Ứng dụng công nghệ scan 3d laser để xác định sinh khối và các bon trong kiểu rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại khu dự trữ sinh quyển đồng nai

Tài liệu nghiên cứu Ứng dụng công nghệ scan 3d laser để xác định sinh khối và các bon trong kiểu rừng tự nhiên lá rộng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trịnh Đức Thành
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đăng Cường
• Trường học: Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Lâm học
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ Scan 3D Laser Trong Xác Định Sinh Khối Và Carbon Rừng Tự Nhiên Tại Đồng Nai
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Hấp thu các bon
• 1.1.1. Hấp thu các bon và vai trò của các khu dự trữ sinh quyển
• 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Quan điểm và phương pháp luận
• 2.3.2. Phương pháp kế thừa tài liệu
• 2.3.3. Phương pháp ngoại nghiệp
• 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cấu trúc tổ thành của các trạng thái rừng tự nhiên LRTX
• 3.2. Sinh khối cây cá lẻ tầng cây gỗ
• 3.3. Sinh khối cây cá lẻ trạng thái rừng LRTX giàu
• 3.4. Sinh khối và trữ lượng các bon lâm phần
• 3.5. Sinh khối tầng cây cao
• 3.6. Sinh khối cây bụi thảm tươi và vật rơi rụng
• 3.7. Sinh khối cây dây leo trong lâm phần
• 3.8. Sinh khối của lâm phần
• 3.9. Trữ lượng Các bon tích lũy trong các trạng thái rừng
• 3.10. Tiềm năng ứng dụng kết quả nghiên cứu về sinh khối và tiềm năng tham gia của Việt Nam trong thị trường carbon
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Scan 3D Sinh Khối Rừng Đồng Nai

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc tìm kiếm giải pháp giảm thiểu khí nhà kính là vô cùng cấp thiết. Tăng cường tích trữ cacbon vào các hệ sinh thái, đặc biệt là rừng, đang được xem là giải pháp hiệu quả. Trên toàn thế giới, rừng chiếm 31% tổng diện tích bề mặt Trái Đất (FAO, 2020). Rừng nhiệt đới, đặc biệt là rừng tự nhiên lá rộng thường xanh, đóng vai trò trung tâm trong việc lưu trữ cacbon trên mặt đất. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng công nghệ Scan 3D laser để định lượng sinh khối và cacbon tại Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai, góp phần vào việc bảo tồn và phát triển bền vững.

1.1. Vai Trò Khu Dự Trữ Sinh Quyển Trong Lưu Trữ Cacbon

Các Khu Dự trữ Sinh quyển (KDTSQ) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo tồn đa dạng sinh học và lưu trữ cacbon. Với 701 KDTSQ trên toàn cầu (UNESCO, 2020), chúng là nơi lưu giữ những giá trị vô giá cho nhân loại. Các hệ sinh thái tại KDTSQ có tiềm năng hấp thụ cacbon rất lớn. Việc đánh giá lượng cacbon lưu trữ tại các KDTSQ là cần thiết để hỗ trợ các mục tiêu giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu. Pand... đã đánh giá lượng cacbon lưu trữ ở 106 khu dự trữ sinh quyển trên thế giới, cho thấy tầm quan trọng của chúng trong việc điều hòa khí hậu.

1.2. Phương Pháp Ước Tính Sinh Khối Cacbon Rừng Hiện Tại

Hiện nay, phương pháp chính để tính trữ lượng sinh khối và cacbon ở cấp lâm phần là áp dụng phương trình sinh trắc. Tuy nhiên, phương pháp này có thể tốn kém và khó khả thi khi áp dụng trên quy mô lớn. Ngoài ra, việc sử dụng các mô hình ước lượng sinh khối cho phạm vi rộng lớn để xác định sinh khối cho phạm vi hẹp có thể dẫn đến sai số lớn. Do đó, cần có những phương pháp mới, hiệu quả và ít tác động đến môi trường hơn để ước tính sinh khối và cacbon rừng. Công nghệ Scan 3D laser hứa hẹn là một giải pháp tiềm năng.

II. Thách Thức Xác Định Sinh Khối Rừng Tự Nhiên Chính Xác

Việc xác định chính xác sinh khối và trữ lượng cacbon trong rừng tự nhiên, đặc biệt là rừng lá rộng thường xanh, là một thách thức lớn. Các phương pháp truyền thống như chặt hạ cây (destructive sampling) tốn kém, mất thời gian và gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Đồng thời, việc áp dụng các phương trình sinh trắc xây dựng cho khu vực khác có thể không phù hợp với điều kiện cụ thể của rừng Đồng Nai. Yêu cầu đặt ra là phải tìm ra phương pháp vừa đảm bảo độ chính xác, vừa giảm thiểu tác động đến rừng và có tính khả thi cao.

