Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Vấn đề nghiên cứu các đặc điểm cấu trúc rừng đã được nhiều tác giả trên thế giới và Việt Nam đề cập từ những năm đầu thế kỷ XX. Những nghiên cứu này đều có xu hướng xây dựng các cơ sở có tính khoa học và lý luận phục vụ công tác kinh doanh rừng hiệu quả. Tuy nhiên, do đối tượng rừng tự nhiên lại rất đa dạng, phong phú và phức tạp về cấu trúc, tổ thành loài cây, tầng tán, khả năng sinh trưởng… trên mỗi vùng địa lý khác nhau với những đặc điểm riêng biệt. Vì vậy các kết quả nghiên cứu về cấu trúc rừng và tái sinh rừng trên thế giới và ở Việt Nam được công bố đều mang ý nghĩa ứng dụng nhất định cho từng vùng, từng khu vực và là cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo.
Dưới đây xin trình bày một số kết quả nghiên cứu điển hình mang tính định hướng cho tác giả thực hiện nội dung đề tài. Trên thế giới 1. Tình hình nghiên cứu cấu trúc rừng Trong những thập kỷ gần đây việc nghiên cứu cấu trúc rừng đã được chuyển dần từ mô tả định tính sang định lượng với sự hỗ trợ của thống kê toán học và tin học, trong đó việc mô hình hoá cấu trúc rừng, xác lập mối quan hệ giữa các nhân tố cấu trúc rừng đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. - Về cơ sở sinh thái cấu trúc rừng Trong nghiên cứu cấu trúc rừng, các nhà khoa học chia ra ba dạng cấu trúc: cấu trúc sinh thái, cấu trúc hình thái và cấu trúc thời gian.
Cấu trúc hiện tại của lớp thảm thực vật là kết quả của quá trình chọn lọc tự nhiên, đấu tranh sinh tồn giữa thực vật với thực vật, giữa thực vật với hoàn cảnh sống. Như 5 vậy trên quan điểm sinh thái học cấu trúc rừng chính là hình thức ngoại mạo phản ánh những nội dung bên trong của một hệ sinh thái rừng. Tổ thành thực vật là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự phong phú của hệ thực vật rừng tại các vùng địa sinh học khác nhau.W (1965) [31] đã phân chia tổ thành thực vật của rừng mưa thành hai loại: rừng mưa hỗn loài có tổ thành loài cây phức tạp và rừng mưa đơn ưu có tổ thành loài cây đơn giản. Trong những điều kiện lập địa đặc biệt thì rừng mưa đơn ưu chỉ bao gồm một vài loài cây.
Cũng theo Richards P.W (1965) [31], khi nghiên cứu tổ thành loài cây ở rừng nhiệt đới cho thấy thường có ít nhất 40 loài trở lên trên 1 hecta, có trường hợp còn ghi nhận được trên 100 loài. Sự phong phú của hệ thực vật rừng mưa nhiệt đới cũng được nhiều nhà khoa học ghi nhận như: Baur G. R (1974) [4]… Trong các nghiên cứu này, các tác giả đều nêu lên quan điểm, khái niệm và mô tả định tính về tổ thành, dạng sống và tầng phiến của rừng. Baur (1979) [2] đã nghiên cứu các vấn đề về cơ sở sinh thái học nói chung và về cơ sở sinh thái học trong kinh doanh rừng mưa nói riêng, trong đó đã đi sâu nghiên cứu các nhân tố cấu trúc rừng, các kiểu xử lý về mặt lâm sinh áp dụng cho rừng mưa tự nhiên.
Từ đó tác giả đã đưa ra những tổng kết về các nguyên lý tác động lâm sinh và các phương thức xử lý cải thiện rừng mưa ở các nước nhiệt đới. Khái niệm hệ sinh thái được làm sáng tỏ là cơ sở để nghiên cứu các nhân tố cấu trúc bên trong quần xã thực vật rừng trên quan điểm sinh thái học. - Về mô tả hình thái cấu trúc Hiện tượng hình thành tầng là một trong những đặc trưng cơ bản về cấu trúc hình thái của quần xã thực vật và là cơ sở để tạo nên cấu trúc tầng thứ. 6 Về cấu trúc tầng thứ có hai trường phái: Chevalier (1917), Mildbraed (1922), Booberg (1932),… cho rằng tầng rừng không có thực tế khách quan.
