Tóm tắt Luận văn tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng tích lũy và trao đổi carbon trong rừng ngập mặn trồng tại Vườn Quốc gia Xuân Thủy

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài của luận án là định lượng khả năng tích lũy carbon trong rừng Trang (K. obovata) trồng theo thời gian. Ngoài ra, nghiên cứu tính toán lượng trao đổi carbon và cân bằng carbon giữa các thành phần môi trường tại khu vực RNM VQGXT, tỉnh Nam Định.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng tích lũy và trao đổi carbon trong rừng ngập mặn trồng tại Vườn Quốc gia Xuân Thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HÀ THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÍCH LŨY VÀ TRAO ĐỔI CARBON TRONG RỪNG NGẬP MẶN TRỒNG TẠI VƯỜN QUỐC GIA XUÂN THỦY Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số chuyên ngành: 9 44 03 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 1
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Thị Kim Cúc Phản biện 1: PGS. TS. Lê Xuân Tuấn Phản biện 2: PGS. TS. Phạm Minh Toại Phản biện 3: PGS. TS. Dương Thị Thủy Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ………….., Trường Đại học Thủy lợi vào lúc … giờ … phút ngày ……. tháng …..năm …………… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi 2
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Rừng ngập mặn (RNM) là các thảm thực vật, gồm các loài ưa mặn, phân bố tại vùng cửa sông, ven biển vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới [1]. Hệ sinh thái RNM đóng vai trò như một lá chắn bảo vệ vùng ven biển khỏi các tác động của thiên tai như mưa bão, lốc xoáy, sóng biển, ngập lụt và các thảm họa thiên nhiên tiềm tàng khác như sóng thần [4], [5]. Bên cạnh vai trò bảo vệ đường bờ biển, HST RNM còn cung cấp nhiều giá trị dịch vụ HST và các giá trị thương mại khác [6]– [8]. Cùng với vai trò và các giá trị quan trọng của RNM, trong vài thập kỉ gần đây, RNM được ghi nhận là HST quan trọng trong chu trình carbon. Hệ sinh thái RNM đóng vai trò như một bể chứa CO2 của khí quyển và là nguồn carbon hữu cơ và vô cơ vùng ven biển. Một số nghiên cứu về carbon trong RNM trồng tại khu vực phía Bắc Việt Nam đã được tiến hành bởi Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Thị Kim Cúc và Nguyễn Thị Hồng Hạnh [10]–[13]. Các tác giả đã xác định được trữ lượng carbon trong đất và trong sinh khối của rừng Trang trồng (Kandelia obovata; < 13 tuổi). Tuy nhiên, hiện chưa có nghiên cứu cụ thể nào về carbon trao đổi và tích lũy trong rừng Trang trồng tại khu vực phía Bắc ở lứa tuổi cao hơn (~ 20 tuổi). Và, cũng chưa có nghiên cứu cụ thể, đồng thời sự tích lũy và trao đổi carbon của HST RNM qua việc đo lượng khí CO2 phát thải từ giao diện đất rừng, giao diện nước vào khí quyển cũng như tính toán sự trao đổi carbon giữa RNM và môi trường nước xung quanh. Để tiếp nối các kết quả nghiên cứu đã có với rừng Trang dưới 13 tuổi, nghiên cứu này được thực hiện trên diện tích rừng Trang trồng tại Vườn Quốc gia Xuân Thủy (VQGXT) và hoàn thiện bức tranh về khả năng tích lũy carbon trong RNM tại phía Bắc Việt Nam từ thời điểm mới trồng cho đến 20 tuổi, cũng như đánh giá khả năng tích lũy khí nhà kính của RNM. Vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu khả năng tích lũy và trao đổi carbon trong rừng ngập mặn trồng tại Vườn Quốc gia Xuân Thủy” là nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp 3
phần quan trọng trong việc định lượng trữ lượng carbon ứng với mỗi giai đoạn sinh trưởng và phát triển của rừng trồng. Bên cạnh đó, carbon trao đổi giữa HST RNM và môi trường xung quanh (không khí, nước) cũng được tính toán để hoàn thiện chu trình carbon trong rừng Trang trồng và đánh giá chức năng lưu trữ carbon của RNM trong việc quản lý bền vững HST rừng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài của luận án là định lượng khả năng tích lũy carbon trong rừng Trang (K. obovata) trồng theo thời gian. Ngoài ra, nghiên cứu tính toán lượng trao đổi carbon và cân bằng carbon giữa các thành phần môi trường tại khu vực RNM VQGXT, tỉnh Nam Định. Các mục tiêu chính của luận án cụ thể như sau: i. Định lượng được lượng carbon tích lũy trong rừng Trang trồng (18 – 20 tuổi), cụ thể là carbon tích lũy trong sinh khối thực vật và carbon tích lũy trong đất. Từ đó làm rõ mối quan hệ giữa tuổi rừng và khả năng tích lũy carbon trong RNM theo từng độ tuổi; ii. Định lượng carbon trao đổi giữa HST RNM và môi trường xung quanh (nước, không khí); iii. Xác định mối quan hệ giữa carbon tích lũy trong đất, trong sinh khối và các dạng carbon chuyển dịch, từ đó hoàn thiện chu trình carbon trong RNM tại VQGXT. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là khả năng tích lũy và trao đổi carbon trong rừng Trang trồng (K. obovata; 18-20 năm tuổi) tại khu vực vùng đệm VQGXT, tỉnh Nam Định. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện trên diện tích rừng Trang (K. obovata) trồng sinh trưởng và phát triển quanh một con lạch triều nối với kênh chính (20o13’37.6” N 4
