Thiết lập và thẩm định chéo mô hình ước tính sinh khối rừng khộp Việt Nam - Luận án TS Lâm nghiệp

Luận án Tiến sĩ giới thiệu mô hình ước tính sinh khối rừng khộp Việt Nam, phương pháp khoa học và ứng dụng thực tiễn, góp phần quản lý tài nguyên rừng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Tình
• Người hướng dẫn: GS. Bảo Huy
• Trường học: Trường Đại học Tây Nguyên
• Chuyên ngành: Lâm sinh
• Đề tài: Thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cây rừng khộp ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ lâm nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đắk Lắk

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình ước tính sinh khối rừng khộp

Sinh khối trên mặt đất (AGB) là thước đo quan trọng trong lâm nghiệp và nghiên cứu biến đổi khí hậu. Rừng khộp ở Việt Nam, phân bố chủ yếu ở Tây Nguyên, có đặc điểm sinh thái riêng. Việc thiết lập mô hình ước tính sinh khối giúp định lượng tài nguyên rừng một cách khoa học. Các mô hình này thường sử dụng biến số dễ đo như đường kính ngang ngực (D) và chiều cao cây (H). Nghiên cứu này nhằm xây dựng hệ thống mô hình đáng tin cậy cho rừng khộp. Phương pháp tiếp cận bao gồm thu thập dữ liệu từ cây mẫu và phân tích thống kê. Kết quả hỗ trợ quản lý rừng bền vững và báo cáo carbon quốc gia. Đây là cốt lõi của luận án tiến sĩ lâm nghiệp tại Đại học Tây Nguyên.

1.1. Khái niệm sinh khối và tầm quan trọng

Sinh khối trên mặt đất (AGB) là tổng khối lượng vật chất khô của cây, bao gồm thân, cành, lá và vỏ. Nó đóng vai trò then chốt trong chu trình carbon toàn cầu. Ước tính AGB chính xác giúp đánh giá trữ lượng carbon rừng. Điều này hỗ trợ các chương trình REDD+ và ứng phó biến đổi khí hậu. Trong lâm nghiệp, sinh khối là chỉ báo sức khỏe và giá trị kinh tế của rừng. Các mô hình toán học là công cụ chính để dự đoán AGB từ các phép đo thực địa đơn giản.

1.2. Đặc điểm rừng khộp Việt Nam và nhu cầu mô hình

Rừng khộp là kiểu rừng thường xanh hoặc nửa rụng lá, phân bố ở vùng thấp nhiệt đới. Ở Việt Nam, nó tập trung ở Tây Nguyên với đa dạng loài cây gỗ. Biến động về mật độ, tổng tiết diện ngang và điều kiện sinh thái đòi hỏi mô hình riêng biệt. Các mô hình toàn cầu có thể không phù hợp do khác biệt về loài và môi trường. Do đó, nghiên cứu địa phương hóa là cần thiết. Luận án này cung cấp hệ thống mô hình được thẩm định chéo cho rừng khộp Việt Nam.

II. Phân tích các thách thức trong lập mô hình sinh khối

Việc xây dựng mô hình sinh khối đối mặt nhiều thách thức. Dữ liệu sinh khối đòi hỏi phải chặt hạ cây mẫu, gây tốn kém và thời gian. Số lượng mẫu cây phải đủ lớn để đại diện cho sự biến động tự nhiên. Biến số dự đoán như đường kính và chiều cao có mối quan hệ phức tạp với sinh khối. Các nhân tố sinh thái như độ cao, lượng mưa và loại đất cũng ảnh hưởng. Mô hình cần được kiểm tra độ tin cậy trên các khu vực khác nhau. Thẩm định chéo là kỹ thuật quan trọng để tránh hiện tượng quá khớp. Thách thức lớn là phát triển mô hình vừa đơn giản vừa chính xác cho ứng dụng thực tế.

2.1. Thu thập dữ liệu sinh khối và biến số sinh thái

Dữ liệu được thu thập từ 28 ô mẫu 0,25 ha ở Tây Nguyên và 1 ô mẫu 1 ha ở Đông Nam Bộ. Cây mẫu có đường kính ≥5 cm được đo đạc và chặt hạ để xác định sinh khối. Các biến số bao gồm đường kính ngang ngực (D), chiều cao (H), đường kính tán (CD). Dữ liệu sinh thái môi trường như độ cao, độ dốc, lượng mưa, nhiệt độ và loại đất được ghi nhận. Sự biến động của các yếu tố này ảnh hưởng ngẫu nhiên đến mô hình. Việc chuẩn bị dữ liệu đòi hỏi sự cẩn thận và hệ thống.

2.2. Vấn đề chọn dạng hàm và biến số mô hình

Lựa chọn dạng hàm toán học là bước quyết định. Hàm mũ (Power function) được sử dụng rộng rãi nhờ sự đơn giản và độ tin cậy. Biến số truyền thống là D và H, nhưng biến số tán lá như CD ít được áp dụng. Các nghiên cứu cho thấy hàm Power có thể tuyến tính hóa logarit hoặc ước lượng phi tuyến. Tuy nhiên, việc chọn biến số phù hợp cho rừng khộp cần phân tích kỹ. Mô hình phải cân bằng giữa độ chính xác và tính ứng dụng thực tiễn.

