Tổng quan nghiên cứu

Vườn Quốc gia Cúc Phương là khu bảo tồn thiên nhiên đặc dụng có quy mô 22.200 ha vùng lõi và khoảng 15.000 ha vùng đệm, nằm trên địa giới hành chính giáp ranh của ba tỉnh Ninh Bình, Hòa Bình và Thanh Hóa. Với diện tích rừng tự nhiên đạt 20.473 ha (chiếm 92,2% tổng diện tích), khu vực này sở hữu hệ sinh thái karst nhiệt đới điển hình cùng mức độ đa dạng sinh học vượt trội, lưu giữ tới 2.103 loài thực vật bậc cao thuộc 917 chi và 231 họ. Mặc dù được khoanh vùng bảo vệ nghiêm ngặt, các hệ sinh thái rừng tại đây vẫn liên tục chịu tác động từ các yếu tố xáo trộn tự nhiên như cây đổ gãy do bão gió cũng như xáo trộn nhân sinh lịch sử qua các hoạt động khai thác chọn trước đây.

Vấn đề nghiên cứu then chốt đặt ra là làm thế nào để định lượng chính xác sự biến đổi về cấu trúc lâm phần, tính đa dạng thành phần loài và các quy luật tương tác không gian giữa các cá thể cây gỗ dưới ảnh hưởng của các mức độ xáo trộn khác nhau. Mục tiêu cụ thể của công trình là tiến hành đo đếm, so sánh chi tiết các chỉ số mật độ, tiết diện ngang thân cây, phân bố số cây theo cấp đường kính ($N/D$), chỉ số đa dạng sinh học và mô hình điểm không gian giữa trạng thái rừng nguyên sinh và thứ sinh.

Phạm vi không gian được thực hiện tại vùng lõi Vườn Quốc gia Cúc Phương với hệ thống 03 ô tiêu chuẩn định vị có diện tích 1 ha mỗi ô (tổng diện tích khảo sát trực tiếp là 3 ha). Quá trình thu thập dữ liệu ngoại nghiệp diễn ra liên tục từ ngày 11/11/2016 đến ngày 31/03/2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp hệ thống số liệu định lượng chi tiết với hơn 2.400 cá thể cây gỗ được xác định tọa độ chính xác, hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên rừng và định hướng các can thiệp kỹ thuật lâm sinh bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của các học thuyết sinh thái học quần xã và cấu trúc không gian rừng nhiệt đới hiện đại:

  • Lý thuyết phù hợp ổ sinh thái (Niche Theory): Giả định rằng sự chung sống hòa bình của nhiều loài thực vật trong cùng một sinh cảnh là kết quả của sự phân hóa thích nghi về hình thái, nhu cầu dinh dưỡng, ánh sáng và phân tầng không gian.
  • Giả thuyết Janzen-Connell và mở rộng bảo vệ nhóm loài (Species Herd Protection): Giải thích mật độ tái sinh quanh cây mẹ thường bị giới hạn bởi các sinh vật gây hại chuyên biệt, thúc đẩy sự phân tán hạt ra xa và tạo điều kiện cho các loài khác cùng tồn tại xen kẽ.
  • Lý thuyết trung lập (Neutral Theory) của Hubbell: Đưa ra giả định ngẫu nhiên về sự tương đương sinh thái giữa các cá thể cây trong quá trình sinh sản, phát tán, sinh trưởng và tử vong.

Các khái niệm chính được ứng dụng gồm:

  • Cấu trúc lâm phần: Sự sắp xếp các cấu phần thực vật theo chiều thẳng đứng, mặt phẳng ngang và biến thiên thời gian.
  • Chỉ số giá trị quan trọng ($IV%$): Chỉ số tích hợp giữa mật độ tương đối ($N%$) và tiết diện ngang tương đối ($G%$) nhằm xác định vai trò sinh thái của loài.
  • Phân tích mô hình điểm không gian (Point Pattern Analysis): Phương pháp thống kê không gian xác định tính chất phân bố cụm, ngẫu nhiên hoặc đồng đều của các cá thể cây.
  • Mô hình hoàn toàn ngẫu nhiên không gian ($CSR$ - Complete Spatial Randomness): Mô hình lý thuyết chuẩn để kiểm định các giả thuyết về tương tác sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Công trình áp dụng phương pháp lập ô tiêu chuẩn điển hình tạm thời đại diện cho hai trạng thái rừng:

  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Lập 03 ô tiêu chuẩn ($OTC$) diện tích $1\text{ ha}$ ($100\text{ m} \times 100\text{ m}$) tại vùng lõi VQG Cúc Phương, gồm $01\text{ OTC}$ rừng nguyên sinh (OTC 1) và $02\text{ OTC}$ rừng thứ sinh (OTC 2 và OTC 3). Mỗi ô tiêu chuẩn $1\text{ ha}$ được chia nhỏ thành lưới 100 phân ô đo đếm diện tích $100\text{ m}^2$ ($10\text{ m} \times 10\text{ m}$) bằng cọc tiêu định vị.
  • Thu thập dữ liệu ngoại nghiệp: Tiến hành điều tra toàn diện $100%$ các cá thể cây gỗ có đường kính ngang ngực $D_{1.3} \ge 2,5\text{ cm}$. Xác định chu vi thân cây bằng thước dây chuyên dụng chính xác đến $0,5\text{ cm}$, định danh loài thực vật và xác định tọa độ không gian hai chiều $(x, y)$ của từng cá thể bằng thước đo khoảng cách laser độ chính xác $0,1\text{ cm}$ kết hợp la bàn địa chất.
  • Phương pháp và công cụ xử lý dữ liệu:
    • Tính toán công thức tổ thành và chỉ số đa dạng Shannon-Wiener ($H'$), Simpson ($D$).
    • Phân tích mô hình điểm không gian sử dụng hàm tương quan theo cặp: hàm một biến số $g_{11}(r)$ cho quan hệ cùng loài và hàm hai biến số $g_{12}(r)$ cho quan hệ khác loài trong dải cự ly $0 - 50\text{ m}$.
    • Sử dụng phần mềm chuyên dụng Programita để thực hiện 199 lần mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo, thiết lập khoảng tin cậy $95%$ nhằm loại trừ các sai số thống kê do tính không đồng nhất của điều kiện lập địa.
  • Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp hàm tương quan cặp $g(r)$ vượt trội hơn các chỉ số khoảng cách truyền thống vì phân tích mật độ chuẩn hóa tại từng bán kính khoảng cách cụ thể mà không chịu hiệu ứng cộng dồn sai số, cho phép bóc tách chính xác tương tác cây - cây thực sự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra và xử lý dữ liệu đã ghi nhận các kết quả cụ thể trên 3 ô tiêu chuẩn nghiên cứu:

  • Biến động mật độ và tiết diện ngang: Mật độ lâm phần dao động từ 601 cây/ha đến 1.006 cây/ha. Rừng nguyên sinh (OTC 1) đạt mật độ 825 cây/ha với tổng tiết diện ngang $36,00\text{ m}^2\text{/ha}$. Trong khi đó, rừng thứ sinh thể hiện hai thái cực: OTC 2 có mật độ thấp nhất với 601 cây/ha và tiết diện ngang $19,78\text{ m}^2\text{/ha}$ (giảm $45,06%$ so với rừng nguyên sinh); ngược lại, OTC 3 đạt mật độ cao nhất lên tới 1.006 cây/ha và tiết diện ngang $36,34\text{ m}^2\text{/ha}$.
  • Cấu trúc tổ thành và đa dạng loài:
    • Tại OTC 1 (Nguyên sinh), phát hiện 106 loài cây gỗ, các loài chiếm ưu thế gồm Vàng anh ($IV = 9,32%$), Nang trứng ($7,49%$), Phân mã ($6,85%$), Thừng mực ($5,06%$). Chỉ số $H' = 0,860$ và $D = 0,963$.
    • Tại OTC 2 (Thứ sinh), ghi nhận 82 loài, ưu thế gồm Vàng anh ($IV = 12,58%$), Tèo nông ($9,90%$), Nhò vàng ($7,44%$), Màu cau đất ($6,89%$). Chỉ số $H' = 0,964$ và $D = 0,953$.
    • Tại OTC 3 (Thứ sinh), có 89 loài, ưu thế tuyệt đối thuộc về Nhò vàng ($IV = 25,72%$), Cà lồ ($18,39%$), Vàng anh ($12,28%$). Chỉ số $H' = 0,941$ và $D = 0,825$.
  • Quy luật phân bố số cây theo cấp đường kính ($N/D$): Đường cong phân bố $N/D$ trên cả 3 ô tiêu chuẩn đều có dạng hình chữ J ngược đặc trưng cho rừng tự nhiên nhiệt đới không đồng tuổi. Tỷ lệ cây có đường kính nhỏ ($D_{1.3} < 15\text{ cm}$) chiếm trên $70%$ tổng số cá thể. Số lượng cây giảm nhanh khi cấp kính tăng lên, tuy nhiên vẫn ghi nhận một số cây đại thụ có đường kính từ $100\text{ cm}$ đến $160\text{ cm}$ ở cả rừng nguyên sinh và thứ sinh.
  • Quy luật phân bố không gian cùng loài: Phân tích hàm $g_{11}(r)$ cho thấy hơn $75%$ các loài ưu thế phân bố theo kiểu cụm ở dải khoảng cách hẹp từ $1\text{ m}$ đến $34\text{ m}$ (ví dụ: Phân mã cụm ở $3 - 8\text{ m}$, Nhò vàng cụm ở $1 - 34\text{ m}$). Một số ít loài phân bố ngẫu nhiên như Thừng mực (OTC 1), Vàng anh (OTC 2) và Cà lồ (OTC 3).
  • Tương tác không gian khác loài: Toàn bộ $100%$ các cặp loài ưu thế được kiểm tra qua hàm hai biến số $g_{12}(r)$ đều thể hiện mối quan hệ độc lập trong suốt dải khoảng cách từ $0\text{ m}$ đến $50\text{ m}$. Không xuất hiện tương tác cạnh tranh loại trừ hay hỗ trợ tương hỗ rõ rệt ở cấp độ quần thể cây gỗ lớn.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về mật độ và tiết diện ngang giữa các ô tiêu chuẩn phản ánh rõ nét lịch sử xáo trộn của lâm phần. Trạng thái OTC 2 từng trải qua khai thác chọn làm mật độ cây tầng cao suy giảm mạnh, kéo theo tiết diện ngang chỉ đạt $19,78\text{ m}^2\text{/ha}$. Ngược lại, trạng thái OTC 3 đang ở giai đoạn phục hồi mạnh mẽ sau xáo trộn, tạo điều kiện cho các loài cây tiên phong ưa sáng như Nhò vàng bùng nổ mật độ ($392\text{ cây/ha}$, chiếm $25,72%\text{ IV}$), đẩy tổng mật độ lên mức đỉnh $1.006\text{ cây/ha}$.

Về mặt đa dạng loài, chỉ số Shannon-Wiener ở rừng thứ sinh ($H' = 0,964$) cao hơn so với rừng nguyên sinh ($H' = 0,860$). Hiện tượng này hoàn toàn phù hợp với giả thuyết xáo trộn trung bình (Intermediate Disturbance Hypothesis), khi các khoảng trống tán rừng tạo cơ hội cho cả loài ưa sáng lẫn loài chịu bóng cùng xâm nhập và phát triển.

Quy luật phân bố cụm ở cự ly $1 - 34\text{ m}$ được khẳng định bắt nguồn chủ yếu từ cơ chế phát tán hạt hạn chế quanh gốc cây mẹ thay vì sự chia cắt lập địa, bởi vì việc kiểm định mô hình điểm của các cây thành thục ($D_{1.3} \ge 15\text{ cm}$) đã chứng minh tính đồng nhất của môi trường đất karst trong các ô tiêu chuẩn. Mô hình tương tác độc lập ($g_{12}(r) = 1$) ở quy mô $0 - 50\text{ m}$ chứng minh rằng trong rừng nhiệt đới đa loài với mật độ từng loài tương đối loãng, các cá thể khác loài cùng chia sẻ không gian dinh dưỡng mà không tạo ra áp lực cạnh tranh triệt tiêu lẫn nhau.