2.1. Hạn Chế Phương Pháp Chặt Hạ Truyền Thống

Phương pháp chặt hạ cây rừng để xác định sinh khối (destructive sampling) là phương pháp truyền thống nhưng có nhiều hạn chế. Nó tốn kém về thời gian, công sức và gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái rừng. Việc chặt hạ cây để lấy mẫu có thể làm giảm đa dạng sinh học và ảnh hưởng đến chức năng sinh thái của rừng. Gibbs và cs... đã chỉ ra rằng việc này không khả thi khi phải thực hiện với toàn bộ rừng, đặc biệt là các khu rừng có giá trị bảo tồn cao.

2.2. Sai Số Ước Tính Từ Phương Trình Sinh Trắc Chung

Việc sử dụng các phương trình sinh trắc xây dựng cho khu vực khác để ước tính sinh khối cho rừng Đồng Nai có thể dẫn đến sai số lớn. Mỗi khu vực có điều kiện sinh thái và đặc điểm riêng, do đó các phương trình sinh trắc cần được xây dựng riêng cho từng khu vực để đảm bảo độ chính xác. Brown (2002) nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển và sử dụng các hàm thống kê sinh khối phù hợp với từng khu vực.

III. Giải Pháp Ứng Dụng Công Nghệ Scan 3D Laser Tiên Tiến

Công nghệ Scan 3D laser nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giải quyết các thách thức trong việc xác định sinh khối và trữ lượng cacbon rừng. Công nghệ này sử dụng tia laser hoặc ánh sáng trắng để thu thập dữ liệu hình học 3D của cây và rừng. Thiết bị quét laser trên mặt đất (TLS) có khả năng đo không gian ba chiều một cách nhanh chóng, tự động và chi tiết. Ưu điểm của Scan 3D là ghi lại số liệu sinh trưởng cây cá lẻ một cách nhanh chóng, tự động và chi tiết ở cấp độ milimet.

3.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Công Nghệ Scan 3D

Ưu điểm chính của việc sử dụng thiết bị TLS (Terrestrial Laser Scanner) trong điều tra rừng là khả năng ghi lại số liệu sinh trưởng cây cá lẻ trong lâm phần một cách nhanh chóng, tự động và chi tiết ở cấp độ milimet. Việc sử dụng TLS giúp cải thiện hiệu quả công việc đo đếm các chỉ tiêu sinh trưởng (đường kính, chiều cao cây) trong các ô tiêu chuẩn, thay thế đo đếm thủ công bằng các thuộc tính được lấy tự động từ dữ liệu TLS. Đặc biệt, việc sử dụng TLS sẽ giúp giảm thiểu chặt hạ cây mẫu để xác định thể tích và sinh khối.

3.2. Ứng Dụng Scan 3D Giảm Thiểu Chặt Hạ Cây Mẫu

Việc ứng dụng Scan 3D laser giúp giảm thiểu đáng kể việc chặt hạ cây mẫu để xác định thể tích và sinh khối. Thay vì phải chặt hạ cây, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng máy scan 3D để thu thập dữ liệu hình học 3D của cây và tính toán thể tích, sinh khối một cách chính xác mà không gây ảnh hưởng đến cây và hệ sinh thái rừng. Nguyễn Văn Thịnh (2022) đã chứng minh độ chính xác cao của phương pháp này trong việc ước tính sinh khối cho cây cá lẻ.

IV. Phương Pháp Nghiên Cứu Kết Hợp Bán Chặt Hạ Scan 3D

Nghiên cứu này sử dụng kết hợp phương pháp “Bán chặt hạ”, có điều chỉnh phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, và phương pháp sử dụng Máy scan 3D laser để đo đếm thu thập dữ liệu hình ảnh cây cá lẻ (thân, cành). Phương pháp "Bán chặt hạ" được điều chỉnh để giảm thiểu tác động lên cây rừng. Phần mềm Geomagic Studio được sử dụng để tính toán trực tiếp thể tích thân cây và cành lớn để xác định sinh khối cây rừng. Mục tiêu là đảm bảo độ tin cậy cao mà vẫn bảo tồn đa dạng sinh học.

4.1. Quy Trình Thu Thập Dữ Liệu Bán Chặt Hạ Scan 3D

Quá trình thu thập dữ liệu bao gồm: thiết lập ô tiêu chuẩn, đo đếm các chỉ tiêu sinh trưởng, đo đếm và thu thập dữ liệu 3D cây cá lẻ tầng cây cao, thu thập số liệu sinh khối tầng cây bụi, thảm tươi, vật rơi rụng, cây dây leo. Dữ liệu 3D thu thập được từ máy scan 3D sẽ được xử lý bằng phần mềm Geomagic Studio để tạo ra mô hình 3D của cây và tính toán thể tích. Các số liệu sinh khối khác sẽ được thu thập bằng phương pháp truyền thống.

4.2. Xử Lý Dữ Liệu Tính Toán Sinh Khối Bằng Phần Mềm

Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý trên phần mềm Excel và Geomagic Studio. Phần mềm Geomagic Studio được sử dụng để xử lý dữ liệu 3D và tính toán thể tích của thân cây và cành lớn. Các công thức và phương trình sinh trắc phù hợp sẽ được áp dụng để tính toán sinh khối từ thể tích. Dữ liệu sinh khối từ các thành phần khác của rừng (cây bụi, thảm tươi, vật rơi rụng, cây dây leo) sẽ được xử lý bằng phần mềm Excel để tổng hợp và tính toán tổng sinh khối của lâm phần.

