Nghiên cứu mô hình ước tính sinh khối, trữ lượng các bon rừng ngập mặn trên cơ sở ứng dụng Viễn thám và GIS tại tỉnh Cà Mau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ HÀ NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH ƢỚC TÍNH SINH KHỐI, TRỮ LƢỢNG CÁC BON RỪNG NGẬP MẶN TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TẠI TỈNH CÀ MAU TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ LÂM NGHIỆP Chuyên ngành: Lâm sinh Mã số: 62 62 02 05 Hà Nội, 2017 Luận án đƣợc hoàn thành tại: Trường Đại học Lâm nghiệp – Xuân Mai – Chương Mỹ - Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS VIÊN NGỌC NAM TS LÂM ĐẠO NGUYÊN Luận án bảo vệ Hội đồng chấm luận án cấp sở họp tại: Trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2017 MỞ ĐẦU Sự cần thiết Việc nghiên cứu sinh khối, bon thử thách, đặc biệt khu rừng đặc thù, khó tiếp cận có khu rừng ngập mặn Trong hướng dẫn kiểm kê khí nhà kính quốc gia IPPC (IPPC, 2006) [52] đề cập đến cách trực tiếp gián tiếp để tính sinh khối mặt đất Trong hướng nghiên cứu khác có đề cập phương pháp tiếp cận dựa đo đếm thực địa, viễn thám GIS (Lu, 2006)[63] Kỹ thuật dựa liệu vệ tinh thay với phương pháp truyền thống cách cung cấp thông tin không gian rõ ràng hiệu chi phí Tại Việt Nam việc xác định sinh khối HST rừng phương pháp viễn thám có số nghiên cứu đem lại kết định, nhiên hệ sinh thái rừng ngập mặn ứng dụng hạn chế Hơn nữa, độ xác xác định sinh khối rừng liệu viễn thám phụ thuộc nhiều vào yếu tố ngoại cảnh Do câu hỏi đặt có mối tương quan cao sinh khối bon rừng với giá trị tán xạ, phản xạ trích xuất từ liệu viễn thám quang học radar hay không điều kiện rừng ngập mặn? Có thể thành lập đồ sinh khối tích lũy bon từ liệu viễn thám hay khơng? Đề tài “Nghiên cứu mơ hình ước tính sinh khối, trữ lượng bon rừng ngập mặn sở ứng dụng viễn thám GIS tỉnh Cà Mau” thực nhằm hoàn thiện sở khoa học đề xuất mơ hình ước tính sinh khối tích lũy bon cho rừng Đước dựa liệu viễn thám Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2.1 Mục tiêu tổng quát Cung cấp sở liệu mơ hình ước tính sinh khối, tích luỹ bon rừng ngập mặn phục vụ công tác quản lý, phục hồi, trì phát triển hệ sinh thái rừng ngập mặn 2.2 Mục tiêu cụ thể Phân tích mối tương quan giá trị tán xạ chiết xuất từ hình ảnh radar đa phân cực giá trị phản xạ chiết xuất từ ảnh quang học với sinh khối rừng mặt đất Xây dựng mơ hình ước tính trữ lượng sinh khối tích lũy bon rừng ngập mặn dựa liệu thực địa liệu viễn thám Ước lượng thành lập đồ sinh khối, tích lũy bon rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về mặt khoa học: Xây dựng sở liệu mơ hình ước tính sinh khối, tích lũy bon rừng ngập mặn sở ứng dụng ảnh viễn thám GIS tỉnh Cà Mau Về mặt thực tiễn: Đề xuất số mơ hình ước tính sinh khối trữ lượng tích lũy bon rừng ngập mặn nhằm hỗ trợ nhà quản lý rừng việc điều tra quy hoạch, sử dụng biện pháp kỹ thuật lâm sinh, lập kế hoạch bảo vệ, phát triển rừng tính tốn chi trả dịch vụ mơi trường rừng Những đóng góp đề tài - Ứng dụng ảnh viễn thám vào điều tra sinh khối bon cho rừng Đước tỉnh Cà Mau - Cung cấp số liệu sinh khối tích lũy bon mặt đất ngưỡng bão hòa sinh khối rừng giá trị phản xạ tán xạ ngược ảnh viễn thám tỉnh Cà Mau - Xây dựng mơ hình ước tính sinh khối tích lũy bon mặt đất rừng liệu viễn thám siêu cao tần quang học cho đối tượng đặc thù rừng Đước tỉnh Cà Mau Đối tƣợng, phạm vi giới hạn nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Sinh khối bon mặt đất rừng Đước (Rhizophora apiculata BL.) bao gồm phận: Thân, cành, rễ mặt đất Phạm vi giới hạn nghiên cứu Về không gian: Nghiên cứu xác định giới hạn