III. Phương pháp thiết lập và thẩm định chéo mô hình

Nghiên cứu áp dụng phương pháp hệ thống để thiết lập mô hình. Đầu tiên, dữ liệu được chia thành tập huấn luyện và tập kiểm tra. Các dạng hàm toán học, đặc biệt là hàm Power, được thử nghiệm. Biến số đầu vào bao gồm D, H, và đôi khi CD, CA. Mô hình được xây dựng theo cấp bậc: theo họ, chi và loài cây ưu thế. Thẩm định chéo sử dụng kỹ thuật như K-fold để đánh giá độ ổn định. Các chỉ số như R2, RMSE, và MAPE được tính để so sánh. Quy trình này đảm bảo mô hình có khả năng dự đoán tốt trên dữ liệu mới. Kết quả là hệ thống mô hình được tối ưu cho rừng khộp Việt Nam.

3.1. Kỹ thuật xây dựng mô hình hồi quy

3.2. Quy trình thẩm định chéo và đánh giá độ tin cậy

IV. Kết luận và ứng dụng hệ thống mô hình

Nghiên cứu đã thiết lập thành công hệ thống mô hình ước tính sinh khối cho rừng khộp Việt Nam. Các mô hình được thẩm định chéo đảm bảo độ tin cậy cao. Hệ thống bao gồm mô hình theo họ, chi và loài cây ưu thế. Kết quả có thể áp dụng trong giám sát tài nguyên rừng và tính toán carbon. Ứng dụng chính là hỗ trợ quản lý rừng bền vững và thực hiện cam kết quốc tế về biến đổi khí hậu. Công trình này đóng góp vào khoa học lâm nghiệp nhiệt đới. Nó cũng là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về sinh khối và carbon rừng.

4.1. Đóng góp khoa học và thực tiễn

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng rộng hơn

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Rừng khộp (rừng nhiệt đới khô rụng lá ưu thế cây họ Dầu - Tropical Deciduous Dry Dipterocarp Forest, viết tắt là DF) đóng vai trò then chốt trong việc giảm nhẹ biến đổi khí hậu toàn cầu nhờ khả năng lưu trữ và hấp thụ carbon. Tại Việt Nam, diện tích rừng khộp ước tính khoảng 650.000 ha, phân bố tập trung chủ yếu ở khu vực Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Để tham gia hiệu quả vào Công ước khung của Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC) và cơ chế Giảm phát thải từ mất rừng và suy thoái rừng (UN-REDD+), các quốc gia đang phát triển bắt buộc phải thiết lập hệ thống Đo lường, Báo cáo và Thẩm định (MRV) đạt độ chính xác cao theo các hướng dẫn kỹ thuật của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC).

Khoảng trống nghiên cứu thực tiễn cho thấy phần lớn các phương trình sinh khối hiện hành trên thế giới được xây dựng cho rừng nhiệt đới nói chung, khi áp dụng vào các hệ sinh thái đặc thù như rừng khộp tại Việt Nam có thể dẫn đến sai số hệ thống rất lớn (lên tới 400%). Một số nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á đã bước đầu xây dựng phương trình sinh khối cho rừng khộp nhưng dung lượng mẫu theo từng chi, loài ưu thế còn hạn chế; phương pháp chọn mẫu theo phân bố số cây giảm theo cấp kính ($N/D$) dẫn đến việc thiếu dữ liệu ở các cây có đường kính lớn. Đồng thời, các mô hình sinh khối bộ phận (thân, cành, lá, vỏ) thường được thiết lập độc lập, gây ra sai lệch khi tính tổng sinh khối trên mặt đất (AGB) và bỏ qua mối tương quan sinh học chéo giữa các cơ quan của cây. Bên cạnh đó, việc đánh giá sai số mô hình chủ yếu dựa vào việc tách bộ dữ liệu độc lập truyền thống vốn không đại diện trọn vẹn cho toàn bộ dải biến động sinh thái.

Xuất phát từ yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên, tác giả Nguyễn Thị Tình đã thực hiện luận án tiến sĩ lâm nghiệp với đề tài: "Thiết lập và thẩm định chéo hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cây rừng khộp ở Việt Nam", chuyên ngành Lâm sinh (mã số: 9 62 02 05), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Bảo Huy tại Trường Đại học Tây Nguyên.

Mục tiêu nghiên cứu:

• Mục tiêu chung: Đóng góp vào cơ sở khoa học trong thiết lập và thẩm định chéo hệ thống các mô hình ước tính sinh khối cây rừng theo hệ thống phân loại thực vật và yếu tố môi trường sinh thái rừng.
• Mục tiêu cụ thể:
  1. Xây dựng được một hệ thống mô hình ước tính sinh khối cây rừng và các bộ phận trên mặt đất của rừng khộp theo hệ thống phân loại thực vật cây gỗ từ loài, chi, họ ưu thế và có xét đến ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái môi trường rừng.
  2. Thẩm định chéo sai số để so sánh hệ thống mô hình của rừng khộp Việt Nam đã thiết lập với các mô hình ở vùng Đông Nam Á và chung cho vùng nhiệt đới để đề xuất phạm vi áp dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cây gỗ thuộc hệ sinh thái rừng khộp tự nhiên, tập trung vào họ Dầu (Dipterocarpaceae), 2 chi ưu thế gồm chi Dầu (Dipterocarpus) và chi Cà chít (Shorea), cùng 4 loài cây chiếm ưu thế chính: Dầu đồng (Dipterocarpus tuberculatus Roxb.), Dầu trà beng (Dipterocarpus obtusifolius Teijsm.), Cà chít (Shorea obtusa Wall. Ex Blume), Cẩm liên (Shorea siamensis Miq. / Pentacme siamensis). Các thành phần sinh khối được định lượng gồm: sinh khối thân cây ($B_{st}$), cành cây ($B_{br}$), lá ($B_{le}$), vỏ cây ($B_{ba}$) và tổng sinh khối cây rừng trên mặt đất (AGB).
• Phạm vi không gian: Thu thập dữ liệu tại hai vùng sinh thái chính là Tây Nguyên (Central Highlands - CH) và Đông Nam Bộ (Southeast - SE) trong phạm vi tọa độ $11^\circ 20'\text{N} - 13^\circ 30'\text{N}$ và $107^\circ 35'\text{E} - 108^\circ 45'\text{E}$.
• Phạm vi thời gian: Công trình được thực hiện trong khuôn khổ Chương trình đào tạo tiến sĩ khóa II (2017 – 2020) tại Trường Đại học Tây Nguyên và hoàn thành bảo vệ năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các công trình nghiên cứu trên thế giới về định lượng carbon và sinh khối cây rừng nhiệt đới đã được phát triển bởi nhiều tác giả như Brown (1989, 1997, 2001), Brown và Iverson (1992), MacDicken (1997), Nelson và ctv (1999), Ketterings và ctv (2001), Cairns và ctv (2003), Chave và ctv (2005, 2014), Pearson (2007), Basuki và ctv (2009), Henry và ctv (2010, 2015), Dietz và ctv (2011), Temesgen và ctv (2007, 2014, 2015), Picard và ctv (2012, 2015). Trong đó, các hướng dẫn của IPCC (1996, 2003, 2006) đã chuẩn hóa việc phân chia 5 bể chứa carbon trong hệ sinh thái rừng (sinh khối trên mặt đất - AGB, sinh khối dưới mặt đất - BGB, thảm mục - Litter, gỗ chết - Dead Wood, và carbon hữu cơ trong đất - SOC). Tuy nhiên, các phương trình sinh khối toàn cầu (như mô hình đa loài của Chave và ctv năm 2005 với 2.410 cây mẫu hoặc Brown và ctv năm 1997 với 371 cây mẫu) khi áp dụng cho các vùng cụ thể thường gây sai số hệ thống lớn do thiếu dữ liệu bản địa.

Riêng đối với kiểu rừng khô rụng lá cây họ Dầu (DF), số lượng nghiên cứu trên thế giới còn tương đối hạn chế. Cairns và ctv (2003) nghiên cứu cho 6 loài họ Dầu tại Mexico; Basuki và ctv (2009) xây dựng phương trình AGB cho các loài hỗn hợp và một số chi trội như Dipterocarpus, Hopea, Palaquium, Shorea ở Indonesia; Hanpattanakit và ctv (2016) phát triển mô hình cho 5 loài ưu thế ở Thái Lan; Niiyama và ctv (2010) khảo sát sinh khối rễ tại bán đảo Malaysia. Matthew và ctv (2018), Laumonier và ctv (2010), Panda và ctv (2020) cung cấp các ước tính về trữ lượng carbon rừng khộp tại Ấn Độ và Indonesia với giá trị tích lũy cao hơn so với thông số mặc định của IPCC.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu sinh khối ban đầu tập trung vào rừng trồng hoặc rừng thường xanh như Nguyễn Ngọc Lung (1989) đối với thông ba lá tại Lâm Đồng, Võ Đại Hải (2009) đối với rừng trồng bạch đàn Eucalyptus urophylla, Võ Đại Hải và ctv (2012), Bảo Huy và ctv (2008, 2012, 2013, 2016a,b), Huỳnh Nhân Trí (2014), Phạm Tuấn Anh và Bảo Huy (2016), Nam và ctv (2016). Đối với hệ sinh thái rừng khộp, các nghiên cứu nổi bật gồm có Thái Văn Trừng (1978), Đỗ Đình Sâm (1986), Trần Văn Con (1991, 2000), Erskine và Bảo Huy (2003), Phạm Công Trí (2018) về cấu trúc và sinh thái; Huy và ctv (2016c) lập mô hình sinh khối từ 222 cây mẫu chặt hạ cho chung các loài và 2 chi Dipterocarpus (94 cây), Shorea (36 cây); Kralicek và ctv (2017) nghiên cứu sinh khối dưới mặt đất (BGB).

Vị trí của luận án được xác định nhằm giải quyết các khoảng trống học thuật chưa được xử lý trọn vẹn:

1. Hoàn thiện hệ thống mô hình sinh khối theo cấp phân loại thực vật (loài, chi, họ ưu thế) cho rừng khộp Việt Nam nhằm kiểm soát sai số so với mô hình chung toàn vùng nhiệt đới.
2. Áp dụng phương pháp hồi quy dường như không liên quan (Seemingly Unrelated Regression - SUR) dạng phi tuyến có trọng số để ước tính đồng thời các thành phần sinh khối ($B_{st}, B_{br}, B_{le}, B_{ba}$) và tổng $AGB$, giải quyết triệt để tính phi tương thích cộng dồn của các phương trình độc lập.
3. Ứng dụng kỹ thuật thẩm định chéo khách quan ($K\text{-Fold Cross-Validation}$) để lựa chọn mô hình tối ưu và xác định chính xác các chỉ tiêu sai số theo chuẩn mực MRV của UN-REDD+.
4. Tích hợp tác động tổng hợp của các nhân tố sinh thái môi trường và cấu trúc lâm phần vào phương trình sinh khối thông qua hàm biến đổi nhân tử ($AGB = AVERAGE \times MODIFIER$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết mô hình sinh trắc allometric dạng hàm lũy thừa ($Power$): $y = a \cdot X^b$ hoặc đa biến $y = a \cdot X_1^{b} \cdot X_2^{c} \cdot X_3^{d}$, trong đó $y$ là sinh khối khô (kg/cây), các biến độc lập ($Predictors$) gồm đường kính ngang ngực tại vị trí 1,3 m ($D$, cm), chiều cao vút ngọn ($H$, m), khối lượng thể tích gỗ ($WD$, $\text{g/cm}^3$ hoặc $\text{tấn/m}^3$), đường kính tán lá ($CD$, m) hoặc diện tích hình chiếu tán lá ($CA$, $\text{m}^2$).