V. Kết Quả Ước Tính Sinh Khối Rừng LRTX Tại Khu DTSQ Đồng Nai

Nghiên cứu đã ứng dụng thành công công nghệ Scan 3D laser để đo đếm và xác định sinh khối thân cây, cành và dây leo của 4 trạng thái rừng LRTX (lá rộng thường xanh) giàu, trung bình, nghèo và nghèo kiệt. Kết quả cho thấy khi cỡ đường kính của cây càng lớn thì chênh lệch giữa sinh khối thân cây và cành lớn, cành nhỏ và sinh khối lá càng lớn. Nhìn chung sinh khối thân là lớn nhất, sau đó là sinh khối cành lớn, ít nhất là sinh khối cành nhỏ và lá. Công nghệ Scan 3D thể hiện tính hiệu quả cao trong việc định lượng sinh khối ở các trạng thái rừng khác nhau.

5.1. Sinh Khối Cây Cá Lẻ Tầng Cây Gỗ Ở Các Trạng Thái Rừng

Kết quả nghiên cứu cho thấy sinh khối cây cá lẻ tầng cây gỗ ở cả 4 trạng thái rừng LRTX giàu, trung bình, nghèo và nghèo kiệt có sự khác biệt rõ rệt. Ở trạng thái rừng giàu, sinh khối cây cá lẻ lớn hơn nhiều so với các trạng thái rừng khác. Điều này phản ánh sự khác biệt về cấu trúc và thành phần loài giữa các trạng thái rừng. Khi cỡ đường kính của cây càng lớn, sự chênh lệch về sinh khối giữa các bộ phận của cây (thân, cành lớn, cành nhỏ, lá) càng rõ rệt.

5.2. Sinh Khối Lâm Phần Trữ Lượng Cacbon Tích Lũy

Nghiên cứu cũng đã ước tính được sinh khối lâm phần và trữ lượng cacbon tích lũy trong 4 trạng thái rừng LRTX. Kết quả cho thấy sinh khối lâm phần có xu hướng tăng theo từng cấp trạng thái rừng (từ nghèo kiệt đến giàu). Trạng thái rừng giàu có sinh khối lâm phần và trữ lượng cacbon cao nhất, cho thấy vai trò quan trọng của việc bảo tồn và phục hồi rừng giàu trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Thị Trường Cacbon Tại Việt Nam

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ Scan 3D laser để xác định sinh khối và trữ lượng cacbon trong rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ này trong ước tính sinh khối rừng tự nhiên ở Việt Nam. Đồng thời, nghiên cứu này cũng góp phần vào việc định lượng dịch vụ hệ sinh thái của rừng và mở ra cơ hội tham gia vào thị trường cacbon.

6.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng vào thực tiễn trong việc theo dõi và đánh giá sinh khối rừng, lập kế hoạch quản lý rừng bền vững và xây dựng các dự án REDD+ (giảm phát thải khí nhà kính từ phá rừng và suy thoái rừng). Công nghệ Scan 3D laser có thể giúp các nhà quản lý rừng thu thập dữ liệu sinh khối một cách nhanh chóng và chính xác, từ đó đưa ra các quyết định quản lý rừng hiệu quả hơn.

6.2. Đóng Góp Vào Thị Trường Cacbon Quốc Gia

Việc xác định chính xác sinh khối và trữ lượng cacbon rừng là cơ sở quan trọng để tham gia vào thị trường cacbon. Nghiên cứu này góp phần cung cấp dữ liệu tin cậy về tiềm năng hấp thụ cacbon của rừng Đồng Nai, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các dự án cacbon và thu hút đầu tư vào lĩnh vực bảo tồn và phát triển rừng bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai, với diện tích gần một triệu hecta trải dài trên 5 tỉnh, là một trong những khu vực có đa dạng sinh học phong phú và vai trò quan trọng trong bảo tồn tài nguyên rừng tại Việt Nam. Trong đó, kiểu rừng tự nhiên lá rộng thường xanh chiếm khoảng 14,26% tổng diện tích, với diện tích lên tới gần 140.000 ha, phân bố chủ yếu ở các trạng thái rừng giàu, trung bình, nghèo và nghèo kiệt. Trữ lượng sinh khối và các bon trong rừng đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu thông qua hấp thụ và lưu giữ khí CO2. Tuy nhiên, việc xác định chính xác sinh khối và trữ lượng các bon trong các kiểu rừng này vẫn còn nhiều thách thức do tính đa dạng sinh học cao và hạn chế về phương pháp đo đạc truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ Scan 3D laser để xác định sinh khối và các bon trong kiểu rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai, nhằm cung cấp cơ sở định lượng dịch vụ hấp thụ và lưu giữ các bon của rừng. Nghiên cứu tập trung vào việc đo đạc sinh khối cây cá lẻ và lâm phần, đồng thời xác định trữ lượng các bon tích lũy trong các trạng thái rừng khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm 5 tỉnh thuộc khu dự trữ, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2022-2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc bổ sung kiến thức khoa học về ứng dụng công nghệ mới trong lâm nghiệp mà còn góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và bảo tồn rừng, hỗ trợ các chính sách giảm thiểu phát thải khí nhà kính và phát triển bền vững tại khu vực. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ là cơ sở khoa học quan trọng cho việc mở rộng ứng dụng công nghệ Scan 3D laser trong đánh giá sinh khối và các bon rừng tự nhiên ở Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về sinh khối rừng và trữ lượng các bon trong hệ sinh thái rừng. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết bể chứa các bon trong hệ sinh thái: Bể chứa các bon được phân chia thành các thành phần trên mặt đất (tầng cây gỗ, cây bụi, thảm tươi, vật rơi rụng) và dưới mặt đất (rễ, đất). Mật độ các bon (carbon density) và tổng lượng các bon tích trữ (carbon stock) là hai chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng lưu trữ các bon của rừng.

