Luận án tiến sĩ Lâm nghiệp: Nghiên cứu đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của vật rơi rụng ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình

Chia sẻ: Co Ti Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:169

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xác định được đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của VRR ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình. Dự báo được khối lượng VRR tích lũy, tồn dư và phân hủy ở rừng phòng hộ đầu nguồn cũng như lượng nước giữ tối đa và hữu hiệu bởi vật rơi rụng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Lâm nghiệp: Nghiên cứu đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của vật rơi rụng ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP DƢƠNG THANH HẢI NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM TÍCH LŨY, PHÂN HỦY VÀ VAI TRÒ THỦY VĂN CỦA VẬT RƠI RỤNG Ở RỪNG PHÒNG HỘ ĐẦU NGUỒN HỒ THỦY ĐIỆN TỈNH HÒA BÌNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP HÀ NỘI - 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP DƢƠNG THANH HẢI NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM TÍCH LŨY, PHÂN HỦY VÀ VAI TRÒ THỦY VĂN CỦA VẬT RƠI RỤNG Ở RỪNG PHÒNG HỘ ĐẦU NGUỒN HỒ THỦY ĐIỆN TỈNH HÒA BÌNH Chuyên ngành: Lâm sinh Mã số: 62.62.02.05 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM VĂN ĐIỂN HÀ NỘI - 2016
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa bảo vệ ở bất kỳ hội đồng học vị nào. Tất cả mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc cảm ơn, các số liệu và thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 27 tháng 7 năm 2016 Tác giả luận án Dƣơng Thanh Hải
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Lâm học, Bộ môn Lâm sinh, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, Tạp chí Nông nghiệp và PTNT đã quan tâm, chỉ đạo và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án. Xin chân thành cảm ơn NGƢT.PGS.TS. Phạm Văn Điển, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn khoa học đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án. Nhân dịp này, tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới UBND và ngƣời dân ở huyện Đà Bắc, tỉnh Hòa Bình đã giúp đỡ tác giả thu thập số liệu cho luận án này. Xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học đã có những góp ý quý báu để tác giả bổ sung và hoàn thiện luận án. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, gia đình và bạn bè đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ về vật chất và tinh thần để tác giả có thêm nghị lực hoàn thành luận án này. Tác giả đã làm việc với nỗ lực cao của bản thân. Tuy nhiên, do thời gian có hạn, nên luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu của các nhà khoa học và đồng nghiệp. Hà Nội, ngày 27 tháng 7 năm 2016 Tác giả Dƣơng Thanh Hải
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... ..v DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................... 4 1.1. Ở ngoài nƣớc .......................................................................................... 4 1.1.1. Nghiên cứu về đặc điểm tích lũy và phân hủy chất hữu cơ ............ 4 1.1.2. Nghiên cứu về vai trò thủy văn của VRR ........................................ 9 1.2. Ở trong nƣớc ........................................................................................ 11 1.2.1. Nghiên cứu về đặc điểm tích lũy và phân hủy chất hữu cơ .......... 11 1.2.2. Nghiên cứu về vai trò thuỷ văn của VRR ...................................... 18 1.3. Thảo luận .............................................................................................. 21 Chƣơng 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............... 23 2.1. Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 23 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................... 24 2.2.1. Quan điểm và phương pháp luận...................................................24 2.2.2. Cách tiếp cận .................................................................................................25 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu tài liệu thứ cấp .................................................. 25 2.2.4. Phương pháp bố trí ô mẫu và lập OTC ...................................................... 26 2.2.5. Phương pháp thu thập số liệu ......................................................................28 2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu............................................................................ 34 Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ....................... 42 3.1. Đặc điểm điều kiện lập địa, cấu trúc và sinh trƣởng của rừng ........... 42 3.1.1. Đặc điểm khí hậu và thủy văn ......................................................................42 3.1.2. Đặc điểm địa hình - thổ nhưỡng.................................................................. 45 3.1.3. Đặc điểm cấu trúc của các trạng thái TTV ................................................53 3.1.4. Một số đặc trưng của các trạng thái TTV ..................................................59
