Tổng quan nghiên cứu
Ô nhiễm không khí do các chất ô nhiễm khí và hạt bụi là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Theo ước tính, hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và nông lâm nghiệp đã thải ra hàng tỷ tấn các chất ô nhiễm như SO2, NO2, CO, bụi mịn PM2.5, PM10 mỗi năm. Đặc biệt, rừng đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm này, được ví như “lá phổi xanh” của trái đất. Tuy nhiên, khả năng ngăn chặn ô nhiễm không khí và trao đổi anion, cation của từng loài cây rừng khác nhau vẫn chưa được đánh giá đầy đủ.
Luận văn thạc sĩ này tập trung đánh giá khả năng ngăn chặn ô nhiễm không khí và trao đổi anion, cation của năm loài cây rừng phổ biến tại Đài Loan gồm: Tabebuia rosea, Machilus zuihoensis Hayata, Bischofia javanica, Trema tomentosa và Elaeocarpus serratus. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 12/2017 đến tháng 5/2018 tại hai khu rừng nghiên cứu Kengneikeng Forest Trail và Ershui Fengyo Plaza, nhằm xác định sự thay đổi pH của mưa rừng, khối lượng ion đầu vào, khả năng lưu giữ ion của các loài cây và ảnh hưởng của chỉ số diện tích lá (LAI) đến quá trình này.
Mục tiêu chính của nghiên cứu là cung cấp dữ liệu khoa học về khả năng hấp thụ và ngăn chặn ô nhiễm không khí của các loài cây rừng, từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn loài cây phù hợp trong công tác bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm không khí tại các khu vực đô thị và nông thôn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các chiến lược quản lý rừng bền vững và cải thiện chất lượng không khí.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sinh thái về vai trò của rừng trong điều hòa môi trường không khí, bao gồm:
- Lý thuyết hấp thụ ô nhiễm của thực vật: Thực vật hấp thụ các chất ô nhiễm khí qua lá và thân, đồng thời giữ lại bụi mịn trên bề mặt lá, góp phần làm giảm nồng độ ô nhiễm trong không khí.
- Mô hình trao đổi ion trong mưa rừng: Mưa rừng có thể mang theo các ion anion (F⁻, Cl⁻, NO₂⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, SO₄²⁻) và cation (Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, NH₄⁺), ảnh hưởng đến pH và tính axit của mưa, từ đó tác động đến sinh trưởng thực vật.
- Khái niệm chỉ số diện tích lá (LAI): LAI là tỷ lệ diện tích lá trên một đơn vị diện tích mặt đất, phản ánh khả năng che phủ và hấp thụ ánh sáng, đồng thời ảnh hưởng đến khả năng giữ bụi và hấp thụ khí ô nhiễm của cây.
Các khái niệm chính bao gồm: ô nhiễm không khí, mưa axit, ion anion và cation, khả năng lưu giữ ion, chỉ số diện tích lá (LAI), và sự thay đổi pH của mưa rừng.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hai khu rừng nghiên cứu tại Đài Loan: Kengneikeng Forest Trail (Làng Fuxing, thị trấn Ershui) và Ershui Fengyo Plaza, trong khoảng thời gian từ 26/12/2017 đến 30/5/2018. Cỡ mẫu gồm 5 loài cây rừng, mỗi loài sử dụng 3 thiết bị thu mẫu mưa ngoài tán cây và 3 thiết bị thu mẫu mưa đi qua tán cây, được lặp lại 6 lần trong các tháng nghiên cứu.
Phương pháp thu thập mẫu mưa sử dụng bộ thiết bị gồm 3 phễu thu mưa hình nón ngược, đường kính 20 cm, gắn với bình chứa polyethylene 20 lít, đặt nghiêng 45 độ để tránh ảnh hưởng của tán cây. Mẫu mưa được bảo quản ở nhiệt độ thấp, xử lý loại bỏ vi sinh vật và đo pH, độ dẫn điện, tổng lượng cacbon hữu cơ (DOC), các ion anion và cation bằng máy đo sắc ký ion Dionex 120 (Mỹ).
Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm SPSS 20 với các phương pháp kiểm định hệ số tương quan Pearson và phân tích phương sai hai chiều (Two-way ANOVA) để đánh giá mối quan hệ tuyến tính giữa các biến như pH, nồng độ ion, chỉ số LAI và lượng mưa. Các chỉ số như độ lắng đọng khô (DD), khả năng ngăn chặn ô nhiễm (sự thay đổi nồng độ ion trước và sau khi mưa đi qua tán cây) được tính toán theo mô hình của Ulrich (1983).
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Sự thay đổi pH của mưa rừng: pH mưa ngoài tán cây dao động từ 4,5 đến 5,3, trong khi mưa đi qua tán cây có pH tăng nhẹ lên khoảng 4,8 đến 5,6, cho thấy khả năng trung hòa axit của tán cây. Sự thay đổi pH này có ý nghĩa trong việc giảm thiểu tác động của mưa axit đến thực vật và đất rừng.
Khối lượng ion đầu vào và khả năng lưu giữ ion: Tổng lượng ion anion và cation đầu vào tại hai khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng 20-50 mg/L. Các loài cây có khả năng giữ lại ion khác nhau, với tỷ lệ hấp thụ ion anion SO4²⁻ chiếm khoảng 27%, bảo tồn đa dạng sinh học chiếm 25%, bảo vệ đầu nguồn chiếm 21%, và các yếu tố khác chiếm 27%. Loài Machilus zuihoensis và Tabebuia rosea thể hiện khả năng lưu giữ ion cao hơn so với các loài khác.
Ảnh hưởng của chỉ số diện tích lá (LAI): LAI của các loài cây dao động từ 1,7 đến 2,5 m²/m², trong đó loài lá kim có LAI thấp hơn so với lá rộng. LAI cao giúp tăng khả năng giữ bụi và hấp thụ khí ô nhiễm, đồng thời làm giảm lượng bụi mịn PM2.5 và PM10 trong không khí.
Mối tương quan giữa lượng mưa, chỉ số LAI và nồng độ ion: Phân tích cho thấy có mối tương quan thuận mạnh giữa lượng mưa và chỉ số LAI với nồng độ ion trong mưa rừng (hệ số tương quan Pearson > 0,7, p < 0,05). Điều này chứng tỏ tán cây có vai trò quan trọng trong việc điều hòa và giảm thiểu ô nhiễm không khí qua quá trình trao đổi ion.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân của sự thay đổi pH và nồng độ ion trong mưa rừng chủ yếu do khả năng hấp thụ và trung hòa các ion axit của tán cây, đồng thời giữ lại bụi và các chất ô nhiễm trên bề mặt lá. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy rừng có thể hấp thụ khoảng 280 tấn cacbon/ha và giải phóng 200 tấn oxy mỗi năm, góp phần làm giảm ô nhiễm không khí.
So sánh với các nghiên cứu quốc tế, khả năng lưu giữ ion của các loài cây tại Đài Loan tương đương hoặc cao hơn so với các khu rừng nhiệt đới và ôn đới khác, do đặc điểm sinh thái và mật độ tán cây dày đặc. Chỉ số LAI được xác định là một chỉ số quan trọng phản ánh hiệu quả ngăn chặn ô nhiễm không khí của rừng, phù hợp với các nghiên cứu của Ulrich (1983) và các nhà khoa học khác.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh pH mưa ngoài tán cây và mưa đi qua tán cây, bảng thống kê nồng độ ion anion và cation, cũng như biểu đồ phân bố LAI của từng loài cây. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn loài cây phù hợp cho các chương trình trồng rừng bảo vệ môi trường.
Đề xuất và khuyến nghị
Tăng cường trồng và bảo vệ các loài cây có khả năng ngăn chặn ô nhiễm cao như Machilus zuihoensis và Tabebuia rosea tại các khu vực đô thị và vùng đệm, nhằm cải thiện chất lượng không khí trong vòng 3-5 năm tới. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương và các tổ chức bảo vệ môi trường.
Phát triển hệ thống giám sát môi trường không khí kết hợp với chỉ số LAI để đánh giá hiệu quả của rừng trong việc giảm ô nhiễm không khí, áp dụng trong vòng 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý môi trường.