2. Mô hình phương trình sinh trắc (allometric equations): Đây là phương pháp chuẩn để ước tính sinh khối và trữ lượng các bon dựa trên các biến sinh trưởng như đường kính ngang ngực (DBH), chiều cao cây (H), và khối lượng riêng gỗ (WD). Phương trình sinh trắc được xây dựng dựa trên số liệu chặt hạ cây mẫu hoặc dữ liệu không phá hủy, giúp giảm thiểu tác động đến rừng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: sinh khối cây cá lẻ, lâm phần, trữ lượng các bon, phương pháp chặt hạ và bán chặt hạ, công nghệ Scan 3D laser, và các trạng thái rừng (giàu, trung bình, nghèo, nghèo kiệt).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp hai phương pháp chính nhằm đảm bảo độ chính xác và giảm thiểu tác động đến tài nguyên rừng:

• Phương pháp bán chặt hạ: Điều chỉnh phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, chỉ cắt hạ một số cành nhỏ để đo đạc sinh khối tươi, trong khi giữ lại thân cây và cành lớn. Phương pháp này dựa trên hướng dẫn của FAO và các nghiên cứu quốc tế, giúp thu thập dữ liệu sinh khối chi tiết mà không làm tổn hại lớn đến cây rừng.

• Phương pháp sử dụng Máy scan 3D laser cầm tay: Thu thập dữ liệu hình học 3D của cây cá lẻ (thân, cành lớn, cành nhỏ) trong các ô tiêu chuẩn. Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Geomagic Studio để tính toán thể tích thân cây và cành lớn, từ đó xác định sinh khối chính xác. Phương pháp này cho phép đo đạc nhanh, tự động và chi tiết ở cấp độ milimet, giảm thiểu việc chặt hạ cây mẫu.

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu kế thừa từ các đề tài nghiên cứu trước về sinh khối và khối lượng riêng gỗ, số liệu đo đếm thực địa tại 48 ô tiêu chuẩn với diện tích từ 25 m² đến 2000 m², thu thập trong năm 2022-2023 tại 5 tỉnh thuộc Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai. Cỡ mẫu gồm hơn 1.400 cây cá lẻ được scan 3D, phân bố đều trên 4 trạng thái rừng.

Phương pháp phân tích sử dụng các mô hình hồi quy sinh trắc, phân tích chỉ số tổ thành loài, và xử lý số liệu bằng phần mềm Excel và Geomagic Studio. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2020 đến 2023, trong đó thu thập và xử lý dữ liệu thực địa tập trung vào giai đoạn 2022-2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tổ thành rừng: Số loài xuất hiện tại cỡ đường kính D1.3 > 10 cm đa dạng hơn so với cỡ 5 cm ≤ D1.3 ≤ 10 cm. Các trạng thái rừng giàu, trung bình, nghèo và nghèo kiệt có sự khác biệt rõ rệt về thành phần loài và mật độ cây. Ví dụ, rừng giàu có mật độ cây gỗ lớn hơn 672 cây/ha, trong khi rừng nghèo kiệt chỉ khoảng 45 cây/ha.

2. Sinh khối cây cá lẻ tầng cây cao: Sinh khối thân cây chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng sinh khối, tiếp theo là cành lớn, cành nhỏ và lá. Khi đường kính cây tăng, sự chênh lệch sinh khối giữa thân và các bộ phận khác càng lớn. Sinh khối trung bình của thân cây ở trạng thái rừng giàu đạt khoảng 150 tấn/ha, trong khi ở trạng thái nghèo kiệt chỉ khoảng 30 tấn/ha.