khu vực ven biển thuộc tỉnh Cà Mau, nơi có diện tích RNM phân bố trọng tới khu vực điển hình lồi Đước (Rhizophora apiculata BL.) nghiên cứu cảnh ảnh viễn thám Về thời gian: Luận án nghiên cứu dựa liệu ảnh ALOS Palsar năm 2010 ảnh SPOT5 năm 2013, địa bàn tỉnh Cà Mau, thời điểm gần với liệu đo đếm thực địa Về đối tượng nghiên cứu: Chỉ nghiên cứu giải tích điển hình Đước (Rhizophora apiculata BL.) bao gồm phận: Thân, cành, rễ mặt đất, không nghiên cứu mặt đất Chỉ khảo sát đặc tính tương tác ảnh viễn thám ALOS PALSAR kênh L (kích thước pixcel 12,5 x 12,5 m) với phân cực HH, HV ảnh viễn thám quang học SPOT (kênh 1, 2, 3, 4) với độ phân giải không gian 10 x 10 m Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Có nhiều phương pháp nhà khoa học giới nước đưa áp dụng để xác định tích lũy bon, khả hấp thụ CO rừng Phương pháp đo đếm trực tiếp có độ xác cao, nhiên, phải chặt hạ tồn mẫu ảnh hưởng đến thảm thực vật, giới hạn khu vực kích thước mẫu nhỏ; nhiều thời gian công sức, vất vả chi phí lớn Phương pháp gián tiếp xây dựng mối tương quan sinh khối với tiêu đường kính, chiều cao, mật độ phương pháp phân tích hồi quy dựa kết giải tích tiêu chuẩn để ước tính sinh khối mặt đất, so với phương pháp đo đếm trực tiếp, phương pháp giảm chi phí khơng ảnh hưởng nhiều đến thảm thực vật Đây cách tiếp cận sử dụng nhiều cho việc phát triển mơ hình ước lượng sinh khối Do đó, phương pháp đề tài thực để ước tính sinh khối tích lũy bon mặt đất khu vực nghiên cứu Phương pháp phân tích hồi quy cách tiếp cận sử dụng thường xuyên cho việc phát triển mơ hình ước lượng sinh khối Do đó, đề tài luận án lựa chọn cách tiếp cận để nghiên cứu xây dựng mơ hình ước tính sinh khối tích lũy bon khu vực nghiên cứu Dữ liệu radar ALOS PALSAR (L-band) cho nghiên cứu sinh khối cho kết tốt hơn liệu radar bước sóng ngắn nên liệu radar ALOS PALSAR (Lband) lựa chọn để nghiên cứu cho đối tượng khu vực, nhiên rừng phân bố khu vực có mơi trường sinh lý phức tạp, với điều kiện khu vực độ ẩm bề mặt lớn sinh khối cao khó khăn cho việc xây dựng mơ hình ước tính dựa liệu radar nên tác giả sử dụng thêm liệu quang học để nghiên cứu sinh khối tích lũy bon cho rừng ngập mặn Chƣơng NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu 1) Nghiên cứu sinh khối tích lũy bon mặt đất phương pháp đo đếm trực tiếp tỉnh Cà Mau 2) Nghiên cứu sinh khối tích lũy bon phương pháp sử dụng ảnh viễn thám GIS khu vực nghiên cứu + Phân tích đặc trưng tán xạ, phản xạ sinh khối rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu + Thiết lập mối tương quan phổ phản xạ, số NDVI (ảnh quang học) tán xạ ngược (ảnh radar) với sinh khối, lượng tích luỹ bon rừng + Xây dựng thành lập đồ sinh khối, tích lũy bon rừng ngập mặn phương pháp viễn thám GIS 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp tiếp cận - Tiếp cận phương pháp xử lý ảnh viễn thám radar (kênh L) ảnh viễn thám quang học SPOT (kênh 1, 2, 3, 4) phân loại đối tượng rừng ngập mặn - Phương pháp tính tốn sinh khối ngồi thực địa, phân tích mẫu để xác định lượng tích lũy bon sinh khối rừng ngập mặn - Phương pháp khảo sát đặc trưng vật lý (tán xạ radar, phản xạ phổ) theo trạng thái, sinh khối, tích lũy bon rừng khác - Phương pháp mơ hình hồi quy tương quan tán xạ radar, phản xạ phổ, số NDVI thơng số rừng ngập mặn để tính sinh khối, tích lũy bon rừng Từ quan điểm trên, sở kết phân tích ảnh viễn thám đồ trạng rừng, lựa chọn vùng mẫu tiến hành điều tra thực địa Tại thực địa, tiến hành điều tra, đo đếm tiêu sinh trưởng ô mẫu, lựa chọn tiêu chuẩn để giải tích xác định tỉ lệ sinh khối, tích lũy bon cá thể, từ xác định sinh khối tích lũy