Vĩ độ Bắc và 106o31’42.0”E Kinh độ Đông, Hình 2.1) tại khu vực vùng đệm VQGXT tỉnh Nam Định. Nghiên cứu định lượng carbon tích lũy trong đất và trong sinh khối cây cũng như lượng carbon trao đổi từ giao diện đất – không khí, đất – nước theo phương thẳng đứng và phương ngang của rừng Trang trồng từ 18-20 tuổi. Thời gian nghiên cứu được tiến hành từ tháng 2 năm 2016 đến hết tháng 4 năm 2018, tương ứng với rừng trồng 18, 19 và 20 năm tuổi. Tại khu vực lựa chọn, kết quả khảo sát cấu trúc rừng cho thấy Trang (K. obovata) là loài chiếm khoảng 95% tổng số cá thể đo đếm được tại diện tích rừng trồng, còn lại là tỉ lệ nhỏ của Đâng (Rhizophora stylosa). Do đó, khu vực nghiên cứu được xác định là diện tích rừng Trang trồng (gọi chung là RNM). Diện tích rừng trồng sinh trưởng và phát triển quanh con lạch triều kết nối trực tiếp với kênh chính trong khu vực. Dòng thủy triều lên xuống hàng ngày mang theo các chất dinh dưỡng cho diện tích rừng trồng, đồng thời dòng thủy triều cũng cuốn theo các vật rụng và các chất dinh dưỡng từ sàn rừng ra môi trường nước đại dương khi nước rút. Vì vậy, phạm vi chuyên môn của luận án sẽ tính toán giá trị carbon tích lũy và trao đổi trong diện tích rừng trồng bao quanh con lạch triều. Vì nghiên cứu giới hạn về trang thiết bị đo đạc, nên luận án không tính đến lượng carbon trao đổi (CO2) từ cây RNM vào khí quyển và ngược lại. 4. Nội dung nghiên cứu Từ mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, các nội dung chính nghiên cứu như sau: i. Nghiên cứu sinh khối tích lũy trong rừng Trang bao gồm: sinh khối trên mặt đất và sinh khối dưới mặt đất, lượng carbon tồn lưu trong cây và đất RNM theo độ tuổi. Từ giá trị sinh khối tích lũy và carbon tích lũy trong đất, nghiên cứu xác định tốc độ tích lũy carbon trong sinh khối và tốc độ tồn lưu carbon trong đất theo thời gian; ii. Nghiên cứu năng suất sơ cấp của rừng Trang trồng và giá trị carbon mang ra môi trường nước qua lượng rơi (macro-export) thông qua việc thu thập các mẫu lượng rơi hàng tháng tại diện tích nghiên cứu trong hai năm liên tục. Đo và tính dòng khí CO2 phát thải từ rừng Trang vào khí quyển, từ rừng Trang 5
vào môi trường nước xung quanh thông qua các thông số DOC, POC và DIC theo chu kì thủy triều. Từ các kết quả thu được, nghiên cứu tính toán cân bằng carbon trong RNM trồng; iii. Phân tích và xác định mối tương quan giữa các kết quả trong nội dung nghiên cứu số (i) và số (ii) để hoàn thiện chu trình hợp phần carbon trong rừng Trang trồng. Từ kết quả đo đạc và phân tích được, nghiên cứu sẽ tập trung làm sáng tỏ các nội dung đặt ra với các luận điểm bảo vệ chính như sau: (1) carbon tích lũy trong sinh khối và trong đất tăng dần theo tuổi rừng; (2) carbon trao đổi vào môi trường không khí và môi trường nước xung quanh phụ thuộc vào giá trị carbon tích lũy trong đất và các yếu tố khí hậu, thủy triều, thủy văn và các đặc tính của cây Trang trồng. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả thu được của luận án hoàn thiện việc định lượng trữ lượng cacbon tích lũy của RNM theo độ tuổi (18-20 tuổi). Nghiên cứu cũng góp phần bổ sung các luận chứng và cơ sở khoa học cho việc tính toán khả năng hấp thụ khí nhà kính (CO2) của rừng trồng, và khả năng này biến đổi như thế nào trong mỗi giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây. Từ kết quả đó luận giải quá trình trao đổi cacbon giữa các giao diện đất – nước – không khí và làm rõ vai trò của RNM như một bể chứa khí nhà kính (CO2), làm giảm thiểu khí nhà kính phát thải ra môi trường. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả hoàn thiện của luận án cung cấp các số liệu định lượng về trữ lượng cacbon tích lũy trong RNM trưởng thành, làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng và phát triển các dự án trồng RNM vùng ven biển. Các kết quả định lượng của luận án có thể được sử dụng làm dữ liệu cơ sở cho đánh giá chi trả dịch vụ HST về chức năng lưu trữ carbon/năng suất của HST RNM và quản lý bền vững HST 6
