Tổng quan nghiên cứu

Khu dự trữ sinh quyển rừng ngập mặn Cần Giờ có tổng diện tích tự nhiên khoảng 38.000 ha, trong đó mạng lưới sông rạch chiếm 31,76%, đóng vai trò xung yếu như một "lá phổi xanh" phòng hộ ven biển và hấp thụ khí nhà kính lớn nhất cho Thành phố Hồ Chí Minh. Mặc dù vậy, các quy trình kiểm kê tài nguyên rừng truyền thống trước đây chủ yếu dựa vào đo đếm thực địa tốn nhiều kinh phí hoặc sử dụng ảnh viễn thám quang học vốn bị hạn chế bởi mây mù và chỉ cung cấp thông tin phản xạ hai chiều trên bề mặt tán. Việc thiếu hụt dữ liệu định lượng chính xác về cấu trúc sinh khối đã tạo ra rào cản lớn cho việc tham gia các cơ chế giảm phát thải khí nhà kính REDD+ và thị trường tín chỉ carbon quốc tế.

Đề tài nghiên cứu đánh giá trữ lượng carbon trên mặt đất bằng ảnh viễn thám Radar tại khu rừng ngập mặn Cần Giờ được triển khai nhằm giải quyết triệt để hạn chế trên. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích đặc trưng tán xạ ngược của sóng Radar độ mở tổng hợp băng L đối với thảm thực vật ngập mặn, thiết lập mô hình toán học tương quan giữa tín hiệu viễn thám với sinh khối thân cây sống trên mặt đất, và xây dựng bản đồ phân bố trữ lượng hấp thụ khí cacbonic toàn diện cho khu vực.

Nghiên cứu được thực hiện trên toàn bộ diện tích rừng ngập mặn huyện Cần Giờ, tích hợp tư liệu vệ tinh ALOS-2 PALSAR chụp ngày 19 tháng 01 năm 2016 cùng dữ liệu điều tra thực địa tại 96 ô tiêu chuẩn trong tháng 3 và tháng 4 năm 2016. Kết quả của công trình mang lại giải pháp công nghệ tiên tiến giúp tiết kiệm hơn 60% chi phí điều tra ngoại nghiệp, đồng thời tạo tiền đề cho chu kỳ kiểm kê khí nhà kính định kỳ 5 năm của ngành lâm nghiệp đạt độ tin cậy cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết viễn thám siêu cao tần chủ động kết hợp mô hình sinh khối thực vật theo hướng dẫn kiểm kê khí nhà kính của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu. Sóng Radar băng L có bước sóng 23,6 cm và tần số 1270 MHz sở hữu khả năng xuyên thấu qua tầng tán lá rậm rạp để tương tác trực tiếp với các cành lớn, thân cây gỗ và bề mặt bùn ngập triều, hoàn toàn không phụ thuộc vào nguồn sáng mặt trời hay điều kiện thời tiết.

Bốn khái niệm khoa học then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm:

  • Hệ số tán xạ ngược biểu thị bằng đơn vị decibel, đặc trưng cho mức độ phản hồi năng lượng điện từ từ các cấu trúc rừng;
  • Sinh khối khô trên mặt đất của tầng cây gỗ;
  • Hệ số chuyển đổi sinh khối sang khối lượng carbon nguyên tố với tỷ lệ quy ước 0,50 theo tiêu chuẩn lâm nghiệp;
  • Hệ số quy đổi carbon sang khối lượng khí cacbonic hấp thụ tương đương 3,67 lần (dựa trên tỷ lệ khối lượng phân tử 44/12).

Mô hình nghiên cứu áp dụng hàm hồi quy logarit phi tuyến nhằm phản ánh chính xác quy luật sinh trưởng thực tế của thảm thực vật nhiệt đới, nơi tốc độ tăng trưởng sinh khối có xu hướng chậm dần khi lâm phần bước vào giai đoạn thành thục từ 20 đến 35 năm tuổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu ngoại nghiệp được kế thừa và thu thập trực tiếp từ 96 ô tiêu chuẩn kích thước 33,3 m x 30 m (diện tích mỗi ô đạt 1.000 m²). Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng dựa trên hiện trạng 4 loài cây ưu thế: Đước đôi, Dà quánh, Cóc trắng và Mắm trắng. Tại mỗi ô tiêu chuẩn, 5 ô dạng bản diện tích 100 m² được bố trí tại 4 góc và tâm ô để đo đếm chính xác đường kính thân cây tại vị trí 1,3 m cũng như chiều cao vút ngọn bằng máy đo chuyên dụng và định vị GPS sai số dưới 5 m.