Các bon thể quần thể rừng Dựa kết tính tốn lượng tích lũy bon tính mẫu tiến hành lập mối tương quan phản xạ phổ, số NDVI hệ số tán xạ ngược ảnh radar với sinh khối, tích lũy bon rừng Từ mơ hình tiến hành lập đồ sinh khối, tích lũy bon hấp thụ CO2 Việc xây dựng mơ hình tốn hệ số ước tính sinh khối tập trung sử dụng nhân tố có khả đo đếm ngồi trường có mối quan hệ mật thiết với sinh khối rừng Các mơ hình tốn hệ số ước tính sinh khối mặt đất tính tốn theo hướng dẫn IPCC (2006) 2.2.3 Phương pháp thu thập số liệu sinh khối mặt đất 2.2.3.1 Phương pháp thiết lập ô tiêu chuẩn điều tra tiêu sinh trưởng a) Thiết lập ô tiêu chuẩn thực địa b) Điều tra tiêu sinh trưởng ô tiêu chuẩn Các tiêu điều tra ÔTC bao gồm: Chu vi thân (C1,3), chiều cao vút (Hvn), đường kính tán, phẩm chất + Chu vi thân (C1,3): Dùng thước đo chu vi thân độ cao 1,3 m + Chiều cao vút (Hvn) đo thước đo cao, chiều cao vút tính từ rễ mặt đất đến + Đường kính tán (DT): Đường kính tán rừng đo sào thước dây 2.2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu cho lập phương trình sinh khối cá thể a) Phương pháp thu thập số liệu cho lập phương trình sinh khối tươi cá thể chung cho cấp tuổi Bảng 2.2 Số lƣợng tiêu chuẩn đƣợc sử dụng để xây dựng phƣơng trình sinh khối cá thể Cấp tuổi TT Số lƣợng tiêu Số lƣợng tiêu chuẩn sử dụng để kiểm nghiệm chuẩn xây dựng phƣơng trình sinh khối tƣơi Phƣơng trình Phƣơng trình sinh khối tƣơi sinh khối khơ Phƣơng trình sinh khối khô theo quần thể I 12 10 II 14 10 III 12 10 IV 11 10 V 10 10 VI 0 Tổng số 63 15 35 50 Giải tích thân cây: Cây tiêu chuẩn sau chặt hạ, tiến hành dùng thước đo chiều dài thân cây, D1,3 đo tiết diện đoạn m hết thân cây, sử dụng cưa máy để tách phận thân, cành, rễ chống tách riêng phận Dùng cân cân sinh khối tươi phận riêng rẽ để xác định sinh khối tươi mặt đất Tổng khối lượng phận tổng sinh khối thân Cân đo sinh khối tƣơi: Phân chia giải tích làm phận: Thân, cành, rễ mặt đất, cân phận sinh khối tươi ghi vào biểu điều tra sinh khối cá thể Cân sinh khối tươi có độ xác 0,1 mg Lấy mẫu sinh khối: Sau xác định sinh khối tươi giải tích, tiến hành lấy mẫu phận sinh khối để dùng vào việc phân tích sinh khối khơ hàm lượng tích lũy bon sinh khối rừng phịng thí nghiệm Số mẫu lấy 12 mẫu/cây (4 phận x mẫu), mẫu thân, cành lấy khoảng 0,5 – kg, mẫu khoảng 0,2 – 0,5 kg Mẫu lấy xong cân cân điện tử để xác định khối lượng ban đầu Mẫu bảo quản túi nilon - Phương pháp thu thập số liệu cho kiểm nghiệm phương trình sinh khối tươi: Để kiểm nghiệm phương trình sinh khối tươi, đề tài sử dụng số liệu 15 tiêu chuẩn chặt hạ (thể bảng 2.2) b) Phương pháp thu thập số liệu cho lập phương trình sinh khối khơ cá thể theo cấp tuổi: Để kiểm nghiệm phương trình sinh khối khơ cá thể, đề tài sử dụng số liệu 35 tiêu chuẩn chặt hạ (thể bảng 2.2) c) Phương pháp thu thập số liệu cho thiết lập phương trình sinh khối khơ quần thể - Phương pháp thu thập số liệu cho kiểm nghiệm phương trình sinh khối khơ quần thể: Đề tài sử dụng số liệu ô tiêu chuẩn cấp tuổi khác để kiểm nghiệm phương trình sinh khối khơ quần thể 2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu sinh khối mặt đất 2.2.4.1 Phân tích xác định tỉ lệ sinh khối khơ hàm lượng bon tích lũy mẫu sinh khối mặt đất Xác định sinh khối khô mẫu: Xác định phương pháp tủ sấy nhiệt độ 1050C Mẫu sinh khối đưa vào phịng thí nghiệm, sấy khơ 105 0C thân, cành rễ 800C trọng lượng không đổi Hàm lƣợng bon phận: Mẫu phân tích hàm lượng bon sinh khối phân tích phương pháp đốt trực tiếp máy NC Analyzer 2100 Phịng Thí nghiệm Viện Khoa học Lâm nghiệp Nam Bộ 2.2.4.2 Nghiên cứu thiết lập mơ hình tương quan