sự biến động lớn theo không gian địa lý. Mật độ cây (N) dao động từ 228 đến 1291 cây/ha, tổng tiết diện ngang (BA) từ 3,8 đến 23,4 m2/ha. Sự khác biệt này giữa vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ phản ánh điều kiện sinh thái riêng biệt. Một mô hình xây dựng trên dữ liệu của một vùng có thể không áp dụng chính xác cho vùng khác. Vì vậy, việc kết hợp dữ liệu từ nhiều vùng là cần thiết nhưng cũng đặt ra thách thức trong phân tích.

2.2. Ảnh hưởng của nhân tố sinh thái đến mô hình

Các nhân tố sinh thái như độ cao (Altitude), lượng mưa (P) và nhiệt độ (T) có thể ảnh hưởng ngẫu nhiên đến mô hình sinh khối. Ví dụ, cùng một đường kính cây nhưng sinh khối có thể khác nhau do điều kiện sinh trưởng. Loại đất cũng tác động đến sự phát triển của rễ và thân cây. Việc tích hợp các nhân tố này vào mô hình làm tăng độ phức tạp nhưng có thể cải thiện độ chính xác. Cần phân tích thống kê cẩn thận để xác định nhân tố nào thực sự có ý nghĩa.

III. Phương pháp thiết lập và thẩm định chéo mô hình

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ 29 ô mẫu (28 ô 0,25 ha và 1 ô 1 ha) được thiết lập tại Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Trong mỗi ô, cây gỗ có đường kính ≥5cm được đo đạc và loài được xác định. Một tập hợp 222 cây mẫu đại diện đã được chặt hạ để đo sinh khối thực tế của thân, cành, lá và vỏ. Hàm Power (AGB = a*D^b) được chọn làm dạng hàm cơ bản để xây dựng mô hình. Phương pháp tuyến tính hóa log-log và hồi quy phi tuyến được so sánh. Quy trình thẩm định chéo được áp dụng để kiểm tra tính ổn định và dự báo của mô hình trên dữ liệu độc lập.

3.1. Thu thập số liệu sinh khối trên cây mẫu chặt hạ

Quy trình thu thập số liệu tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc tế. Cây mẫu được chọn đại diện cho phổ biến đường kính và loài chiếm ưu thế trong rừng khộp. Sau khi chặt hạ, sinh khối của từng bộ phận (thân, cành, lá, vỏ) được cân đo trực tiếp tại hiện trường. Mẫu vật được lấy về phòng thí nghiệm để xác định hàm lượng nước và carbon. Dữ liệu này là nền tảng chính xác để xây dựng và kiểm định các phương trình hồi quy.

3.2. Thiết lập mô hình bằng hàm Power và thẩm định chéo

Hàm Power (sinh khối = a * đường kính^b) được áp dụng rộng rãi vì tính đơn giản và độ tin cậy cao. Các biến số bổ sung như chiều cao (H), đường kính tán lá (CD) và diện tích hình chiếu tán lá (CA) cũng được thử nghiệm. Quá trình thẩm định chéo sử dụng kỹ thuật chia dữ liệu thành tập huấn luyện và tập kiểm tra. Điều này giúp đánh giá khả năng dự báo của mô hình trên dữ liệu mới, tránh hiện tượng quá khớp. Các chỉ số như RMSE và R² được sử dụng để so sánh hiệu suất.

IV. Kết quả và ứng dụng của hệ thống mô hình sinh khối

Nghiên cứu đã thiết lập được một hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cho cây rừng khộp. Các mô hình dựa trên hàm Power cho thấy độ tin cậy cao, với R² xấp xỉ 0,95. Việc thẩm định chéo xác nhận tính ổn định của mô hình trên các vùng sinh thái khác nhau. Hệ thống mô hình này cung cấp công cụ đáng tin cậy để ước tính trữ lượng carbon toàn diện cho rừng khộp Việt Nam. Kết quả có ý nghĩa lớn cho việc lập kế hoạch quản lý rừng, giám sát tài nguyên rừng quốc gia và thực thi các cam kết quốc tế về biến đổi khí hậu.