3. Sinh khối lâm phần và trữ lượng các bon: Tổng sinh khối lâm phần tăng theo cấp trạng thái rừng, từ nghèo kiệt đến giàu. Trữ lượng các bon tích lũy trong lâm phần rừng giàu đạt khoảng 75 tấn các bon/ha, cao hơn 2,5 lần so với rừng nghèo kiệt. Sinh khối tầng cây bụi, thảm tươi và vật rơi rụng cũng đóng góp đáng kể, chiếm khoảng 15-20% tổng sinh khối.

4. Hiệu quả ứng dụng công nghệ Scan 3D laser: Kết quả so sánh giữa phương pháp Scan 3D và phương pháp chặt hạ truyền thống cho thấy sai số không đáng kể (Sig.05), chứng tỏ công nghệ Scan 3D có thể thay thế hiệu quả trong việc xác định thể tích và sinh khối cây rừng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự khác biệt sinh khối giữa các trạng thái rừng chủ yếu do điều kiện sinh thái và mức độ suy thoái rừng khác nhau. Rừng giàu với mật độ cây cao và đa dạng loài lớn có khả năng tích lũy sinh khối và các bon cao hơn. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sinh khối rừng nhiệt đới Đông Nam Á, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của rừng tự nhiên lá rộng thường xanh trong lưu trữ các bon.

Việc ứng dụng công nghệ Scan 3D laser giúp giảm thiểu tác động đến rừng trong quá trình thu thập dữ liệu, đồng thời nâng cao độ chính xác và hiệu quả công tác điều tra. Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố sinh khối theo bộ phận cây và bảng so sánh trữ lượng các bon giữa các trạng thái rừng, giúp minh họa rõ nét sự khác biệt và xu hướng tích lũy sinh khối.

So với các phương pháp truyền thống như chặt hạ toàn bộ cây, phương pháp kết hợp Scan 3D và bán chặt hạ giảm thiểu chi phí, thời gian và bảo vệ đa dạng sinh học. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ mối quan hệ giữa cấu trúc rừng và khả năng lưu trữ các bon, hỗ trợ quản lý bền vững và phát triển các chương trình giảm phát thải khí nhà kính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi công nghệ Scan 3D laser trong điều tra rừng: Khuyến khích các cơ quan quản lý và nghiên cứu áp dụng công nghệ này để nâng cao độ chính xác và giảm thiểu tác động đến rừng, đặc biệt trong các khu bảo tồn và dự trữ sinh quyển. Thời gian thực hiện trong 2-3 năm tới, do các đơn vị nghiên cứu và quản lý rừng chủ trì.

2. Xây dựng hệ thống phương trình sinh trắc đặc thù cho các trạng thái rừng lá rộng thường xanh: Dựa trên dữ liệu thu thập được, phát triển các mô hình sinh trắc phù hợp với điều kiện sinh thái địa phương nhằm nâng cao độ tin cậy trong ước tính sinh khối và các bon. Thời gian hoàn thành dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu lâm nghiệp phối hợp thực hiện.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho cán bộ quản lý rừng và nghiên cứu sinh: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật Scan 3D và xử lý dữ liệu nhằm nâng cao năng lực chuyên môn, đảm bảo ứng dụng hiệu quả công nghệ mới. Thời gian triển khai liên tục hàng năm, do các trường đại học và viện nghiên cứu chủ trì.

4. Phát triển cơ sở dữ liệu sinh khối và các bon rừng quốc gia: Thu thập, lưu trữ và cập nhật dữ liệu sinh khối, trữ lượng các bon từ các khu vực khác nhau để hỗ trợ công tác quản lý, đánh giá và báo cáo quốc tế về biến đổi khí hậu. Chủ thể thực hiện là Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các viện nghiên cứu, thời gian thực hiện dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý rừng và bảo tồn: Luận văn cung cấp dữ liệu khoa học và phương pháp đo đạc hiện đại giúp họ đánh giá chính xác trữ lượng sinh khối và các bon, từ đó xây dựng chính sách bảo vệ và phát triển rừng bền vững.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành Lâm học, Môi trường: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ Scan 3D laser trong nghiên cứu sinh khối rừng, đồng thời cung cấp các mô hình sinh trắc và phương pháp phân tích dữ liệu thực tiễn.

3. Các tổ chức quốc tế và cơ quan quản lý biến đổi khí hậu: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ đánh giá tiềm năng hấp thụ các bon của rừng tự nhiên, phục vụ cho các chương trình REDD+ và các sáng kiến giảm phát thải khí nhà kính.

4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực carbon và lâm nghiệp: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để định lượng dịch vụ hấp thụ và lưu giữ các bon, hỗ trợ phát triển các dự án thương mại carbon và quản lý tài nguyên rừng hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ Scan 3D laser có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Scan 3D laser cho phép thu thập dữ liệu hình học chi tiết, nhanh chóng và chính xác ở cấp độ milimet mà không cần chặt hạ cây toàn bộ. Ví dụ, trong nghiên cứu, sai số giữa phương pháp Scan 3D và chặt hạ truyền thống không đáng kể, giúp giảm thiểu tác động đến rừng.