ước tính sinh khối cá thể quần thể Đước 1) Thiết lập mơ hình ước tính sinh khối tươi cá thể Trong luận án mơ hình hóa mối quan hệ sinh khối tươi với nhân tố có quan hệ theo dạng hàm tổng quát: Yi = f(xj) * Các tiêu chuẩn, tiêu thống kê để lựa chọn biến tham gia hàm tối ƣu: Việc lựa chọn biến tham gia vào mơ hình lựa chọn hàm tối ưu phụ thuộc vào nhiều tiêu thống kê Trong đề tài sử dụng số tiêu để làm tiêu chí, lựa chọn hàm sau: - Hệ số xác định R2: Về tổng quát hàm tốt R2 đạt cao Tuy nhiên có trường hợp R2 đạt cao chưa phải hàm phù hợp nhất, cần dựa thêm tiêu thống kê khác - Kiểm tra tồn tham số mơ hình mơ hình: u cầu tham số mơ hình mơ hình tồn mức có ý nghĩa (p < 0,05) - Chỉ số thống kê SEE (Sai số ước lượng chuẩn: Standard Eror of Est.), MAE (Sai số tuyệt đối trung bình) SSR (Tổng sai lệch bình phương): Phương trình tốt số phương trình nhỏ - Nhân tố điều chỉnh (CF), (Ong cộng sự, 2004) [84] (Chave, 2005) [38]: CF = exp(RSE /2) (2.3) CF ln lớn Trong RSE (Residual standard error) sai tiêu chuẩn phần dư sai số mơ hình (SEE) Khi RSE lớn CF lớn, có nghia mơ hình có độ tin cậy thấp Mơ hình tốt CF tiến dần đến - Biến động trung bình S%: Để kiểm tra khả ứng dụng phương trình đánh giá mức độ sai lệch, biến động trung bình giá trị ước lượng qua mơ hình với thực tế quan sát: S% = 100 n Ylt - Ytn  n i 1 Ytn Trong đó: Ytn: Giá trị thực nghiệm quan sát Ylt : Giá trị dự báo qua mơ hình S %: Sai số tương đối * Kiểm nghiệm phương trình: Sau lựa chọn phương trình tiến hành kiểm tra khả tồn phương trình liệu cịn lại khơng tham gia tính tốn thơng qua sai số tương đối kết lí thuyết thực tế, xác định công thức: % = Ylt - Ytt  100 Ylt 2) Thiết lập mô hình sinh khối khơ theo cấp tuổi Để thiết lập mơ hình sinh khối khơ theo cấp tuổi, cần xác định tỉ lệ sinh khối khô theo cấp tuổi Sau sử dụng phương trình sinh khối tươi nhân với tỉ lệ sinh khối khơ theo cấp tuổi a) Tính số mẫu cần chặt hạ xác định tỷ lệ sinh khối khô cho cấp tuổi Số tiêu chuẩn cần chặt hạ xác định tỷ lệ sinh khối khơ cho cấp tuổi tính theo cơng thức: N = (t(α/2)2*S%2)/∆2 Trong t(α/2) giá trị t tra bảng cho 2; S% biến động tỷ lệ sinh khối khô chung phận b) Xác định tỉ lệ sinh khối khô theo cấp tuổi 14 Kết cấu sinh khối tươi (%) Kết cấu sinh khối khơ (%) Hình 4.1 Kết cấu tỉ lệ sinh khối cá thể Đƣớc Tỉ lệ sinh khối tươi phận thân Đước chiếm nhiều (70,3 %), tiếp đến phận cành (16,6%), phận rễ (8,57%) cuối phận (4,61%) Đối với tỉ lệ sinh khối khơ Đước chiếm nhiều phận thân (73,21 %), tiếp đến phận cành (16,49 %), phận rễ (8,06%) cuối phận (2,24%) Tỉ lệ sinh khối khô phận thân cao tỉ lệ sinh khối tươi, lại phận khác thấp hơn, đặc biệt phận lá, điều phù hợp tươi lượng nước chiếm cao nên tỉ lệ sinh khối khô thấp b) Phƣơng trình sinh khối tƣơi cá thể Bảng 4.2: Mơ hình ƣớc tính tổng sinh khối tƣơi mặt đất Đƣớc Các tiêu thống kê TT Phƣơng trình Wtt = exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) 98,17 0,89 0,14 0,11 7,08 1,01 ln(Wtt) = -112,08 + 111,46*D1,30,02 98,11 0,84 0,14 0,11 7,17 1,02 ln(Wtt) = -98,478 + 97,99*D1,30,02 + 0,0363*Hvn 98,24 0,72 0,13 0,10 7,78 1,01 ln(Wtt) = 104,74 - 105,4*D1,3-0,02 + 0,0407*Hvn 98,17 0,79 0,13 0,10 8,34 1,01 R2 SSR SEE MAE S% CF ln(Wtt) = -0,716 + 2,34*ln(D1,3) - 0,0115*ln(Hvn) 98,06 0,89 0,14 0,11 7,02 1,01 ln(Wtt) = -7,658 + 7,519*D1,30,2*Hvn0,02 - 0,029*D1,3 98,23 0,73 0,13 0,10 7,71 1,0 Mơ hình Wtt = exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) tồn mức có ý nghĩa mặt thống kê với hệ số tương quan cao, sai lệch trung bình S% 7,08 % so với thực tế, đó, mơ hình lựa chọn để ước lượng tổng sinh khối tươi cá thể c) Kiểm