Chương Vai trò sinh thái của không khí

7.1. MỞ ĐẦU

Số lượng năng lượng bức xạ mặt trời và các nguồn năng lượng khác được không khí và đất hấp thu biến đổi theo không gian. Điều này dẫn đến những biến đổi của nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất theo từng vùng. Những biến đổi của nhiệt độ không khí và đất dẫn đến những khác biệt về áp suất không khí; ví dụ: sự vận động không khí (gió) từ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp. Như vậy, gió là kết quả chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng nhiệt, sau đó năng lượng nhiệt chuyển thành năng lượng động lực của hệ thống gió.

Hiệu quả sinh thái của gió rất đa dạng. Gió chuyển hơi nước từ các hồ và biển vào đất liền, và nhờ thế đảm bảo mưa rơi. Sự ma sát của các khối không khí vận động hỗn loạn đã tạo ra điện, điện này chuyển thành lửa tự nhiên và bổ sung nguồn đạm cho các hệ sinh thái bằng cách tạo ra các ôxít nitơ (NO_x). Gió chuyển bụi và các vật chất hữu cơ từ hệ sinh thái này đến hệ sinh thái khác, làm xáo trộn các phần tử của lớp đất mặt. Sự di chuyển của các hạt đất nhỏ dưới ảnh hưởng của gió có thể chuyển đất có kết cấu trung bình thành đất cát, làm thay đổi độ phì và độ ẩm đất. Đây là một trong những cơ chế quan trọng trong qúa trình sa mạc hóa. Gió có ảnh hưởng đến qúa trình bốc hơi nước từ đất và thoát hơi nước của thực vật, có thể làm khô và làm chết cây. Gió làm lan truyền năng lượng nhiệt từ nơi nóng đến nơi lạnh, và do đó nó góp phần điều hòa nhiệt. Bằng cách vận chuyển các phấn hoa và quả, gió đóng vai trò to lớn trong qúa trình sinh sản, phát tán các mầm sống của thực vật. Gió cũng có vai trò to lớn đối với động vật và con người theo nhiều cách thức khác nhau. Một tác dụng quan trọng là làm phân tán các tác nhân gây ô nhiễm không khí, điều đó giúp các thành phố không bị ô nhiễm. Nhưng gió lớn có thể gây ra những tác hại không nhỏ cho thực vật, động vật và con người như làm tróc rễ cây, làm gẫy cây, làm hư hại hoa quả và tán lá, làm xói mòn đất, làm giảm năng suất của đất, gây ra hư hại nhà cửa và các công trình kiến trúc...

Chương 7 xem xét vai trò của không khí và gió trong đời sống của rừng, mối quan hệ của gió với địa hình, ảnh hưởng của rừng đối với gió và thành phần không khí. Sau cùng, chúng ta thảo luận vai trò của gió trong lâm nghiệp.

1873 = 510,4 + (510,4*2,67) = 510,4 + 1362,6 (kg).

Tương tự, để tách được 61 kg hydro cần phân tích 557,1 kg H₂O theo phương trình:
H₂O = H₂ + 1/2 O₂

557,1 = 61,9 + (61,9*8) = 61,9 + 495,1 kg.

cây Vân sam ở trạng thái khô tuyệt đối

Phân tích lượng CO₂ rừng hấp thu và lượng O₂ rừng thải ra không khí có thể thấy:

(1) Lượng CO₂ rừng hấp thu và lượng O₂ do chúng thải vào không khí phụ thuộc vào loài cây, tuổi lâm phần cũng như khả năng tăng trưởng của từng bộ phận cây rừng.

(2) Sự phân bố CO₂ trong quần thể thực vật theo quy luật chung như sau (hình 7.1):

Ở bề mặt quần thể, nồng độ của nó tăng dần lên, còn ở bên trong quần thể giảm nhanh; trong lớp không khí gần tầng mật độ lá lớn nhất thì nhỏ nhất (do sự hấp thụ của lá), còn đến gần tầng bề mặt đất lại tăng nhanh (do sự phân giải vật rụng). Vào khoảng giữa trưa, nồng độ CO₂ trong quần thể thực vật lưu động từ trên xuống dưới, đến gần bề mặt đất thì lưu động ngược từ dưới lên.

