Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU 1. Trên Thế giới Tổng sinh khối tích lũy hàng năm của hệ sinh thái rừng (NEP) là thông số quan trọng nhất để đánh giá vai trò của rừng đối với điều tiết CO 2 trong khí quyển, bảo vệ môi trường. Để xác định NEP phụ thuộc vào 4 thông số cần thiết: (i) Tăng trưởng sinh khối hàng năm (sự khác nhau của sinh khối giữa năm sau và năm trước - Bi); (ii) Phần sinh khối chết tích lũy trên và dưới mặt đất hàng năm (D - Dead); (iii) Phần thực vật bị động vật ăn (Ch - Consumed by herbivores) và (iv) Hô hấp của vi sinh vật nhằm phân hủy chất hữu cơ dưới và trên bề mặt đất (Rs - Respiration in soil). Phương pháp tính tổng sinh khối sau quang hợp (NPP) và NEP được mô tả ở Hình 1.
Mô tả phương pháp tính sinh khối sau quang hợp (NPP) và sinh khối dự trữ hàng năm của hệ sinh thái rừng (NEP). Sinh khối trên mặt đất * Sinh khối sống trên mặt đất Tăng tưởng sinh khối phần trên mặt đất đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới ở nhiều hệ sinh thái rừng khác nhau. Các tác giả đều dựa vào mô hình toán học để xây dựng mối tương quan giữa D1.3 và sinh khối Sherman và cs (2003) [49]; Fukushima và cs (2008) [42]), từ cơ sở đó căn cứ vào tăng trưởng hàng năm về D1.3 để xác định tăng trưởng về sinh khối (kg/ha/năm). Phần thực vật bị động vật ăn (Ch) chiếm phần nhỏ so với tổng sinh khối quang hợp của hệ sinh thái, bên cạnh đó việc xác định cũng rất khó khăn do vậy chúng thường bị bỏ qua trong xác định sinh khối tính lũy hàng năm của hệ sinh thái rừng Day và cs (1996) [41]; Amarasinghe và Balasubramaniam (1992) [34]).
* Sinh khối chết trên mặt đất Phần trên mặt đất được các nhà nghiên cứu xác định khá đơn giản bằng phương pháp túi hứng được bố trí dưới tán rừng, Sato và cs (2010) [47] và nhiều nghiên cứu khác. Sinh khối dưới mặt đất * Sinh khối sống dưới mặt đất Việc xác định sinh khối rễ bởi các phương pháp lấy mẫu khác nhau được nhiều tác giả mô tả trong các công trình nghiên cứu của mình (Shurrman và Geodewaaen, 1971; Moore, 1973; Gadow và Hui, 1999; Oliveira và cs 2000; Voronoi, 2001; McKenzie và cs, 2001). Nhiều tác giả khi nghiên cứu sinh khối cho rằng việc thu thập rễ gặp nhiều khó khăn (Grier và cs, 1989; Reichel, 1991; Burton V. Barner và cs, 1998) dẫn theo Vũ Tấn Phương (2012)[23].
Việc xác định tăng trưởng sinh 6 khối hàng năm dưới mặt đất ít được quan tâm và chỉ mới được thực hiện trên một số đối tượng như rừng ngập mặn tự nhiên Komiyama và cs (2008) [39], rừng trồng Bolte và cs (2004) và cũng dựa trên tương quan giữa sinh khối rễ và D1.3 để xác định sự khác nhau về sinh khối rễ giữa các năm thông qua tăng trưởng về D1.3, tuy nhiên quan hệ D1.3/sinh khối rễ đem lại sai số khá cao (40 - 70%), Comley và McGuiness (2005) [39] * Sinh khối chết dưới mặt đất Theo Vogt và cs (1996), đối với việc xác định sinh khối chết tích lũy dưới mặt đất khá phức tạp. Rễ trong hệ sinh thái rừng có Φ ≤ 2 mm có chức năng hút nước và chất dinh dưỡng giúp cây sinh trưởng và phát triển được gọi là rễ cám, rễ cám luôn sinh trưởng, chết và phân hủy cũng giống như lá cây và tuổi thọ của phần lớn rễ cám chỉ vài tuần đến vài tháng [52]. Năm 2001, Kurniatun đã tổng hợp và xây dựng hệ thống các phương pháp thu thập số liệu về sinh khối trên và dưới mặt đất phục vụ nghiên cứu sinh khối và carbon rừng. Mặc dù vậy, Osawa và Aizawa (2012) [45] đã đề xuất một phương pháp xác định tổng sinh khối rễ cám chết, phân hủy và sống tích lũy hàng năm bằng phương pháp core tăng trưởng và túi phân hủy, tuy nhiên phương pháp này vẫn gặp phải nhưng sai số nhất định.