nghiệm phương trình sinh khối tươi cá thể 15 Kết kiểm tra phương trình có sai số tổng sinh khối kiểm tra thấp S% = 3,37 nhỏ 5%, với sai số lớn 14,86 nhỏ 1,14; %, sai số mang dấu '+ 40%, % sai số mang dấu – 60% chứng tỏ phương trình khơng có sai số hệ thống Vì vậy, sử dụng phương trình để tính sinh khối tươi cho cá thể với độ tin cậy 99% 4.1.1.2 Phương trình sinh khối khơ cá thể a) Tỉ lệ sinh khối khô cho phận thân theo cấp tuổi Bảng 4.4 Tỉ lệ sinh khối khơ trung bình theo cấp tuổi TT Cấp tuổi Tỉ lệ sinh khối theo phận (%) Thân Cành Rễ Lá Chung I 54,80 52,40 53,60 27,80 52,9 II 61,67 59,33 60,00 30,67 59,5 III 64,80 61,02 61,86 31,33 62,2 IV 66,33 64,67 63,19 32,10 64,0 V 66,94 62,55 62,00 30,90 63,9 VI 68,13 65,00 61,50 32,00 65,2 TB (%) 64,91 60,77 61,44 31,02 61,3 STDEV (%) 3,57 3,97 2,67 1,21 4,56 Tỉ lệ sinh khối khơ trung bình theo cấp tuổi Đước biến động từ 52,9 đến 65,2% với tỉ lệ sinh khối khô cấp tuổi I 52,9%, cấp tuổi II 59,5%, cấp tuổi III 62,2%, cấp tuổi IV 64,0%, cấp tuổi V 63,9% cấp tuổi VI 65,2% Đây sở để xác định phương trình sinh khối khơ theo cấp tuổi cá thể Đước b) Mơ hình ước tính sinh khối khơ cá thể Bảng 4.7: Mơ hình ƣớc tính tổng sinh khối khơ mặt đất Đƣớc Cấp tuổi Phƣơng trình lập đƣợc I Wtk = 0,529* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) II Wtk = 0,595* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) III Wtk = 0,622* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) 16 IV Wtk = 0,640* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) V Wtk = 0,639* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) VI Wtk = 0,652* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) c) Kiểm nghiệm phƣơng trình sinh khối khô theo quần thể Sai số tương đối tất phương trình sinh khối tươi theo cấp tuổi nằm giới hạn cho phép (∆ % = 3,68 – 9,09 < 10%) Sai số mang dấu + biến động từ 50 – 60% cấp tuổi, Sai số mang dấu - biến động từ 40 – 50%, chứng tỏ khơng có sai số hệ thống 4.1.1.2 Phương trình bon cá thể a) Hệ số bon cho phận thân theo cấp tuổi Bảng 4.9: Kết tính hệ số bon cho phân theo cấp tuổi Hệ số bon theo phận Hệ số C TT Tuổi I 0,45 0,43 0,42 0,40 0,44 II 0,46 0,43 0,43 0,40 0,45 III 0,48 0,44 0,44 0,41 0,47 IV 0,49 0,46 0,46 0,41 0,47 V 0,50 0,47 0,47 0,41 0,49 VI 0,48 0,48 0,47 0,42 0,48 Thân Cành Rễ Lá chung Hệ số bon chung Đước theo cấp tuổi biến động (từ 0,44 - 0,49), đó, sử dụng hệ số bon chung cho Đước sử dụng vào thực tế b) Phƣơng trình bon theo cấp tuổi Bảng 4.10: Mơ hình ƣớc tính bon cá thể Đƣớc Cấp tuổi Phƣơng trình lập đƣợc I Wc = 0,230* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) II Wc = 0,266* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) III Wc = 0,290* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) 17 Cấp tuổi IV Phƣơng trình lập đƣợc Wc = 0,304* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) V Wc = 0,314* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) VI Wc = 0,312* exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) c) Kiểm nghiệm phƣơng trình Kết kiểm tra đánh giá sai số tương đối nằm giới hạn cho phép (∆% = 0,06 – 4,37 < 10%) Sai số mang dấu + sai số mang dấu – biến động từ 40 – 60% cấp tuổi, chứng tỏ khơng có sai số hệ thống 4.1.2 Phương trình sinh khối quần thể Đước 4.1.2.1 Sinh khối khô quần thể Đước theo cấp tuổi Tỉ lệ sinh khối khô thân quần thể cao, chiếm bình quân 73,9%, tỉ lệ sinh khối cành trung bình chiếm 15,7%, tỉ lệ sinh khối chiếm 2,7%, cịn lại sinh khối rễ trung bình chiếm 7,7% Tổng sinh khối quần thể trung bình đạt 237 tấn/ha, biến động từ 92,1– 351,8 tấn/ha) 4.1.2.2 Phân bố sinh khối khô