(3) Sự biến đổi trong ngày của nồng độ CO₂ bên trong quần thể thực vật xảy ra theo chiều hướng: giảm thấp dần từ các giờ buổi sáng đến giữa trưa thì thấp nhất, sau đó tăng dần và đạt cao nhất vào các giờ giữa đêm. Sự biến đổi này cũng phụ thuộc vào độ cao phân bố của quần thể và mật độ diện tích lá.

(4) Nguồn CO₂ ở rừng có được là nhờ sự hô hấp của đất - đó là sự phân giải tàn tích hữu cơ và hô hấp của rễ cây. Nồng độ CO₂ trong rừng có thể đạt 50 lần lớn hơn so với nồng độ CO₂ trong không khí ngoài trời, nghĩa là từ 0,5-1,5% (theo thể tích), đôi khi đến 10% (V. Larcher, 1976). Chính nhờ có nồng độ CO₂ cao mà nhiều cây gỗ non có thể sống bình thường dưới tán rừng kín.

(5) Muốn cây rừng đạt được năng suất cao, một biện pháp quan trọng là tạo điều kiện tốt cho sự khoáng hóa các vật rụng. Để thực hiện được điều đó, nhà lâm học có thể xử lý rừng bằng nhiều cách khác nhau: (1) khai thông tán rừng để đưa ánh sáng lọt đến sàn rừng, (2) phát dọn dây leo, cây bụi và cây gỗ vô dụng, (3) làm khô đất lầy...

• 
  Quan hệ giữa hoạt động sản xuất, sinh hoạt sống của con người với thảm thực vật và nồng độ CO₂ trong không khí
  

Khi xét về chức năng vệ sinh của rừng, nhiều người quan niệm rằng: chức năng vệ sinh của rừng tỷ lệ với khối lượng lá cây, nghĩa là lá cây càng nhiều thì rừng hấp thụ CO₂ càng lớn và giải phóng càng nhiều O₂ vào không khí. Từ đó họ đề nghị trồng các công viên cây xanh sao cho hệ thống lá nhiều nhất bằng cách chọn lựa các loài cây nhiều lá. Quan niệm như thế chưa thật đầy đủ. Thật vậy, lượng CO₂ cây hấp thu và lượng O₂ cây giải phóng ra không khí hằng năm tỷ lệ thuận với lượng tăng trưởng thực vật khối. Từ đó cho thấy, để phát huy tốt chức năng vệ sinh của rừng, chúng ta phải trồng các lâm phần cây xanh có năng suất cao, độ đầy cao, mật độ tối ưu trong điều kiện tự nhiên nhất định. Đối với các công viên cây xanh trong thành phố, cần kết hợp chặt chẽ và hài hòa đặc điểm trên đây và yêu cầu thẩm mỹ. Ngoài ra, chúng ta cần bố trí hợp lý rừng và khoảng trống thích hợp. Trong một ngày hè thuận lợi, 1 ha rừng tạo ra 120-150 kg thực vật khối khô, tương ứng hấp thu 220 - 275 kg CO₂ và giải phóng ra 180 - 215 kg O₂. Số lượng ôxy này đủ cung cấp cho 450 - 500 người sống trong vòng 10 giờ. Cứ 4 - 5 cây gỗ trưởng thành sẽ cung cấp đủ O₂ cho một người trong 24 tiếng đồng hồ. Ở điều kiện bình thường, trong lớp không khí dày 1 mét trên 1 ha rừng có chứa 5,64 kg CO₂. Lâm phần ấy cũng hấp thu hết lượng CO₂ chứa trong lớp không khí dày 45 mét, hay 4,4.10⁵m³ không khí. Nhưng vì không khí luôn có sự luân chuyển từ nơi này đến nơi khác, nên cây xanh không bị đói CO₂. Thảm thực vật trên trái đất dự trữ khoảng 1141 tỷ tấn các bon, bằng 212 lần lớn hơn lượng C được phóng thải từ việc đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch hàng năm. Hàng năm thảm thực vật hấp thu 150 - 155 tỷ tấn CO₂; nhưng hô hấp của người và động vật, sự đốt cháy các nhiên liệu trong hoạt động công nghiệp và sự phân hủy các tàn tích hữu cơ hàng năm cũng đã thải vào không khí một lượng CO₂ còn lớn hơn nhiều. Trong vòng 100 năm trở lại đây, do sự bùng nổ các ngành công nghiệp và dân số thế giới, nên nồng độ CO₂ trong không khí đã nâng cao hơn 10-12% so với 100 năm trước đó. Đặc tính của CO₂ là cho ánh sáng mặt trời đi qua dễ dàng, nhưng lại ngăn cản bức xạ sóng dài từ mặt đất phát ra. Vì thế, nhiệt độ không khí đang có nguy cơ tăng dần, còn khí hậu trái đất đang bị biến đổi. Hậu quả của các hoạt động công nghiệp còn ảnh hưởng đến sự nhiễm bẩn không khí. Tất cả điều đó đang là mối quan tâm to lớn của mọi người.

