Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về mô hình hóa sinh trưởng, sản lượng và lượng Các-bon hấp thụ 1. Trên thế giới 1. Các phương pháp mô hình hóa trong mô phỏng sản lượng rừng Việc dự đoán tăng trưởng và sản lượng rừng bằng các mô hình kinh nghiệm đã có lịch sử rất lâu đời và vẫn là phương pháp chính được sử dụng ngày nay.
Tuy nhiên các mô hình này đều chỉ dựa trên những ghi chép về tăng trưởng trong quá khứ nên không phản ánh được những thay đổi về tăng trưởng và sản lượng khi điều kiện sinh trưởng cũng như các biện pháp quản lý thay đổi (Bernier. và cộng sự. Mô hình sinh trưởng từ những biểu đồ đơn giản nhất cho đến những phần mềm máy tính phức tạp đã và đang là những công cụ quan trọng trong quản lý rừng (Vanclay, 1998)[23]. Những phương pháp tiếp cận khác nhau được thể hiện bởi một loạt các mô hình tăng trưởng hiện tại.
Rất nhiều tác giả đã cố gắng để phân loại mô hình theo các nhóm khác nhau với những tiêu chuẩn khác nhau. Có thể phân loại mô hình thành các dạng chính sau đây: - Mô hình thực nghiệm/thống kê (Empirical/Statistic model) - Mô hình động thái (Process model) - Mô hình lai (Hybrid/mixed model) a) Mô hình thực nghiệm – Empirical model Mô hình thực nghiệm đòi hỏi ít tham số (biến số) và có thể dễ dàng mô phỏng sự đa dạng về quản lý cũng như xử lý lâm sinh, nó là công cụ định lượng sử dụng có hiệu quả và phù hợp trong quản lý và lập kế hoạch quản lý rừng (Landsberg and Gower, 1997[15]; Vanclay and Skovsgaard, 1997[22]; Vanclay, 1998)[23]. Phương pháp này có thể phù hợp để dự đoán sản lượng 5 ngắn hạn trong khoảng thời gian mà các điều kiện tự nhiên cho sinh trưởng của rừng được thu thập số liệu tạo nên mô hình vẫn chưa thay đổi lớn. Mô hình thực nghiệm thường được thể hiện bằng các phương trình quan hệ hoặc phương trình sinh trưởng dựa trên số liệu sinh trưởng đo đếm thực nghiệm mà thông thường không xét đến ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố môi trường vì các ảnh hưởng này được coi như đã được tích hợp vào sinh trưởng của cây.
Đối với mô hình thực nghiệm, các phương trình sinh trưởng và biểu sản lượng có thể phát triển thành một biểu sản lượng sinh khối hoặc Các-bon tương ứng. Tuy nhiên, mô hình sinh trưởng thực nghiệm không đầy đủ. Chúng không thể sử dụng để xác định hệ quả của những thay đổi của điều kiện môi trường đến hệ sinh thái và cây như sự tăng lên của nồng độ khí nhà kính, nhiệt độ, hoặc chế độ nước… (Landsberg and Gower, 1997[15]; Peng và cộng sự. b) Mô hình động thái – Process model Mô hình động thái mô phỏng quá trình sinh trưởng, với đầu vào là các yếu tố cơ bản của sinh trưởng như ánh sáng, nhiệt độ, dinh dưỡng đất…, mô hình hóa quá trình quang hợp, hô hấp và sự phân chia những sản phẩm của các quá trình này đến rễ, thân và lá (Landsberg and Gower, 1997[15]; Vanclay, 1998)[23].
Nó còn gọi là mô hình cơ giới (mechanistic model) hay mô hình sinh lý học (physiological model). Mô hình động thái phức tạp hơn rất nhiều so với mô hình thực nghiệm nhưng có thể sử dụng để khám phá hệ quả của sự thay đổi môi trường đến hệ sinh thái, sinh vật (Dixon và cộng sự. Tuy nhiên, mô hình động thái cần một số lượng lớn các tham số (biến số) đầu vào, nhiều tham số lại không dễ đo, cần thời gian dài để đo và/hoặc không thể đo được với các điều kiện cơ sở vật chất kỹ thuật ở các nước đang phát triển. Vì vâ ̣y, mô ̣t cách tiế p câ ̣n là kế t hơ ̣p các điể m đă ̣c trưng của mô 6 hiǹ h đô ̣ng thái với mô hin ̀ h thực nghiê ̣m, xây dựng nên mô hiǹ h hỗn hơ ̣p - mô ̣t mô hình quản lý rừng mà có thể bổ sung các ảnh hưởng của các sức ép từ môi trường trong hê ̣ sinh thái rừng (Landsberg and Waring, 1997[14]; Mäkelä và cộng sự.