Dữ liệu viễn thám sử dụng ảnh vệ tinh ALOS-2 PALSAR mức xử lý 1.5 với hai kênh phân cực phát ngang thu ngang và phát ngang thu đứng. Quy trình xử lý nội nghiệp bao gồm nắn chỉnh hình học chuyển đổi về hệ tọa độ VN-2000 kinh tuyến trục 105°45', lọc nhiễu đốm bằng thuật toán phin lọc Lee kích thước cửa sổ 5x5 điểm ảnh, và định chuẩn giá trị số sang hệ số tán xạ ngược theo công thức chuẩn hóa của cơ quan nghiên cứu không gian.

Phương pháp phân tích hồi quy thống kê trên phần mềm chuyên dụng được lựa chọn để phân tích mối tương quan giữa giá trị tán xạ tại 37 ô mẫu huấn luyện với trữ lượng thực tế. Cùng với đó, một tập hợp gồm 30 ô tiêu chuẩn độc lập được dùng để kiểm định sai số trung phương, đảm bảo tính khách quan và khả năng ngoại suy bản đồ trên diện rộng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích định lượng khẳng định kênh phân cực chéo và chỉ số phân cực kết hợp có độ nhạy vượt trội đối với sinh khối rừng ngập mặn. Hệ số xác định giữa giá trị tán xạ của kênh phân cực chéo với trữ lượng khí cacbonic điều tra mặt đất đạt giá trị từ 0,72 đến 0,78, cao hơn rõ rệt so với kênh phân cực đơn chỉ đạt khoảng 0,58.

Trữ lượng carbon và khả năng hấp thụ khí nhà kính có sự phân hóa mạnh mẽ theo loài cây và độ tuổi của lâm phần:

  • Quần thể rừng Đước đôi trồng từ 27 đến 31 tuổi tích lũy lượng khí cacbonic cao nhất, đạt bình quân 508,39 tấn/ha (tương đương 138,65 tấn C/ha), cao hơn 135% so với cấp tuổi non từ 11 đến 16 tuổi vốn chỉ đạt 215,66 tấn/ha;
  • Sinh khối thân cây Đước đôi chiếm tỷ trọng áp đảo từ 84,19% đến 84,59% tổng lượng hấp thụ trên mặt đất, trong khi cành chiếm khoảng 7,1%, rễ khí sinh chiếm 6,0% và lá chiếm 2,46%;
  • Quần thể Cóc trắng đạt sinh khối khô trung bình 47,51 tấn/ha, với mức tích lũy carbon tăng từ 1,62 tấn C/ha ở 4 tuổi lên 36,61 tấn C/ha ở 17 tuổi, tương ứng mức tăng trưởng hơn 22 lần;
  • Kết quả kiểm định độc lập trên 30 ô tiêu chuẩn kiểm chứng ghi nhận sai số trung phương dao động trong khoảng kiểm soát từ 12,5% đến 15,8%.

Thảo luận kết quả

Ưu thế vượt trội của kênh phân cực chéo xuất phát từ cơ chế tán xạ khối đa hướng diễn ra mạnh mẽ trong vòm tán, cành nhánh và hệ thống rễ chống chằng chịt đặc trưng của rừng ngập mặn. Sóng Radar băng L có bước sóng 23,6 cm thâm nhập sâu vào cấu trúc thân cây gỗ, loại bỏ đáng kể tác động phản xạ trực tiếp từ mặt nước triều ngập bên dưới. Trên biểu đồ phân tán giữa hệ số tán xạ và trữ lượng thực tế, đường cong hồi quy phản ánh rõ hiện tượng bão hòa tín hiệu khi sinh khối vượt qua ngưỡng 200 tấn/ha.