Trên trái đất không có kho dự trữ ôxy tự nhiên mà các sinh vật có thể lấy được. Lượng ôxy tự do trong không khí có nguồn gốc thực vật. Người ta ước tính rằng, hàng năm cây xanh sản xuất ra trung bình 431 tỷ tấn ôxy, trong khi đó nhu cầu ôxy của các ngành công nghiệp hiện nay là 100 tỷ tấn/năm. Lượng ôxy dùng trong giao thông và sinh hoạt của người và động vật cũng hết sức lớn. Chẳng hạn, một chiếc ô tô chạy qua 100 km đốt chát hết 13 kg benzil, tương ứng cần 40 kg O₂; một máy bay TU-134 của Liên Xô (cũ) bay 900 km/h, đốt cháy hết 1,4 tấn xăng đặc biệt và 4,8 tấn ôxy; một xe gắn máy tiêu hao 2 lít xăng/100 km, tương ứng đốt cháy gần 6 kg ôxy. Trong một ngày đêm, một người bình thường cần từ 0,95 - 1,0 kg ôxy. Thế nhưng, khi chạy xe gắn máy qua đoạn đường 100 km, chúng ta đã thiêu hủy gấp 6 lần lượng ôxy cần cho mình. Dân số thế giới hiện nay là 6,3 tỷ người, trong một năm cần phải chi dùng hơn 2 tỷ tấn ôxy; hô hấp của động vật và côn trùng khoảng 28,5 tỷ tấn ôxy; cháy rừng và thảo nguyên - 8 tỷ tấn ôxy. Ngày nay hàng năm thế giới đốt cháy chừng 10-15 tỷ tấn nhiên liệu các loại, đồng thời cũng đốt cháy 25-35 tỷ tấn ôxy, nhiệt tỏa ra tổng cộng là 2,110¹⁷ kcal. Các qúa trình phân hủy tàn tích hữu cơ trên trái đất cần 90 tỷ tấn ôxy/năm (trung bình cần 1,4 tấn ôxy để hủy 1 tấn chất hữu cơ), nhưng đồng thời cũng thải vào không khí 1,65.10¹³ tấn CO₂ và 4,95.10¹⁰ tấn H₂O cùng nhiều chất tro khác. Hàng năm một số nước công nghiệp phát triển (Mỹ, Nhật Bản, Đức...) đã tiêu thụ một lượng ôxy khổng lồ vượt xa lượng ôxy do các thảm thực vật của họ sản xuất ra. Nhưng may thay sự thiếu hụt ôxy này đã được bù đắp bởi các thảm cây xanh và rừng của nhiều quốc gia khác. Theo dự đoán vào năm 2000, toàn thế giới khai thác 25 tỷ tấn nhiên liệu các loại, cũng sẽ tiêu tốn chừng 60 tỷ tấn ôxy”.