iv 3.2. Đặc điểm tích lũy VRR ....................................................................... 59 3.2.1. Thành phần VRR........................................................................................... 59 3.2.2. Vật rơi rụng bổ sung ..................................................................................... 62 3.2.3. Đặc điểm VRR tồn dư ...................................................................................67 3.3. Đặc điểm phân hủy VRR .................................................................... 69 3.3.1. Tổng khối lượng VRR phân hủy của các trạng thái TTV ..........................69 3.3.2. Diễn biến khối lượng VRR phân hủy ..........................................................70 3.3.3. Tốc độ phân hủy VRR ...................................................................................77 3.3.4. Tác động của vi sinh vật đối với sự phân hủy VRR ...................................79 3.4. Vai trò thủy văn của VRR ................................................................... 85 3.4.1. Quá trình giữ nước của VRR ....................................................................... 85 3.4.2. Đặc điểm hút nước của VRR .......................................................................88 3.4.3. Khả năng giữ nước tối đa của VRR...............................................91 3.4.4. Hệ số độ thô của VRR ...................................................................................92 3.4.5. Ảnh hưởng của VRR đến khả năng thấm nước của đất rừng .................. 92 3.4.6. Ảnh hưởng của VRR đến hệ số xói mòn của đất rừng .............................. 94 3.5. Dự báo một số đặc trƣng của VRR………………………………….100 3.5.1. Dự báo khối lượng VRR bổ sung ............................................................. 100 3.5.2. Dự báo khối lượng VRR tồn dư ................................................................ 105 3.5.3. Dự báo khối lượng VRR phân hủy ........................................................... 109 3.5.4. Dự báo lượng nước giữ tối đa và lượng nước giữ hữu hiệu của VRR . 119 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KHUYẾN NGHỊ………………………….124 1. Kết luận .................................................................................................... 124 2. Tồn tại ...................................................................................................... 126 3. Khuyến nghị ............................................................................................. 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt/ký hiệu Nội dung diễn giải A Tuổi cây (năm) atm Átmốtphe BS Bổ sung BPH Bán phân hủy CPH Chƣa phân hủy CFU/g Số đơn vị hình thành khuẩn lạc trong 1 gam mẫu CO2 Khí cácbonníc Cai Chỉ số diện tích tán lá (%) CP Độ che phủ của cây bụi thảm tƣơi (%) CR Hệ số biến động của lƣợng mƣa (%) DBH, D1,3 Đƣờng kính thân cây ở vị trí 1,3 m (cm) DTán, DT Đƣờng kính tán lá (m) DVRR Độ dày của vật rơi rụng (cm) FAO Tổ chức Nông lƣơng của Liên hiệp Quốc G Tổng tiết diện ngang lâm phần (m2/ha) Hvn Chiều cao vút ngọn (m) Hdc Chiều cao dƣới cành (m) HVRR Hệ số suy diễn tổng lƣợng vật rơi rụng IBP Chƣơng trình sinh học quốc tế Ias Cƣờng độ ánh sáng k Chỉ số không đồng đều LAI Chỉ số diện tích lá LK Loài khác LTán Chiều dài tán (m) M Trữ lƣợng rừng (m3) Max Giá trị lớn nhất Min Giá trị nhỏ nhất
vi Viết tắt/ký hiệu Nội dung diễn giải N Số cây NM Nấm mốc ODB Ô dạng bản OTC Ô tiêu chuẩn P Tổng lƣợng mƣa/năm (mm) PH Phân hủy PTNT Phát triển nông thôn R Hệ số tƣơng quan S Diện tích (ha) S Hệ số biến động khối lƣợng VRR (%) t0 Nhiệt độ (0C) TB Giá trị trung bình TC Độ tàn che TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TD Tồn dƣ tkk Nhiệt độ không khí (0C) TTV Thảm thực vật TSK Tổng sinh khối VK Vi khuẩn VRR Vật rơi rụng VSV Vi sinh vật Wđ Độ ẩm đất (%) Wkk Độ ẩm không khí (%) Wtdư Khối lƣợng VRR tồn dƣ tại thời điểm dự báo (kg/ha; tấn/ha) XK Xạ khuẩn α Độ dốc (độ)