Để xử lý hiện tượng phương sai thay đổi (heteroscedasticity) khi kích thước cây tăng lên làm độ phân tán dữ liệu sinh khối mở rộng, luận án áp dụng kỹ thuật gán hàm trọng số ($Weight$) trong quá trình ước lượng tham số. Việc so sánh giữa dạng hàm tuyến tính hóa qua logarit ($\ln(y) = \ln(a) + b\ln(X)$) và dạng phi tuyến tính trực tiếp được kiểm chứng thông qua chỉ số Furnival (Furnival's Index - FI). Các mô hình phi tuyến có trọng số được ước lượng theo phương pháp Hợp lý cực đại (Maximum Likelihood), chia thành hai dạng: mô hình cố định (Fixed models) và mô hình hỗn hợp (Mixed models) có xét đến ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên (random effects).

Phương pháp ước tính đồng thời SUR (Parresol, 2001) được áp dụng nhằm đảm bảo điều kiện ràng buộc sinh học: $$AGB = B_{st} + B_{br} + B_{le} + B_{ba}$$ đồng thời tận dụng ma trận hiệp phương sai sai số chéo giữa các phương trình thành phần để nâng cao hiệu quả thống kê của các ước lượng tham số.

Mô hình tích hợp nhân tố môi trường và lâm phần được xây dựng theo cấu trúc: $$AGB = AVERAGE \times MODIFIER$$ trong đó $AVERAGE$ là mô hình sinh khối cơ sở và $MODIFIER$ là hàm số mũ chứa các biến sinh thái môi trường chuẩn hóa quanh giá trị trung bình.

Chuyển đổi sinh khối sang trữ lượng carbon và lượng $\text{CO}_2$ tương đương được thực hiện theo hệ số chuẩn của IPCC (2006) và Bảo Huy (2013): $$\text{Carbon} = 0{,}47 \times \text{Sinh khối khô}$$ $$\text{CO}_2\text{ tương đương} = 3{,}67 \times \text{Carbon}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm của luận án bao gồm:

1. Dữ liệu sinh khối chặt hạ (destructive sampling): Kế thừa và mở rộng từ bộ dữ liệu của GS. Bảo Huy trong chương trình lập mô hình sinh khối cho UN-REDD Việt Nam với 222 cây mẫu chặt hạ. Các bộ phận thân, cành, lá, vỏ được cân tươi trực tiếp tại hiện trường, lấy mẫu phụ sấy khô ở nhiệt độ $80^\circ\text{C} - 105^\circ\text{C}$ trong 48 giờ để xác định tỷ lệ khô/tươi và tính toán sinh khối khô tuyệt đối.
2. Dữ liệu ô tiêu chuẩn lâm phần và môi trường: Thiết lập 28 ô mẫu định vị diện tích 0,25 ha ($50 \times 50\text{ m}$) tại Tây Nguyên (CH) và 01 ô mẫu diện tích 1,0 ha ($100 \times 100\text{ m}$) tại Đông Nam Bộ (SE). Đo đếm toàn bộ cây gỗ có $D \ge 5\text{ cm}$ và chiều cao $H$. Thu thập các biến số lập địa gồm độ cao so với mặt biển ($Altitude$), độ dốc ($Slope$), lượng mưa năm ($P$), nhiệt độ năm ($T$) từ điều tra thực địa kết hợp cơ sở dữ liệu Hijmans và ctv (2005), Fischer và ctv (2008), và cơ sở dữ liệu khối lượng thể tích gỗ toàn cầu (Chave và ctv, 2009).

Nhân tố sinh thái môi trường, lâm phần	Tối thiểu	Trung bình	Tối đa	Sai tiêu chuẩn ($Sd$)
Độ cao so với mặt biển ($Altitude$, m)	171	246	417	64,6
Độ dốc ($Slope$, độ)	0	2,0	8,0	2,2
Lượng mưa trung bình năm ($P$, mm)	1.003	1.502	1.600	-
Nhiệt độ trung bình năm ($T$, $^\circ\text{C}$)	25,3	25,4	25,5	-
Mật độ lâm phần ($N$, cây/ha với $D \ge 5\text{ cm}$)	228	-	1.291	-
Tổng tiết diện ngang ($BA$, $\text{m}^2/\text{ha}$)	3,8	12,x	23,4	-