Vai trò vệ sinh của rừng còn biểu hiện ở chỗ chúng có khả năng làm giảm các khí độc hai như H₂S, NO₂, NO, CO, CO₂, HCl..., ngăn cản và hấp phụ một số bụi, chất phóng xạ, hơi độc...Ví dụ: 1 hécta rừng lục hóa thành phố có thể hấp thu được 8 kg H₂CO₃ trong 1 giờ, bằng lượng CO₂ do 200 người thải ra trong một ngày. Rừng môi sinh và hệ thống cây xanh đô thị có thể làm sạch 70 - 80 tấn bụi/năm, hay làm giảm 30 - 40% bụi trong không khí. Hàng ngày rừng còn tiết ra rất nhiều phitônxít có tác dụng diệt khuẩn và nấm. Một hécta rừng lá kim có thể thải ra 5 kg phitônxít, rừng lá rộng - 2-3 kg... Người ta thấy rằng 2 kg phitônxít đủ để làm sạch không khí của một thành phố cỡ trung bình (1 triệu dân).

trong không khí đối với người

Nguồn chất nhiễm bẩn trong không khí bao gồm nguồn tự nhiên (động đất, núi lửa, cháy rừng và thảo nguyên do ảnh hưởng của sấm chớp, sự phân hủy các tàn dư hữu cơ…) và nhân tạo (các chất thải trong công nghiệp, giao thông vận tải, hoạt động nông – lâm - ngư nghiệp và sinh hoạt của cộng đồng…). Chúng có thể tồn tại ở dạng dung dịch, dạng khí và dạng rắn. Chất thải khí tồn tại ở dạng CO, CO₂, SO₂, NO_x (NO, NO₂, N₂O...), CH₃, H₂S...Dạng lỏng bao gồm H₂SO₄, HCl, dầu mỡ, axit hữu cơ, xà phòng... Chất thải rắn gồm có nhựa, giấy, vỏ hộp các loại, kim loại, gỗ... Những chất độc hại này có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến cây gỗ và các loài cây khác. Dưới đây chúng ta xem xét ảnh hưởng của một số tác nhân ô nhiễm cơ bản đến thảm thực vật và con người.

- Đối với ôxit nitơ:

2N₂O + O₂  4NO,

2NO + O₂  2NO₂,

2NO₂ + H₂O  HNO₂ + HNO₃

- Đối với lưu hùynh:

S + O₂  SO₂,

2SO₂ + O₂  2SO₃  H₂SO₃,

2SO₂ + H₂SO₃  H₂SO_4.

Sau đó các hỗn hợp gồm nước và axít được gió mang đi xa đến hàng ngàn kilômét. Cuối cùng, các hỗn hợp này rơi trở về trái đất dưới dạng mưa có chứa axít, do đó người ta gọi là “mưa axít”. Mưa axít gây ra nhiều tác hại khác nhau. Trước hết, mưa axít gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái đất, làm chết các sinh vật đất, gây phản ứng chua, làm chai cứng và thoái hóa đất. Đối với thực vật, mưa axit không chỉ gây hại cho rừng và đồng cỏ tự nhiên mà còn ảnh hưởng đến cây nông nghiệp và cây ăn trái. Khi rơi vào các thủy vực, mưa axit gây ảnh hưởng rất lớn đến cá, tôm và nhiều sinh vật khác. Ngoài ra, mưa axit còn hủy hoại nhiều công trình kiến trúc và gây bệnh cho người. Thật vậy, quy mô và hậu quả của mưa axít là hết sức lớn. Hiện nay mưa axit xảy ra chủ yếu ở các nước công nghiệp phát triển thuộc châu Âu và Mỹ. Chỉ tính riêng ở châu Âu người ta đã thấy:

• 
  7 triệu hécta rừng đã chết và đang chết do mưa axít (trong đó nhiều nhất thuộc các nước Đức, Thụy Sĩ, Hà Lan, Ba Lan, Ao, Bỉ và Đan Mạch...);
  
• 
  80% hồ nước của miền bắc Na Uy bị ô nhiễm bởi mưa mưa axít, trong đó 50% do nguồn ô nhiễm từ nước khác mang đến;
  
• 
  Ở Thụy Sĩ, hàng năm phải tiếp nhận lượng khí SO₂ từ nơi khác mang đến gấp 6 lần lượng SO₂ do chính họ sản xuất, 18000 hồ nước đã bị ô nhiễm nặng;
  
• 
  Nước Anh sản xuất 3,6 triệu tấn SO₂/năm, trong đó 70% rơi vào nước khác;
  
• 
  So với 50 năm trước, hiện nay lượng axít trong đất của vùng Scandinavia lớn hơn 10 lần.
  