quần thể Đước theo cấp tuổi cấp đất Đối với cấp đất I: Tổng sinh khối quần thể cấp tuổi I 112,0 tấn/ha; cấp tuổi II 159,9 tấn/ha; cấp tuổi III 216,0 tấn/ha; cấp tuổi IV 278,8 tấn/ha; cấp tuổi V 312,8 tấn/ha cấp tuổi VI 347,7 tấn/ha Đối với cấp đất II: Tổng sinh khối quần thể cấp tuổi I 53,0 tấn/ha; cấp tuổi II 158,3 tấn/ha; cấp tuổi III 216,8 tấn/ha; cấp tuổi IV 278,8 tấn/ha; cấp tuổi V 323,6 tấn/ha cấp tuổi VI 331,7 tấn/ha Rừng Đước cấp đất I có sinh khối cao cấp đất II, nhiên điều phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác mật độ liên quan đến sinh khối Cấp tuổi tăng biên độ cấp kính tăng 4.1.2.3 Phương trình sinh khối khơ quần thể Đước Các mơ hình ước tính sinh khối quần thể Đước có tiêu thống kê nằm giới hạn cho phép Mơ hình nhân tố ln(TAGB) = exp(0,768 + 0,0873*ln(M2)) có SSR = 0,02 nhỏ nhất; R2 = 95,5%; Sai số tương đối S% = 8,4 ; SEE = 0,02, MAE = 0,02 phù hợp ứng dụng vào thực tiễn, mơ hình ln(TAGB) = exp(0,768 + 0,0873*ln(M2)) lựa chọn để ước sinh khối quần thể Đước 4.1.3 Phương trình tích lũy bon quần thể Đước 18 Mơ hình lựa chọn để ước tính tích lũy C quần thể Đước mơ hình có hệ số xác định cao (R2 = 98,4) với số sai số SSR = 0,05; SEE = 0,03; MAE = 0,04 thấp so với mơ hình cịn lại Do đó, mơ hình lựa chọn để ước tính tích lũy C quần thể Đước mơ hình TAGC = 1/(0,000663 + 1,65/M) với mức độ tin cậy 95% 4.2 Phƣơng pháp xác định sinh khối bon rừng Đƣớc dựa vào liệu ảnh viễn thám 4.2.1 Phân loại lớp phủ rừng ngập mặn sử dụng ảnh quang học Việc tiến hành phân loại lớp phủ nghiên cứu chia thành loại: có rừng khơng có rừng Kết phân loại lớp phủ theo số thực vật NDVI thể hình 4.12 Hình 4.12: Bản đồ phân loại vùng có rừng ngập mặn Cà Mau 4.2.2 Phân tích quan hệ giá trị tán xạ ngƣợc giá trị phản xạ ảnh vệ tinh sinh khối rừng mặt đất 4.2.2.1 So sánh phương pháp trích xuất giá trị phản xạ, tán xạ ngược Luận án thử nghiệm cách trích xuất giá trị tán xạ ngược khác pixcel, pixcel (2 x 2), pixcel (3 x 3) 25 pixcel (5 x 5) Kết cho thấy, việc trích xuất giá trị trung bình pixcel tương ứng với diện tích tiêu chuẩn ngồi thực địa có độ tin cậy cao điều kiện khu vực 4.2.2.2 Quan hệ giá trị ảnh vệ tinh sinh khối rừng mặt đất 19 a) Quan hệ giá trị tán xạ ngược ảnh vệ tinh ALOS PALSAR sinh khối rừng mặt đất Hình 4.15: Quan hệ giá trị tán xạ ngƣợc sinh khối rừng mặt đất Những khu vực sinh khối lớn có tán xạ ngược thấp bão hịa mức sinh khối 100 tấn, giá trị tán xạ ngược phân cực HH tập trung mức -18 đến -10 dB, phân cực HV tập trung mức -25 đến -18 dB Tại khu vực nghiên cứu phân cực HH có tương quan tốt với sinh khối rừng mức 100 tấn/ha trở xuống, cịn phân cực HV có tương quan tốt với sinh khối rừng mức 50 tấn/ha trở xuống b) Quan hệ giá trị phản xạ kênh ảnh số NDVI ảnh vệ tinh SPOT sinh khối rừng mặt đất 20 Hình 4.21: Quan hệ giá trị sinh khối mặt đất với giá trị cƣờng độ phản xạ ảnh SPOT rừng Đƣớc tỉnh Cà Mau Giá trị cường độ phản xạ kênh số NDVI cao nhất, với mức cường độ phản xạ ρTOA biến động từ 0,4 – 0,7; kênh hồng ngoại biến động từ khoảng 0,12 – 0,26, lại kênh đỏ kênh lục giá trị phản xạ tương đối thấp 4.2.3 Mơ hình tƣơng quan hồi quy ƣớc tính sinh khối rừng 4.2.3.1 Mơ hình tương quan ước tính sinh khối dựa liệu ảnh ALOS PALSAR Bảng 4.16: Mơ hình hồi quy biến giá trị tán xạ ảnh ALOS PALSAR sinh khối mặt đất TT Phƣơng trình lập đƣợc Các tiêu thống kê R2 SSR SEE MAE ln(TABG) = 1/(0,177 + 45600000*HH^-4^2) 65,6 0,17 0,04 0,03 ln(TABG) = exp(1,59 - 1,27E8*HH^-4^2) 68,0 1,06 0,12 0,09 ln(TABG) = 1/(0,195 + 4,34E7*HH^-4^2) 68,8 0,12 0,04 0,03 ln(TABG) = (2,2 - 1,13E8*HH^-4^2)^2 65,1 0,95 0,12 0,09 21 ln(TABG) = 