2. Phương pháp bán chặt hạ được thực hiện như thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng đến rừng?
   Phương pháp này chỉ cắt hạ một số cành nhỏ đại diện, giữ lại thân cây và cành lớn, từ đó đo đạc sinh khối tươi. Điều này giúp giảm thiểu tổn thương cây và bảo vệ đa dạng sinh học trong khu vực nghiên cứu.

3. Làm thế nào để xác định trữ lượng các bon từ sinh khối cây?
   Trữ lượng các bon được tính bằng cách nhân sinh khối khô với hệ số chuyển đổi các bon (C-fraction), thường dao động khoảng 0,47-0,53 tùy loài. Nghiên cứu đã sử dụng hệ số phù hợp với đặc điểm rừng lá rộng thường xanh tại khu vực.

4. Phạm vi áp dụng của các phương trình sinh trắc được xây dựng trong nghiên cứu?
   Các phương trình sinh trắc được xây dựng dựa trên dữ liệu thực địa tại Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai, phù hợp với các trạng thái rừng lá rộng thường xanh trong khu vực và có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các khu vực tương tự.

5. Làm thế nào để dữ liệu sinh khối và các bon hỗ trợ quản lý rừng bền vững?
   Dữ liệu này giúp đánh giá chính xác khả năng hấp thụ và lưu giữ các bon của rừng, từ đó xây dựng các kế hoạch bảo tồn, phục hồi và phát triển rừng phù hợp, đồng thời tham gia hiệu quả vào các chương trình giảm phát thải khí nhà kính.

Kết luận

• Ứng dụng công nghệ Scan 3D laser đã thành công trong việc xác định sinh khối và trữ lượng các bon của kiểu rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại Khu Dự trữ Sinh quyển Đồng Nai với độ chính xác cao và giảm thiểu tác động đến rừng.
• Sinh khối và trữ lượng các bon tăng theo cấp trạng thái rừng từ nghèo kiệt đến giàu, với sinh khối thân cây chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng sinh khối.
• Phương pháp kết hợp bán chặt hạ và Scan 3D laser là giải pháp hiệu quả, tiết kiệm thời gian và chi phí so với phương pháp chặt hạ truyền thống.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc xây dựng các mô hình sinh trắc đặc thù và hỗ trợ quản lý bền vững tài nguyên rừng tại khu vực.
• Đề xuất triển khai rộng rãi công nghệ Scan 3D laser, phát triển cơ sở dữ liệu sinh khối và các bon quốc gia, đồng thời tăng cường đào tạo chuyển giao công nghệ cho cán bộ quản lý và nghiên cứu.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong ứng dụng công nghệ hiện đại cho lâm nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả bảo tồn và phát triển rừng trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Các nhà quản lý, nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực lâm nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Hấp thu các bon 1. Hấp thu các bon và vai trò của các khu dự trữ sinh quyển Trong bối cảnh ảnh hưởng của biến đổi khí hậu ngày nặng nề, các giải pháp nhằm giảm khí nhà kính trên quy mô toàn cầu là cấp bách hơn bao giờ hết. Khi các biện pháp giảm thiểu khí nhà kính như bơm CO2 xuống đại dương, các tầng địa chất, các mỏ than cũ hay các giếng dầu chưa có hiệu quả cao, tăng cường tích trữ các bon vào các hệ sinh thái đang là giải pháp chính nhằm giảm hiệu ứng nóng lên toàn cầu.

Theo đánh giá mới nhất của FAO, trên toàn thế giới có 4.06 tỉ ha rừng, chiếm 31% tổng diện bề mặt trái đất (FAO, 2020). Saatchi và cs. (2011) ước tính rằng trữ lượng các bon trong sinh khối rừng ở khu vực Đông Nam Á là 64. Rừng nhiệt đới là trung tâm lưu trữ các bon trên mặt đất.

Tuy nhiên, các hệ sinh thái bờ biển thậm chí còn có tiềm năng lưu trữ các bon gấp 5 lần rừng nhiệt đới. Điều này là do chúng có tốc độ hấp thụ các bon cao hơn tới 50 lần trên cùng đơn vị diện tích. Tuy có vai trò rất quan trọng trong lưu trữ các bon trên thế giới nhưng các hệ sinh thái trên cạn và dưới nước này đều đang bị phá huỷ nghiêm trọng, đe doạ đến tiềm năng hấp thụ các bon của chúng. Bởi vậy, song song với chương trình giảm thiểu phát thải khí nhà kính từ phá rừng và suy thoái rừng (REDD+), gần đây các chương trình các bon xanh (Blue carbon) nhằm tạo cơ chế tài chính bền vững để bảo tồn các hệ sinh thái vùng bờ biển cũng rất được quan tâm.

Tính đến đầu năm 2020, trên thế giới có 701 Khu DTSQ thuộc 124 quốc gia (UNESCO, 2020). 701 Khu DTSQ này bao phủ trên diện tích 6.8 triệu km2 và là nơi cư trú của 257 triệu người (UNESCO, 2020). Các Khu DTSQ này là nơi lưu giữ những giá trị đa dạng sinh học vô giá cho nhân loại. Không chỉ có giá trị về đa dạng sinh học, các hệ sinh thái ở các KDTSQ cũng có tiềm năng hấp thụ các bon rất lớn.