4.1. Độ tin cậy của mô hình ước tính sinh khối

Các mô hình được xây dựng có sai số ước tính thấp và khả năng giải thích biến động dữ liệu cao. Hàm Power với biến số đường kính ngang ngực (D) là biến dự báo mạnh mẽ nhất. Việc bổ sung chiều cao (H) hoặc các biến số tán lá có thể cải thiện độ chính xác trong một số trường hợp. Quá trình thẩm định chéo cho thấy mô hình không bị ảnh hưởng nhiều bởi hiện tượng quá khớp. Điều này đảm bảo mô hình có thể áp dụng tin cậy cho các khu vực rừng khộp chưa được khảo sát.

4.2. Ứng dụng trong quản lý rừng và chương trình REDD

Hệ thống mô hình này là công cụ kỹ thuật lâm sinh thiết yếu. Nó cho phép người quản lý rừng ước tính chính xác sinh khối và carbon từ dữ liệu đo đạc thông thường. Điều này trực tiếp hỗ trợ quá trình đo đạc, báo cáo và thẩm định (MRV) trong khuôn khổ chương trình REDD+. Ứng dụng rộng rãi giúp Việt Nam thực hiện hiệu quả các cam kết giảm phát thải quốc gia. Ngoài ra, mô hình còn phục vụ cho nghiên cứu khoa học về chu trình carbon và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên hệ sinh thái rừng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO . TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN NGUYỄN THỊ TÌNH THIẾT LẬP VÀ THẨM ĐỊNH CHÉO HỆ THỐNG MÔ HÌNH ƯỚC TÍNH SINH KHỐI TRÊN MẶT ĐẤT CÂY RỪNG KHỘP Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP Đắk Lắk, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN NGUYỄN THỊ TÌNH THIẾT LẬP VÀ THẨM ĐỊNH CHÉO HỆ THỐNG MÔ HÌNH ƯỚC TÍNH SINH KHỐI TRÊN MẶT ĐẤT CÂY RỪNG KHỘP Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Lâm sinh Mã số: 9 62 02 05 Người hướng dẫn khoa học: GS. Bảo Huy Đắk Lắk, 2021 Đắk Lắ iii LỜI CAM ĐOAN Luận án Tiến sĩ này được hoàn thành theo Chương trình đào tạo tiến sĩ tại trường Đại học Tây Nguyên, khóa 2 (2017 - 2020). Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của bản thân tôi. Tất cả các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, nếu có gì sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Được sự cho phép, một phần số liệu của Luận án kế thừa của GS. Bảo Huy trong chương trình lập mô hình sinh khối cây rừng cho UN-REDD Việt Nam bao gồm 222 cây mẫu xác định sinh khối. Tác giả Nguyễn Thị Tình iv LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành trong Chương trình đào tạo nghiên cứu sinh khóa II (2017 – 2020) tại trường Đại học Tây Nguyên. Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, GS. Bảo Huy đã dành nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn khoa học và giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Trân trọng cảm ơn sự quan tâm, tạo điều kiện và động viên của Lãnh đạo trường Đại học Tây Nguyên, khoa Nông Lâm nghiệp, bộ môn Quản lý tài nguyên rừng và môi trường, bộ môn Lâm sinh và sự hỗ trợ của sinh viên các lớp Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng Đại học Tây Nguyên. Tác giả xin chân thành cảm ơn Sở NN & PTNT, các Công ty Lâm nghiệp trong vùng nghiên cứu, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong việc đo đếm và thu thập số liệu tại hiện trường. Cảm ơn các anh chị cùng khoá học Nghiên cứu sinh đã gắn bó và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Vô cùng biết ơn sự quan tâm và khích lệ của gia đình, người thân về mọi mặt giúp tôi hoàn thành khóa học này. v KÝ HIỆU VIẾT TẮT AGB Above ground biomas: Sinh khối trên mặt đất của thực vật, chủ yếu trong cây gỗ, bao gồm thân, cành, lá và vỏ (kg/cây) AGC Above ground carbon: Carbon tích lũy trong sinh khối trên mặt đất của thực vật, chủ yếu trong cây gỗ, bao gồm thân, cành, lá và vỏ (kg/cây) BA Basal area: Tổng tiết diện ngang cây gỗ/ha (m2/ha) Bba Biomass of bark: Sinh khối của vỏ cây (kg/cây) Bbr Biomass of