Tổng quan nghiên cứu

Hệ sinh thái rừng tự nhiên đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ nguồn nước, điều hòa khí hậu và lưu giữ nguồn gen sinh vật quý giá. Theo thống kê lâm nghiệp Việt Nam, độ che phủ rừng từng đạt 43% vào những năm 1940 nhưng đã suy giảm nghiêm trọng xuống còn khoảng 24% trong giai đoạn 1979 - 1982 với diện tích chỉ còn 7,8 triệu ha. Nhờ các chương trình phục hồi và khoanh nuôi bảo vệ, độ che phủ rừng toàn quốc đã tăng lên 28% năm 1995, đạt 33% năm 1999 và chạm mốc 41,19% theo công bố hiện trạng rừng của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Mặc dù diện tích gia tăng, chất lượng tài nguyên rừng tự nhiên và mức độ đa dạng sinh học vẫn đang đối mặt với nguy cơ suy giảm đáng kể do các tác động nhân vi sinh trong lịch sử.

Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén thuộc địa bàn huyện Nguyên Bình, tỉnh Cao Bằng sở hữu tổng diện tích tự nhiên 10.593,5 ha, trải dài trên 5 xã và thị trấn gồm Thành Công, Quang Thành, Phan Thanh, Hưng Đạo và Tĩnh Túc. Nơi đây có địa hình núi cao hiểm trở với đỉnh Phia Oắc đạt 1.935 m, giữ vai trò đầu nguồn xung yếu cho hệ thống sông Hiến, sông Năng và sông Thể Dục. Trong đó, phân khu bảo vệ nghiêm ngặt rộng 4.035,5 ha lưu giữ kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới và hệ sinh thái rừng lùn trên núi đất độc đáo của miền Bắc. Tuy nhiên, các dữ liệu khoa học định lượng về đặc trưng kết cấu và quy luật tái sinh tự nhiên tại đây còn phân tán, gây khó khăn cho công tác quy hoạch bảo tồn bền vững 8.189,5 ha rừng tự nhiên trên địa bàn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Lâm học của tác giả Nguyễn Thúy Hồng dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Cao Thị Thu Hiền tại Trường Đại học Lâm nghiệp đã tập trung giải quyết vấn đề cấp thiết này. Đề tài được triển khai trong giai đoạn 2018 - 2019 với mục tiêu xác định định lượng các đặc trưng cấu trúc tầng cây cao, đánh giá tính đa dạng thực vật thân gỗ và làm rõ quy luật tái sinh tự nhiên của ba trạng thái rừng phục hồi gồm IIIA2, IIIA3 và IIIB. Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ thực tiễn quan trọng, giúp tối ưu hóa các biện pháp tác động lâm sinh, hỗ trợ nâng cao tỷ lệ sống của cây tái sinh bản địa thêm 15% đến 25% và định hình phương thức quản lý rừng bền vững tại khu vực Đông Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết sinh thái học quần xã và cấu trúc lâm phần kinh điển. Trọng tâm là quan điểm phân loại thảm thực vật rừng nhiệt đới của Thái Văn Trừng (1978, 1999), vốn khẳng định tính chất hỗn loài phức hợp và quy luật ưu thế sinh thái của các nhóm loài cây gỗ. Đề tài áp dụng hệ thống phân loại trạng thái rừng hiện tại của Loetschau (1960) đã được chuẩn hóa theo quy phạm kỹ thuật lâm nghiệp QPN 6-84, phân định rõ các giai đoạn diễn thế phục hồi từ rừng kiệt quệ sau khai thác đến rừng trung bình qua các trạng thái IIIA2, IIIA3 và IIIB. Bên cạnh đó, mô hình cấu trúc đường kính giảm liên tục của Meyer (1952) và hàm mật độ xác suất Weibull (1973) được sử dụng để giải thích động thái cấu trúc lâm phần qua không gian và thời gian.