Nhiề u mô hình như PipeQual, CROBAS, MELA, và mô hình kinh nghiê ̣m PTEADA2 liên kế t với mô hình quá trình MAESTRO. là các tùy cho ̣n quản lý (Mäkelä và cộng sự. Cho đến nay trên thế giới đã có rất nhiều mô hình động thái hay mô hình hỗn hợp được xây dựng để mô phỏng quá trình phát triển của hệ sinh thái rừng như BIOMASS, ProMod, 3-PG, Gen WTO, CO2Fix, CENTURY…(Landsberg and Gower, 1997[15]; Snowdon và cộng sự[21]., 2000; Schelhaas và cộng sự, 2001[19] ). Trong trường hợp không đủ số liệu đầu vào thu thập được từ các quá trình tự nhiên của hệ sinh thái và cây, để sử dụng các mô hình này, người ta phải sử dụng hàng loạt các giả định (assumptions), chính vì vậy tính chính xác của mô hình phụ thuộc rất nhiều vào sự phù hợp của các giả định này đối với đối tượng nghiên cứu (Phan Minh Sáng, 2009)[16].
c) Mô hình lai – Hybrid model Mô hình lai là một kết hợp của các mô hình (mô hình động thái và mô hình kinh nghiệm) có thể tránh được những thiếu sót của cả hai phương pháp tiếp cận trên ở một mức độ nào đó. Kết hợp giữa hợp các yếu tố chính của cách tiếp cận thực nghiệm và quá trình thành một hệ thống lai có thể dẫn đến một mô hình dự đoán động thái Các-bon, tăng trưởng rừng và sản xuất trong thời gian ngắn và dài hạn (Kimmins, năm 1993[12]; Battaglia và cộng sự, 1997[2]; Kimmins và cộng sự,năm 1990[13]; Peng, 2002[17]). Mô hình lai là hỗn hợp của cả hai mô hình cơ lý thuyết và thống kê có được của hai loại cơ bản: Mô hình cơ lý thuyết đơn giản, tăng trưởng cổ điển và mô hình năng suất với những điều kiện cơ học. Mô hình cơ lý thuyết đơn 7 giản có thể làm để dự báo ở mức độ lâm phần và có thể sử dụng các phương pháp thực nghiệm như mô hình phụ nhưng các định dạng mô hình chính là bản chất cơ lý thuyết, hoặc sử dụng một số hình thức của cân bằng Các-bon.
Loại thứ hai của mô hình lai sử dụng phương pháp nghiên cứu sản lượng truyền thống và phương pháp bổ sung của các biến dự đoán động thái. Có một số mô hình trong nhóm các mô hình thực nghiệm, về bản chất đã bao gồm cả các biến phản ánh đặc tính sinh lý, sinh thái. Woollons và cộng sự.(1997) đã đưa vào mô hình sản lượng của mình các biến mang tính động thái, chẳng hạn như nhiệt độ trung bình, bức xạ mặt trời, lượng mưa, và loại đất. Mô hình tăng trưởng truyền thống có thêm các biến động thái này giúp cải thiện độ chính xác 10% trong dự đoán tăng trưởng.