này. Qua đó có kế hoạch phục hồi, bảo vệ và phát triển RNM trong khu vực nghiên cứu cho nhiệm vụ giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu. Luận án cũng cung cấp các dẫn liệu trong việc giảng dạy các môn học thuộc lĩnh vực môi trường và sinh thái học cũng như một số chuyên ngành liên quan khác trong các trường Đại học, Cao đẳng. 6. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận án bao gồm 03 chương: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về tích lũy và trao đổi carbon trong rừng ngập mặn Chương 2: Địa điểm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TÍCH LŨY VÀ TRAO ĐỔI CARBON TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Giới thiệu chung về rừng ngập mặn Rừng ngập mặn phân bố tại các vùng cửa sông dọc bờ biển chủ yếu ở các vùng xích đạo và nhiệt đới hai bán cầu, trải dài từ 25o Bắc tới 25o Nam [14]. Rừng ngập mặn tại các vùng trên thế giới có sự đa dạng rất lớn về cấu trúc và chức năng, đây là kết quả của các yếu tố tổng hợp bao gồm địa hình vùng đất, thể nền, vĩ độ và chế độ thủy triều, thủy văn, khí hậu [20]. Do sự đa dạng về chiều cao và đường kính thân nên sinh khối thực vật trên mặt đất cũng biến động rất lớn, từ khoảng 8 Mg ha-1 ở các vùng RNM thấp lùn tới trên 500 Mg ha-1 ở các vùng RNM gần cửa sông tại vùng Ấn Độ – Thái Bình Dương [21]. Tương tự sự biến động của sinh khối thực vật, hàm lượng carbon tích lũy trong đất RNM cũng có các giá trị hoàn toàn khác nhau phụ thuộc vào thành phần loài, hình thái và cấu trúc rừng. Các nghiên cứu đã cho thấy, RNM tích lũy carbon nhiều nhất trong lớp đất có độ sâu từ bề mặt tới khoảng 3 m dưới mặt đất, và trữ 7
lượng carbon trong đất chiếm từ 49 – 98% trong tổng trữ lượng carbon của các HST này [15]. Ngoài việc tập trung nghiên cứu trữ lượng carbon trong HST RNM trên qui mô toàn cầu, một số nghiên cứu còn đánh giá các dạng chuyển dịch của carbon từ HST RNM ra các vùng nước biển ven bờ. Vì diện tích RNM phân bố ở nhiều vùng khác nhau với các yếu tố môi trường rất đa dạng nên carbon hữu cơ dịch chuyển từ RNM ra môi trường xung quanh và ngược lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: địa hình địa mạo, biên độ triều, khí hậu, loài thực vật, ảnh hưởng của các yếu tố sinh học, vv… Chính các yếu tố tác động này làm cho năng suất sinh học và giá trị carbon tích lũy cũng như trao đổi của RNM biến đổi vô cùng đa dạng. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về tích lũy carbon trong rừng ngập mặn Trong vài thập kỉ qua, trữ lượng carbon của HST RNM thuộc các vùng trên toàn cầu đã được nhiều tác giả tiến hành nghiên cứu. Các kết quả thu được về sinh khối tích lũy trên mặt đất (AGB), sinh khối tích lũy dưới mặt đất (BGB) và một số kết quả nghiên cứu carbon tồn lưu dưới mặt đất của các diện tích RNM phân bố theo vĩ độ. Các vĩ độ càng gần xích đạo có giá trị carbon tích lũy càng cao. Ở phía Bắc Việt Nam, từ đầu những năm 2000 một số nghiên cứu về carbon tích lũy trong sinh khối và đất đã được tiến hành ở các vùng RNM mới trồng bởi Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Thị Kim Cúc và Nguyễn Thị Hồng Hạnh [10]–[12]. Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng carbon tích lũy trên mặt đất và dưới mặt đất biến động tăng dần theo độ tuổi. Các kết quả nghiên cứu chỉ tính các diện tích rừng trồng đến 13 tuổi, chưa có kết quả cho các giai đoạn tuổi cao hơn của rừng ở khu vực này. 1.3 Tổng quan các nghiên cứu về trao đổi carbon trong rừng ngập mặn Một phần carbon tích lũy trong đất RNM bị khoáng hóa và hình thành các khí nhà kính, trong đó có khí CO2. Khí này có thể phát thải trực tiếp vào không khí qua giao diện đất – khí, hoặc hòa tan trong nước và theo dòng chảy ngầm ra vùng nước kênh rạch xung quanh dưới các dạng DOC, DIC, POC [3], [30], [83]. Các quá trình 8