branch: Sinh khối của cành cây (kg/cây) BGB Below ground biomas: Sinh khối dưới mặt đất, là rễ của thực vật, nhưng chủ yếu là rễ cây gỗ (kg/cây) BGC Below ground carbon: Carbon tích lũy trong sinh khối dưới mặt đất của thực vật, chủ yếu trong rễ cây gỗ (kg/cây) Bl Biomass of leaf: Sinh khối của lá (kg/cây) Bst Biomass of stem: Sinh khối của thân cây gỗ (kg/cây) Bstu Biomass of stump: Sinh khối của gốc cây gỗ (kg/cây) CA Diện tích hình chiếu tán lá (m2/cây) CD Crown diameter: Đường kính tán lá (m) CDM Clean Development Mechanism: Cơ chế phát triển sạch D Đường kính ở độ cao ngang ngực, độ cao 1,3m, đơn vị cm DF Dipterocarp Forest: Rừng khộp FAO Food and Agriculture Organization: Tổ chức Nông Lương của Liên Hiệp Quốc G Tiết diện ngang thân cây vị trí 1,3m (m2) H Height: Chiều cao cây (m) IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change: Cơ quan liên chính phủ về biến đổi khí hậu IUCN International Union for Conservation of Nature and Natural vi Resources: Liên minh quốc tế bảo tồn thiên nhiên và tài nguyên thiên nhiên MRV Measurement, Reporting & Verification: Đo tính, báo cáo và thẩm định. N Mật độ cây gỗ/ha (cây/ha) REDD Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation: Giảm phát thải từ suy thoái và mất rừng REDD+ Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation: Giảm phát thải từ suy thoái và mất rừng kết hợp với bảo tồn, quản lý bền vững rừng và tăng cường trữ lượng carbon. SAS Statistical Analysis Software: Phần mềm phân tích thống kê SOC Soil Ogranic Carbon: Carbon hữu cơ trong đất, (tấn/ha) SUR Seemingly Unrelated Regression: Thiết lập đồng thời các mô hình thành phần UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change: Hiệp định khung của Liên Hiệp Quốc về Biến đổi khí hậu UN-REDD United Nation – Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation: Chương trình của Liên Hiệp Quốc và Giảm phát thải từ suy thoái và mất rừng V Volume: Thể tích cây đứng (m3/cây) WD Wood density: Khối lượng thể tích gỗ (g/cm3) hoặc (tấn/m3) vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . iii LỜI CẢM ƠN . iv KÝ HIỆU VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG . xi DANH MỤC CÁC HÌNH . TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Một số thuật ngữ chính sử dụng trong luận án .2 Chương trình REDD+ và nhu cầu về mô hình ước tính sinh khối, carbon cây rừng.3 Tổng quan về thiết lập mô hình ước tính sinh khối và carbon cây rừng.1 Rút mẫu cây rừng để thu thập dữ liệu sinh khối lập mô hình .2 Biến số độc lập, biến số đầu vào (Predictor(s)) của mô hình ước tính sinh khối cây rừng .3 Dạng hàm sinh khối .4 Ước lượng mô hình sinh khối dạng power tuyến tính hóa logarit hay phi tuyến? .5 Mô hình có trọng số .6 Thiết lập mô hình phi tuyến tính có trọng số có hay không có ảnh hưởng các nhân tố ngẫu nhiên theo phương pháp hợp lý cực đại (Weighted Nonlinear Fixed/Mixed models with/without random effects fit by Maximum Likelihood) .7 Phương pháp thiết lập đồng thời các mô hình sinh khối bộ phận và chung (Seemingly Unrelated Regression - SUR) .8 Phát triển mô hình sinh trắc ước tính sinh khối, carbon cây rừng .4 Thẩm định chéo (Cross-Validation) mô hình sinh trắc .1 Phương pháp thẩm định sai số sử dụng dữ liệu độc lập .2 Phương pháp thẩm định chéo - Leave-One-Out Cross Validation (LOOCV) .3 Phương pháp thẩm định chéo - K-Fold .4 Phương pháp thẩm định chéo - Monte Carlo .5 Hệ sinh thái rừng khộp và các mô hình sinh khối được thiết lập cho kiểu rừng này .1 Hệ sinh thái rừng khộp .2 Các mô hình sinh khối rừng khộp .6 Ứng dụng hệ thống mô hình sinh khối cây rừng để ước tính carbon tích lũy trong bể chứa trong cây rừng trên mặt đất. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Đối tượng nghiên cứu .1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .2 Đặc điểm khu vực và rừng khộp nghiên cứu .2 Nội dung nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .1 Tiếp cận lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối cây rừng khộp .2 Thu thập số liệu sinh khối trên cây mẫu chặt hạ và dữ liệu sinh thái môi trường và lâm phần nghiên cứu .3 Lựa chọn phương pháp thiết lập và thẩm định chéo mô hình sinh khối .4 Phương pháp thiết lập hệ thống mô hình sinh khối cây rừng theo hệ thống phân loại thực vật áp dụng phương pháp thiết lập mô hình độc lập .5 Phương pháp thiết lập đồng thời hệ thống mô hình sinh khối (Seemingly Unrelated Regression – SUR)) và so sánh với phương pháp thiết lập mô hình độc lập.6 Phương pháp thiết lập mô hình ước tính sinh khối cây rừng khộp dưới ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái môi trường rừng và lâm phần.7 Phương pháp so sánh độ tin cậy mô hình chung cho vùng nhiệt đới với mô hình cho từng vùng sinh thái theo hệ thống phân loại thực vật ưu thế rừng khộp . KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .1 Lựa chọn phương pháp thiết lập và thẩm định chéo mô hình sinh khối .1 Lựa chọn phương pháp thiết lập mô hình sinh khối dạng power theo logarit tuyến tính hay phi tuyến .2 Lựa chọn phương pháp thẩm định chéo (Cross-Validation) các mô hình sinh khối cây rừng .2 Hệ thống mô hình sinh khối cây rừng theo hệ thống phân loại thực vật áp dụng phương pháp thiết lập mô hình độc lập .3 Hệ thống mô hình ước tính đồng thời sinh khối theo SUR và so sánh với phương pháp thiết lập mô hình độc lập .1 Hệ thống mô hình ước tính đồng thời các bộ phận sinh khối cây rừng và toàn bộ theo SUR .2 So sánh độ tin cậy của hai hệ thống mô hình thiết lập theo hai phương pháp độc lập và SUR .4 Ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái môi trường rừng, lâm phần đến mô hình ước tính AGB cây rừng khộp .1 Ảnh hưởng ngẫu nhiên của từng nhân tố sinh thái, môi trường và lâm phần lên mô hình sinh khối cây rừng khộp AGB .2 Ảnh hưởng tổng hợp các nhân tố sinh thái, môi trường và lâm phần đến mô hình sinh khối AGB .5 Mô hình sinh khối chung cho vùng nhiệt đới hay cho từng vùng sinh thái theo hệ thống phân loại thực vật ưu thế rừng khộp .6 Ứng dụng thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối cây rừng .1 Hướng dẫn thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối cây rừng .2 Ứng dụng hệ thống mô hình sinh khối để ước tính carbon tích lũy và CO2 tương đương cho lâm phần . KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ . 132 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 150 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Biến động dữ liệu các nhân tố sinh thái môi trường và lâm phần rừng khộp nghiên cứu . Thống kê tóm tắt các biến số sinh khối dự đoán và biến số đầu vào cây mẫu theo hệ thống loại thực vật cây gỗ ưu thế rừng khộp . Chỉ số Furnival (FI) dùng so sánh hai phương pháp lập mô hình sinh khối AGB theo logarrit tuyến tính và phi tuyến tính Maximum Likelihood có trọng số . Tổng hợp kết quả thẩm định chéo sai số mô hình AGB = a × (D2HWD)b theo các phương pháp khác nhau . Thẩm định chéo K-fold để lựa chọn mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất (AGB) theo hệ thống phân loại thực vật rừng khộp . Thẩm định chéo K-fold để lựa chọn mô hình cho các thành phần sinh khối bao gồm Bst, Bbr, Ble và Bba (sinh khối của thân, cành, lá và vỏ cây tương ứng) trong trường hợp mô hình lập chung các loài cây rừng khộp. Thẩm định chéo K-fold để lựa chọn mô hình cho các thành phần sinh khối cây rừng bao gồm Bst, Bbr, Ble và Bba (sinh khối của thân, cành, lá và vỏ cây tương ứng) cho họ ưu thế Dipterocarpaceae.