Hiện tượng bão hòa tín hiệu này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế tại vùng rừng ngập mặn bờ biển Nam Mỹ và Bắc Australia, nơi ngưỡng nhạy cảm của băng tần L đạt từ 150 đến 200 tấn/ha.

Bản đồ chuyên đề trữ lượng khí cacbonic được thành lập ở tỷ lệ 1:25.000, phân tách thảm rừng thành 5 cấp trữ lượng từ dưới 100 tấn/ha đến trên 400 tấn/ha. Bảng thống kê diện tích chỉ ra hơn 65% diện tích rừng Cần Giờ thuộc nhóm có trữ lượng trung bình và cao, khẳng định sự phục hồi sinh thái ngoạn mục của vùng đất ngập mặn sau nhiều thập kỷ bảo vệ nghiêm ngặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Xây dựng hệ thống giám sát biến động carbon tự động: Ban Quản lý Rừng phòng hộ Cần Giờ chủ trì phối hợp với các cơ quan chuyên môn ứng dụng ảnh Radar đa thời gian định kỳ 2 năm một lần trong giai đoạn 2026-2030, hướng đến mục tiêu cắt giảm 50% chi phí nhân lực điều tra thực địa.
  • Số hóa bản đồ phân vùng chi trả dịch vụ môi trường rừng: Chi cục Kiểm lâm Thành phố Hồ Chí Minh hoàn thiện bản đồ trữ lượng carbon số hóa tỷ lệ 1:10.000 trước quý IV năm 2027, làm cơ sở thương mại hóa tín chỉ carbon rừng với mức giá kỳ vọng từ 5 đến 10 USD cho mỗi tấn khí cacbonic hấp thụ, tạo nguồn thu ước tính trên 15 tỷ đồng mỗi năm cho quỹ bảo vệ rừng.
  • Áp dụng kỹ thuật tỉa thưa nuôi dưỡng lâm phần Đước đôi: Đơn vị quản lý rừng địa phương thực hiện các biện pháp điều chỉnh mật độ hợp lý cho 12.000 ha rừng trồng từ 15 đến 25 năm tuổi trong lộ trình 2026-2028, nhằm kích thích tăng trưởng đường kính thân cây và nâng cao năng suất tích lũy sinh khối thêm 15% đến 20%.
  • Duy trì mạng lưới 50 ô tiêu chuẩn định vị vĩnh viễn: Sở Khoa học và Công nghệ phê duyệt đề án quan trắc diễn thế sinh khối và phát thải khí nhà kính từ đất trong khung thời gian 2026-2035, cung cấp chuỗi dữ liệu thực nghiệm liên tục để chuẩn hóa các thuật toán viễn thám thế hệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý lâm nghiệp và kiểm lâm địa phương: Ứng dụng trực tiếp quy trình tích hợp ảnh viễn thám Radar và hệ thống thông tin địa lý để quản lý bền vững 38.000 ha rừng ngập mặn, giảm thiểu 70% thời gian thực hiện báo cáo kiểm kê tài nguyên.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Lâm học, Viễn thám và Quản lý tài nguyên môi trường: Tham khảo phương pháp định chuẩn hệ số tán xạ ngược từ dữ liệu vệ tinh mức 1.5 và hệ thống 4 phương trình sinh khối thực nghiệm làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu.
  • Các tổ chức phát triển dự án carbon rừng và chương trình REDD+: Khai thác mô hình tương quan đạt hệ số tin cậy 0,78 để thiết lập đường phát thải cơ sở và thẩm tra hạn mức tín chỉ carbon theo các tiêu chuẩn quốc tế uy tín.
  • Doanh nghiệp thực hiện chiến lược giảm phát thải ròng Net Zero 2050: Tìm kiếm cơ hội đầu tư tài chính vào các dự án bảo tồn rừng ngập mặn nhằm tạo nguồn tín chỉ bù trừ từ 10.000 đến 50.000 tấn khí cacbonic hàng năm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao ảnh Radar băng L lại ưu việt hơn ảnh viễn thám quang học trong đánh giá sinh khối rừng ngập mặn? Ảnh Radar băng L sử dụng bước sóng dài 23,6 cm có khả năng xuyên qua tầng mây dày đặc và tán lá cây để tương tác trực tiếp với thân và rễ cây, hoạt động liên tục cả ngày lẫn đêm. Ngược lại, ảnh quang học thường xuyên bị mây bao phủ trên 70% tại các dải ven biển nhiệt đới và chỉ ghi nhận được thông tin phản xạ hai chiều trên mặt tán.

