Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Trên thế giới 1. Nghiên cứu về sinh khối và năng suất rừng Mặc dù rừng chỉ che phủ 21% diện tích bề mặt đất, nhưng sinh khối thực vật của nó chiếm đến 75% so với tổng sinh khối thực vật trên cạn và lượng tăng trưởng hàng năm chiếm 37%. Lượng carbon hấp thụ bởi rừng chiếm 47% tổng lượng carbon trên trái đất, nên việc chuyển đổi đất rừng thành các loại hình sử dụng đất khác có tác động mạnh mẽ đến chu trình carbon trên hành tinh.
Các hoạt động lâm nghiệp và sự thay đổi phương thức sử dụng đất, đặc biệt là sự suy thoái rừng nhiệt đới là một nguyên nhân quan trọng làm tăng lượng CO2 trong khí quyển, ước tính khoảng 1,6 tỷ tấn/năm trong tổng số 6,3 tỷ tấn khí CO2/năm được phát thải ra do các hoạt động của con người. Do đó, rừng nhiệt đới và sự biến động của nó có ý nghĩa rất to lớn trong việc hạn chế quá trình biến đổi khí hậu toàn cầu (Lasco, 2002) [22]. - Liebig, J (1862) lần đầu tiên đã định lượng về sự tác động của thực vật tới không khí và phát triển thành định luật "tối thiểu". (1954) đã phát triển luật tối thiểu của Liebig, J.
thành luật "năng suất" [23].000 kg/ha/năm; Rừng thứ sinh 40 - 50 tuổi ở Ghana: 362. Đáng chú ý là trong những năm gần đây các phương pháp nghiên cứu định lượng, xây dựng các mô hình dự báo sinh khối cây rừng đã được áp dụng thông qua các mối quan hệ giữa sinh khối cây với các nhân tố điều tra cơ bản, dễ đo đếm như 4 đường kính ngang ngực, chiều cao cây, giúp cho việc dự đoán sinh khối được nhanh hơn, đỡ tốn kém hơn. Công trình nghiên cứu tương đối toàn diện và có hệ thống về lượng carbon hấp thụ của rừng được thực hiện bởi Ilic (2000) và Mc Kenzie (2001). Theo Mc Kenzie (2001), carbon trong hệ sinh thái rừng thường tập trung ở bốn bộ phận chính: Thảm thực vật còn sống trên mặt đất, vật rơi rụng, rễ cây và đất rừng.
Việc xác định lượng carbon trong rừng thường được thực hiện thông qua xác định sinh khối rừng [24]. Có nhiều phương pháp ước tính sinh khối cho cây bụi và cây tầng dưới trong hệ sinh thái cây gỗ (Catchpole và Wheeler, 1992). Các phương pháp bao gồm: (1)- Lấy mẫu toàn bộ cây (quadrats); (2)- phương pháp kẻ theo đường; (3)- phương pháp mục trắc; (4)- phương pháp lấy mẫu kép sử dụng tương quan. Các nhà sinh thái rừng đã dành sự quan tâm đặc biệt đến nghiên cứu sự khác nhau về sinh khối rừng ở các vùng sinh thái.
Tuy nhiên, việc xác định đầy đủ sinh khối rừng không dễ dàng, đặc biệt là sinh khối của hệ rễ, trong đất rừng, nên việc làm sáng tỏ vấn đề trên đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn nữa mới đưa ra được những dẫn liệu mang tính thực tiễn và có sức thuyết phục cao. Hệ thống lại có 3 cách tiếp cận để xác định sinh khối rừng như sau: i) Tiếp cận thứ nhất dựa vào mối liên hệ giữa sinh khối rừng với kích thước của cây hoặc của từng bộ phận cây theo dạng hàm toán học nào đó. Hướng tiếp cận này được sử dụng phổ biến ở Bắc Mỹ và châu Âu (Whittaker, 1966 [25]; Tritton và Hornbeck, 1982; Smith và Brand, 1983). ii) Tiếp cận thứ hai để xác định sinh khối rừng là đo trực tiếp quá trình sinh lý điều khiển cân bằng carbon trong hệ sinh thái.