vii DANH MỤC BẢNG TT Bảng Nội dung Trang 1 2.1 Số lƣợng các ô nghiên cứu trong các trạng thái 26 2 3.1 Các đặc trƣng về khí hậu ở địa điểm nghiên cứu 43 3 3.2 Chỉ số không đồng đều và hệ số biến động của lƣợng mƣa 44 4 3.3 Đặc điểm địa hình ở địa điểm nghiên cứu 45 5 3.4 Một số tính chất lý học của đất 46 6 3.5 Kết quả phân tích một số tính chất hóa học của đất 48 7 3.6 Kết quả phân tích trữ lƣợng mùn, đạm và hàm lƣợng các chất dễ tiêu 50 8 3.7 Tổ thành tầng cây cao và tầng cây tái sinh tự nhiên 54 9 3.8 Chỉ số đa dạng tầng cây gỗ 55 Một số chỉ tiêu cấu trúc và sinh trƣởng bình quân của các trạng 10 3.9 59 thái thảm thực vật 11 3.10 Thành phần và khối lƣợng VRR ở địa điểm nghiên cứu 60 12 3.11 Tổng khối lƣợng VRR bổ sung của các trạng thái TTV 62 13 3.12 Diễn biến lƣợng VRR bổ sung của các trạng thái TTV 64 14 3.13 Diễn biến lƣợng VRR tồn dƣ của các trạng thái TTV 68 15 3.14 Tổng lƣợng VRR phân hủy của các trạng thái TTV 70 16 3.15 Diễn biến khối lƣợng VRR phân hủy 71 17 3.16 Mối quan hệ giữa lƣợng VRR bổ sung, phân hủy và tồn dƣ 76 18 3.17 Khối lƣợng và tốc độ phân hủy trung bình của VRR 78 19 3.18 Mật độ vi sinh vật dƣới các trạng thái TTV 79 Lƣợng vật rơi rụng, chất hữu cơ, vi sinh vật đất tổng số dƣới các 20 3.19 80 trạng thái thảm thực vật 21 3.20 Hoạt tính sinh học của một số nhóm vi sinh vật chủ yếu 81 Khả năng phân hủy xenlulo của một số chủng vi khuẩn trong đất 22 3.21 83 dƣới các trạng thái TTV 23 3.22 Tính đa dạng vi sinh vật đất dƣới các trạng thái TTV 85
viii 24 3.23 Độ che phủ và độ dày của VRR 86 25 3.24 Tốc độ hút nƣớc của VRR ở các trạng thái TTV 88 Ảnh hƣởng của mức độ phân hủy VRR và thời gian hút nƣớc 26 3.25 89 đến lƣợng nƣớc hút của VRR 27 3.26 Lƣợng nƣớc giữ tối đa theo ba phần ở các trạng thái TTV 91 28 3.27 Hệ số độ thô của VRR 92 29 3.28 Tốc độ thấm nƣớc ban đầu của đất dƣới trạng thái TTV 93 30 3.29 Hệ số xói mòn do mƣa 94 31 3.30 Hệ số xói mòn đất dƣới các trạng thái TTV 96 Ảnh hƣởng của lƣợng VRR tồn dƣ và độ che phủ VRR đến xói 32 3.31 97 mòn đất 33 3.32 Khả năng hút nƣớc của VRR 98 34 3.33 Độ ẩm tự nhiên, lƣợng nƣớc giữ hữu hiệu của VRR 99 Kết quả xác định các tham số của phƣơng trình dự báo khối 35 3.34 100 lƣợng VRR bổ sung 36 3.35 Sai số xác định khối lƣợng VRR bổ sung 103 37 3.36 Xác định tham số của phƣơng trình dự báo lƣợng VRR tồn dƣ 105 38 3.37 Sai số xác định lƣợng VRR tồn dƣ 108 39 3.38 Xác định tham số của phƣơng trình dự báo lƣợng VRR phân hủy 110 40 3.39 Sai số xác định lƣợng VRR phân hủy 113 41 3.40 Phƣơng trình dự báo khối lƣợng VRR bổ sung và phân hủy 115 42 3.41 Bảng tra khối lƣợng VRR 116 43 3.42 Bảng tra lƣợng nƣớc giữ hữu hiệu và lƣợng nƣớc giữ tối đa 120
ix DANH MỤC HÌNH TT Hình Nội dung Trang 1 2.1 Bản đồ vị trí các ô tiêu chuẩn ở khu vực nghiên cứu 27 2 3.1 Biểu đồ khí hậu theo thời gian 43 3 3.2 So sánh các chỉ tiêu tính chất hóa học của đất giữa các trạng thái TTV 53 4 3.3 Bản đồ hiện trạng rừng huyện Đà Bắc, Hòa Bình 57 5 3.4 Bản đồ quy hoạch ba loại rừng huyện Đà Bắc, Hòa Bình 58 6 3.5 Thành phần VRR của các trạng thái TTV 61 7 3.6 Tổng khối lƣợng VRR bổ sung qua các năm 63 8 3.7 Động thái lƣợng VRR bổ sung 66 9 3.8 Động thái lƣợng VRR bổ sung của các trạng thái TTV 66 10 3.9 Động thái lƣợng VRR tồn dƣ 67 11 3.10 Diễn biến lƣợng VRR tồn dƣ của các trạng thái TTV 67 12 3.11 Tổng khối lƣợng VRR phân hủy 72 13 3.12 Diễn biến khối lƣợng VRR phân hủy 72 14 3.13 Diễn biến khối lƣợng VRR phân hủy của các trạng thái TTV 73 15 3.14 Mối quan hệ giữa lƣợng VRR bổ sung, phân hủy và tồn dƣ 75 16 3.15 Tốc độ phân hủy VRR bình quân 1 tháng 79 17 3.16 Nấm mốc 83 18 3.17 Vi khuẩn 83 19 3.18 Xạ khuẩn 83 20 3.19 D vòng phân hủy vi khuẩn 84 21 3.20 D vòng phân hủy nấm mốc 84 22 3.21 Độ dày của VRR 87 23 3.22 Biến đổi của lƣợng nƣớc hút và tốc độ hút nƣớc của VRR 90 24 3.23 Tốc độ thấm nƣớc ban đầu của đất dƣới trạng thái TTV 94 25 3.24 Ảnh hƣởng của VRR tồn dƣ và độ che phủ VRR đến xói mòn đất 98 26 3.25 Quan hệ giữa khối lƣợng VRR bổ sung với khối lƣợng VRR tồn dƣ 103 27 3.26 Quan hệ giữa khối lƣợng VRR phân hủy với khối lƣợng VRR tồn dƣ 112
