Tổng quan nghiên cứu

Rừng ngập mặn (RNM) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì đa dạng sinh học và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua khả năng tích trữ cacbon trên mặt đất. Tại Việt Nam, RNM Cần Giờ thuộc thành phố Hồ Chí Minh có diện tích khoảng 38.000 ha, là một trong những khu vực rừng ngập mặn tiêu biểu với điều kiện tự nhiên đặc thù và hệ sinh thái phong phú. Biến đổi khí hậu và sự suy giảm diện tích rừng đã làm tăng lượng khí CO2 trong khí quyển, gây ra hiệu ứng nhà kính và các hậu quả nghiêm trọng về môi trường. Do đó, việc nghiên cứu, đánh giá trữ lượng cacbon trên mặt đất tại RNM Cần Giờ là cần thiết để phục vụ công tác quản lý tài nguyên rừng và giảm phát thải khí nhà kính.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá trữ lượng cacbon trên mặt đất bằng ảnh viễn thám Radar tại khu RNM Cần Giờ, từ đó xây dựng bản đồ trữ lượng CO2 phục vụ công tác bảo tồn và phát triển bền vững. Nghiên cứu tập trung vào phân tích dữ liệu ảnh vệ tinh ALOS PALSAR 2 chụp năm 2016 kết hợp với số liệu điều tra thực địa tại 96 ô tiêu chuẩn, diện tích mỗi ô 1.000 m2. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ khu vực RNM huyện Cần Giờ với các đặc điểm địa hình, khí hậu, thủy văn đặc trưng vùng ven biển Nam Bộ.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp số liệu chính xác về sinh khối và trữ lượng cacbon, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý rừng, đồng thời hỗ trợ các chính sách giảm phát thải khí nhà kính theo cam kết quốc tế. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám Radar giúp thu thập dữ liệu nhanh, chính xác và không phụ thuộc điều kiện thời tiết, mở ra hướng tiếp cận mới trong kiểm kê tài nguyên rừng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về sinh khối rừng và chu trình cacbon trong hệ sinh thái rừng ngập mặn. Sinh khối trên mặt đất (Above Ground Biomass - AGB) là chỉ tiêu quan trọng phản ánh khối lượng vật chất hữu cơ trong rừng, có mối quan hệ mật thiết với trữ lượng cacbon và khả năng hấp thụ CO2. Lý thuyết về tán xạ sóng Radar trong viễn thám được áp dụng để phân tích tín hiệu phản hồi từ lớp phủ thực vật, từ đó ước lượng sinh khối.

Hai mô hình chính được sử dụng gồm:

  • Mô hình hồi quy logarit giữa giá trị tán xạ ngược (sigma nought, σ0) của ảnh Radar và sinh khối rừng, phù hợp với đặc điểm bão hòa tín hiệu Radar ở các mức sinh khối cao.
  • Phương trình tương quan sinh khối với các chỉ tiêu sinh trưởng thực địa như đường kính thân cây (D1,3) và chiều cao cây (Hvn), được xây dựng dựa trên số liệu điều tra thực địa tại các ô tiêu chuẩn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tán xạ ngược Radar, phân cực Radar (HH, HV), sinh khối khô và tươi, trữ lượng cacbon, hệ số chuyển đổi sinh khối sang cacbon và CO2, cũng như các hiệu ứng hình học ảnh Radar như foreshortening, layover và shadow.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm ảnh vệ tinh ALOS PALSAR 2 băng tần L, chụp ngày 19/01/2016 với độ phân giải không gian từ 7-44 m, và số liệu điều tra thực địa tại 96 ô tiêu chuẩn diện tích 1.000 m2 được thu thập trong tháng 3-4/2016. Vị trí các ô tiêu chuẩn được xác định bằng máy GPS với độ chính xác 3-5 m.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xử lý ảnh Radar: lọc nhiễu bằng bộ lọc Lee kích thước cửa sổ 5x5, định chuẩn ảnh sang giá trị tán xạ ngược σ0 theo công thức $\sigma_0 = 10 \log_{10}(DN^2) - 83$ dB.
  • Hiệu chỉnh hình học ảnh dựa trên mô hình số độ cao và ảnh quang học nền SPOT5, quy chiếu hệ tọa độ VN2000.
  • Đo giá trị tán xạ ngược trung bình tại vị trí các ô tiêu chuẩn trên ảnh Radar.
  • Xây dựng phương trình hồi quy giữa trữ lượng cacbon thực địa và giá trị tán xạ ngược Radar với các phân cực HH, HV và tổ hợp.
  • Kiểm định phương trình bằng số liệu thực địa tại 30 ô tiêu chuẩn độc lập.
  • Xây dựng bản đồ trữ lượng CO2 trên mặt đất khu RNM Cần Giờ dựa trên bản đồ hiện trạng rừng và phương trình hồi quy đã chọn.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2017, bao gồm thu thập số liệu, xử lý ảnh, phân tích thống kê và xây dựng bản đồ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối tương quan giữa tán xạ ngược Radar và trữ lượng cacbon: Phương trình hồi quy logarit giữa trữ lượng cacbon (Mcdt) và giá trị tán xạ ngược trung bình phân cực HH và HV cho hệ số xác định $R^2$ đạt khoảng 0,85, cho thấy mối quan hệ chặt chẽ và độ tin cậy cao trong việc ước lượng trữ lượng cacbon từ ảnh Radar.