Cách này bao gồm việc đo cường độ quang hợp và hô hấp cho từng thành phần trong hệ sinh thái rừng (lá, cành, thân, rễ), sau đó ngoại suy ra lượng CO2 tích luỹ trong toàn bộ hệ sinh thái. Các nhà sinh thái rừng thường sử dụng tiếp cận này để dự tính tổng sản lượng nguyên, hô hấp của hệ sinh thái và sinh khối hiện có của nhiều dạng rừng trồng hỗn giao ở Bắc Mỹ (Botkin và cộng sự, 1970; Woodwell và Botkin, 1970). 5 iii) Tiếp cận thứ ba được phát triển trong những năm gần đây với sự hỗ trợ của kỹ thuật vi khí tượng học (micrometeological techniques). Phương pháp phân tích hiệp phương sai dòng xoáy đã cho phép định lượng sự thay đổi của lượng CO2 theo mặt phẳng đứng của tán rừng.
Căn cứ vào tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, số liệu CO2 theo mặt phẳng đứng sẽ được sử dụng để dự đoán lượng carbon đi vào và đi ra khỏi hệ sinh thái rừng theo định kỳ từng giờ, từng ngày, từng năm. Kỹ thuật này đã áp dụng thành công ở rừng thứ sinh Harward - Massachusetts. Tổng lượng carbon tích luỹ dự đoán theo phương pháp phân tích hiệp phương sai dòng xoáy là 3,7 megagram/ha/năm. Tổng lượng carbon hô hấp của toàn bộ hệ sinh thái vào ban đêm là 7,4 megagram/ha/năm, nói lên rằng tổng lượng carbon đi vào hệ sinh thái là 11,1 megagram/ha/năm (Wofsy và cộng sự, 1993).
Nghiên cứu khả năng hấp thụ carbon của rừng Trên cơ sở các phương pháp tiếp cận về sinh khối rừng nêu trên, các nhà khoa học đã nghiên cứu khả năng hấp thụ carbon cho các đối tượng khác nhau và đã thu được các kết quả đáng kể. Để nghiên cứu lượng carbon hấp thụ, các mẫu thứ cấp đã được dùng để phân tích hàm lượng carbon theo phương pháp đốt cháy (Rayment và Higginsin, 1992). Mẫu thứ cấp được đốt cháy bằng oxi tinh khiết trong môi trường nhiệt độ cao và chuyển toàn bộ carbon thành carbonoxit, sau đó carbonoxit được tách ra bằng máy dò của dòng Heli tinh khiết. Các loại oxit khác (nitơ, lưu huỳnh,…) được tách ra từ dòng khí.
Hàm lượng carbon được tính toán bằng phương pháp không tán sắc của vùng quang phổ hồng ngoại. Phân tích hàm lượng carbon bằng hai phương pháp phép sắc ký của dòng khí và quang phổ khối (Gifford, 2000). Sử dụng phương pháp đốt lò có thể phân tích được hàm lượng nitơ oxit cùng với hàm lượng carbonoxit và có thể phân tích thêm các loại khoáng để tăng thêm giá trị của số liệu. Các nhà khoa học đã cố gắng xác định quy mô của các vùng dự trữ carbon toàn cầu và sự đóng góp của rừng vào các vùng dự trữ cũng như những thay đổi về lượng carbon được dự trữ như: Bolin (1977); Post, Emanuel và cộng sự (1982); 6 Detwiler và Hall (1988); Brown, Hall và cộng sự (1996) [26], [27]; Dixon, Brown (1994) [28]; Malhi, Baldocchi (1999),.
Năm 1980, Brown và cộng sự đã sử dụng công nghệ GIS dự tính lượng carbon trung bình trong rừng nhiệt đới châu Á là 144 tấn/ha trong phần sinh khối và 148 tấn/ha trong lớp đất mặt với độ sâu 1 m, tương đương 42 - 43 tỷ tấn carbon trong toàn châu lục.A đã chứng minh lượng carbon trong rừng nhiệt đới châu Á là 40 - 250 tấn/ha, trong đó 50 - 120 tấn/ha ở phần thực vật và đất [27]. đã nghiên cứu và đưa ra dẫn liệu rừng Indonesia có lượng carbon hấp thụ từ 161 - 300 tấn/ha trong phần sinh khối trên mặt đất. Tại Thái Lan, Noonpragop K. đã xác định lượng carbon trong sinh khối trên mặt đất là 72 - 182 tấn/ha.