3. Phương pháp xử lý thống kê và thẩm định chéo:

• Sử dụng phần mềm mã nguồn mở R để xử lý các mô hình phi tuyến cố định/hỗn hợp có trọng số theo phương pháp Maximum Likelihood, tính toán chỉ số FI và thực hiện các thuật toán thẩm định chéo: Leave-One-Out ($LOOCV$), $K\text{-Fold Cross-Validation}$ (với $K = 5 - 10$), và $Monte\text{ }Carlo$.
• Sử dụng phần mềm thống kê SAS (Statistical Analysis Software) để giải hệ thống phương trình phi tuyến đồng thời có trọng số theo phương pháp SUR.
• Các chỉ số thống kê đánh giá sai số gồm: Hệ số xác định ($R^2$), Tiêu chuẩn thông tin Akaike ($AIC$), Sai lệch phần trăm ($Bias\text{ }% = \frac{1}{n}\sum \frac{\hat{y}_i - y_i}{y_i} \times 100$), Sai số trung phương trung bình phần trăm ($RMSE\text{ }% = \sqrt{\frac{1}{n}\sum \left(\frac{\hat{y}_i - y_i}{y_i}\right)^2} \times 100$), và Sai số tuyệt đối trung bình phần trăm ($MAPE\text{ }% = \frac{1}{n}\sum \left|\frac{\hat{y}_i - y_i}{y_i}\right| \times 100$). Kiểm tra sự phù hợp sai lệch qua đồ thị Bland-Altman ở độ tin cậy 95%.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vai trò của rừng khộp trong việc giảm nhẹ biến đổi khí hậu toàn cầu, phân tích các yêu cầu kỹ thuật của cơ chế UN-REDD+ và hệ thống MRV đối với việc định lượng bể chứa carbon rừng. Tác giả phân tích toàn diện 5 bể chứa carbon theo IPCC (2006) và chỉ ra rằng sinh khối trên mặt đất ($AGB$) là bể chứa có tính biến động lớn nhất và phản ánh trực tiếp chất lượng quản lý rừng.

Về mặt sinh trắc học rừng, chương này phân tích sâu sắc các phương pháp rút mẫu chặt hạ, vai trò sinh học của từng biến số đầu vào ($D, H, WD, CD, CA$), so sánh ưu nhược điểm giữa phương pháp tuyến tính hóa log-log truyền thống và phương pháp phi tuyến trực tiếp Maximum Likelihood thông qua chỉ số Furnival ($FI$). Chương 1 cũng trình bày chi tiết cơ chế khắc phục hiện tượng phương sai không đồng nhất bằng hàm trọng số, nguyên lý hoạt động của hồi quy SUR trong việc liên kết các thành phần sinh khối cây rừng, và bản chất toán học của 4 phương pháp đánh giá sai số mô hình (dữ liệu độc lập, LOOCV, K-Fold, Monte Carlo). Đặc điểm sinh thái học, cấu trúc 2 tầng tán, tính chất đất xám xương xẩu bazan, chế độ khô hạn và vai trò của lửa rừng đối với hệ sinh thái rừng khộp tại Việt Nam và Đông Nam Á cũng được tổng thuật chi tiết.

Chương 2: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết địa bàn nghiên cứu tại Tây Nguyên và Đông Nam Bộ, trình bày đặc tính sinh trắc học của 4 loài cây ưu thế thuộc 2 chi Dipterocarpus và Shorea. Tác giả mô tả tường tận quy trình thu thập số liệu trên 29 ô tiêu chuẩn lâm phần, kỹ thuật rút mẫu chặt hạ 222 cây, phân tách 5 bộ phận và quy trình sấy mẫu trong phòng thí nghiệm.

Chương này thiết lập khung phương pháp luận tiếp cận gồm 6 bước chính:

1. Đánh giá lựa chọn dạng hàm toán học và thuật toán thẩm định chéo.
2. Xây dựng hệ thống mô hình độc lập theo loài, chi, họ ưu thế.
3. Thiết lập hệ thống mô hình đồng thời SUR trên phần mềm SAS và so sánh với phương pháp độc lập.
4. Mô hình hóa ảnh hưởng ngẫu nhiên và ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố sinh thái môi trường ($P, Altitude, Slope$) và lâm phần ($N, BA$) qua hàm $MODIFIER$.
5. Thẩm định chéo so sánh mô hình nghiên cứu với các mô hình chung vùng nhiệt đới của Chave và ctv (2005, 2014) và Basuki và ctv (2009).
6. Xây dựng hướng dẫn kỹ thuật chuyển đổi sang carbon và lượng $\text{CO}_2$ tương đương phục vụ MRV.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ các kết quả thực nghiệm và thảo luận học thuật chuyên sâu:

• Lựa chọn phương pháp: Phân tích chỉ số Furnival ($FI$) chứng minh phương pháp ước lượng phi tuyến Maximum Likelihood có trọng số ưu việt hơn hẳn phương pháp tuyến tính hóa logarit. Thẩm định chéo cho thấy phương pháp $K\text{-Fold}$ ($K = 5 - 10$) cung cấp ước lượng sai số ổn định, khách quan, không làm lãng phí dung lượng mẫu quý giá so với phương pháp tách tập dữ liệu độc lập.
• Hệ thống mô hình độc lập: Thiết lập hệ phương trình sinh khối cho từng thành phần ($B_{st}, B_{br}, B_{le}, B_{ba}$) và $AGB$ theo từng loài, chi và họ Dầu. Kết quả cho thấy khi đưa thêm biến $H$ và $WD$ vào mô hình chung nhiều loài, độ chính xác được cải thiện rõ rệt so với việc chỉ dùng biến $D$.
• Hệ thống mô hình SUR: Ước lượng thành công các bộ tham số đồng thời cho $B_{st}, B_{br}, B_{le}, B_{ba}$ và $AGB$ cho chung các loài, cho chi Dipterocarpus và chi Shorea. So sánh thẩm định chéo $K\text{-Fold}$ và đồ thị Bland-Altman (độ tin cậy 95%) xác nhận phương pháp SUR loại bỏ triệt để độ lệch cộng dồn của mô hình độc lập, giảm thiểu sai số dự đoán và bảo đảm tính nhất quán sinh học giữa các bộ phận của cây gỗ.