Các loài cây gỗ cũng có khả năng thích ứng nhất định với tác động xấu của môi trường. Ngoài ra, rừng có vai trò lớn đối với việc làm sạch không khí. Vai trò vệ sinh của rừng biểu hiện ở chỗ chúng có khả năng làm giảm các khí độc hai như H₂S, NO₂, NO, CO, CO₂, HCl..., ngăn cản và hấp phụ một số bụi, chất phóng xạ, hơi độc... Ví dụ: 1 hécta rừng lục hóa thành phố có thể hấp thu được 8 kg H₂CO₃ trong 1 giờ, bằng lượng CO₂ do 200 người thải ra trong một ngày. Rừng môi sinh và hệ thống cây xanh đô thị có thể hấp phụ 70-80 tấn bụi/năm, hay làm giảm 30-40% bụi trong không khí. Ở những khu công nghiệp lớn, nồng độ bụi trong không khí đạt tới 15-20 mg/m³, trong khi đó ở vùng ngoại vi thành phố là 1,3 - 3,0 mg/m³; quy định cho phép là 0,5 mg/m³.

Mức iôn hóa trong các điều kiện môi trường khác nhau như sau (Theo A.A. Mink, 1964; AN.L. Chirevskii, 1964):

- Trên núi 2000 - 3000

- Không khí nơi không có rừng 1000

- Trên mặt biển cách bờ 5 km 800 - 900

- Công viên cây xanh 800

- Gần xưởng máy 220 - 400

- Nơi dân cư đông đúc 25 – 100
Giới hạn thấp nhất của các iôn trong không khí là 25 - 50, khi ấy không khí đã có hại cho sức khỏe con người. Các iôn nặng ít có tác dụng về sinh lý đối với sức khỏe con người. Rừng có ảnh hưởng rất lớn đến nồng độ iôn hóa trong không khí. Theo A.A. Mink (1963) và U.V. Dumanxkii (1969), nồng độ iôn lớn nhất ở nơi có rừng che phủ 35 - 60% lãnh thổ (lấy bằng 100%), giảm còn 15 - 30% khi độ che phủ của rừng là 5-10% lãnh thổ. Vì thế, các công viên cây xanh, các đai rừng quanh thành phố và nơi đông dân cư có vai trò quan trọng đối với sức khỏe con người.

Nhiều thực vật còn thải vào không khí các chất dễ bay hơi có tác dụng diệt khuẩn. Những chất này được gọi là phitônxit, nghĩa là các chất độc của thực vật. Các phitônxit tác dụng rất mạnh đến các vi sinh vật và sinh vật đơn bào khác. Về mặt hóa học, các phitônxit là các chất dầu dễ bay hơi, các alcaloid cấu thành từ các hydrocacbon. Khi tạo thành các phitônxit thì CO₂, H₂ và O₂ được tách ra. Vào ngày hè, một hécta rừng có thể thải ra chừng 2 - 5 kg phitônxit. Các nghiên cứu cho thấy 2 kg phitônxit đủ để sát trùng không khí của một thành phố cỡ vừa (khoảng 1 triệu dân cư). Tác dụng của chúng kéo dài đến chừng nào dòng không khí đã mang đi hết phitônxit.

a. Trong các rừng hỗn loài khác tuổi, các tổn hại xảy ra ít hơn là do có sự khác biệt về đặc tính loài cây. Những cây mọc ở tầng cao hay nơi trống bị hại nhiều hơn so với cây mọc trong tán rừng.

b. Những quần thể thuần loài đồng tuổi không bị tổn hại hoàn toàn thì cũng bị hại nặng. Rừng vừa qua tỉa thưa thì mức bị hại lớn hơn.

c. Những loài cây khác nhau bị tổn hại khác nhau. Loài bị đổ, loài khác bị tróc rễ; những cây gỗ bản địa có sức chống chịu với gió hại lớn hơn những loài nhập từ ngoài vào.