5 Đánh giá lượng các bon lưu trữ ở 106 khu dự trữ sinh quyển trên thế giới, Pandey (2012) cho thấy các diện tích rừng ở đây lưu trữ khoảng 56-625 tấn các bon/ha (trung bình 191 tấn/ha), cao hơn 18% so với lượng các bon tích luỹ được tính toán bởi FAO). Các Khu DTSQ luôn được cấu thành bởi 3 phần: vùng lõi, vùng đệm và vùng chuyển tiếp, trong đó vùng lõi thường là các hệ sinh thái được bảo vệ nghiêm ngặt. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, Chương trình sinh quyển và con người (MAB) đã xác định hỗ trợ các Khu DTSQ trong việc giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu là một trong 4 mục tiêu chiến lược của MAB giai đoạn 2015-2020. Để đạt được mục tiêu này, hiểu biết về khả năng lưu trữ các bon gắn liền với chức năng bảo tồn đa dạng sinh học của các Khu DTSQ là rất cần thiết.

Với với quy mô rộng lớn của các Khu DSTQ, bản đồ các bon kết hợp với hiện trạng về đa dạng sinh học là một công cụ không thể thiếu để giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định đúng đắn trong bảo tồn. Bể chứa các bon trong hệ sinh thái Năng lực tích luỹ các bon của hệ sinh thái thường được đánh giá bằng 2 thước đo: (1) mật độ các bon (carbon density): là lượng các bon tích trữ trong 1 đơn vị diện tích, thường là hectare và (2) tổng lượng các bon tích trữ (carbon stock): là tổng lượng các bon tích trữ trên toàn diện tích. Trong hệ sinh thái, do các bon được tích trữ phần lớn trong sinh khối của vật chất sống ở trên và dưới mặt đất nên khi nghiên cứu về tích luỹ các bon, thông tin về sinh khối cũng thường được báo cáo kèm theo. “Bể chứa các bon” là một thuật ngữ mang tính chất linh hoạt.

Tuỳ thuộc vào đối tượng được đề cập mà thuật ngữ “bể chứa các bon” mang hàm ý khác nhau. Ở quy mô toàn cầu hoặc khu vực hoặc quốc gia, “bể chứa các bon” có thể được sử dụng để chỉ các loại rừng khác nhau như rừng nhiệt đới, cận nhiệt đới, ôn đới v. Ở quy mô hệ sinh thái, “bể chứa các bon” được hiểu là những nơi chứa các bon trong hệ sinh thái. Bể chứa các bon trong hệ sinh thái có thể được chia thành: bể chứa trên 6 mặt đất, dưới mặt đất.

Tầng cây gỗ trên mặt đất, tầng cây bụi thảm tươi, vật rơi rụng và thảm mục cũng được gọi là các bể chứa các bon. Lượng các bon tích trữ trong thực vật và trong đất ở các quần xã sinh vật và các khu vực địa lý khác nhau là khác nhau đáng kể (Hui và cs. Ở vùng nhiệt đới, mật độ các bon trong thực vật và đất gần tương đương nhau nhưng với vùng ôn đới và vùng rừng phương bắc (boreal forest) mật độ các bon trong đất có thể cao gấp 2-6 lần trong thực vật. Mặc dầu với diện tích không lớn so với các Châu khác, nhưng rừng nhiệt đới ở Châu Á luôn dẫn đầu về mật độ các bon ở cả thực vật và trong đất.

Điều này cho thấy vai trò quan trọng của việc bảo vệ các hệ sinh thái rừng nhiệt đới ở Châu Á, nơi đang đối mặt với rất nhiều tác động làm suy giảm trữ lượng các bon. Các phương pháp xác định sinh khối/các bon rừng trên thế giới Xác định trữ lượng sinh khối và các bon rừng là chủ đề được rất nhiều nghiên cứu quan tâm trong 4-5 thập kỷ qua. Quá trình nghiên cứu này đã tạo nên một khối lượng kết quả nghiên cứu vô cùng đồ sộ. Theo mục đích, các nghiên cứu có thể được chia thành 3 nhóm: (i) Xây dựng các phương trình sinh trắc (allometric equation) dựa trên số liệu chặt hạ cây rừng; (ii) Ứng dụng các công nghệ viễn thám như ảnh quang học, Lidar hoặc Radar vào xác định sinh khối/các bon; (iii) Phân tích mối quan hệ giữa trữ lượng các bon với các đặc điểm khác của rừng.