Các khái niệm then chốt được vận dụng xuyên suốt công trình bao gồm:

  • Tổ thành loài và Chỉ số giá trị quan trọng (Important Value - IV%): Phương pháp của Daniel Marmillod kết hợp giữa mật độ tương đối và tiết diện ngang tương đối, xác định các loài có IV% lớn hơn 5% giữ vai trò sinh thái chủ chốt.
  • Cấu trúc không gian lâm phần: Phản ánh qua quy luật phân bố số cây theo cấp đường kính ngang ngực N/D1.3 và phân bố số cây theo chiều cao vút ngọn N/Hvn.
  • Đa dạng sinh học tầng cây gỗ: Đo lường thông qua độ phong phú loài Kjayaraman (R), chỉ số đa dạng Shannon-Wiener (H') và chỉ số đồng đều Simpson (D).
  • Động thái tái sinh tự nhiên: Quá trình thay thế thế hệ cây già cỗi bởi lớp cây con dưới tán, đánh giá qua mật độ, nguồn gốc chồi hoặc hạt, chất lượng sinh trưởng và hệ số phân bố không gian Poisson (K).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp kế thừa dữ liệu từ Dự án điều tra, đánh giá và giám sát tài nguyên rừng quốc gia giai đoạn 2015 - 2019 với phương pháp điều tra thực địa theo tiêu chuẩn lâm học. Khối lượng mẫu nghiên cứu được thiết lập trên 03 ô định vị nghiên cứu sinh thái rừng quốc gia tại xã Quang Thành (Tiểu khu 333), xã Phan Thanh (Tiểu khu 5) và xã Thành Công (Tiểu khu 155). Trên mỗi ô định vị, tác giả bố trí 03 ô đo đếm (ODD) diện tích 10.000 m2 (1 ha) đại diện cho từng trạng thái rừng. Mỗi ODD được chia thành 25 phân ô liên tục kích thước 20 m x 20 m (diện tích 400 m2), nâng tổng quy mô mẫu khảo sát tầng cây cao lên 09 ODD với 225 phân ô (tương đương 9 ha diện tích điều tra).

Đối với tầng cây tái sinh, phương pháp ô dạng bản (ODB) kích thước 4 m x 4 m (diện tích 16 m2) được bố trí tại 5 góc phân ô đại diện trong mỗi ODD (gồm các phân ô 1, 5, 13, 21, 25), tạo nên dung lượng mẫu 45 ô dạng bản trên toàn khu vực. Toàn bộ cây gỗ tầng cao có đường kính D1.3 từ 6 cm trở lên được đo đếm chu vi bằng thước kẹp kính chính xác tới 0,5 cm, chiều cao Hvn đo bằng thước Blumeleiss chính xác tới 0,5 m. Tên loài cây chưa định danh được giám định thông qua phương pháp chuyên gia của Trường Đại học Lâm nghiệp.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thống kê là nhằm chuyển đổi các mô tả định tính truyền thống sang mô hình hóa định lượng có độ tin cậy cao. Số liệu N/D1.3 với cự ly 4 cm và N/Hvn với cự ly 2 m được mô phỏng bằng hàm Weibull ba tham số, hàm khoảng cách và hàm Meyer trên phần mềm SPSS 20.0 và XLSTAT 2015. Tiêu chuẩn Kolmogorov-Smirnov (Dn) ở mức ý nghĩa alpha = 0,05 được lựa chọn làm thước đo kiểm định mức độ tương thích lý thuyết với thực nghiệm; mô hình được chấp nhận khi giá trị xác suất p-value lớn hơn 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, về các chỉ tiêu lâm phần và cấu trúc tổ thành: Mật độ tầng cây cao tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén có sự phân hóa theo mức độ phục hồi. Trạng thái rừng IIIA2 và IIIA3 ghi nhận mật độ bình quân dao động từ 485 đến 615 cây/ha, trong khi trạng thái IIIB đạt mật độ trên 710 cây/ha với trữ lượng gỗ đạt từ 260 đến 315 m3/ha. Tổ thành loài ghi nhận từ 45 đến 78 loài cây gỗ trên mỗi trạng thái, tuy nhiên chỉ có từ 4 đến 7 loài có chỉ số IV% vượt ngưỡng 5% tham gia vào công thức tổ thành ưu thế. Nhóm loài ưu thế sinh thái này chiếm trên 52% tổng tiết diện ngang toàn lâm phần, khẳng định đặc trưng rừng nhiệt đới hỗn loài không có loài độc tôn tuyệt đối.

Thứ hai, về quy luật kết cấu tầng cây cao: Phân bố số cây theo cấp đường kính N/D1.3 và chiều cao N/Hvn của cả 3 trạng thái đều thể hiện dạng đường cong một đỉnh lệch trái giảm dần. Hàm Weibull ba tham số cho thấy sự vượt trội toàn diện trong việc mô phỏng phân bố thực nghiệm với giá trị p-value kiểm định Kolmogorov-Smirnov đạt từ 0,125 đến 0,482 (đều lớn hơn 0,05). Đa số cây gỗ tập trung ở cỡ đường kính nhỏ từ 10 đến 24 cm (chiếm khoảng 68% tổng số cá thể) và chiều cao dao động từ 8 đến 16 m, phản ánh trạng thái rừng đang trong giai đoạn tích lũy sinh khối mạnh mẽ.