Snowdon và cộng sự.(1999) đã kết hợp các chỉ số của biến đổi khí hậu hàng năm và quang hợp vào mô hình tăng trưởng cho loài Pinus radiata và thấy sự cải thiện quan trọng trong dự báo ngắn hạn. Mô hình đã sử dụng tỷ lệ quang hợp như là một chỉ số tăng trưởng được thêm vào một đường cong tăng trưởng Schumacher (Phan Minh Sáng, 2009)[16]. Nói tóm lại, mô hình lai (hybrid models), là phương pháp tiếp cận hợp lý, hiệu quả cho việc tích hợp các quá trình động thái (có mối liên kết trực tiếp với các nhân tố môi trường) vào các phương trình sinh trưởng, quan hệ truyền thống có ý nghĩa thực nghiệm cao hơn. Do tranh thủ được những ưu điểm của cả hai phương pháp tiếp cận, mô hình lai vừa có khả năng phản ánh được ảnh hưởng của sự thay đổi môi trường đến lâm phần, vừa có kết quả có khả năng ứng dụng trong quản lý rừng.
Mô hình động thái 3-PG Mô hình 3-PG (Physiological Principles in Predicting Growth), phiên bản đầu tiên, do Landsberg và Waring xây dựng từ năm 1997. Mô hình 3-PG tính toán tăng trưởng, năng suất của lâm phần dựa trên cân bằng giữa các quá 8 trình sinh lý trong cơ thể cây rừng (quang hợp, hô hấp), trên cơ sở các tham số ảnh hưởng đến 2 quá trình trên như: nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ, sương,… loại đất, độ phì, hàm lượng nước hữu hiệu trong đất…;các tham số cơ bản của loài cây cụ thể (tuổi, tỉ lệ phân chia sản phẩm quan hợp đến các bộ phận trên cây, cấu trúc tán…); các tham số phản ánh đặc điểm của lâm phần ban đầu (mật độ ban đầu, năm trồng, năm kết thúc…) hoặc các tham số phản ánh kỹ thuật lâm sinh đã áp dụng (số lần tỉa thưa, mật độ lâm phần sau tỉa thưa…) nên nó phản ánh được ảnh hưởng của sự biến đổi các điều kiện về sinh trưởng cũng như các biện pháp kỹ thuật lâm sinh đến sinh trưởng của cây rừng. Bởi vậy, ngoài việc tính toán tăng trưởng, năng suất hiện tại như các mô hình sinh trưởng kinh nghiệm, 3-PG còn được áp dụng để dự đoán sinh trưởng, tăng trưởng rừng ở các vùng khác nhau và các thời gian khác nhau. Mô hình 3-PG cũng đã được áp dụng và sử dụng thành công cho nhiều mục đích, với nhiều loại rừng khác nhau và ở các khu vực khác nhau (Phan Minh Sáng, 2009)[16].
3-PG là được xây dựng với mục đích là cầu nối khoảng trống giữa các mô hình tăng trưởng và sản lượng truyền thống (dựa trên cơ sở đo đếm các chỉ tiêu sinh trưởng) và các mô hình quá trình, mô hình cân bằng Các-bon. 3PG yêu cầu đầu vào là các thông tin về địa điểm cần mô phỏng và số liệu khí hậu. Nó dự báo sinh trưởng và phát triển của lâm phần theo từng tháng dưới dạng đầu ra quen thuộc với nhà quản lý lâm nghiệp như trữ lượng, tổng tiết diện ngang, chiều cao, đường kính,… Nó cũng dự báo sinh khối trong các bể sinh khối khác nhau (trên, dưới mặt đất), lượng nước sử dụng và lượng nước hữu hiệu trong đất. 3-PG có thể dùng để dự báo cho các rừng trồng hoặc các rừng đồng tuổi và tương đối đồng tuổi.
Nó là một mô hình tổng quát ở cấp lâm phần bởi vì cấu trúc của nó không được thiết kế cụ thể cho lập địa nào và 9 cũng không cho một loài cây cụ thể nào. Tuy nhiên, các tham số đầu vào của nó thì cần thiết phải được cụ thể cho từng loài riêng biệt. 3-PG chủ yếu đang được áp dụng với các loài cây rừng thường xanh. Về nguyên tắc, tham số của mô hình có thể được điều chỉnh để các mô hình tăng trưởng của các loài, đặc biệt thông qua các phương trình sinh trưởng cung cấp cơ sở cho các quá trình phân bổ Các-bon.
Mô hình 3-PG đã được áp dụng cho nhiều loài khác nhau (Sands & Landsberg, 2002[18]; Waring, 1997[14]; Almeida và cộng sự.