Đối với rễ lớn (có đường kính >2 mm) sinh khối chết hàng năm chiếm tỷ lệ rất thấp do đó nó cũng không được đề cập đến trong xác định sinh khối chết tích lũy hàng năm phần dưới đất. Khả năng tích lũy sinh khối và mô hình hóa quan hệ giữa sinh khối với các nhân tố điều tra của rừng Tăng trưởng sinh khối hàng năm (Bi) bao gồm phần trên mặt đất và phần dưới mặt đất. Nghiên cứu xác định tăng trưởng phần trên mặt đất đã được thực hiện khá rộng rãi trên thế giới cho nhiều hệ sinh thái rừng khác nhau. Các tác giả đều dựa vào mô hình toán học xây dựng mối tương quan 7 giữa D1.3 và sinh khối Sherman và cs (2003) [49]; Fukushima và cs (2008) , trên cơ sở đó căn cứ vào tăng trưởng hàng năm về D 1.3 để xác định ra tăng trưởng về sinh khối (kg/ha/năm).
Nhiều nghiên cứu đã xây dựng các phương trình tương quan giữa sinh khối với một số nhân tố điều tra ở rừng tự nhiên nhằm ước lượng sinh khối , biến độc lập được đưa vào tính toán là đường kính ngang ngực D 1.3 hoặc tiết diện ngang (BA) (Brown và cs, 1989; Martinez-Yrizar và cs, 1992; Brown và Iverson, 1992; Chase, 2005). Năm 2010, Picard và cs đã đề xuất sử dụng hàm mũ để ước lượng sinh khối mà biến độc lập là D, H và ρ, đây cũng là dạng hàm mà nhiều tác giả sử dụng (MacDicken, 1997; Johannes and Shem, 2011; Henry và cs, 2010; Brown, 1997). Năm 2012, Osawa and Aizawa đã nghiên cứu xác định sinh khối rễ cám sống, rễ cám chết tích lũy hàng năm và sinh khối phân hủy hàng năm ở đối tượng rừng phục hồi sau khai thác tại Nhật Bản. Bên cạnh đó, phương pháp chôn máy scan nhằm quan sát sinh trưởng và hình thái rễ được lần đầu đề cập tới bởi Dannoura và cs (2008) [40] trong nghiên cứu rễ cây con trong phòng thí nghiệm.
Những tác giả này (Osawa, Aizawa và Dannoura) hiện đang công tác tại phòng nghiên cứu sử dụng tài nguyên rừng thuộc trường Đại học Tổng hợp Kyoto. Hơn nữa, việc kết hợp giữa core tăng trưởng Osawa và Aizawa (2012) [45] và chôn máy scan, Dannoura (2008) [40] trong nghiên cứu sinh khối, phân hủy của rễ cây nhằm tăng độ chính xác trong xác định sinh khối tích lũy hàng năm dưới mặt đất vẫn chưa được đề cập tới ngay cả trong các nghiên cứu tại Nhật Bản và trên thế giới. Hô hấp của vi sinh vật đất (Rs) nhằm phân hủy các chất hữu cơ có trong đất và trên bề mặt rừng. Hô hấp vi sinh vật đất có tác dụng lớn đối với phân hủy chất hữu cơ trả lại dinh dưỡng cho đất, tuy nhiên nó cũng thải ra một lượng lớn 8 khí CO2 vào khí quyển Schlesinger và Andrews (2000) [48].