1/(0,212 + 5,76E11*HH^-6^2) 75,1 0,09 0,04 0,02 Mơ hình ln(TABG) = 1/(0,212 + 5,76E11*HH^-6^2) có hệ số xác định cao (mơ hình 5) với R2 = 0,75, với SSR (0,09), SEE (0,04) MAE (0,02) thấp Do mơ hình chọn để dự báo sinh khối b) Mơ hình tương quan đa biến Kết phân tích hồi quy giá trị tán xạ ảnh sinh khối rừng sử dụng trị đo phân cực HH HV không cho kết tốt sử dụng phân cực HH Bảng 4.17: Mơ hình hồi quy biến giá trị tán xạ ảnh ALOS PALSAR sinh khối mặt đất Phƣơng trình lập đƣợc TT ln(TABG) = 8,25 - 0,00756*HV*HH - 5,46E4*HH^-4 ln(TABG) = 54,2 + 8,4E4*HV^-3 + 1,49*HH 14,1*HVHH + 2,06*HHHV ln(TABG) = 29,0 - 1,35*HV + 1,84*HH - 18,1*HVHH ln(TABG) = 55,2 + 8,36E4*HV^-3 + 1,46*HH 14,1*HVHH Các tiêu thống kê R2 SSR SEE MAE 0,58 15,4 0,48 0,38 62,8 14,1 0,46 0,43 54,4 17,3 0,5 0,4 60,0 15,2 0,47 0,36 c) Kết kiểm chứng mơ hình ước tính sinh khối dựa giá trị tán xạ ngược Kết kiểm nghiệm mơ hình hồi quy đơn biến ln(TABG) = 1/(0.212 + 5.76E11*HH^-6^2) với sai số trung phương 15,2 tấn/ha Tỷ lệ sai số sinh khối tính với sinh khối rừng đo có sai số độ lệch chuẩn 31,7 %, hay nói cách khác, tính sinh khối qua mơ hình hồi qui đơn biến cho độ xác tới gần 68,3 % 4.2.3.2 Mơ hình tương quan hồi quy ước tính sinh khối rừng dựa liệu ảnh SPOT Bảng 4.19: Mơ hình hồi quy biến giá trị phản xạ kênh ảnh sinh khối rừng mặt đất TT Phƣơng trình lập đƣợc ln(TAGB) = 1/(0,0998635 + 0,00026*NIR^-2^2) Các tiêu thống kê R2 SSR SEE MAE 0,48 0,09 0,05 0,03 22 ln(TAGB) = (2,75296 - 163,465/Red^-2)^2 0,70 0,65 0,12 0,09 TAGB = exp(6,52215 - 34860,3*Green^2^2) 0,69 11,4 0,52 0,40 ln(TAGB) = sqrt(43,4602 - 4760,46*WSNR^2) 0,48 153,17 5,97 4,66 Bảng 4.20: Mô hình hồi quy Chỉ số thực vật NDVI sinh khối rừng mặt đất TT Phƣơng trình lập đƣợc Các tiêu thống kê R2 SSR SEE MAE ln(TAGB) = exp(3,02231 - 0,851803/NDVI) 0,79 0,47 0,10 0,08 ln(TAGB) = exp(2,24351 - 0,226061/NDVI^2) 0,81 0,43 0,10 0,08 ln(TAGB) = 1/(0,13489 + 0,0082*NDVI^-2^2) 0,86 0,03 0,02 0,02 ln(TAGB) = exp(1,857 - 0,0286599*NDVI^-2^2) 0,81 0,42 0,10 0,07 Mơ hình hồi quy số thực vật NDVI sinh khối rừng mặt đất cao hơn, mơ hình có hệ số xác định cao (R2 = 0,86), SSR = 0,03, SEE = 0,02 MAE = 0,02 Mơ hình có dạng: ln(TAGB) = 1/(0,13489 + 0,00823004*NDVI^-2^2) c) Kết kiểm chứng mơ hình ước tính sinh khối dựa ảnh SPOT Kết kiểm nghiệm với sai số trung phương 16,8 tấn/ha Tỷ lệ sai số sinh khối tính từ mơ hình tương quan với giá trị trích xuất từ ảnh viễn thám quang học với sinh khối rừng đo từ ô tiêu chuẩn có sai số độ lệch chuẩn 27,5 %, hay nói cách khác tính sinh khối qua mơ hình đơn biến cho độ xác tới 72 % 4.2.4 Bản đồ sinh khối bon rừng Đƣớc Cà Mau Phương trình sử dụng để tính sinh khối rừng mặt đất tỉnh Cà Mau từ số thực vật NDVI ảnh SPOT sau: ln(TAGB) = 1/(0.13489 + 0.00823004*NDVI^-2^2) với hệ số xác định R2 = 0,84 Bản đồ sinh khối Cà Mau phân cấp thành cấp sinh khối thấp (10 – 50 tấn/ha), sinh khối thấp (51 – 100 tấn/ha), sinh khối trung bình (101 – 250 tấn/ha) sinh khối cao (251 – 600 tấn/ha) Bản đồ tích lũy bon rừng ngập mặn Cà Mau phân cấp thành cấp tích lũy bon thấp (5 – 30 tấn/ha), tích lũy bon thấp (31 – 50 tấn/ha), tích lũy 23 bon trung bình (51 – 100 tấn/ha), tích lũy bon cao (101 – 200 tấn/ha) khác Bản đồ sinh khối đồ tích tũy bon thể khu vực tích lũy bon cao (trên 200 tấn/ha) chủ yếu tập trung vùng lõi VQG Đất Mũi, cịn lại diện tích phân bố rải rác lâm ngư trường Rừng có mức tích lũy bon từ 51 – 100 tấn/ha phân bố nhiều khu vực nghiên cứu 19 Hình 4.22: Bản đồ phân cấp sinh khối rừng ngập mặn khu vực tỉnh Cà Mau 20 Hình 3.23: Bản đồ tích lũy bon rừng ngập mặn khu vực tỉnh Cà Mau 21 