sản sinh và dịch chuyển carbon trong các thành phần môi trường có biến động mạnh trong đất RNM, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần loài thực vật, tuổi rừng, vị trí địa hình của rừng và mối liên quan tới biên độ và chu kì thủy triều, các nguồn thải nhân tạo mà RNM nhận được, khí hậu trong năm (mùa mưa/khô, nhiệt độ) [3], [82], [84]–[86]. Những ước tính mới nhất của Bouillon và cs. (2008) [3] về cân bằng carbon trong RNM cho thấy nhiều biến động. Kết hợp các nguồn hấp thụ carbon khác nhau trong RNM, vận chuyển, tồn lưu và khoáng hóa chỉ chiếm ~ 50% lượng carbon cố định bởi RNM qua quá trình quang hợp. Tại khu vực phía Bắc Việt Nam, từ năm 2010 tới nay, chưa có nghiên cứu cụ thể nào tính toán đồng thời giá trị carbon tích lũy và trao đổi trong RNM phía Bắc, và cũng chưa có nghiên cứu xác định lượng khí CO2 phát thải từ giao diện đất rừng, giao diện nước vào khí quyển cũng như tính toán sự trao đổi carbon giữa RNM và môi trường nước xung quanh dưới các dạng tồn tại của chúng (DOC, POC, DIC và carbon mang ra từ lượng rơi). Do đó, giả thuyết đặt ra cho nghiên cứu trong luận án này là tính toán được carbon tích lũy, tồn lưu; tính toán và xác định được các dạng chuyển dịch của carbon để hoàn thiện chu trình carbon cho một vùng nghiên cứu với thành phần loài thực vật và hình thái rừng cụ thể. 1.4 Kết luận chương 1 Carbon tích lũy, tồn lưu trong HST RNM tại các vùng vĩ độ trên thế giới và tại Việt Nam đã được nghiên cứu cụ thể tại các địa điểm khác nhau. Carbon trao đổi và chuyển dịch từ RNM ra môi trường xung quanh đã được công bố trong một số nghiên cứu; tuy nhiên kết quả nghiên cứu còn hạn chế và chưa tính toán được đầy đủ các dạng trao đổi và chuyển dịch. Hiện đã có một số nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải khí CO2 từ giao diện đất- không khí tại sàn RNM khi thủy triều xuống thấp [67], [82], [84]. Tuy nhiên vẫn còn thiếu các nghiên cứu về dòng khí CO2 phát thải tại các khu vực khác nhau trên thế giới cũng như tại các hình thái rừng khác nhau (rừng trồng và rừng tự nhiên). Các tác giả đã dự đoán dạng chuyển dịch của carbon trong HST RNM, nhưng chưa có đầy đủ số liệu để hoàn thiện chu trình carbon cho một vùng nghiên cứu cụ thể. 9
Tại Việt Nam, vì phần lớn diện tích RNM hiện có là RNM trồng (~ 66%) [80], và đã có một số nghiên cứu đánh giá trữ lượng carbon tích lũy trong sinh khối và trong đất. Tuy nhiên, vẫn chưa có các nghiên cứu toàn diện để đánh giá trọn vẹn về carbon tích lũy và trao đổi trong HST RNM trồng tại lứa tuổi trưởng thành, đặc biệt tại vùng phía Bắc Việt Nam. Vì vậy, rất cần có các nghiên cứu cụ thể để đánh giá carbon tích lũy và trao đổi trong HST này. Nghiên cứu lựa chọn trong luận án sẽ giải quyết nội dung còn thiếu hụt trong việc đánh giá cụ thể tổng carbon tích lũy, tồn lưu và trao đổi trong HST RNM trồng, từ đó hoàn thiện chu trình carbon cho vùng RNM trồng tại phía Bắc Việt Nam. CHƯƠNG 2 ĐỊA ĐIỂM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Địa điểm nghiên cứu Địa điểm nghiên cứu là vùng RNM thuộc VQGXT nằm tại vị trí bờ Nam của cửa sông Hồng, tỉnh Nam Định, miền Bắc Việt Nam. RNM tại VQGXT là thảm thực vật hỗn giao của rừng trồng và rừng tái sinh tự nhiên với ba loài cây chính: Trang (K. obovata), Bần chua (S. caseolaris) và Đâng (R. stylosa). Khu vực nghiên cứu nằm tại vùng đệm của VQGXT, nơi RNM được trồng từ năm 1998. Các ô nghiên cứu (ô tiêu chuẩn) được lựa chọn và thiết lập tại khu vực RNM trồng bao quanh một con lạch triều nối với kênh chính (rừng Trang 18 tuổi, 2016; 19 tuổi, Hình 2.1. Bản đồ khu vực nghiên cứu và 2017; và 20 tuổi, 2018; Hình 2.1). vị trí lấy mẫu tại RNM thuộc VQGXT. 10
2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là sự tích lũy và trao đổi carbon trong rừng Trang trồng (18-20 năm tuổi) tại khu vực vùng đệm VQGXT, tỉnh Nam Định. Trang là loài cây thân gỗ nhỏ, sinh trưởng và phát triển ở Việt Nam, Trung Quốc, Đài Loan, Nhật Bản và tại quần đảo Natuna, Indonesia. Cây Trang sinh trưởng trên bùn xốp và bùn cát có độ mặn thay đổi. Đây là loài có khả năng chịu được biên độ nhiệt và độ mặn khá rộng. Ở miền Bắc Việt Nam, Trang là loài cây ngập mặn phân bố với tỉ lệ lớn (cả rừng tự nhiên và rừng trồng) bên cạnh tỉ lệ nhỏ của Bần và Đâng. 2.3 Thời gian nghiên cứu Thời gian nghiên cứu được tiến hành từ tháng 2 năm 2016 đến hết tháng 4 năm 2018. Trong mỗi năm nghiên cứu, tiến hành xác định carbon tích lũy trong đất và trong sinh khối của rừng Trang. Đồng thời, carbon phát thải từ đất, nước (CO2) và carbon trao đổi (DIC, DOC, POC) từ rừng Trang và vùng nước ven bờ (và ngược lại) cũng được xác định trong hai mùa chính: mùa mưa và mùa khô để đánh giá lượng carbon chuyển dịch và phát thải từ đó tính toán cân bằng carbon. Trong mỗi mùa, nghiên cứu được tiến hành vào hai chu kì thủy triều nước lớn và nước ròng để tính toán các giá trị carbon chuyển dịch trong mỗi chu kì. Lấy mẫu lượng rơi tại rừng Trang mỗi tháng một lần trong khoảng thời gian từ tháng 4/2016 đến tháng 5/2018. Tương tự, mẫu lượng rơi mang từ rừng Trang ra lạch triều và vùng nước xung quanh được thu thập mỗi tháng một lần để tính tổng carbon mang ra (macro-export). 