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Tích lũy và phân hủy vật rơi rụng (VRR) là một trong những hiện tƣợng quan trọng của quá trình tuần hoàn vật chất và lƣu động năng lƣợng cũng nhƣ của quá trình thủy văn cơ bản của hệ sinh thái rừng. Dƣới góc độ sinh thái, sự vận hành của dòng năng lƣợng đi qua hệ sinh thái có thể đƣợc phản ánh tốt qua đặc điểm tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ thực vật thông qua chuỗi chăn nuôi hay chuỗi phế thải. Theo Crockford và Richardson (2000) [66], quá trình phân hủy VRR là một phần quan trọng của chu trình sinh địa hóa trong hệ sinh thái rừng, qua đó những chất dinh dƣỡng đƣợc tái quay vòng và đóng vai trò quan trọng đối với sự hình thành vật chất hữu cơ trong đất. Nó thể hiện khả năng hoàn trả chất dinh dƣỡng cho đất của hệ sinh thái rừng. Dƣới góc độ thủy văn, VRR đƣợc xem là một mắt xích quan trọng, là tầng thứ ba thể hiện hiệu ứng thủy văn rừng. Tuy nhiên, những nghiên cứu về đặc điểm VRR và vai trò thủy văn của nó ở rừng phòng hộ tại Việt Nam còn hạn chế, nên chƣa đủ cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc xác định vai trò sinh thái và thủy văn của nó cũng nhƣ cho việc quản lý có hiệu quả VRR dƣới tán rừng. Thực tế cho thấy, khả năng giữ nƣớc và bảo vệ đất, hạn chế xói mòn - một trong những chức năng quan trọng của rừng phòng hộ đầu nguồn, có liên hệ chặt với thảm thực vật (TTV) rừng, với sự phát sinh và phát triển của TTV rừng. Vì vậy, nghiên cứu về đặc điểm tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ thực vật của rừng phòng hộ đầu nguồn cần đƣợc gắn liền với nghiên cứu đặc điểm thủy văn của vật chất hữu cơ. Mặc dù vậy, việc nghiên cứu đặc điểm tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ thực vật và vai trò thủy văn của VRR ở vùng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình còn rất hạn chế và chƣa đƣợc hệ thống. Thực tế này đã làm giảm hiệu quả quản lý rừng phòng hộ đầu nguồn theo hƣớng phát huy chức năng giữ nƣớc, bảo vệ đất cũng nhƣ cho việc xác định giải pháp phục hồi sinh khối của hệ sinh thái rừng. Để góp phần giải quyết vấn đề nêu trên, việc thực hiện đề tài luận án "Nghiên cứu đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của vật rơi rụng ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình" là rất cần thiết và có ý nghĩa lớn.
2 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Về lý luận Xác định đƣợc đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của VRR ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình. 2.2. Về thực tiễn Dự báo đƣợc khối lƣợng VRR tích lũy, tồn dƣ và phân hủy ở rừng phòng hộ đầu nguồn cũng nhƣ lƣợng nƣớc giữ tối đa và hữu hiệu bởi vật rơi rụng. 3. Phạm vi nghiên cứu - Về nội dung nghiên cứu + Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số chỉ tiêu phản ánh đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của VRR ở rừng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình. + Đề tài chỉ dự báo một số đặc trƣng quan trọng của VRR ở rừng phòng hộ đầu nguồn là rừng tự nhiên. - Về địa điểm nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là 3 nhóm TTV có diện tích lớn ở vùng hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình, gồm: (i) Đất không có rừng: trảng cỏ, cây bụi; (ii) rừng trồng: Keo tai tƣợng, Luồng; (iii) rừng tự nhiên: rừng tự nhiên nghèo, rừng tự nhiên trung bình, rừng tự nhiên giàu (Theo Thông tƣ số 34/2009/TT-BNNPTNT ngày 10 tháng 6 năm 2009 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn quy định tiêu chí xác định và phân loại rừng [1]). Tổng số có 6 trạng thái thảm thực vật đã đƣợc nghiên cứu. Địa điểm: huyện Đà Bắc, tỉnh Hòa Bình. Thời gian thu thập số liệu ngoại nghiệp: 2011- 2014. 4. Những đóng góp mới của luận án - Đặc điểm tích lũy, phân hủy và vai trò thủy văn của VRR dƣới một số trạng thái TTV rừng ở vùng phòng hộ đầu nguồn hồ thủy điện tỉnh Hòa Bình đã đƣợc nghiên cứu khá toàn diện, làm cơ sở cho việc xác định đóng góp của VRR đối với vai trò thủy văn của hệ sinh thái rừng. - Việc dự báo lƣợng VRR bổ sung, tồn dƣ, phân hủy có ý nghĩa trong công tác điều tra rừng, làm cơ sở xác định nhanh vai trò thủy văn của VRR trong rừng phòng
3 hộ đầu nguồn là rừng tự nhiên, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý rừng phòng hộ đầu nguồn ở khu vực nghiên cứu. 5. Bố cục của luận án Phần mở đầu: Luận giải sự cần thiết của luận án, mục đích nghiên cứu, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của luận án. Chƣơng 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chƣơng 2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu. Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận. Kết luận, tồn tại, khuyến nghị: các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu, nêu những hạn chế, tồn tại của luận án và các khuyến nghị về ứng dụng những kết quả nghiên cứu đã thu đƣợc và đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo nhằm khắc phục những tồn tại.