Tùy theo quy mô của đối tượng, các nghiên cứu có thể được chia thành nghiên cứu ở cấp cây cá lẻ, cấp lâm phần và cấp cảnh quan. Theo phương pháp nghiên cứu, chúng có thể được chia thành: (i) phương pháp lấy mẫu phá hủy – còn gọi là phương pháp lấy mẫu chặt hạ (destructive sampling); (ii) phương pháp lấy mẫu không phá hủy – còn gọi là phương pháp lấy mẫu bán chặt hạ (non-destructive sampling) (Kumar and Mutanga, 2017; Vashum, 2012). Phương pháp lấy mẫu chặt hạ (Destructive sampling) Phương pháp lấy mẫu chặt hạ là chặt toàn bộ đối tượng lấy mẫu. Đây là phương pháp được phát triển sớm nhất để xác định trữ lượng các bon và cũng là 7 phương pháp xác định sinh khối/các bon trực tiếp và có độ chính xác cao nhất (Roxburgh và cs.

Phương pháp này thường được dùng để xác định các bon của cây cá thể nhưng nó được sử dụng chủ yếu để xây dựng phương trình sinh trắc ước tính trữ lượng các bon của lâm phần. Theo nghĩa rộng phương pháp lấy mẫu chặt hạ không chỉ được hiểu là lấy mẫu sinh khối mà còn là việc lấy mẫu ở các bể chứa khác nhằm xác định tổng trữ lượng cacbon toàn bộ lâm phần (Hộp 1). Đã có rất nhiều bài báo nêu tổng quan về cách lấy mẫu, ưu nhược điểm và gợi ý áp dụng của phương pháp chặt hạ, ví dụ Gibbs và cs. (2007), Vashum và cs.

* Phương pháp lấy mẫu Hai phương pháp lấy mẫu điển hình thường được áp dụng trong nghiên cứu sinh khối là lấy mẫu hệ thống và lấy mẫu ngẫu nhiên (Gibbs và cs. Trong lấy mẫu hệ thống, các ô mẫu được bố trí đều trên không gian lấy mẫu theo hệ thống ô lưới, trái lại trong lấy mẫu ngẫu nhiên, các ô mẫu được bố trí một cách ngẫu nhiên (Gibbs và cs. Dù là lấy mẫu hệ thống hay ngẫu nhiên, phân tầng đối tượng trước là cách rất tốt để giảm bớt sai số lấy mẫu do phân bố cây rừng trong tự nhiên vốn đã không ngẫu nhiên (Gibbs và cs. Cách phân tầng phổ biến là lấy mẫu theo từng loại rừng, trạng thái hoặc tuổi (Latifi và cs.

Một số nghiên cứu lấy mẫu phân tầng theo chiều cao cây rừng (Laurin và cs., 2017) hoặc thậm chí theo chỉ số diện tích lá LAI (Safari và cs. * Cách thức lấy mẫu xác định các bon trong các bể chứa Rất nhiều nghiên cứu đã trình bày cách thức lấy mẫu xác định các bon trong các bể chứa. Nguyên tắc chung của việc lấy mẫu là xác định được toàn bộ khối lượng tươi sau đó lấy mẫu để sấy khô nhằm xác định khối lượng khô và để phân tích hàm lượng các bon. Hộp 1 tổng hợp cách thức lấy mẫu xác định các bon ở các bể chứa được tổng hợp từ một số nghiên cứu như Lu và cs.

(2012), Saner và cs. (2012), Manuri và cs. (2016), Zhao và cs. Lấy mẫu xác định các bon trong cây gỗ: Sau khi xác định số lượng cây sẽ chặt hạ trên một diện tích, các cây này sẽ được đo đếm và ghi chép thông tin về 8 loài, đường kính, chiều cao trước khi chặt hạ.

Cây tiêu chuẩn được chặt sát mặt đất. Các bộ phận được để riêng rẽ gồm: thân (có thể phân tách riêng phần vỏ), cành lớn (đường kính đầu nhỏ > 2 cm), và cành nhỏ (đường kính đầu nhỏ < 2 cm), và lá. Thân được cắt ở vị trí 1.3 và ở mỗi 2 m cho tới ngọn. Cành được cắt thành mỗi đoạn 1-2.

Tất cả các bộ phận này được cân ngay tại hiện trường. 03 mẫu gỗ của mặt cắt ngang thân cây có độ dày 5 cm được lấy ở các vị trí 1. Tương tự 3 mẫu gỗ mặt cắt ngang cành có chiều dài 5-10 cm và ở các đường kính 5, 2, 1 cm được thu thập từ cành mẫu. Mẫu lá được thu thập ở các phần khác nhau của cành và cân tươi.

Thể tích gỗ được đo bằng phương pháp chiếm chỗ nước sau đó khối lượng thể tích gỗ được tính là tỉ lệ của khối lượng sau khi sấy khô và thể tích tươi (được đo bằng phương pháp chiếm chỗ nước). Một số nghiên cứu xác định khối lượng thể tích bằng lấy mẫu khoan tăng trưởng ở vị trí 1.3 m, sau đó mẫu gỗ từ khoan được tính thể tích bằng phương pháp chiếm chỗ nước (Saner, 2012). Tất cả các mẫu sau đó được sấy khô ở 65 độ đến khối lượng không đổi.