Theo sơ đồ hình 7.2 cho thấy, so với tốc độ gió trước đai rừng V_o (ở cự ly 15H, với H là chiều cao trung bình của đai rừng), tốc độ gió giảm dần vào phiá trong đai rừng và đạt mức 0,14 V_o ở giữa đai rừng; sau đó nó tăng dần lên, đến cự ly 20-25H thì đạt mức gần như ở phiá trước đai rừng.

Theo E.N. Valendik, tốc độ gió trong đai rừng có thể tìm được từ quan hệ với chiều cao lâm phần như sau:
V = [ 2,22(H/2)-0,83 (H/2)²+0,100 (H/2)³+0,003 (H/2)⁴ ]*(0,076 V₀ +0,063);
trong đó: V - tốc độ gió ở các tầm cao trong đai rừng, m/s; H - chiều cao so với mặt đất, m; V₀ - tốc độ gió ở khoảng trống trên độ cao 10 m cách mặt đất, m/s.

Theo quy luật phân bố tốc độ gió trong rừng và không gian ngoài đai rừng, người ta thấy rằng đai rừng phòng hộ chống gió hại cho đồng ruộng cần được bố trí cách nhau từ 20 - 30H, với H là chiều cao bình quân của đai rừng.

Nhà lâm học cần nhận thấy rằng, việc nghiên cứu tốc độ gió trong rừng mang lại nhiều ý nghĩa khác nhau: (1) làm rõ quy luật phân bố cháy rừng, (2) thiết kế đai rừng phòng hộ, (3) xác định những nguy cơ gây hại cho rừng khi gió có tốc độ khác nhau. Một đai rừng phòng chống gió hại hợp lý cần phải tính đến sự phân bố tốc độ gió khi gặp đai rừng, ảnh hưởng của kết cấu cây trồng trong đai và khoảng cách giữa các đai rừng.
7.5. Ý NGHĨA CỦA GIÓ TRONG LÂM NGHIỆP
Vai trò của gió trong hoạt động lâm nghiệp được biểu hiện thông qua những vấn đề sau đây:

1. 
   Trước hết, gió có thể là nhân tố ấn định việc chọn lựa phương thức kinh doanh rừng và khai thác – tái sinh rừng ở những vùng mà gió hại thường xuyên xuất hiện. So với rừng thuần loài đồng tuổi, rừng tự nhiên hỗn loài khác tuổi với nhiều lớp tán có tính ổn định với gió hại cao hơn. Kinh doanh rừng hỗn loài khác tuổi với việc áp dụng khai thác chọn từng cây hoặc nhóm cây thành thục có thể hạn chế được ảnh hưởng xấu của gió. Đối với rừng thuần loài đồng tuổi, trồng dày sẽ làm tăng tính ổn định với gió hại, và ở đây có thể áp dụng khai thác dần.
   
2. 
   Gió lớn làm thay đổi cân bằng nước của thực vật, làm hư hại rễ cây non, làm đổ gẫy cây. Trong những trường hợp như vậy, gió tham gia như một trong những nhân tố cơ bản quyết định sự thành công của các phương thức trồng rừng và khai thác - tái sinh rừng.
   
3. 
   Việc thay đổi kích thước băng khai thác rừng có ảnh hưởng đến qúa trình phát tán hạt giống nhờ gió, đến sự hình thành và sự sống sót của cây tái sinh trên khoảnh chặt trắng. Vì thế, việc thiết kế băng khai thác và băng trồng rừng cần phải tính đến không chỉ loại gió và tốc độ gió, mà còn cả đặc tính phát tán của các loài cây.
   
4. 
   Cùng với lửa và các nhân tố sinh thái khác, gió có thể tham gia như một nhân tố đẩy nhanh hoặc hạn chế tốc độ của qúa trình diễn thế rừng.
   
5. 
   Gió có ảnh hưởng đến hình thái và kết cấu của một số kiểu rừng; do đó gió là một nhân tố tham gia vào qúa trình hình thành một số loại rừng.
   

7.6. TÓM TẮT