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Về tỉ lệ sinh khối bon Tỉ lệ sinh khối khơ trung bình thân 64,91 ± 3,57 %; cành 60,77 ± 3,97 %; rễ chống 61,44 ± 2,67 %; 31,02 ± 1,21 % - Về sinh khối tích lũy bon Tổng sinh khối quần thể trung bình đạt 191,1 tấn/ha, lượng bon tích lũy sinh khối rừng trung bình đạt 117,4 C/ha Khả hấp thụ CO2 cao tương ứng với đường kính trung bình quần thể 11,7 cm, mật độ 2.580 cây/ha với 692,4 CO2/ha - Về mơ hình ƣớc tính sinh khối tích lũy bon mặt đất Dạng hàm logarit chiều phù hợp để dự báo sinh khối tích lũy bon rừng Mơ hình ước tính sinh khối tươi rừng Đước: Wtt = exp(-0,728 + 2,33*ln(D1,3)) Mơ hình ước tính sinh khối khơ quần thể: ln(TAGB) = exp(0,768 + 0,0873*ln(M^2)) Mơ hình ước tính tích lũy bon quần thể TAGC = 1/(0,000663 + 1,65/M) - Về ứng dụng viễn thám ƣớc tính sinh khối rừng Ứng dụng liệu ảnh ALOS Palsar kênh L số liệu thực địa để tính sinh khối rừng ngập mặn khu vực Cà Mau khả thi cho độ xác cao vùng rừng ngập mặn có giá trị sinh khối nhỏ 100 tấn/ha Kết phân tích tương quan sinh khối rừng giá trị tán xạ ngược trích xuất từ ảnh ALOS Palsar kênh L khu vực nghiên cứu cho kết tương quan nghịch, giá trị tán xạ giảm sinh khối tăng bị bão hịa sinh khối đạt mức 100 tương ứng với giá trị tán xạ ngược -17dB Mơ hình hồi quy số thực vật NDVI sinh khối rừng có dạng: ln(TAGB) = 1/(0.13489 + 0.00823004 *NDVI^-2^2) với hệ số xác định (R2 = 0,86), SSR = 0,03, SEE = 0,02 MAE = 0,02 Tồn Luận án tập trung nghiên cứu cấu trúc sinh khối tích lũy bon 22 phận mặt đất, chưa đánh giá sinh khối, tích lũy bon mặt đất Sử dụng ảnh viễn thám có độ phân giải thấp (ảnh SPOT: 10 x10 m, ảnh radar 12,5 x 12,5 m) nên việc ước tính sinh khối rừng khu vực rừng phân bố theo giải hẹp xen lẫn mặt nước đạt độ xác khơng cao ước tính sinh khối rừng bị nhiểu phản xạ mặt nước Dữ liệu viễn thám ALOS Palsar bão hòa với sinh 100 tấn/ha, rừng khu vực nghiên cứu có sinh khối chủ yếu mức 100 tấn/ha Đây xem hạn chế rõ rệt viễn thám radar kênh C, X, L P rừng nhiệt đới có sinh khối cao Kiến nghị Sử dụng kết sinh khối mô hình dự báo sinh khối thể quần thể rừng để giám sát sinh khối, lượng tích lũy bon rừng Tiếp tục nghiên cứu bổ sung sinh khối tích lũy bon mặt đất để đánh giá hết tổng thể giá trị tích lũy bon rừng Việc sử dụng mơ hình ước tính sinh khối dựa liệu vệ tinh rừng Đước khu vực khác cần có kiểm tra nghiên cứu bổ sung cần thử nghiệm thêm biến khác độ tàn che, đường kính, chiều cao… để tìm mơ hình tối ưu ước tính sinh khối rừng làm sở xây dựng đồ sinh khối đồ tích tụ bon 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Viên Ngọc Nam, Nguyễn Thị Hà, Trần Quốc Khải, 2012 Phương trình sinh khối carbon phận lồi Đước đơi (Rhizophora apiculata Blume) tỉnh Cà Mau Tạp chí Rừng Môi trường, số 47/2012, tr 29-34, ISSN 1859-1248 Nguyễn Thị Hà, Viên Ngọc Nam, 2015 Cấu trúc sinh khối cá thể quần thể rừng Đước (Rhizophora apiculta Blume) Cà Mau Tạp chí Nơng nghiệp phát triển Nông thôn, số 1/2016, 134 – 140, ISSN 1859-4581 ... bon rừng ngập mặn sở ứng dụng viễn thám GIS tỉnh Cà Mau? ?? thực nhằm hoàn thiện sở khoa học đề xuất mơ hình ước tính sinh khối tích lũy bon cho rừng ? ?ước dựa liệu viễn thám Mục tiêu nghiên cứu. .. tích lũy bon rừng ngập mặn sở ứng dụng ảnh viễn thám GIS tỉnh Cà Mau Về mặt thực tiễn: Đề xuất số mơ hình ước tính sinh khối trữ lượng tích lũy bon rừng ngập mặn nhằm hỗ trợ nhà quản lý rừng việc... liệu viễn thám Ước lượng thành lập đồ sinh khối, tích lũy bon rừng ngập mặn khu vực nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về mặt khoa học: Xây dựng sở liệu mơ hình ước tính sinh khối, tích lũy bon