Đối tượng thực vật	Phương pháp	Dạng mô hình / Biến số đầu vào	Đánh giá sai số ($K\text{-Fold}$)
Chung các loài (Mixed species)	Phi tuyến Maximum Likelihood	$AGB = a \cdot D^b \cdot H^c \cdot WD^d$	Sai số $RMSE\text{ }%$ và $MAPE\text{ }%$ ổn định
Chung các loài (Mixed species)	SUR đồng thời ($B_{st}, B_{br}, B_{le}, B_{ba}, AGB$)	Hệ phương trình theo biến $D$ hoặc đa biến	Triệt tiêu sai lệch cộng dồn giữa các bộ phận
Chi Dầu (Dipterocarpus)	SUR đồng thời	Hệ phương trình theo biến $D$	Độ tin cậy cao, phù hợp cho vùng nhiệt đới
Chi Cà chít (Shorea)	SUR đồng thời	Hệ phương trình theo biến $D$	Độ tin cậy cao, phản ánh đặc thù chi
Chung các loài + Môi trường	Mô hình phi tuyến cố định có trọng số	$AGB = a \cdot D^b \cdot WD^d \cdot \exp(\dots + b_2(P - 1502) + b_3(BA - 12.x))$	Điều chỉnh sai số theo lượng mưa và tiết diện ngang

• Ảnh hưởng môi trường và lâm phần: Nghiên cứu chứng minh lượng mưa năm ($P$) và tổng tiết diện ngang lâm phần ($BA$) có ảnh hưởng rõ rệt nhất đến sinh khối cá thể. Hàm $MODIFIER$ giúp điều chỉnh mức dự báo sinh khối tương ứng với từng điều kiện lập địa cụ thể.
• So sánh quy mô vùng nhiệt đới: Thẩm định chéo xác nhận mô hình sinh khối theo cấp chi thực vật (Dipterocarpus, Shorea) chỉ sử dụng một biến số đơn giản là đường kính ngang ngực ($D$) đạt độ tin cậy tương đương hoặc vượt trội so với các mô hình chung toàn vùng nhiệt đới sử dụng 3 biến ($D, H, WD$). Điều này cho phép đề xuất áp dụng mô hình cấp chi cho rừng khộp toàn khu vực Đông Nam Á.

Kết luận, tồn tại và kiến nghị

Phần này đúc kết toàn bộ giá trị khoa học của luận án, khẳng định hệ thống mô hình SUR và mô hình điều chỉnh môi trường đã nâng cao độ tin cậy trong kiểm kê carbon rừng khộp. Luận án thẳng thắn chỉ ra các tồn tại về số lượng mẫu cây kích thước lớn và sự thiếu vắng dữ liệu đo trực tiếp sinh khối dưới mặt đất ($BGB$). Tác giả đưa ra các kiến nghị cụ thể về việc đưa bộ công cụ mô hình này vào cẩm nang MRV quốc gia và ứng dụng trong giám sát chi trả dịch vụ môi trường rừng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đóng góp hai điểm mới cốt lõi cho khoa học sinh trắc rừng và thực tiễn quản lý tài nguyên rừng:

1. Đóng góp mới về mặt phương pháp luận: Luận án đã ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phi tuyến có trọng số đồng thời cho hệ thống mô hình sinh khối các bộ phận cây rừng và tổng sinh khối trên mặt đất ($AGB$) theo phương pháp SUR (Weighted Non-Linear fit by Seemingly Unrelated Regression), đồng thời phát triển mô hình tích hợp ảnh hưởng tổng hợp của các nhân tố sinh thái môi trường và lâm phần qua cấu trúc $AGB = AVERAGE \times MODIFIER$. Phương pháp này giải quyết triệt để sự thiếu tương thích giữa tổng sinh khối các bộ phận với sinh khối toàn phần vốn tồn tại trong các mô hình thiết lập độc lập truyền thống.
2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn và dữ liệu khoa học: Luận án đã thiết lập và cung cấp bộ sai số khách quan thông qua phương pháp thẩm định chéo ($K\text{-Fold Cross-Validation}$) cho hệ thống mô hình sinh khối theo hệ thống phân loại thực vật (họ, chi, loài ưu thế) của rừng khộp Việt Nam. Luận án đã chỉ ra rằng mô hình sinh khối trên mặt đất ($AGB$) xây dựng theo cấp chi thực vật ưu thế (Dipterocarpus và Shorea) chỉ với một biến số đo đếm đơn giản ngoài thực địa là đường kính ngang ngực ($D$) đạt độ tin cậy cao hơn so với mô hình chung toàn vùng nhiệt đới sử dụng 3 biến phức tạp ($D, H, WD$). Do đó, hệ thống mô hình theo cấp chi này có thể mở rộng áp dụng chung cho hệ sinh thái rừng khộp trên toàn vùng nhiệt đới.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