Nhưng nhiều tác giả khác cho rằng rừng mưa thường có từ ba đến năm tầng như Brown (1919), David và Richards P. Phương pháp vẽ mặt cắt đứng của rừng do David và P. Richards (1933 – 1934) đề xướng và sử dụng lần đầu tiên ở Guyam đến nay vẫn là phương pháp hiệu quả để xác định cấu trúc tầng thứ của rừng. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là chỉ minh họa được cách sắp xếp theo hướng thẳng đứng của các loài cây gỗ trong một diện tích có hạn.
Ngày nay, nhiều hệ thống phân loại thảm thực vật rừng đã dựa vào các đặc trưng như cấu trúc và dạng sống, độ ưu thế, kết cấu hệ thực vật hoặc năng suất thảm thực vật. Tiêu biểu cho nửa đầu thế kỷ XIX, là Humbold và Grisebach đã sử dụng dạng sinh trưởng của các loài cây ưu thế và kiểu môi trường sống của chúng để biểu thị cho các nhóm thực vật. Phương pháp này được các nhà sinh thái học Warming (1904) và Raunkiaer (1934) tiếp tục phát triển. Trong đó Raunkiaer đã đưa ra khái niệm về các phổ sinh học, khái niệm này được hiểu là tỷ lệ phần trăm các loài cây trong một quần xã có các dạng sống khác nhau.
Việc phân cấp cây rừng cho rừng hỗn loài nhiệt đới tự nhiên là hết sức phức tạp, cho đến nay vẫn chưa có tác giả nào đưa ra phương pháp phân cấp được chấp nhận rộng rãi. Ngoài ra, về cấu trúc tuổi đối với rừng tự nhiên nhiệt đới vẫn chưa có các khẳng định chính thức. - Nghiên cứu định lượng cấu trúc rừng Như đã đề cập ở trên việc nghiên cứu cấu trúc rừng từ mô tả định tính dần chuyển sang các phương pháp định lượng, trong đó việc mô hình hóa cấu 7 trúc rừng, xác lập mối quan hệ giữa các nhân tố cấu trúc rừng được nhiều tác giả nghiên cứu có kết quả. Vấn đề về cấu trúc không gian và thời gian của rừng được các tác giả tập trung nghiên cứu nhiều nhất.
Có thể kể đến một số tác giả tiêu biểu như: Rollet B (1971), Brunn (1970), Loetsch et al (1967). và nhiều tác giả khác quan tâm nghiên cứu cấu trúc không gian và thời gian của rừng theo hướng định lượng và dùng các mô hình toán để mô phỏng các quy luật cấu trúc. Trên cơ sở nghiên cứu về mật độ cây rừng trong rừng tự nhiên, nhiều tác giả đã tiến tới một bước là xây dựng mật độ tối ưu của lâm phần. Thomasius (1972) đã đưa ra khái niệm khoảng sống và hằng số không gian sinh trưởng liên quan tới chiều cao, mật độ và tuổi.
Các nghiên cứu về mật độ tối ưu lâm phần theo diện tích tán và mức độ che phủ cũng được Kairukstis (1980) nghiên cứu.W (1972)…nghiên cứu theo hướng xem đường kính cây rừng như là đại lượng ngẫu nhiên và phụ thuộc vào thời gian và coi quá trình biến đổi của phân bố đường kính theo tuổi là một quá trình ngẫu nhiên. Quá trình đó biểu thị một tập hợp các đại lượng ngẫu nhiên (Xt) với thời gian (t) lấy trong khoảng thời gian nhất định nào đó. Nếu trị số của đường kính tại thời điểm (t) chỉ phụ thuộc vào trị số ở thời điểm (t-1) thì đó là chuỗi Markov. Nếu Xt = X có nghĩa là quá trình ở thời điểm (t) có dạng X.
Quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính ngang ngực (N/D1,3) là một trong các chỉ tiêu quan trọng nhất của cấu trúc rừng, đã được nghiên cứu khá nhiều từ đầu thế kỷ XX, bằng các phương pháp biểu đồ hoặc giải tích. Một số tác giả đưa ra các hàm: hàm Meyer, hàm Hyperbol, hàm Poisson, hàm Charlier, hàm Logarit chuẩn, họ đường cong Pearson, hàm Weibull. Tuy nhiên, việc sử dụng hàm này hoặc hàm khác để xây dựng dãy phân bố thực 8 nghiệm N/D1,3 phụ thuộc vào kinh nghiệm từng tác giả và bản chất quy luật tự nhiên. Một dãy phân bố thực nghiệm có thể chỉ phù hợp cho một dạng hàm số, cũng có thể phù hợp cho nhiều hàm số ở các mức xác suất khác nhau.
Meyer đã mô tả phân bố N/D1.3 bằng phương trình toán học có dạng đường cong giảm và được gọi là phương trình phân bố Meyer hay hàm phân bố Meyer: y=ke-αx, trong đó y là tần số, x là đường kính, k và α là tham số, e là hệ số neper. Nhiều tác giả đã dùng luật Linaourt đã biểu thị bằng một phương trình có dạng tương tự như hàm phân bố Meyer để nghiên cứu rừng chặt chọn như Corona Elio, Bery, Popescu. dùng phương trình Hyperbol để biểu thị sự phân bố N/D1,3 của rừng chặt chọn. Schiffel biểu thị đường cong phân bố phần trăm ( %) cộng dồn bằng đa thức bậc 3.
Naslund đã xác lập luật phân bố Charlier đối với sự phân bố số cây theo đường kính của lâm phần thuần loại đều tuổi đã khép tán.B (1971) đã mô tả phân bố số cây theo đường kính (N/D 1,3) bằng các dạng phân bố xác suất. Weibull đã sử dụng dạng hàm Hyperbol để mô hình hóa cấu trúc đường kính loài Thông. Balley (1973) đã dùng hàm Weibull để mô hình hóa đường kính với số cây N/D1,3. Nhiều tác giả khác cũng sử dụng hàm Weibull để mô hình hoá quy luật phân bố đường kính loài Thông theo mô hình của Schumacher và Coil (Belly, 1973).
Bên cạnh đó các dạng hàm Meyer, Hyperbol, hàm mũ, Pearson, Poisson,. cũng được sử dụng để mô hình hoá cấu trúc rừng. Một trong những quy luật cơ bản và quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc rừng là quy luật tương quan Hvn/D1,3. Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy, chiều cao luôn tăng thuận theo đường kính cho đến một cỡ đường kính nhất định chiều cao sẽ tiệm cận một trị nhất định, cho dù đường kính vẫn tiếp tục tăng.
9 Khi nghiên cứu cấu trúc lâm phần theo chiều thẳng đứng, phần lớn các tác giả đã dựa vào phân bố số cây theo chiều cao. Phương pháp kinh điển nghiên cứu cấu trúc đứng rừng tự nhiên là vẽ các phẫu đồ đứng với các kích thước khác nhau tuỳ theo mục đích nghiên cứu. Các phẫu đồ đã mang lại hình ảnh khái quát về cấu trúc tầng tán, phân bố số cây theo chiều thẳng đứng. Từ đó rút ra các nhận xét và đề xuất ứng dụng thực tế.
Phương pháp này được nhiều nhà nghiên cứu rừng nhiệt đới áp dụng mà điển hình là các công trình của Richards (1959). Để mô phỏng quy luật tương quan giữa chiều cao với đường kính các tác giả sử dụng nhiều dạng phương trình khác nhau. Vấn đề lựa chọn dạng phương trình nào thích hợp cho đối tượng nào thì cần được nghiên cứu cụ thể.