Thứ ba, về mức độ đa dạng thực vật thân gỗ: Trạng thái rừng IIIB có mức độ đa dạng sinh học cao nhất với chỉ số Shannon-Wiener H' đạt 3,82 và chỉ số Simpson D đạt 0,94. Trạng thái IIIA3 đứng thứ hai với H' đạt 3,61 và D đạt 0,91, trong khi trạng thái IIIA2 đạt chỉ số H' là 3,45 và D là 0,89. Độ phong phú loài Kjayaraman đạt giá trị cao nhất tại trạng thái IIIB với R = 8,12, chứng minh mối tương quan thuận giữa thời gian phục hồi rừng không bị tác động với mức độ tích lũy loài.

Thứ tư, về đặc điểm tầng cây tái sinh: Mật độ cây tái sinh dưới tán rừng duy trì ở mức cao, dao động từ 6.800 đến 9.400 cây/ha. Nguồn gốc tái sinh từ hạt chiếm ưu thế vượt trội từ 76,5% đến 81,2%, trong khi tái sinh từ chồi chiếm 18,8% đến 23,5%. Tỷ lệ cây tái sinh đạt chất lượng tốt chiếm từ 58,4% đến 72,1%, cây chất lượng trung bình chiếm 20,5% đến 31,2%, và cây phẩm chất xấu chỉ chiếm dưới 10,4%. Tuy nhiên, trên 65% cây con tập trung ở cấp chiều cao dưới 1,5 m, trong khi lớp cây triển vọng cao trên 1,5 m chỉ đạt khoảng 22% đến 28%. Phân bố cây tái sinh trên mặt đất tuân theo quy luật phân bố cụm với hệ số Poisson K dao động từ 1,32 đến 1,78.

Thảo luận kết quả

Quy luật phân bố đường kính dạng chữ J ngược và sự chiếm ưu thế của cây gỗ đường kính nhỏ chứng minh các trạng thái rừng IIIA2, IIIA3 và IIIB tại Phia Oắc - Phia Đén đang trải qua diễn thế phục hồi tích cực sau các giai đoạn khai thác chọn trong quá khứ. Kết quả này tương đồng với các công bố khoa học của các chuyên gia lâm nghiệp tại vùng Mã Đà (Đồng Nai) và Hương Sơn (Hà Tĩnh). Việc hàm Weibull ba tham số nắn khớp hoàn hảo với phân bố thực nghiệm khẳng định tính mềm dẻo của mô hình trong việc mô tả cấu trúc rừng tự nhiên nhiều tầng tán trên địa hình núi đất dốc miền Bắc.

Động thái tái sinh chịu ảnh hưởng mật thiết từ các nhân tố sinh thái cục bộ, đặc biệt là độ tàn che tán rừng và lớp thảm tươi cây bụi. Dưới tán rừng có độ tàn che từ 0,6 đến 0,7, mật độ và chất lượng cây tái sinh đạt giá trị tối ưu với tỷ lệ cây tốt vượt 70%. Tại những khoảng trống tán rừng có độ tàn che dưới 0,4, mật độ cây con tuy xuất hiện dày đặc nhưng sự cạnh tranh gay gắt của thảm cỏ và cây bụi khiến tỷ lệ cây con sống sót và vươn lên cấp chiều cao trên 1,5 m giảm sút chỉ còn dưới 40%.

Để trực quan hóa các kết quả này, toàn bộ phân bố thực nghiệm N/D1.3 và N/Hvn có thể được trình bày thông qua biểu đồ cột tần số kết hợp đường cong lý thuyết Weibull đa tham số. Tỷ lệ chất lượng cây tái sinh và cơ cấu nguồn gốc hạt - chồi rất thích hợp biểu diễn qua biểu đồ tròn hoặc biểu đồ miền tích lũy, giúp người quản lý rừng dễ dàng so sánh diễn biến động thái giữa các trạng thái lâm phần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu cấu trúc và tái sinh rừng, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể được đề xuất nhằm thúc đẩy phục hồi hệ sinh thái rừng tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén:

  1. Tăng cường tuần tra, bảo vệ nghiêm ngặt diện tích rừng tự nhiên: Ban Quản lý Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén chủ trì phối hợp chặt chẽ với Hạt Kiểm lâm huyện Nguyên Bình và chính quyền 5 xã vùng đệm thiết lập các trạm chốt cố định, kiểm soát triệt để 4.035,5 ha thuộc phân khu bảo vệ nghiêm ngặt. Mục tiêu đặt ra là ngăn chặn 100% các vụ vi phạm khai thác gỗ và săn bắt động vật hoang dã trong giai đoạn 2020 - 2025.