2.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp kế thừa những kết quả nghiên cứu khoa học của các tác giả trong cùng lĩnh vực đã công bố trong các bài báo, các sách chuyên khảo, các báo cáo kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực tiễn ở trong và ngoài nước. Bên cạnh đó, phương pháp thu thập và xử lý số liệu, thông tin từ các nguồn thông tin sơ cấp và thứ cấp từ những tài liệu nghiên cứu đã có nhằm xây dựng 11
cơ sở luận cứ để chứng minh các giả thuyết của nghiên cứu. Phương pháp phân tích tổng hợp các kết quả nghiên cứu định lượng cũng được áp dụng để xây dựng chu trình carbon trong RNM trồng. Đề tài nghiên cứu là tổng hợp kiến thức của nhiều ngành khoa học (sinh học, sinh thái học, hóa học, thổ nhưỡng học và môi trường) vừa có tính tổng hợp, vừa mang tính chuyên sâu; do đó kết quả nghiên cứu cần sự đóng góp của nhiều nhà khoa học trong các chuyên ngành. Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia trong đề tài nghiên cứu thông qua các hội nghị khoa học, các hội thảo đã được thực hiện để hoàn thiện chính xác các nội dung trong luận án. Nghiên cứu cũng áp dụng phương pháp khảo sát điều tra, đo đạc tại hiện trường để lựa chọn địa điểm nghiên cứu, đo đạc cấu trúc rừng trồng trong từng năm nghiên cứu, đo đạc dòng khí CO2 trao đổi giữa các giao diện môi trường cũng như các tính chất lí hóa và carbon của dòng triều mang vào và mang ra khỏi diện tích RNM. Các mẫu đất, mẫu nước và mẫu sinh khối thực vật được thu thập, bảo quản và phân tích theo các phương pháp chuẩn tại phòng thí nghiệm. Tất cả số liệu tính toán được sau quá trình thí nghiệm được phân tích và xử lý số liệu theo các phương pháp phân tích phương sai một biến, hai biến (ANOVA – analysis of variance), phương pháp T-test, phương pháp phân tích hồi qui đa biến, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA -principal component analysis). Tất cả các phép phân tích, xử lý số liệu được thực hiện bằng phần mềm R (Phiên bản R.3.3.2). CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Sinh khối trên mặt đất của rừng ngập mặn Căn cứ vào khối lượng khô của các thành phần trong mẫu cây thu thập được tại địa điểm nghiên cứu trong ba năm, kết hợp với kết quả trong công bố của Nguyễn Thị Kim Cúc và cs. (2007) [103], nghiên cứu tính được mối tương quan giữa khối lượng của các thành phần wL&P, wS&B, wT (tương ứng với khối lượng lá và trụ mầm, thân và cành, sinh khối tổng) với các thông số kích thước cây D0,32·H. Các phương trình tương quan giữa wL&P, wS&B, wT và D0,32·H như sau: 12
Lá và trụ mầm (g): wL&P = 5,464 × (D0,32·H)0,8943 (R2 = 0,94; P < 0,0001) (3-1) Thân và cành (g): wS&B = 28,120 × (D0,32·H)0,9655 (R2 = 0,96; P < 0,0001) (3-2) Sinh khối tổng (g): wT = 33,931 × (D0,32·H)0,9585 (R2 = 0,96; P < 0,0001) (3-3) Trong các phương trình trên, D0,3 là đường kính thân cây đo ở độ cao khoảng 30 cm phía trên bề mặt đất (cm); H là chiều cao cây (m) và w là khối lượng khô của từng thành phần (g). Phương trình tương quan giữa D0,32·H và wT (wT = 33,931 × (D0,32·H)0,9585) trong nghiên cứu này gần như tương đồng với phương trình công bố trong nghiên cứu của Khan và cs. (2005) với cây Trang ở vùng đất ngập nước Manko, tỉnh Okinawa, Nhật Bản (wT (g) = 32,03 × ( D0,12·H)1,058 ) [118]; với loài Vẹt dù (wT (g) = 28,04 × ( D0,12·H)1,063) trong nghiên cứu của Deshar và cs. (2012) [119]; với RNM ở Vườn quốc gia Biscayne, bang Florida, Mỹ [120]. Sử dụng các phương trình từ 3-1 đến 3-3 để tính toán và qui đổi sang sinh khối của rừng Trang từ 18 đến 20 tuổi trong 1 ha diện tích RNM (Bảng 3.3). Bảng 3.3. Sinh khối thành phần, sinh khối tổng và carbon tích lũy trong sinh khối của cây Trang trồng từ 18 - 20 tuổi. Tuổi cây Lá và trụ mầm Thân và cành Sinh khối tổng Carbon trong sinh (năm) (Mg ha-1) (Mg ha-1) (Mg ha-1) khối (MgC ha-1) 18 9,55 ± 0,82 70,40 ± 5,41 79,95 ± 6,31 35,44 ± 2,79 19 9,95 ± 1,55 73,86 ± 11,36 83,81 ± 13,03 37,15 ± 5,78 20 10,05 ± 0,79 77,61 ± 10,79 87,66 ± 10,54 39,16 ± 5,20 Giá trị sinh khối tổng của cây Trang tăng dần theo độ tuổi, từ giá trị 79,95 Mg ha-1 (rừng 18 tuổi) tới 87,66 Mg ha-1 (rừng 20 tuổi). Tương ứng, giá trị carbon tích lũy trong sinh khối cũng tăng dần, từ 35,44 ± 2,79 MgC ha-1 ở rừng Trang 18 tuổi tới tới 39,16 ± 5,20 MgC ha-1 ở rừng Trang 20 tuổi. Nghiên cứu đã xây dựng được các phương trình tương quan giữa sinh khối và tuổi cây, trong đó t là tuổi cây (năm): 13