Xây dựng chính sách ưu tiên bảo vệ rừng tự nhiên và rừng phòng hộ nhằm duy trì đa dạng sinh học và khả năng hấp thụ ô nhiễm, đồng thời hạn chế phá rừng và chuyển đổi mục đích sử dụng đất. Thời gian thực hiện: dài hạn, trên 5 năm. Chủ thể thực hiện: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng về vai trò của rừng trong bảo vệ môi trường không khí, khuyến khích người dân tham gia trồng cây xanh và bảo vệ rừng. Thời gian: liên tục. Chủ thể thực hiện: các tổ chức xã hội, trường học và truyền thông.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nhà quản lý môi trường và chính sách công: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chương trình bảo vệ môi trường, quy hoạch đô thị xanh và phát triển bền vững.
Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, sinh thái học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu và dữ liệu thực nghiệm về khả năng ngăn chặn ô nhiễm của các loài cây rừng.
Người làm công tác quản lý rừng và bảo tồn đa dạng sinh học: Áp dụng kết quả để lựa chọn loài cây phù hợp trong công tác trồng rừng phòng hộ và phục hồi rừng.
Cộng đồng và tổ chức phi chính phủ hoạt động trong lĩnh vực bảo vệ môi trường: Nâng cao nhận thức và triển khai các hoạt động trồng cây xanh, giảm thiểu ô nhiễm không khí dựa trên cơ sở khoa học.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao pH của mưa rừng lại thay đổi khi đi qua tán cây?
Tán cây có khả năng hấp thụ các ion axit như SO4²⁻ và NO3⁻, đồng thời giữ lại bụi và các chất ô nhiễm trên bề mặt lá, làm giảm tính axit của mưa. Ví dụ, pH mưa ngoài tán cây dao động 4,5-5,3, nhưng sau khi đi qua tán cây tăng lên 4,8-5,6.Loài cây nào có khả năng ngăn chặn ô nhiễm không khí tốt nhất?
Machilus zuihoensis và Tabebuia rosea thể hiện khả năng lưu giữ ion cao, hấp thụ khoảng 27% ion SO4²⁻, giúp giảm ô nhiễm hiệu quả hơn các loài khác trong nghiên cứu.Chỉ số diện tích lá (LAI) ảnh hưởng thế nào đến khả năng ngăn chặn ô nhiễm?
LAI cao đồng nghĩa với diện tích lá lớn, tăng khả năng giữ bụi và hấp thụ khí ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy LAI từ 1,7 đến 2,5 m²/m² giúp tăng hiệu quả giảm ô nhiễm không khí.Ion anion và cation nào ảnh hưởng nhiều nhất đến ô nhiễm mưa rừng?
Ion SO4²⁻, NO3⁻ và PO4³⁻ là các ion anion chủ yếu gây mưa axit, trong khi Na⁺, K⁺, Ca²⁺ là các cation có vai trò trung hòa axit. Sự cân bằng giữa các ion này ảnh hưởng đến pH và tính axit của mưa.Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn bảo vệ môi trường?
Kết quả giúp lựa chọn loài cây phù hợp để trồng tại các khu vực ô nhiễm, phát triển rừng phòng hộ, đồng thời xây dựng chính sách quản lý rừng và giám sát môi trường không khí hiệu quả.
Kết luận
- Nghiên cứu đã xác định được sự thay đổi pH và nồng độ ion trong mưa rừng trước và sau khi đi qua tán cây, chứng minh khả năng ngăn chặn ô nhiễm không khí của rừng.
- Các loài cây Machilus zuihoensis và Tabebuia rosea có khả năng lưu giữ ion và hấp thụ ô nhiễm cao nhất trong số năm loài nghiên cứu.
- Chỉ số diện tích lá (LAI) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả ngăn chặn ô nhiễm không khí của cây rừng.
- Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn loài cây phù hợp trong công tác bảo vệ môi trường và phát triển rừng bền vững.
- Đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm tăng cường trồng rừng, giám sát môi trường và nâng cao nhận thức cộng đồng trong vòng 1-5 năm tới.
Luận văn này mở ra hướng nghiên cứu sâu hơn về vai trò của rừng trong điều hòa môi trường không khí, đồng thời kêu gọi các nhà quản lý và cộng đồng cùng hành động để bảo vệ “lá phổi xanh” của trái đất.