  2. Áp dụng kỹ thuật lâm sinh xúc tiến tái sinh tự nhiên có làm giàu rừng: Chi cục Kiểm lâm và Ban Quản lý Vườn quốc gia chỉ đạo triển khai biện pháp phát dọn dây leo, cây bụi chèn ép và tỉa thưa cục bộ trên diện tích 4.284,5 ha rừng phục hồi (trạng thái IIIA2 và IIIA3). Biện pháp này hướng tới mục tiêu gia tăng tỷ lệ cây tái sinh triển vọng có chiều cao trên 1,5 m từ mức 25% hiện tại lên trên 55% trong lộ trình từ 3 đến 5 năm.

  3. Thu hái hạt giống và nhân giống bổ sung các loài cây bản địa ưu thế: Ban Quản lý dự án lâm nghiệp địa phương phối hợp với các hộ nhận khoán tổ chức thu hái hạt giống từ các cây mẹ ưu thế có chỉ số IV% cao, tiến hành gieo ươm đạt quy mô 50.000 cây giống bản địa mỗi năm. Tiến hành trồng dặm làm giàu rừng tại những lỗ trống có mật độ tái sinh tự nhiên dưới 3.000 cây/ha trong khung thời gian 2021 - 2026.

  4. Thực thi chính sách chi trả dịch vụ môi trường rừng và sinh kế cộng đồng: Ủy ban nhân dân huyện Nguyên Bình phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn giải ngân kịp thời 100% nguồn kinh phí chi trả dịch vụ môi trường rừng cho cộng đồng dân cư địa phương nhận khoán quản lý rừng. Giải pháp này giúp nâng cao thu nhập người dân vùng đệm thêm 20% đến 30%, qua đó giảm thiểu áp lực khai thác tài nguyên và giữ vững tỷ lệ che phủ rừng trên 84,2% tổng diện tích tự nhiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Quản lý các Vườn quốc gia, Khu bảo tồn thiên nhiên: Luận văn cung cấp hệ thống số liệu định lượng chi tiết về trữ lượng rừng (260 - 315 m3/ha) và phân bố không gian, phục vụ trực tiếp cho việc xây dựng phương án quản lý rừng bền vững, phân kỳ bảo tồn và thiết lập quy chế bảo vệ phân khu nghiêm ngặt 4.035,5 ha.

  2. Các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Lâm học, Sinh thái học: Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên sâu về phương pháp luận ứng dụng hàm phân bố Weibull ba tham số, kiểm định Kolmogorov-Smirnov và chỉ số IV% của Marmillod trong mô hình hóa cấu trúc thảm thực vật nhiệt đới núi đất.

  3. Kỹ sư lâm sinh và cán bộ kỹ thuật tại các ban quản lý rừng phòng hộ, công ty lâm nghiệp: Cung cấp quy trình khảo sát thực địa chuẩn hóa trên 225 phân ô và 45 ô dạng bản, làm cẩm nang hướng dẫn áp dụng các biện pháp tỉa thưa, nuôi dưỡng và xúc tiến tái sinh tự nhiên theo từng trạng thái rừng cụ thể.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan tài trợ dự án phát triển lâm nghiệp bền vững: Nắm bắt các dẫn liệu khoa học thực chứng về mật độ cây tái sinh (6.800 - 9.400 cây/ha) và vai trò của độ tàn che để thiết kế các can thiệp tài chính, dự án bảo tồn đa dạng sinh học và chi trả dịch vụ hệ sinh thái tại vùng núi Đông Bắc.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp xác định tổ thành loài theo chỉ số giá trị quan trọng IV% có ưu điểm gì vượt trội so với tỷ lệ phần trăm số cây đơn thuần? Phương pháp IV% của Daniel Marmillod tích hợp đồng thời tỷ lệ mật độ cá thể và tỷ lệ tổng tiết diện ngang của loài trong lâm phần. Nhờ đó, phương pháp phản ánh chính xác vị thế sinh thái thực sự của loài. Trong thực tế tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén, nhiều loài cây gỗ lớn tuy có số lượng cá thể chiếm dưới 5% nhưng sở hữu sinh khối lớn vẫn đạt IV% trên 5%, giữ vai trò quyết định cấu trúc tầng tán.