  2. Trữ lượng cacbon trên mặt đất tại RNM Cần Giờ: Kết quả tính toán từ 96 ô tiêu chuẩn cho thấy trữ lượng cacbon trung bình đạt khoảng 138,65 ± 7,43 tấn C/ha (tương đương 508,39 ± 27,26 tấn CO2/ha) ở các quần thể rừng có tuổi từ 27-31 năm. Các cấp tuổi thấp hơn có trữ lượng cacbon giảm dần, ví dụ cấp tuổi 11-16 năm có trữ lượng khoảng 58,68 ± 7,72 tấn C/ha.

  3. Phân bố trữ lượng CO2 theo không gian: Bản đồ trữ lượng CO2 xây dựng cho thấy sự phân bố không đồng đều, tập trung cao ở các vùng rừng có mật độ cây và tuổi rừng lớn, chiếm khoảng 84% tổng lượng CO2 hấp thụ là từ thân cây, phần còn lại phân bố ở cành, rễ và lá.

  4. Độ chính xác mô hình: Sai số trung phương gốc (RMSE) của phương trình hồi quy được kiểm định trên 30 ô tiêu chuẩn độc lập là khoảng 10%, cho thấy mô hình có khả năng dự báo chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế tại khu vực nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mối tương quan cao giữa tán xạ ngược Radar và trữ lượng cacbon là do bước sóng L-band của ảnh ALOS PALSAR có khả năng xuyên thấu vào tầng vòm lá và thân cây, phản ánh chính xác cấu trúc sinh khối rừng ngập mặn. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng ảnh SAR trong ước lượng sinh khối rừng nhiệt đới và rừng ngập mặn.

So sánh với các nghiên cứu tại các khu RNM khác như Quảng Ninh, Kiên Giang, trữ lượng cacbon tại Cần Giờ tương đương hoặc cao hơn, phản ánh sự phục hồi và phát triển tốt của rừng sau thời gian bị chiến tranh tàn phá. Việc phân bố trữ lượng CO2 không phụ thuộc nhiều vào yếu tố ngập triều mà chủ yếu liên quan đến đặc điểm sinh trưởng cây như đường kính và chiều cao.

Dữ liệu được trình bày qua biểu đồ tương quan giữa trữ lượng cacbon và giá trị tán xạ ngược, cũng như bản đồ phân bố trữ lượng CO2 giúp minh họa rõ ràng sự phân bố và mức độ hấp thụ khí nhà kính của rừng. Kết quả nghiên cứu góp phần khắc phục hạn chế của phương pháp kiểm kê rừng truyền thống dựa trên ảnh quang học, vốn không thể đánh giá chính xác sinh khối và trữ lượng cacbon.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi công nghệ viễn thám Radar: Khuyến nghị các cơ quan quản lý rừng và môi trường áp dụng công nghệ Radar băng tần L để kiểm kê sinh khối và trữ lượng cacbon rừng trên diện rộng, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả quản lý tài nguyên rừng trong vòng 3-5 năm tới.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát thường xuyên: Thiết lập mạng lưới ô tiêu chuẩn và cập nhật dữ liệu viễn thám định kỳ hàng năm để theo dõi biến động trữ lượng cacbon, phục vụ công tác đánh giá tác động biến đổi khí hậu và các chính sách giảm phát thải khí nhà kính.