4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Vật rơi rụng đƣợc các nhà sinh thái học đánh giá là một mắt xích quan trọng của quá trình lƣu động và tuần hoàn vật chất trong hệ sinh thái rừng. VRR đƣợc định nghĩa: là lượng cành, lá khô, hoa, quả, thân cây chết hàng năm rơi rụng xuống đất rừng. Nói cách khác, VRR là lớp xác thực vật như lá, cành, hoa, quả, v.v… rơi xuống mặt đất tạo thành lớp thảm dưới tán cây và bị phân hủy ở các mức độ khác nhau. Đặc điểm tích lũy của VRR đƣợc hiểu là sự tăng thêm của lớp thảm mục trong chu trình sinh học của hệ sinh thái rừng. Tỷ lệ thay đổi về khối lƣợng của lƣợng VRR bổ sung và lƣợng VRR phân hủy phụ thuộc vào nguồn cung và sự chuyển hóa sau này của thảm mục. Đặc điểm phân hủy của VRR đƣợc hiểu là sự chuyển hóa lớp thảm mục thành mùn. Lƣợng sinh khối của lớp thảm mục cung cấp phần lớn chất hữu cơ và dinh dƣỡng khoáng cho đất, chúng đóng vai trò quan trong trong quá trình hình thành đất và trong các chu trình tuần hoàn vật chất của hệ thống “đất rừng - thực vật rừng - đất rừng”. Trong khi vai trò thủy văn của VRR đƣợc hiểu là khả năng giữ nƣớc, điều tiết nguồn nƣớc và bảo vệ đất. VRR có tác dụng điều hòa nhiệt độ đất rừng, giữ ẩm, điều hòa nguồn nƣớc, ngăn chặn dòng chảy trên mặt đất, giúp cho đất rừng thấm nƣớc tốt hơn, giảm lƣợng bốc hơi mặt đất, ngăn ngừa xói mòn đất, làm tiêu giảm, phân tán lƣợng nƣớc chảy trên bề mặt, hạn chế khả năng hình thành, duy trì của lũ lụt đầu nguồn, hạn chế bồi lắng bùn đất ở các lòng sông, lòng hồ, gây khó khăn cho phát triển và giảm tuổi thọ các công trình thủy điện, ... Do ý nghĩa quan trọng đối với phát triển của rừng, nên việc duy trì VRR ở rừng nhiệt đới là rất cần thiết. 1.1. Ở ngoài nƣớc 1.1.1. Nghiên cứu về đặc điểm tích lũy và phân hủy chất hữu cơ Về phƣơng pháp nghiên cứu khả năng tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ thực vật, từ năm 1840 trở về trƣớc, các tác giả đã đi sâu vào lĩnh vực sinh lý thực
5 vật, đặc biệt là nghiên cứu vai trò và hoạt động của diệp lục trong quá trình quang hợp để tạo nên các sản phẩm hữu cơ dƣới tác động của các nhân tố tự nhiên nhƣ: đất, nƣớc, không khí và năng lƣợng ánh sáng mặt trời. Sang thế kỷ XIX, nhờ áp dụng các thành tựu khoa học nhƣ hoá phân tích, hoá thực vật và đặc biệt là vận dụng nguyên lý tuần hoàn vật chất trong thiên nhiên, các nhà khoa học đã thu đƣợc những thành tựu đáng kể. Một số tác giả đã tổng kết quá trình nghiên cứu và phát triển sinh khối rừng trong các công trình nghiên cứu của mình nhƣ: Riley, G. A. (1944) [92], Steemann N. E. (1954) [95], Fleming, R. H. et al. (1957) [70]. Sự tích lũy VRR đƣợc mô tả và kiểm chứng dựa trên cơ sở của mô hình toán học đơn giản của Olson J. S. (1963) [89]. Tác giả đã đƣa ra những giả định nhƣ sau: Giả sử B là sinh khối hoặc khối lƣợng của vật chất hữu cơ; Bss là sinh khối hoặc khối lƣợng của vật chất hữu cơ hiện tại trong điều kiện trạng thái ổn định; P là năng suất (đầu vào của hệ thống); k là cƣờng độ phân hủy. Lúc này tỷ lệ thay đổi của sinh khối trong hệ thống ở một số khoảng thời gian rời rạc (t), (giả sử một ngày hoặc B năm) đƣợc thể hiện là:  t = Đầu vào - thất thoát (đối với khoảng thời gian đó). Nếu năng suất vẫn không đổi, thì tỷ lệ tức thời của sự thay đổi khối lƣợng (tỷ lệ khi ∆B bị giới hạn và ∆t bằng không) là: B  t = P - kB (1.1) Mặt khác dƣới điều kiện trạng thái ổn định theo đó năng suất (hay đầu vào của hệ thống) phải bằng lƣợng thất thoát, ta có: P = k Bss. Nếu những giả định trên hợp lệ và hai trong số các thông số này có thể đƣợc điều tra thì sau đó có thể tính toán đƣợc thông số thứ ba. Nếu có thể thì tất cả các giá trị đầu vào của hệ thống và tỷ lệ phân hủy nên đƣợc đo đếm xác định độc lập. Cùng với sự ra đời của chƣơng trình sinh học quốc tế (International Biological Program) "IBP" (1964), Lieth, H. (1964) [83] cũng đã thể hiện năng suất trên toàn thế giới bằng bản đồ năng suất, những vấn đề này đã tác động mạnh mẽ tới việc
6 nghiên cứu sinh khối. Những nghiên cứu trong giai đoạn này tập trung vào các đối tƣợng đồng cỏ, savan, rừng rụng lá, rừng mƣa thƣờng xanh. Trong vòng chu chuyển dinh dƣỡng, năng lƣợng ánh sáng mặt trời là nguồn năng lƣợng khởi đầu từ bên ngoài vào hệ sinh thái. Tiếp nhận ánh sáng mặt trời cùng các vật chất vô cơ khác để sản xuất chất hữu cơ là thực vật màu xanh chứa diệp lục (ngoài các sinh vật quang hợp và vi sinh vật hóa tổng hợp thì thực vật đóng vai trò chủ yếu nhất). Tầm quan trọng của thực vật màu xanh chứa diệp lục là tổng hợp đƣợc chất hữu cơ phức tạp từ các chất vô cơ đơn giản để nuôi dƣỡng sự sống mà các sinh vật tiêu thụ và các sinh vật phân hủy không thể thực hiện đƣợc. Do đó quá trình tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ đƣợc mô tả rõ nhất thông qua vòng chu chuyển dinh dƣỡng của hệ sinh thái rừng (Greig Smith P., Butterworth, 1964) [74]. Theo Odum, nếu chỉ có tích lũy mà không có quá trình phân hủy chất hữu cơ, thì trái đất của chúng ta đã trở thành bãi rác (Odum, 1975) [87]. Trong quá trình phân hủy, các sinh vật phân hủy đóng vai trò rất quan trọng. Chất hữu cơ bị phân hủy gồm các VRR, xác chết và các chất bài tiết của động vật, thực vật, rễ cây. Chúng đƣợc chuyển hóa thành mùn, thông qua quá trình khoáng hóa, mùn lại đƣợc chuyển hóa thành các chất dinh dƣỡng khoáng ở dạng dễ tiêu để cung cấp cho thực vật và làm biến đổi tính chất vật lý, hóa học đất. Bên cạnh đó sự tích lũy và phân hủy vật chất hữu cơ thực vật cũng chịu ảnh hƣởng lớn của môi trƣờng tự nhiên nhƣ: Thời tiết, địa hình, thổ nhƣỡng và các tác động của con ngƣời. Tốc độ phân hủy VRR trên bề mặt rừng nhiệt đới diễn ra nhanh hơn 10 lần so với rừng ôn đới. Hệ số tốc độ phân hủy VRR (k, năm) ở rừng tự nhiên nhiệt đới là 0,3 - 5,3, ở rừng trồng nhiệt đới là 0,11 - 2,0; ở rừng ôn đới là 0,19 - 0,68 (rừng Eucalyptus, Australia) (R. Leuning, P. M. Attiwill, 1978) [82]. Nhóm bọ nhảy sống chủ yếu ở tầng thảm và lớp bề mặt của hệ sinh thái đất. Thức ăn của chúng rất đa dạng nhƣ: mô lá đang bị phân hủy, xác hữu cơ, vi khuẩn và nấm… Chúng có mối liên hệ dinh dƣỡng với hệ vi sinh vật phân hủy xenlulô, do đó, chúng có ảnh hƣởng lớn tới quá trình phân hủy xác hữu cơ. Nghiên cứu về nhóm này một số tác giả (Tanner E. V. J., 1981) [97], (Wardle D. A., P. Lavelle,