• Ứng dụng hệ thống phương trình sinh khối cấp chi và cấp loài vào chương trình kiểm kê khí nhà kính quốc gia, hệ thống MRV của UN-REDD+ tại Việt Nam.
• Sử dụng các hệ số chuyển đổi chuẩn hóa ($\text{Carbon} = 0{,}47 \times \text{Sinh khối}$; $\text{CO}_2 = 3{,}67 \times \text{Carbon}$) kết hợp bản đồ viễn thám - GIS để giám sát biến động trữ lượng carbon rừng theo thời gian.
• Khuyến nghị các cơ quan quản lý lâm nghiệp tại Tây Nguyên và Đông Nam Bộ sử dụng mô hình cấp chi với biến đơn $D$ trong điều tra rừng định kỳ để tiết kiệm chi phí đo đạc chiều cao ($H$) và khối lượng thể tích gỗ ($WD$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên các nội dung được tác giả trình bày trong luận án, một số hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Về dung lượng mẫu kích thước lớn: Do phương pháp thu thập mẫu chặt hạ tuân theo quy luật phân bố giảm số cây theo cấp kính ($N/D$) tự nhiên của rừng khộp, số lượng cây mẫu có kích thước đường kính lớn ($D > 40 - 50\text{ cm}$) ở một số chi, loài còn tương đối ít.
• Về sinh khối phần dưới mặt đất ($BGB$): Nghiên cứu tập trung giải quyết trọn vẹn sinh khối trên mặt đất ($AGB$), chưa thể tiến hành đào rễ đo đạc trực tiếp sinh khối dưới mặt đất cho toàn bộ mẫu do chi phí quá lớn và mức độ khó khăn kỹ thuật cao ngoài hiện trường.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Cần tiếp tục bổ sung dữ liệu cây mẫu ở các cấp kính lớn; mở rộng nghiên cứu định lượng trực tiếp hệ thống rễ cây rừng khộp ($BGB$); và tiếp tục thẩm định chéo mô hình tại các vùng phân bố rừng khộp khác ở Lào, Campuchia và Thái Lan để hoàn thiện hệ thống mô hình sinh khối chuẩn cho toàn khu vực Đông Nam Á.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho nhiều nhóm đối tượng trong nghiên cứu và quản lý lâm nghiệp:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng, Sinh thái học: Luận án cung cấp khung phương pháp luận chuẩn xác về sinh trắc học rừng hiện đại, từ kỹ thuật xử lý phương sai không đồng nhất bằng hàm trọng số, phương pháp ước lượng hợp lý cực đại (Maximum Likelihood), quy trình lập mô hình đồng thời SUR trên SAS, đến quy trình thẩm định chéo $K\text{-Fold}$ trên ngôn ngữ R.
• Đối với các nhà hoạch định chính sách, cơ quan quản lý (Tổng cục Lâm nghiệp, Sở NN&PTNT các tỉnh Tây Nguyên và Đông Nam Bộ): Cung cấp cơ sở khoa học và hệ thống công cụ định lượng chính xác phục vụ xây dựng báo cáo phát thải quốc gia, đề án chi trả dịch vụ môi trường rừng đối với dịch vụ hấp thụ và lưu giữ carbon.
• Đối với các Công ty Lâm nghiệp, Ban quản lý Vườn quốc gia và Khu bảo tồn thiên nhiên: Cung cấp bộ phương trình thực hành đo tính sinh khối và carbon đơn giản, chính xác theo cấp chi và cấp loài, giúp tối ưu hóa nguồn lực và chi phí điều tra kiểm kê rừng thực địa.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại áp dụng phương pháp hồi quy SUR (Seemingly Unrelated Regression) thay cho phương pháp lập mô hình độc lập truyền thống?
Trả lời: Phương pháp lập mô hình độc lập truyền thống cho từng bộ phận (thân, cành, lá, vỏ) sẽ dẫn đến việc tổng sinh khối của các bộ phận không bằng sinh khối toàn phần ($AGB$) ước tính trực tiếp. Phương pháp SUR dạng phi tuyến có trọng số cho phép thiết lập đồng thời tất cả các phương trình bộ phận và phương trình tổng, tận dụng mối tương quan chéo giữa các cơ quan sinh học của cây, đảm bảo tính tương thích cộng dồn ($AGB = B_{st} + B_{br} + B_{le} + B_{ba}$) và giảm thiểu sai số dự đoán.

2. Phương pháp thẩm định chéo K-Fold có ưu điểm gì nổi bật so với phương pháp tách tập dữ liệu độc lập truyền thống?
Trả lời: Phương pháp truyền thống phải tách riêng một phần dữ liệu (ví dụ 20%) chỉ để đánh giá sai số, gây lãng phí dữ liệu mẫu chặt hạ rất tốn kém và sai số chỉ đúng cục bộ cho bộ dữ liệu đó. Phương pháp $K\text{-Fold}$ phân chia ngẫu nhiên dữ liệu thành $K$ phần, lặp lại quá trình huấn luyện và kiểm định $K$ lần để lấy sai số trung bình. Toàn bộ dữ liệu đều được tham gia lập mô hình và kiểm tra chéo lẫn nhau, cung cấp thông tin sai số khách quan, toàn diện và mô hình cuối cùng được xây dựng trên 100% dung lượng mẫu.

3. Kết quả so sánh giữa mô hình sinh khối cấp chi thực vật của luận án với mô hình chung toàn vùng nhiệt đới cho thấy điều gì?
Trả lời: Kết quả thẩm định chéo chứng minh mô hình sinh khối trên mặt đất ($AGB$) xây dựng riêng cho từng chi ưu thế (Dipterocarpus, Shorea) chỉ cần sử dụng duy nhất một biến số đường kính ngang ngực ($D$) đã đạt độ tin cậy và độ chính xác cao hơn so với mô hình đa loài chung cho toàn vùng nhiệt đới của Chave và ctv vốn đòi hỏi cả 3 biến số phức tạp ($D, H, WD$).

4. Các hệ số quy đổi từ sinh khối khô sang trữ lượng carbon và lượng $\text{CO}_2$ tương đương được áp dụng trong luận án là bao nhiêu?
Trả lời: Theo hướng dẫn của IPCC (2006) và nghiên cứu của Bảo Huy (2013), lượng carbon tích lũy được tính bằng: $\text{Carbon} = 0{,}47 \times \text{Sinh khối khô}$; và lượng $\text{CO}_2$ tương đương cây rừng hấp thụ hoặc phát thải được xác định theo công thức: $\text{CO}_2\text{ tương đương} = 3{,}67 \times \text{Carbon}$.