Tại sao hàm phân bố Weibull ba tham số lại được đánh giá tối ưu nhất trong việc mô phỏng cấu trúc đường kính N/D1.3 tại khu vực nghiên cứu? Hàm Weibull ba tham số sở hữu tính mềm dẻo vượt trội nhờ tích hợp đồng thời tham số hình dạng, tỷ lệ và vị trí, cho phép mô phỏng chính xác các dạng phân bố lệch trái có độ nhọn phức tạp. Kết quả kiểm định thống kê Kolmogorov-Smirnov đạt giá trị p-value từ 0,125 đến 0,482 (lớn hơn mức ý nghĩa 0,05), chứng minh mô hình nắn khớp hoàn toàn với dữ liệu thực nghiệm tại 09 ô đo đếm.

Tiềm năng phục hồi của tầng cây tái sinh tự nhiên tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén được đánh giá như thế nào? Tiềm năng phục hồi của rừng tự nhiên tại đây rất khả quan nhờ mật độ cây tái sinh trung bình đạt mức cao từ 6.800 đến 9.400 cây/ha với trên 76% có nguồn gốc từ hạt. Tuy nhiên, do hơn 65% cây con tập trung ở cấp chiều cao dưới 1,5 m, lâm phần rất cần sự can thiệp của các biện pháp lâm sinh như phát dọn thực bì chèn ép để nâng cao tỷ lệ sống của cây triển vọng.

Độ tàn che của tán rừng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và mật độ cây tái sinh ra sao? Độ tàn che quyết định lượng ánh sáng xuyên qua tán rừng xuống mặt đất. Khi độ tàn che duy trì ở mức tối ưu từ 0,6 đến 0,7, tỷ lệ cây tái sinh đạt phẩm chất tốt vượt trên 70%. Ngược lại, tại những nơi tán rừng bị phá vỡ mạnh với độ tàn che dưới 0,4, thảm tươi phát triển ồ ạt lấn át cây gỗ tái sinh, khiến tỷ lệ cây con phẩm chất xấu tăng lên trên 25%.

Có thể mở rộng ứng dụng các kết quả nghiên cứu cấu trúc này cho các hệ sinh thái rừng khác tại miền Bắc không? Kết quả nghiên cứu hoàn toàn có thể áp dụng cho các khu rừng tự nhiên núi đất có cùng đai cao từ 700 m đến 1.935 m và lượng mưa bình quân khoảng 1.592 mm/năm. Khi áp dụng cho các dạng rừng trên núi đá vôi hoặc vùng đồi thấp dưới 300 m, các thông số mô hình cần được hiệu chỉnh lại theo đặc thù lập địa và tổ thành loài cây ưu thế của địa phương.

Kết luận

  • Công trình đã định lượng hóa toàn diện các đặc trưng cấu trúc tầng cây cao và tính đa dạng loài của 8.189,5 ha rừng tự nhiên tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén qua ba trạng thái IIIA2, IIIA3 và IIIB.
  • Xác lập cơ sở khoa học khẳng định tính ưu việt của hàm Weibull ba tham số và chỉ số IV% trong việc mô hình hóa phân bố lâm phần với độ tin cậy thống kê cao (p-value lớn hơn 0,05).
  • Đánh giá tiềm năng phục hồi mạnh mẽ của tầng cây tái sinh với mật độ 6.800 đến 9.400 cây/ha, trong đó nguồn gốc từ hạt chiếm trên 76% và cây chất lượng tốt đạt trên 58%.
  • Đề xuất hệ thống 4 giải pháp đồng bộ kết hợp kỹ thuật lâm sinh xúc tiến tái sinh với quản lý nghiêm ngặt 4.035,5 ha vùng lõi và chi trả dịch vụ môi trường rừng.
  • Định hình lộ trình hành động giai đoạn 2020 - 2026 nhằm nâng cao trữ lượng rừng, bảo tồn nguồn gen quý hiếm và duy trì bền vững tỷ lệ che phủ rừng trên 84,2%.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Thúy Hồng đóng góp luận cứ khoa học thực chứng quý giá cho ngành Lâm học Việt Nam. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và kỹ sư lâm sinh hãy khai thác và áp dụng ngay các mô hình cấu trúc này vào thực tiễn quy hoạch, khoanh nuôi và phục hồi rừng bền vững tại địa phương.