7 1997) [100] cho thấy nhóm bọ nhảy có vai trò tham gia tích cực trong quá trình phân hủy thảm mục. Vòng tuần hoàn vật chất và dinh dƣỡng bao gồm một chuỗi mắt xích có mối quan hệ chặt chẽ với nhau từ quá trình quang hợp, phân phối các bon, sự thu nhận, mất đi chất dinh dƣỡng và quá trình phân hủy các phần sinh khối đã đƣợc tạo ra (Cole và Rapp, 1981) [65]. Vật rơi rụng khi tiếp xúc với mặt đất thì quá trình phân hủy đã diễn ra, nó giải phóng những chất dinh dƣỡng cơ bản thiết yếu. Qua đó các tác giả đã nhận định đây là một quá trình rất quan trọng cho việc điều hoà vòng tuần hoàn các bon (C) và dinh dƣỡng (Schimel J. P., M. K. Firestone, K. Killham, 1984) [94]. Để có thể hiểu và giải thích đƣợc sự khác nhau về mô hình tuần hoàn vật chất, các chất dinh dƣỡng và giải thích tại sao các quần hệ lại phát triển khác nhau cần có những nghiên cứu về vòng tuần hoàn vật chất và dinh dƣỡng. Qua đó cho thấy vòng tuần hoàn vật chất và dinh dƣỡng đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa chức năng và sự phát triển của các hệ sinh thái rừng (Waring và Schlesinger, 1985 [101]). Trên bề mặt đất rừng chỉ che phủ 21% diện tích, nhƣng sinh khối thực vật của nó chiếm đến 75% so với tổng sinh khối thực vật trên cạn và lƣợng tăng trƣởng hàng năm chiếm 37%. Chính vì vậy hiện nay một số nghiên cứu đã tập trung hƣớng vào các nhân tố có ảnh hƣởng đến quá trình tích lũy của lớp TTV rừng (Pastor và Post, 1986) [90]; (Ceulemans và Saugier, 1991) [64]. Khi nghiên cứu về khả năng tích lũy và phân hủy chất hữu cơ thực vật, một loạt khái niệm, thuật ngữ đã đƣợc làm rõ nhƣ: tổng sản lƣợng, sản lƣợng, sản lƣợng thuần, sản lƣợng sơ cấp, năng suất, năng suất sinh học, năng suất kinh tế, năng suất tiềm tàng của thực vật rừng, năng suất sinh thái, tốc độ và hiệu suất quang hợp, tốc độ phân hủy.... Một trong những chỉ tiêu phản ánh khả năng tích lũy chất hữu cơ thực vật là chỉ số diện tích lá (Leaf Area Index - LAI), đây là một trong những chỉ tiêu phản ánh đầu vào của quá trình phân hủy là VRR. Theo Kimmins, J. P. (1998) [79], việc định lƣợng những chỉ tiêu này là rất quan trọng khi nghiên cứu về tích lũy và phân hủy chất hữu cơ của rừng.
8 Phần lớn các hệ sinh thái rừng nhu cầu hàng năm là tái sử dụng các chất dinh dƣỡng đƣợc giải phóng từ sự phân hủy vật chất hữu cơ (Sundarapandian S. M., P. S. Swamy, 1999) [96]. Trong các hệ sinh thái rừng tự nhiên, ngƣời ta ƣớc tính tổng lƣợng rơi rụng và đào thải trong cả quá trình đời sống của quần thụ là 90 - 99% tổng lƣợng tăng trƣởng của chúng. Trong đó lớn nhất là lá cây (đào thải 100%), tiếp đến là cành, rễ và cuối cùng là thân cây. Lƣợng VRR trên bề mặt rừng cũng thay đổi tùy thuộc vào vị trí địa lý của hệ sinh thái. Nói chung, phần sinh khối chứa trong thành phần VRR của rừng ôn đới lớn hơn rừng nhiệt đới (rừng lá kim ôn đới lƣợng VRR khoảng 1 - 500 tấn/ha; rừng nhiệt đới lƣợng VRR khoảng 5 - 100 tấn/ha). Lƣợng VRR nhiều hay ít còn phụ thuộc vào cấu trúc của rừng (mật độ, thành phần loài, tuổi cây …), điều kiện khí hậu trong năm và độ phì đất. Lƣợng VRR thay đổi mạnh theo mùa. Ở vùng ôn đới và các vĩ độ cao, cây có thời gian sinh trƣởng ngắn, lá cây thƣờng rụng vào mùa không khí lạnh (Thu - Đông) còn ở vùng nhiệt đới, cây có thời gian sinh trƣởng hầu nhƣ quanh năm lên lá cây thƣờng xanh, lá rụng trải đều trong năm. Theo Kimmins, J. P. (1998) [79], lƣợng VRR dƣới mặt đất ƣớc tính khoảng 13,7 tấn/ha (lập địa tốt) đến 7,3 tấn/ha (lập địa nghèo). Chính vì vậy lƣợng VRR dƣới mặt đất rất lớn vì phần rễ cây chiếm 30% sinh khối của cây. Tuy nhiên, việc đo đạc lƣợng VRR này là rất khó và có độ chính xác chƣa cao. Một số tác giả đã xác định đƣợc VRR từ các ODB hay bẫy lƣới ni