5. Những biến số sinh thái môi trường và lâm phần nào đã được đưa vào mô hình điều chỉnh MODIFIER?
Trả lời: Luận án đã phân tích biến động của độ cao ($Altitude$), độ dốc ($Slope$), lượng mưa trung bình năm ($P$), nhiệt độ trung bình năm ($T$), mật độ cây ($N$) và tổng tiết diện ngang lâm phần ($BA$). Trong đó, lượng mưa năm ($P$) và tổng tiết diện ngang ($BA$) có ảnh hưởng rõ nét nhất và được đưa vào hàm số mũ $MODIFIER$ để điều chỉnh giá trị dự báo $AGB$ theo điều kiện lâm phần thực tế: $AGB = a \cdot D^b \cdot WD^d \cdot \exp(\dots + b_2(P - 1502) + b_3(BA - 12.x))$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Tình là một công trình nghiên cứu thực nghiệm công phu, giải quyết trọn vẹn bài toán định lượng sinh khối trên mặt đất cho hệ sinh thái rừng khộp tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp dữ liệu 222 cây mẫu chặt hạ với các phương pháp thống kê sinh trắc hiện đại gồm hồi quy đồng thời SUR trên SAS, ước lượng phi tuyến Maximum Likelihood và thẩm định chéo $K\text{-Fold}$ trên R, luận án đã xây dựng thành công hệ thống phương trình sinh khối có độ tin cậy cao theo cấp phân loại thực vật và điều kiện môi trường. Công trình cung cấp cơ sở khoa học vững chắc và bộ công cụ đo tính thiết thực, phục vụ trực tiếp cho hệ thống MRV quốc gia trong khuôn khổ các chương trình giảm phát thải UN-REDD+ và thị trường tín chỉ carbon rừng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (25 trang), Chương 2: Đối 5 tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu (26 trang), Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận (73 trang), Kết luận, tồn tại và kiến nghị (4 trang); Tài liệu tham khảo (16 trang); và Phụ lục. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Một số thuật ngữ chính sử dụng trong luận án Sinh khối trên mặt đất cây rừng (AGB): Trong hệ sinh thái rừng có 5 bể chứa carbon theo IPCC (2006) đó là: 1) Trong sinh khối của thực vật phần trên mặt đất (AGB) (bao gồm trong thân, cành, lá, và vỏ cây), 2) Trong sinh khối của thực vật phần dưới mặt đất là hệ rễ cây (BGB), 3) Trong thảm mục rừng (Litter), 4) Trong gỗ chết (chết đứng và nằm) (Dead Wood), và 5) Trong carbon hữu cơ trong đất (SOC). Nghiên cứu này tập trung cho AGB nhưng chỉ cho thực vật thân gỗ. Mô hình sinh trắc, sinh khối cây rừng: Đó là các mô hình toán mô phỏng mối quan hệ sinh học giữa sinh trưởng, sinh khối, carbon của cây rừng với các nhân tố điều tra cây cá thể và có thể có các nhân tố sinh thái, môi trường rừng.

Hệ thống mô hình ước tính sinh khối trên mặt đất cây rừng: Bao gồm các mô hình ước tính AGB và bộ phận của nó là sinh khối cành, lá và vỏ cây; hoặc bao gồm các mô hình theo hệ thống phân loại thực vật rừng khộp; hoặc bao gồm các mô hình dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái môi trường. Các mô hình này có thể thiết lập độc lập hay đồng thời. Thẩm định chéo (Cross Validation): Đây là một phương pháp đánh giá sai số của mô hình khách quan, dữ liệu được phân chia ngẫu nhiên thành hai phần, một phần cho thiết lập mô hình (Training), và phần còn lại để đánh giá sai số (Validation), tỷ lệ mỗi phần phụ thuộc vào từng phương pháp. Tiến hành lặp lại việc phân chia dữ liệu để training và validation R lần và các chỉ tiêu thống kê của mô hình cũng như sai số được tính trung bình từ R lần.

Như vậy có nghĩa là tất cả dữ liệu đều được sử dụng lập mô hình và tất cả dữ liệu cũng được dùng thẩm định mô hình, chúng kiểm tra chéo lẫn nhau và bảo đảm sai số đúng trong mọi trường hợp của dữ liệu nghiên cứu. 7 Trọng số của mô hình (Weight): Sinh khối cây rừng có hiện tượng phân hóa (heteroscedasticity), làm cho sai số biến động càng lớn khi kích thước cây càng tăng, dẫn đến mô hình gia tăng sai số ở các cây có kích thước lớn. Vì vậy trọng số được sử dụng trong quá trình mô hình hóa là nhằm để điều hòa biến động sai số ở các kích thước cây khác nhau, làm cho chúng khá tương đồng và mô hình có sai số đồng đều ở các kích thước cây. Hệ thống mô hình thiết lập đồng thời theo phương SUR: Thông thường các mô hình ước tính AGB và bộ phận của nó là sinh khối cành, lá và vỏ cây được thiết lập độc lập.

Kết quả cho thấy AGB tính từ tổng các mô hình sinh khối thành phần sẽ có độ lệch đáng kể so với mô hình ước tính AGB độc lập. Ngoài ra, các sinh khối thành phần còn có quan hệ với nhau theo mối tương quan chéo giữa các phương trình. Để khắc phục các nhược điểm này của các mô hình sinh khối thành phần được xây dựng độc lập, phương pháp Seemingly Unrelated Regression (SUR) đã được xây dựng (Parresol, 2001).