Sinh khối lá và trụ mầm (Mg ha-1): wL&P = 0,51 × t + 0,23 (R2 = 0,98) (3-4) -1 2 Sinh khối thân và cành (Mg ha ): wS&B = 3,85 × t + 0,54 (R = 0,99) (3-5) -1 2 Sinh khối tổng (Mg ha ): wT = 4,44 × t + 0,53 (R = 0,99) (3-6) Mối quan hệ tuyến tính và tăng dần đều của sinh khối tổng với tuổi của cây Trang cho thấy ở độ tuổi thứ 20, cây Trang vẫn đang trong quá trình phát triển. Tỉ lệ lá và trụ mầm tính được trong nghiên cứu này ở các độ tuổi khác nhau của cây Trang cũng khá ổn định (~ 12%) và tương đồng với các kết quả đã công bố ở các vùng RNM tự nhiên và RNM trồng khác nhau trên thế giới [3]. Kết quả tính toán sinh khối và carbon tích lũy trên mặt đất cho thấy giá trị tích lũy sinh khối và carbon tăng dần theo tuổi rừng. Tốc độ tích lũy sinh khối ở rừng Trang trồng thuộc khu vực phía Bắc Việt Nam đạt giá trị trung bình là 4,60 Mg ha-1 năm-1 và có tốc độ tích lũy ở mức trung bình so với các loài cây ngập mặn thuộc các vùng khác nhau trên thế giới [55], [58], [59], [61]. Nghiên cứu thiết lập được phương trình tuyến tính và tương quan thuận giữa sinh khối thành phần và tổng sinh khối tích lũy theo tuổi của cây Trang. Phương trình tương quan tính được có thể sử dụng để ước tính sinh khối và carbon tích lũy trong các diện tích rừng Trang trồng ở khu vực phía Bắc Việt Nam. 3.2 Năng suất lượng rơi của rừng ngập mặn Năng suất lượng rơi tính được trong bẫy lưới của RNM khá ổn định trong hai năm nghiên cứu với giá trị tương ứng là 5,98 ± 1,28 và 6,83 ± 1,89 Mg ha-1 năm-1. Tính trung bình cho cả hai năm, năng suất lượng rơi mỗi năm là 6,41 ± 1,59 Mg ha-1 năm-1, tương ứng với giá trị carbon là 2,32 ± 0,57 MgC ha-1 năm-1. So sánh với sinh khối lá và trụ mầm của rừng Trang ở độ tuổi tương ứng (18-20 tuổi), năng suất lượng rơi chiếm khoảng 65% tổng sinh khối của lá và trụ mầm (~ 10 Mg ha- 1 năm-1, Bảng 3.3). Lượng rơi mang từ sàn RNM ra vùng nước lạch triều cũng biến động theo cùng xu hướng với lượng rơi thu được trên các bẫy lưới trong RNM. Tính trong hai năm, giá trị lượng rơi thu được tương ứng là 0,77 và 0,83 Mg ha-1 năm-1, với giá 14
trị trung bình là 0,80 Mg ha-1 năm-1. Chuyển đổi từ khối lượng sản phẩm lượng rơi thu thập được trong lạch sang giá trị OC mang từ RNM ra vùng nước xung quanh thu được giá trị trung bình là 0,26 MgC ha-1 năm-1 (Hình 3.8). Lượng rơi trong RNM Lượng rơi mang ra khỏi RNM 4 Lượng rơi mang ra (MgC ha-1 năm-1) 0.4 Lượng rơi (MgC ha-1 năm -1) 2,47 2,32 3 2,17 0.3 0,27 0,26 0,26 2 0.2 1 0.1 0 0.0 2016-2017 2017-2018 TB 2016-2017 2017-2018 TB Hình 3.8. Carbon trong sản phẩm lượng rơi của RNM và lượng rơi mang từ RNM ra vùng nước xung quanh trong hai năm nghiên cứu. So sánh với năng suất lượng rơi của rừng Trang trồng ở giai đoạn 18 – 20 tuổi (2,32 MgC ha-1 năm-1), giá trị lượng rơi mang từ rừng Trang ra vùng nước lạch (0,26 MgC ha-1 năm-1) chỉ chiếm tỉ lệ bằng 11,21% năng suất lượng rơi của RNM. Giá trị lượng rơi mang ra vùng nước xung quanh thấp có thể do cấu trúc rừng Trang khá dày đặc (~ 20.000 cá thể ha-1). Kết quả cho thấy phần lớn sản phẩm lượng rơi (88,79%) nằm lại trong sàn RNM, một phần được động vật giáp xác (cua, cáy) tiêu thụ làm nguồn thức ăn, sau đó thông qua các xáo trộn sinh học và tồn lưu trong các lớp đất, phần còn lại tích lũy trong đất và phân hủy dần cũng như cung cấp sản phẩm hữu cơ cho đất RNM. 3.3 Carbon tích lũy dưới mặt đất của rừng ngập mặn 3.3.1 Carbon tích lũy trong sinh khối rễ Kết quả phân tích sinh khối rễ của rừng Trang tại VQGXT cho thấy hàm lượng carbon trung bình trong sinh khối rễ của RNM phân bố không đồng đều trong các tầng đất. Nhìn chung, hàm lượng carbon trong sinh khối rễ giảm dần theo độ 15