lông, thời gian thu thập số liệu theo tuần hay một tháng hai lần hay hàng tháng. Tuy nhiên thiết bị và phƣơng pháp nghiên cứu còn hạn chế. Điển hình nhƣ một số tác giả: Tại Malaysia, Burghouts T. B. A., N. M. Van Straalen, L. A. Bruijnzeel (1998) [62] khi nghiên cứu tại rừng mƣa nhiệt đới đã sử dụng các bẫy VRR đƣợc làm bằng lƣới ni lông diện tích 0,7 m2, kích thƣớc mắt lƣới 1 x 1 mm và đƣợc gắn cố định trên bốn cột nhựa, đặt cách mặt đất 50 cm để thu thập lƣợng VRR theo tuần. Phƣơng pháp này của tác giả có nhƣợc điểm là chỉ áp dụng ở nơi địa hình thuận lợi vì thời gian thu thập khá gần nhau. Khi nghiên cứu về rừng nhiệt đới thƣờng xanh vùng khô hạn ở phía Nam Ấn Độ, Arul Pragasan và Parthasarathy (2005) [57] đã xác định đƣợc VRR từ các ODB. Tác giả đã loại bỏ tất cả các lớp thảm mục trên đất rừng trong phạm vi 0,5 x 0,5 m, các lớp này đƣợc xác định bằng cách xếp các viên sỏi và đá sẵn có, để tạo điều kiện thuận lợi cho thu thập mẫu hàng tháng trong vòng một năm sau đó.
9 Phƣơng pháp này của tác giả có nhƣợc điểm là việc đánh dấu các ODB bằng vật liệu có sẵn (nhƣ sỏi, đá….) dễ bị tác động từ các yếu tố ngoại cảnh nhƣ sự di chuyển của con ngƣời, động vật… làm sai lệch vị trí của ODB. Đến năm 2006, cũng tại Sabah, Malaysia, Dent và cộng sự (2006) [68] khi tiến hành nghiên cứu rừng mƣa nhiệt đới đã sử dụng 21 bẫy VRR tại các OTC đại diện cho mỗi sinh cảnh. Các bẫy này đƣợc làm bằng ống nhựa gắn thành khung vuông kích thƣớc 1 x 1 m có gắn lƣới ni lông (mắt lƣới 2 x 2 mm), đặt cách mặt đất 40 cm. Các tác giả đã tiến hành thu VRR hai lần trong một tháng. Đối với rừng nửa rụng lá nhiệt đới, Sanches và cộng sự (2008) [93] khi nghiên cứu về động thái VRR đã sử dụng bẫy đƣợc làm bằng gỗ gắn thành khung có diện tích 1 m2 có gắn lƣới ni lông. Tiến hành thu thập VRR hàng tháng, sau đó đem về rửa bằng nƣớc sạch và phân loại thành lá, cành và cơ quan sinh sản (hoa và quả), sau đó sấy khô và xác định khối lƣợng. VRR đƣợc tính bằng khối lƣợng khô trên một đơn vị diện tích trong một tháng (tấn/ha/năm). 1.1.2. Nghiên cứu về vai trò thủy văn của VRR Đối với rừng phòng hộ đầu nguồn, đa số các nghiên cứu cho thấy, sự tích lũy sinh khối của TTV là cơ chế chủ yếu cho việc phát huy chức năng giữ nƣớc và bảo vệ đất của TTV rừng. Tầng cây cao, cây bụi thảm tƣơi, VRR trong rừng cũng có vai trò rất lớn trong việc giữ nƣớc và hạn chế xói mòn đất (Wischmeier W. H., 1978) [103]. Rừng là một hiện tƣợng địa lý và là một hiện tƣợng lịch sử, vì vậy những hiện tƣợng diễn ra trong tuần hoàn thuỷ văn rừng cũng không ngừng thay đổi theo không gian và thời gian (Mêlêkhốp, 1980 [28]; C. B. Bê lốp, 1982 [2]; Burton V., Barnes et al., 1998 [63] - dẫn theo Phạm Văn Điển và cộng sự (2011) [17]). Vấn đề ở chỗ, xuất phát từ không gian và thời gian khác nhau để nghiên cứu tìm hiểu bản chất, phát hiện quy luật và mô phỏng tuần hoàn thuỷ văn rừng bằng những công cụ nhất định, qua đó giúp cho việc giải thích cơ chế tuần hoàn thuỷ văn và dự báo các thành phần cân bằng nƣớc của rừng cho những không gian và thời gian khác với độ tin cậy nhất định. Bằng các thí nghiệm trong phòng, Ellison (Hudson N., 1981 [24]) thấy rằng các loại đất khác nhau có biểu hiện khác nhau trong các pha của xói mòn đất do nƣớc. Ellison là ngƣời đầu tiên phát hiện ra vai trò của lớp phủ thực vật trong