Kênh phân cực nào mang lại độ chính xác cao nhất khi ước tính trữ lượng carbon tại Cần Giờ? Kênh phân cực chéo và giá trị trung bình kết hợp giữa hai phân cực cho kết quả tối ưu nhất với hệ số xác định đạt từ 0,72 đến 0,78. Cấu trúc phức tạp của vòm tán và hệ rễ chống của cây Đước đôi làm quay mặt phẳng phân cực của sóng tới, tạo ra tín hiệu tán xạ khối phân cực chéo rất nhạy cảm với sinh khối.

Khả năng hấp thụ khí cacbonic bình quân của rừng Đước đôi tại Cần Giờ đạt mức bao nhiêu? Trữ lượng hấp thụ tăng dần theo độ tuổi: lâm phần 11-16 tuổi đạt 215,66 tấn/ha, trong khi lâm phần 27-31 tuổi đạt mức 508,39 tấn/ha (tương đương 138,65 tấn carbon nguyên tố/ha). Trong cấu trúc sinh khối cá thể, thân cây chiếm tỷ trọng hấp thụ lớn nhất, đạt từ 84,19% đến 84,59%.

Mô hình hồi quy trong nghiên cứu có gặp giới hạn bão hòa tín hiệu không? Có, tín hiệu sóng Radar băng L xuất hiện hiện tượng bão hòa khi sinh khối rừng vượt ngưỡng 150 đến 200 tấn/ha. Việc lựa chọn mô hình hồi quy hàm logarit phi tuyến đã giúp mô tả chính xác điểm uốn bão hòa này, giữ cho sai số trung phương của toàn bộ mô hình ở mức dưới 16%.

Việc kết hợp viễn thám Radar mang lại lợi ích kinh tế như thế nào so với kiểm kê truyền thống? Phương pháp viễn thám kết hợp 96 ô tiêu chuẩn mẫu giúp cắt giảm hơn 60% kinh phí nhân lực và rút ngắn thời gian điều tra từ 6 tháng xuống còn dưới 30 ngày cho toàn bộ diện tích 38.000 ha. Giải pháp này cho phép cập nhật dữ liệu định kỳ với độ phủ đồng bộ trên toàn bộ cảnh quan rừng.

Kết luận

  • Công trình đã thiết lập thành công quy trình ứng dụng ảnh viễn thám Radar ALOS-2 PALSAR băng L để ước tính trữ lượng carbon trên 38.000 ha rừng ngập mặn Cần Giờ.
  • Xây dựng mô hình tương quan logarit phi tuyến tối ưu với hệ số xác định đạt trên 0,72 và sai số trung phương kiểm định ngoại nghiệp độc lập dưới 16%.
  • Thành lập bản đồ phân vùng 5 cấp trữ lượng hấp thụ khí cacbonic, chứng minh năng lực tích lũy carbon vượt trội của quần thể Đước đôi đạt tới 508,39 tấn/ha.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn phục vụ kiểm kê khí nhà kính và xây dựng chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng trong giai đoạn 2026-2030.
  • Đề xuất mở rộng áp dụng công nghệ viễn thám Radar đa phân cực trên các hệ sinh thái rừng phòng hộ ven biển toàn quốc từ năm 2027.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp một giải pháp công nghệ viễn thám chủ động với chi phí tối ưu và độ chính xác cao trong giám sát tài nguyên rừng thích ứng biến đổi khí hậu. Các nhà quản lý và viện nghiên cứu hãy chủ động áp dụng quy trình mô hình hóa này để nâng cao hiệu quả quản trị tài nguyên rừng ngay hôm nay.