sâu của đất, giá trị cao nhất ghi nhận được trong các tầng đất từ 20 - 60 cm và thấp nhất trong các tầng đất sâu (70 - 100 cm). Tính trung bình trong cả ba ô thí nghiệm, ở tầng đất mặt từ độ sâu 0 - 60 cm, tỷ lệ carbon hữu cơ trong rễ chiếm tới 86% tổng carbon hữu cơ trong sinh khối rễ tới độ sâu 100 cm. Ở rừng Trang 19 tuổi, sinh khối rễ tăng cao hơn rừng 18 tuổi trong lớp đất có độ sâu 40 - 100 cm. Kết quả thu được trong nghiên cứu này về xu hướng biến động sinh khối rễ theo độ sâu hoàn toàn tương đồng với kết quả công bố về xu hướng biến đổi sinh khối rễ tại nhiều vùng RNM khác nhau trên thế giới [10], [11], [49], [131], [132]. Đặc biệt, sinh khối rễ chết tăng cao trong rừng Trang 20 tuổi so với rừng 18 và 19 tuổi. Xét tới độ sâu 100 cm, tổng carbon hữu cơ trong sinh khối dưới mặt đất của rừng Trang tăng dần theo độ tuổi, với giá trị từ 12,67 MgC ha-1 (rừng 18 tuổi) tới 15,35 MgC ha-1 (rừng 19 tuổi) và 16,71 MgC ha-1 (rừng 20 tuổi; Bảng 3.7). Bảng 3.7. Sinh khối rễ trong rừng Trang từ 18 - 20 tuổi tại VQGXT, tỉnh Nam Định. Rễ sống Rễ chết Tổng carbon Tổng sinh khối Tuổi rừng (MgC ha-1) (MgC ha-1) (MgC ha-1) dưới mặt đất (Mg ha-1) 18 6,69 5,98 12,67 38,07 19 7,40 7,95 15,34 45,90 20 7,37 9,34 16,71 50,37 Tốc độ tích lũy carbon trong sinh khối rễ của rừng Trang trong giai đoạn từ 18 - 20 tuổi tính được là 2,38 MgC ha-1 năm-1. Rừng càng nhiều tuổi thì tỉ lệ tích lũy sinh khối trong rễ càng cao. 3.3.2 Carbon tích lũy trong đất của rừng ngặp mặn Xu hướng phân bố carbon hữu cơ trong đất rừng Trang 19 và 20 tuổi theo độ sâu cũng biến động tương tự như xu hướng của rừng Trang 18 tuổi, với các giá trị hàm lượng carbon phân tích được cao nhất trong các tầng đất từ 0 – 60 cm. Giá trị carbon tồn lưu trong đất rừng Trang 19 và 20 tuổi tăng nhanh ở các độ sâu từ 30 - 60 cm phía dưới mặt đất. Tính chung cả phẫu diện tới độ sâu 100 cm, giá trị carbon tồn lưu trong đất ở rừng Trang 19 và 20 tuổi có sự tăng nhẹ so với rừng 18 tuổi (Bảng 3.9). 16
Bảng 3.9. Carbon tích lũy dưới mặt đất theo các thành phần (MgC ha-1) của rừng Trang trồng từ 18 - 20 tuổi. Tuổi rừng Rễ sống Rễ chết Đất Carbon tổng số Đất trống (2016) - - 87,59 87,59 Đất trống (2017) - - 89,83 89,83 Đất trống (2018) - - 91,14 91,14 18 tuổi 6,69 5,98 146,78 159,45 19 tuổi 7,40 7,95 151,31 166,66 20 tuổi 7,37 9,34 152,31 169,02 Với đất trống, giá trị cao nhất ghi nhận được là trong lớp đất có độ sâu 20 cm và giá trị thấp nhất ghi nhận được là trong lớp sâu nhất của phẫu diện (100 cm). Số liệu thống kê cho thấy có sự khác biệt lớn về hàm lượng carbon hữu cơ giữa các tầng đất trong phẫu diện (P < 0,01). Tính tới độ sâu 100 cm của đất trống bìa rừng, số liệu nghiên cứu cho thấy tổng carbon hữu cơ là 87,59 ± 1,08 MgC ha-1 tại bìa rừng Trang 18 tuổi, và giá trị này tăng dần theo thời gian, đạt tới 91,14 ± 6,84 MgC ha-1 cho vùng đất trống bìa rừng 20 tuổi (Bảng 3.9). Kết quả thu được trong nghiên cứu này đối với rừng Trang 18 - 20 tuổi cho thấy carbon tồn lưu trong đất có cùng xu hướng biến đổi với sinh khối rễ theo độ sâu của phẫu diện đất. Carbon tích lũy tăng dần theo độ tuổi, với giá trị cao nhất ghi nhận được ở rừng Trang 20 tuổi (152,31 MgC ha-1). Carbon tích lũy dưới mặt đất là tổng của carbon trong sinh khối rễ và carbon tồn lưu trong đất. Carbon tồn lưu trong đất chiếm tới ~ 90% tổng carbon hữu cơ tích lũy dưới mặt đất, trong khi carbon tích lũy trong sinh khối rễ chỉ chiếm ~10%. Kết quả nghiên cứu cho thấy carbon tồn lưu trong đất có nguồn gốc một phần từ sinh khối rễ, một phần từ carbon trong lượng rơi của RNM và một phần carbon mang tới từ trầm tích sông, biển. 3.3.3 Tốc độ tồn lưu carbon dưới mặt đất Số liệu phân tích thống kê cho thấy có mối quan hệ mật thiết giữa carbon hữu cơ tích lũy dưới mặt đất và tuổi rừng. Xu hướng biến đổi của tốc độ tích lũy carbon 17
tính toán được thể hiện trong phương trình (3.7), trong đó C và t tương ứng với carbon tích lũy dưới mặt đất (MgC ha-1 năm-1) và tuổi rừng (năm). C = 48,524 × e0,0646 × t (3-7) Kết quả thu được giá trị tồn lưu carbon phía dưới mặt đất rất cao trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển 20 năm của cây Trang (7,08 MgC ha-1 năm-1). Tốc độ tồn lưu tính được cao hơn trong những năm đầu (5 - 8 tuổi), ở giai đoạn sau tốc độ tồn lưu ổn định hơn. Ở giai đoạn tuổi rừng từ 18 - 20 tuổi, tốc độ tồn lưu trung bình là 6,91 MgC ha-1 năm-1. Tốc độ tồn lưu carbon khá ổn định trong giai đoạn tuổi rừng từ 18 - 20 cho thấy carbon tồn lưu trong đất có nguồn gốc từ năng suất sản phẩm lượng rơi của RNM (2,32 MgC ha-1 năm-1), từ carbon trong sinh khối rễ của cây (2,38 MgC ha-1 năm-1). Tuy nhiên, tổng của hai thành phần này (4,70 MgC ha-1 năm-1) vẫn nhỏ hơn tốc độ tồn lưu carbon trong đất (6,91 MgC ha-1 năm-1). Vì vậy, carbon tồn lưu trong đất sẽ có nguồn gốc một phần từ trầm tích sông, biển. 3.4 Sự phát thải khí CO2 từ đất rừng ngập mặn vào khí quyển Dòng khí CO2 phát thải từ bề mặt đất biến động mạnh trong cả hai địa điểm đo đạc của đất RNM và đất