Các dữ liệu phân bố $N/D$ và biến thiên hàm tương quan cặp $g(r)$ trong nghiên cứu được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ phân bố tần số đường kính kết hợp đường bao tin cậy $95%$ Monte Carlo và ma trận tương tác loài, giúp người đọc dễ dàng theo dõi động thái lâm phần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các bằng chứng thực nghiệm về cấu trúc và động thái không gian rừng tại Vườn Quốc gia Cúc Phương, các giải pháp quản trị và kỹ thuật lâm sinh trọng tâm được đề xuất như sau:

  • Thiết lập mạng lưới định vị giám sát diễn thế đa dạng sinh học dài hạn: Ban Quản lý Vườn Quốc gia Cúc Phương cần duy trì và mở rộng hệ thống 03 ô tiêu chuẩn cố định diện tích $1\text{ ha}$ thành mạng lưới 10 ô định vị trên toàn bộ $22.200\text{ ha}$ diện tích rừng đặc dụng. Thực hiện chu kỳ tái điều tra 5 năm/lần cho toàn bộ cây có $D_{1.3} \ge 2,5\text{ cm}$ nhằm theo dõi liên tục biến động mật độ, tái sinh và sinh trưởng đến năm 2035.
  • Áp dụng biện pháp lâm sinh nuôi dưỡng và xúc tiến tái sinh tự nhiên có điều tiết: Chi cục Kiểm lâm phối hợp cùng lực lượng bảo vệ rừng triển khai khoanh nuôi xúc tiến tái sinh có can thiệp tại các lâm phần thứ sinh nghèo kiệt (mật độ dưới $650\text{ cây/ha}$ và tiết diện ngang dưới $20\text{ m}^2\text{/ha}$ như OTC 2). Mục tiêu phấn đấu nâng tiết diện ngang tầng tán chính lên mức trên $30\text{ m}^2\text{/ha}$ trong giai đoạn 2026 - 2030 thông qua việc bảo vệ nghiêm ngặt các cây mẹ gieo giống đường kính $D_{1.3} > 60\text{ cm}$.
  • Giảm thiểu áp lực nhân sinh từ cộng đồng dân cư vùng đệm: Ủy ban nhân dân các huyện giáp ranh thuộc ba tỉnh Ninh Bình, Hòa Bình, Thanh Hóa cần phối hợp xây dựng các mô hình sinh kế nông lâm kết hợp bền vững cho cộng đồng dân cư có mật độ trung bình $138\text{ người/km}^2$. Đặt mục tiêu giảm $80%$ các vụ việc xâm nhập rừng lấy gỗ và khai thác lâm sản ngoài gỗ trái phép trước năm 2028.
  • Số hóa cơ sở dữ liệu không gian và quản trị tài nguyên rừng bằng công nghệ GIS: Phòng Khoa học và Hợp tác Quốc tế của Vườn Quốc gia chủ trì xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu số hóa tọa độ cây rừng, tích hợp bản đồ số độ phân giải cao cho $20.473\text{ ha}$ rừng tự nhiên, hoàn thành nghiệm thu và đưa vào vận hành trong quý IV năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Lâm học, Sinh thái học, Quản lý tài nguyên rừng: Cung cấp tài liệu mẫu mực về quy trình thiết lập ô tiêu chuẩn $1\text{ ha}$, phương pháp điều tra tọa độ cây rừng và kỹ thuật phân tích mô hình điểm không gian bằng phần mềm Programita với 199 lần mô phỏng Monte Carlo.
  • Cán bộ quản lý tại các Vườn Quốc gia và Khu bảo tồn thiên nhiên: Tham khảo khung dữ liệu định lượng về chỉ số giá trị quan trọng ($IV%$), mật độ và tiết diện ngang để xây dựng các phương án quản lý rừng bền vững và bảo tồn các loài thực vật nguy cấp.
  • Chuyên gia quy hoạch phục hồi sinh thái và kỹ sư lâm sinh: Vận dụng các quy luật phân bố cụm ở cự ly $1 - 34\text{ m}$ và tương tác không gian độc lập để thiết kế mật độ, khoảng cách trồng dặm, làm giàu rừng bằng các loài bản địa như Vàng anh, Nang trứng, Cà lồ một cách khoa học.
  • Các tổ chức phi chính phủ và mạng lưới bảo tồn thiên nhiên quốc tế: Sử dụng bộ chỉ số đa dạng Shannon-Wiener ($H'$), Simpson ($D$) và hiện trạng phân bố karst làm dữ liệu tham chiếu trong các chương trình đánh giá đa dạng sinh học và thích ứng biến đổi khí hậu tại khu vực Đông Nam Á.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao chỉ số đa dạng loài ở rừng nguyên sinh lại thấp hơn rừng thứ sinh trong nghiên cứu này?