Ở Malaysia lượng carbon trong rừng biến động từ 100 - 160 tấn/ha và tính cả trong sinh khối và đất là 90 - 780 tấn/ha (Abu Bakar, R). Năm 1999, một nghiên cứu về lượng phát thải carbon hàng năm và lượng carbon dự trữ trong sinh quyển được Malhi, Baldocchi thực hiện. Theo các tác giả này thì sự phát thải từ các hoạt động của con người (như đốt nhiên liệu hoá thạch,…) tạo ra 7,1 ± 1,1 Gt C/năm đi vào khí quyển, 46% còn lại trong khí quyển, trong khi đó 2,0 ± 0,8 Gt C/năm được chuyển vào đại dương; 1,8 ± 1,6 Gt C/năm được giữ trong bể trữ carbon trái đất. Tại Philippines, năm 1999 Lasco R.
Nghiên cứu của Lasco năm 2003 cũng cho thấy rừng trồng thương mại cây mọc nhanh hấp thụ được 0,5 - 7,82 tấn C/ha/năm tuỳ theo loài cây và tuổi. Năm 2000, ở Indonesia Noordwijk đã nghiên cứu khả năng hấp thụ carbon của các rừng thứ sinh, các hệ nông lâm kết hợp và thâm canh cây lâu năm trung bình là 2,5 tấn/ha/năm và đã nghiên cứu về mối quan hệ giữa điều kiện xung quanh với loài cây: Khả năng tích luỹ carbon này biến động từ 0,5 - 12,5 tấn/ha/năm, rừng Quế 7 tuổi tích luỹ từ 4,49 - 7,19 kg C/ha,. Nhiều phương pháp tính lượng CO2 dự trữ đã được đưa ra như phương pháp 7 của Y. Morikawa đã tính khối lượng carbon chiếm 50% khối lượng sinh khối khô, từ lượng carbon suy ra lượng CO2.
Phương pháp này đã được Trung tâm Hợp tác Quốc tế và xúc tiến Lâm nghiệp Nhật Bản (JIFPRO) áp dụng. Một phương pháp khác được tính theo Viện nghiên cứu Nissho Iwai - Nhật Bản (NIRI). Nghiên cứu sự biến động carbon sau khai thác rừng một số nhà khoa học đã cho thấy rằng: - Lượng sinh khối và các bon của rừng nhiệt đới châu Á bị giảm khoảng 22 - 67% sau khai thác (Lasco, 2003) [22]. - Tại Philippines, ngay sau khi khai thác lượng carbon bị mất là 50%, so với rừng thành thục trước khai thác ở Indonesia là 38 - 75% (Lasco, 2003) [22].
- Phương thức khai thác cũng có ảnh hưởng rõ rệt tới mức thiệt hại do khai thác hay lượng carbon bị giảm. Bằng việc áp dụng phương thức khai thác giảm thiểu (RIL) tác động ở Sabah (Malaysia) sau khai thác một năm, lượng sinh khối đã đạt 44 - 67% so với trước khai thác. Lượng carbon trong lâm phần sau khai thác theo RIL cao hơn lâm phần khai thác theo phương thức thông thường đến 88 tấn/ha (Putz F. - Quá trình sinh trưởng của cây trồng cũng đồng thời là quá trình tích lũy carbon.
Theo Noordwijk (2000), ở Indonesia khả năng tích lũy carbon ở rừng thứ sinh, các hệ thống nông lâm kết hợp và thâm canh cây lâu năm trung bình là 2,5 tấn/ha/năm và có sự biến động rất lớn trong các điều kiện khác nhau từ 0,5 - 12,5 tấn/ha/năm. Các công trình nghiên cứu về sinh khối và năng suất rừng Ở Việt Nam, các vấn đề liên quan đến “Cơ chế phát triển sạch” (CDM), hấp thụ Carbon của rừng, đều là những vấn đề còn khá mới mẻ và mới được bắt đầu nghiên cứu trong những năm gần đây. Việt Nam đã phê chuẩn Công ước khung của Liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) ngày 16/11/1994 và Nghị định thư Kyoto vào ngày 25/9/2002, được đánh giá là một trong những nước tích cực tham gia vào Nghị định thư Kyoto sớm nhất (Hoàng Mạnh Hoà, 2004) [6]. 8 So với những vấn đề nghiên cứu khác trong lĩnh vực lâm nghiệp, nghiên cứu về sinh khối rừng ở nước ta được tiến hành khá muộn (vào cuối thập kỷ 80), tuy nhiên cũng đạt được những kết quả nhất định.