  3. Phát triển mô hình tính toán sinh khối phù hợp: Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện các phương trình hồi quy và mô hình toán học dựa trên đặc điểm sinh trưởng các loài cây ngập mặn tại Việt Nam, nhằm nâng cao độ tin cậy và khả năng áp dụng cho các vùng rừng khác nhau trong vòng 2 năm tới.

  4. Tăng cường đào tạo và hợp tác nghiên cứu: Đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật về xử lý và phân tích dữ liệu viễn thám Radar, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ mới và chia sẻ kinh nghiệm trong lĩnh vực quản lý trữ lượng cacbon rừng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên rừng và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách bảo vệ và phát triển rừng ngập mặn, đồng thời giám sát hiệu quả các chương trình giảm phát thải khí nhà kính.

  2. Các nhà khoa học và nghiên cứu sinh ngành lâm nghiệp, môi trường: Tham khảo phương pháp ứng dụng viễn thám Radar trong đánh giá sinh khối và trữ lượng cacbon, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

  3. Doanh nghiệp và tổ chức tham gia dịch vụ môi trường rừng: Áp dụng số liệu trữ lượng cacbon để định giá dịch vụ hấp thụ CO2, phát triển các dự án thương mại cacbon và bảo tồn đa dạng sinh học.

  4. Cơ quan hoạch định chính sách biến đổi khí hậu: Dựa trên dữ liệu chính xác về trữ lượng cacbon rừng để xây dựng các kế hoạch giảm phát thải và thực hiện cam kết quốc tế về khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ảnh viễn thám Radar có ưu điểm gì so với ảnh quang học trong nghiên cứu rừng?
    Ảnh Radar không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời và có khả năng xuyên mây, cho phép thu thập dữ liệu liên tục trong mọi điều kiện thời tiết, đồng thời cung cấp thông tin về cấu trúc thực vật qua tín hiệu tán xạ ngược, giúp ước lượng sinh khối chính xác hơn.

  2. Làm thế nào để chuyển đổi sinh khối thành trữ lượng cacbon và CO2?
    Sinh khối khô được nhân với hệ số 0,5 để tính lượng cacbon, sau đó nhân với 3,67 (tỷ lệ phân tử CO2/C) để quy đổi thành lượng CO2 hấp thụ, theo hướng dẫn của IPCC.

  3. Phân cực Radar nào phù hợp nhất để ước lượng sinh khối rừng ngập mặn?
    Phân cực HV thường nhạy cảm nhất với sinh khối rừng ngập mặn, tuy nhiên kết hợp phân cực HH và HV cho kết quả chính xác hơn do phản ánh đa dạng cấu trúc thực vật.

  4. Sai số của mô hình ước lượng trữ lượng cacbon từ ảnh Radar là bao nhiêu?
    Sai số trung phương gốc (RMSE) của mô hình hồi quy trong nghiên cứu này khoảng 10%, thể hiện độ chính xác cao và phù hợp với yêu cầu kiểm kê rừng.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các loại rừng khác không?
    Phương pháp có thể áp dụng cho các loại rừng nhiệt đới khác, tuy nhiên cần xây dựng lại mô hình hồi quy phù hợp với đặc điểm sinh trưởng và cấu trúc thực vật của từng loại rừng cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công phương trình hồi quy giữa giá trị tán xạ ngược ảnh Radar và trữ lượng cacbon trên mặt đất tại RNM Cần Giờ với độ tin cậy cao ($R^2 \approx 0.85$).
  • Trữ lượng cacbon trung bình tại khu vực nghiên cứu đạt khoảng 138,65 ± 7,43 tấn C/ha, tương đương 508,39 ± 27,26 tấn CO2/ha ở quần thể rừng trưởng thành.
  • Bản đồ trữ lượng CO2 được xây dựng giúp minh họa phân bố không gian và hỗ trợ quản lý tài nguyên rừng hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực kiểm kê rừng và quản lý khí nhà kính tại Việt Nam, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ viễn thám Radar trong lĩnh vực lâm nghiệp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ viễn thám Radar rộng rãi, xây dựng hệ thống giám sát thường xuyên và phát triển mô hình tính toán sinh khối phù hợp cho các vùng rừng khác.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng phương pháp này trong các dự án kiểm kê rừng quốc gia và đào tạo cán bộ kỹ thuật để nâng cao năng lực quản lý tài nguyên rừng bền vững.