Kết quả điều tra tại ô tiêu chuẩn 1 ha cho thấy rừng nguyên sinh có $H' = 0,860$, thấp hơn rừng thứ sinh ($H' = 0,964$). Điều này phản ánh quy luật diễn thế: rừng nguyên sinh đã đạt trạng thái đỉnh cực ổn định, các loài ưu thế chiếm lĩnh tán trên, trong khi rừng thứ sinh sau xáo trộn có độ mở tán lớn, tạo điều kiện cho nhiều nhóm loài tiên phong và chịu bóng cùng phát triển đồng thời.

Đường cong phân bố số cây theo cấp đường kính dạng chữ J ngược có ý nghĩa lâm sinh như thế nào?

Đường cong chữ J ngược với hơn $70%$ số cây tập trung ở cấp kính nhỏ ($D_{1.3} < 15\text{ cm}$) chứng minh lâm phần có cấu trúc không đồng tuổi bền vững và khả năng tái sinh tự nhiên rất tốt. Tầng cây kế cận dồi dào sẽ liên tục thay thế cho các cây già cỗi hoặc bị đổ gãy tự nhiên theo thời gian.

Ưu thế của việc ứng dụng hàm tương quan theo cặp g(r) so với hàm Ripley’s K truyền thống là gì?

Hàm $g(r)$ là đạo hàm của hàm Ripley’s $K(r)$, cho phép phân tích mật độ cây chuẩn hóa tại từng khoảng cách bán kính $r$ riêng biệt thay vì tích lũy toàn bộ khoảng cách từ $0$ đến $r$. Nhờ đó, phương pháp này loại bỏ được hiện tượng nhiễu sai số và phản ánh chính xác tương tác thực tại dải $0 - 50\text{ m}$.

Kết quả kiểm định tương tác không gian khác loài độc lập thể hiện điều gì về mặt sinh thái?

Phân tích hàm hai biến số $g_{12}(r)$ cho thấy toàn bộ $100%$ các cặp loài ưu thế đều có giá trị nằm trong khoảng tin cậy $95%$. Điều này khẳng định giữa các loài cây gỗ ưu thế không có sự cạnh tranh triệt tiêu lẫn nhau hay phụ thuộc hỗ trợ bắt buộc, mà chúng cùng tồn tại nhờ thích ứng phân chia vi không gian dinh dưỡng.

Tại sao phần lớn các loài cây ưu thế tại Cúc Phương lại có phân bố không gian kiểu cụm?

Kiểu phân bố cụm ở dải cự ly $1 - 34\text{ m}$ (ghi nhận ở các loài như Nhò vàng, Phân mã, Nang trứng) được điều tiết chủ yếu bởi đặc tính sinh học phát tán hạt hạn chế của cây mẹ. Hạt giống rụng và nảy mầm tập trung quanh gốc trước khi các yếu tố chọn lọc tự nhiên làm thưa dần mật độ theo khoảng cách.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng thành công cấu trúc lâm phần và quan hệ không gian cây gỗ trên quy mô 3 ô tiêu chuẩn định vị diện tích 1 ha tại hai trạng thái rừng nguyên sinh và thứ sinh ở Vườn Quốc gia Cúc Phương.
  • Mật độ lâm phần dao động từ 601 cây/ha đến 1.006 cây/ha với tổng tiết diện ngang đạt từ $19,78\text{ m}^2\text{/ha}$ đến $36,34\text{ m}^2\text{/ha}$, phản ánh rõ nét mức độ phục hồi sinh thái sau các biến động xáo trộn.
  • Quy luật phân bố số cây theo cấp đường kính tuân thủ chặt chẽ dạng hàm giảm chữ J ngược, đảm bảo tiềm năng tái sinh và tính ổn định tự điều chỉnh của hệ sinh thái rừng nhiệt đới.
  • Phân bố không gian cùng loài chủ yếu thể hiện dạng cụm ở cự ly $1 - 34\text{ m}$ do phát tán hạn chế, trong khi tương tác khác loài giữa các loài ưu thế đạt trạng thái độc lập hoàn toàn trong phạm vi $0 - 50\text{ m}$.
  • Công trình đóng góp cơ sở dữ liệu định lượng quan trọng cho công tác quản trị $20.473\text{ ha}$ rừng tự nhiên tại Cúc Phương và định hướng các biện pháp lâm sinh bền vững trong giai đoạn 2026 - 2035; các nhà quản lý và nghiên cứu được khuyến nghị áp dụng rộng rãi phương pháp mô hình điểm không gian trong công tác giám sát đa dạng sinh học.