Phương pháp hộp kín sử dụng hệ thống phân tích khí [A closed chamber method (CC-method) using an infra-red gas analyzer - IRGA; Bekko và cộng sự, 1995] được sử dụng khá rộng rãi trong xác định hô hấp của đất [35]. Nghiên cứu xác định hô hấp đất đối với hệ sinh thái rừng đã được tiến hành khá rộng rãi trên thế giới (Knohl và cs, 2008; Lindroth và cs, 2008; Ryan và cs, 2005). Ở Việt Nam Ở Việt Nam, nghiên cứu về sinh khối và carbon đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu khá lâu, tuy nhiên giá trị về rừng được nhìn nhận lớn hơn từ góc độ môi trường sinh thái so với giá trị kinh tế thì các công trình được đi sâu vào nghiên cứu và phân tích. Ngày nay, biến đổi khí hậu được xem là vấn đề thời sự toàn cầu thì việc quản lý, bảo vệ rừng đã được quan tâm nhiều hơn, sự đầu tư vào nghiên cứu về sinh khối, carbon để lượng hóa giá trị môi trường rừng phục vụ chi trả dịch vụ môi trường là vấn đề cần thiết.
Nghiên cứu sinh khối rừng trồng Rừng trồng các loài cây chủ yếu như Keo tai tượng, Keo lá tràm, Mỡ, Thông mã vĩ, Thông nhựa, Thông ba lá, Keo lai, Bạch đàn Urophyla,… đã được nhiều tác giả nghiên cứu để xây dựng các biểu thể tích, biểu cấp đất, biểu sản lượng, biểu thương phẩm, điển hình như các tác giả: (Nguyễn Xuân Quát (1985) [24]; Nguyễn Ngọc Lung (1989) [16]; Vũ Nhâm (1995); Vũ Tiến Hinh và Đào Công Khanh (2001); Viện Điều tra qui hoạch rừng (2001). Đây được coi là tiền đề để xác định sinh khối và carbon rừng. Sinh khối trên mặt đất * Sinh khối sống trên mặt đất Sinh khối tầng cây gỗ: Năm 1971, Ngô Đình Quế khi nghiên cứu rừng Thông ba lá tại Lâm Đồng, tác giả cho biết mật độ 2500 cây/ha, với cấp đất I 9 thì sinh khối đạt 330 tấn/ha (dẫn theo Võ Đại Hải, 2009) [12]. Hệ sinh thái rừng ngập mặn được Nguyễn Hoàng Trí (1986) nghiên cứu với quần xã rừng Đước đôi (Rhizophora apiculata) tại Minh Hải, tác giả đã sử dụng phương pháp cây mẫu để xác định năng suất sinh khối [32].
Với phương pháp cây mẫu Hà Văn Tuế (1994) cũng dùng để nghiên cứu năng suất và sinh khối của một số quần xã rừng nguyên liệu tại Vĩnh Phúc [27]. Nguyễn Ngọc Lung và Đào Công Khanh (1999) khi nghiên cứu Thông ba lá, cấp đất III cho thấy sinh khối thân cây tuyệt đối là 311,75 tấn/ha, tổng sinh khối toàn rừng là 428,2 tấn/ha với số liệu được phân tích từ 60 cây tiêu chuẩn chặt ha. Năm 2001, Đặng Trung Tấn đã xác định tổng sinh khối rừng Đước tại Cà Mau là 327 m3/ha [28]. Theo Nguyễn Tuấn Dũng (2005) [3] khi nghiên cứu Thông mã vĩ và Keo lá tràm tại Hà Tây thì tổng sinh khối rừng Thông mã vĩ tuổi 20 dao động từ 173,4 - 266,2 tấn/ha và Keo lá tràm 15 tuổi khoảng 132,2 - 223,4 tấn/ha.
Theo Nguyễn Duy Kiên (2007) [15], khi nghiên cứu Keo tai tượng tại Tuyên Quang, tác giả xác định sinh khối tầng cây cao chiếm tỷ trọng lớn nhất 75-79%. Với rừng Mỡ tại Tuyên Quang và Phú Thọ tỷ lệ này chiếm 86% Lý Thu Quỳnh (2007) [26]. Phương pháp cây tiêu chuẩn để chặt hạ nhằm xác định sinh khối của một số loài Keo tai tượng, Bạch đàn urophylla, Mỡ từ đó tính toán sinh khối toàn lâm phần Võ Đại Hải (2009) [9]. Vũ Tấn Phương (2012) [21] đã chọn cây tiêu chuẩn đại diện ở các cấp đất khác nhau để chặt hạ xác định sinh khối tươi/khô của loài Thông ba lá, kết quả cho thấy sinh khối tầng cây gỗ chiếm 86% tổng sinh khối của lâm phần ở Lâm Đồng và 84,9% tổng sinh khối lâm phần ở Hà Giang.