trống. Ở điều kiện thường, dòng khí CO2 biến động trong khoảng từ 37,16 ± 14,60 tới 228,43 ± 78,50 mmol m-2 ngày-1 với đất RNM; trong khi ở địa điểm đất trống, giá trị này biến động từ 16,34 ± 14,33 tới 87,87 ± 32,71 mmol m-2 ngày-1. Dòng khí CO2 trung bình trong RNM (95,53 ± 89,28 mmol m-2 ngày-1) lớn hơn trên hai lần dòng khí CO2 đo được trong đất trống (42,42 ± 32,73 mmol m-2 ngày-1). Sau khi gạt nhẹ khoảng 2 mm lớp đất trên bề mặt, dòng khí CO2 đo được cao hơn so với trong điều kiện thường ở cả hai địa điểm. Dòng khí CO2 đo được trong đất RNM cao gần gấp đôi giá trị đo được trong đất trống, tương ứng với các giá trị trung bình là 122,22 ± 90,25 mmol m- 2 ngày-1 và 73,76 ± 39.85 mmol m-2 ngày-1. Số liệu phân tích thống kê phương sai cho thấy có sự khác biệt lớn về giá trị dòng khí CO2 đo được giữa hai địa điểm đất RNM và đất trống, khi có lớp màng sinh học (P < 0,001), và không có lớp màng sinh học (P < 0,01 (Hình 3.21). 18
350 55 Nồng độ CO2 (mmol CO2·m-2·ngày-1) 300 50 250 45 Nhiệt độ đất (oC) 200 40 150 35 100 30 50 25 0 20 MÙA KHÔ MÙA MƯA Nhiệt độ FCO2 (WB) FCO2 (WoB) Hình 3.21. Mối quan hệ giữa thông số nhiệt độ đất và biến động dòng CO2 phát thải (mmol m-2 ngày-1) khi có (FCO2 (WB)) và không có (FCO2(WoB)) lớp màng sinh học vào mùa mưa và mùa khô tại VQGXT, tỉnh Nam Định. Sử dụng phương pháp phân tích hồi qui đa biến, nghiên cứu đã xác định được mối tương quan thuận giữa dòng khí CO2 phát thải và nhiệt độ đất cũng như hàm lượng hữu cơ trong đất trước và sau khi loại bỏ lớp màng sinh học trên bề mặt đất. Các phương trình trương quan tính toán được thể hiện dưới đây: FCO2_WB (có lớp màng sinh học) = 8,809 × Tđất +121,135 × TOC – 301,689 (R= 0,61; P < 0,001) (3-8) FCO2_WoB (không có lớp màng sinh học) = 10,990 × Tđất + 127,209 × TOC - 338,021 (R= 0,74; P < 0,0001) (3-9) Với F là dòng khí CO2 phát thải từ đất (mmol m-2 ngày-1), T là nhiệt độ đất (⁰C), TOC là hàm lượng carbon hữu cơ trong đất (%). Tóm lại, tổng carbon tích lũy của đất RNM cao hơn so với đất trống là nhân tố chính góp phần vào việc phát thải cao hơn của dòng khí CO2 từ đất RNM vào khí quyển. Nghiên cứu đã xác định được tổng lượng CO2 phát thải hàng năm từ đất RNM và đất trống vào khí quyển tương ứng là 1,75 ± 0,76 MgC ha-1 năm-1 và 19
0,93 ± 0,52 MgC ha-1 năm-1. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dòng khí CO2 phát thải tăng lên cùng với sự gia tăng của nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất, với giá trị Q10 tính toán được cho đất RNM là 2,63 và cho đất trống là 2,75. Các giá trị Q10 xác định được trong nghiên cứu này có giá trị tương đương với nhiều nghiên cứu đã được công bố ở nhiều vùng trên thế giới, với giá trị biến động trong khoảng từ 1,70 - 4,05 [67], [70], [153]–[155]. Sự biến động của dòng khí CO2 không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố vô sinh mà còn phụ thuộc vào các yếu tố hữu sinh, trong đó lớp màng sinh học có vai trò như một lớp bảo vệ và hạn chế sự phát thải của khí CO2 từ bề mặt đất vào khí quyển. 3.5 Sự trao đổi carbon giữa rừng ngập mặn và môi trường nước xung quanh Giá trị CO2 phát thải từ môi trường nước vào khí quyển có liên quan chặt chẽ với các thông số lí hóa của nước, đặc biệt là thông số DIC, DO và pH. Nồng độ khí CO2 phát thải từ giao diện nước - không khí tăng cao khi thủy triều xuống thấp và nồng độ CO2 phát thải ổn định khi thủy triều lên và thủy triều cao. Kết quả tính toán và đo đạc cho thấy khí CO2 phát thải từ giao diện nước – không khí diễn ra mạnh mẽ vào chu kì nước lớn, đặc biệt là vào mùa mưa, với lượng phát thải carbon dưới dạng khí CO2 từ giao diện nước-không khí trung bình là 0,15 MgC ha-1 năm-1. Kết quả so sánh cho thấy tổng lượng CO2 phát thải từ bề mặt nước vào khí quyển thấp hơn 11,67 lần lượng phát thải từ bề mặt đất vào khí quyển (1,75 MgC ha-1 năm-1). Carbon mang vào RNM được tính theo nồng độ trung bình của các chất khi thủy triều lên và lưu lượng nước triều vào. Carbon mang ra khỏi RNM được tính bằng phương pháp tương tự khi triều xuống. Nhìn chung, tổng carbon hữu cơ (DOC và POC) mang vào RNM từ dòng nước triều lớn hơn so với giá trị carbon mang ra khỏi RNM tới các kênh rạch và sau đó ra vùng nước biển ven bờ. Ngược lại, carbon vô cơ (DIC) mang ra khỏi RNM có giá trị lớn hơn tổng carbon vô cơ mang vào. Giá trị carbon mang vào và mang ra khỏi RNM theo chu kì thủy triều và theo các mùa trong năm được trình bày trong Hình 3.34. 20