Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hệ sinh thái rừng nói chung và đặc biệt là hệ sinh thái rừng tự nhiên nhiệt đới nói riêng có cấu trúc được đánh giá ở mức phức tạp nhất trên trái đất. Bởi vậy, những nghiên cứu về cấu trúc rừng hiện nay luôn là một trong những thách thức đối với các nhà khoa học về lâm nghiệp. Rừng cũng có thể được mô tả bởi cấu trúc, tổ thành, chức năng cũng như là những thay đổi của các yếu tố này. Cấu trúc và tính đa dạng loài của các lâm phần tự nhiên có ảnh hưởng rất lớn đến các chức năng của rừng như phòng hộ, bảo vệ môi trường, bảo tồn tính đa dạng sinh học.
Vì vậy, nghiên cứu về cấu trúc và tính đa dạng của hệ sinh thái rừng đã trở thành một chủ đề nghiên cứu cơ bản và quan trọng. Phần tổng quan này trình bày một số kết quả của các nghiên cứu trong và ngoài nước về đặc điểm cấu trúc, sự đa dạng của các loai thự vật thân gỗ cũng như là những biến động cấu trúc cả rừng tự nhiên. Trên thế giới 1. Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc rừng tự nhiên Nghiên cứu cấu trúc rừng là tìm hiểu quy luật sắp xếp, tổ hợp các thành phần của quần xã thực vật rừng theo không gian và thời gian [99].
Cấu trúc rừng theo không gian là sự liên quan đến vị trí và khoảng cách của cây, chủ yếu phản ánh sự phân bố theo chiều ngang, mức độ hỗn loài và sự khác biệt về kích thước cây. Và cấu trúc theo thời gian thường được liên kết với sự tái sinh, tăng trưởng và trồng rừng, thường bao gồm các yếu tố độc lập như tuổi cây, chiều cao, đường kính, mật độ, tiết diện ngang, sinh khối, chiều rộng tán, diện tích lá và sinh khối gỗ. Cùng với các yếu tố như sự đa dạng sinh học và các yếu tố môi trường, thì cấu trúc lâm phần được coi là yếu tố quan trọng trong việc xác định năng suất của rừng [113]. Dựa trên một bộ dữ liệu lớn từ 600 ô kiểm kê rừng định vị trên khắp vùng cận nhiệt đới Trung Quốc, Ouyang & cộng sự đã kiểm tra ảnh hưởng của các thuộc tính cấu trúc đứng (mật độ cây/ha, độ tuổi và kích thước cây) và các yếu tố môi trường (khí hậu và điều kiện lập địa) tới năng suất rừng [113].
Kết quả cho thấy mật độ lâm 6 phần và độ tuổi là những biến số quan trọng đối với năng suất rừng hơn là tính đa dạng và các yếu tố môi trường. Kết luận cũng chỉ ra rằng, việc điều chỉnh cấu trúc lâm phần có thể rất quan trọng để duy trì năng suất cao ở các khu rừng cận nhiệt đới và nhiệt đới. García-Cox & cộng sự đã có một nghiên cứu nhằm xác định thành phần, cấu trúc và sinh khối trên mặt đất (AGB) của các cá thể thuộc họ Moraceae nhằm đánh giá nguồn sinh khối carbon phụ thuộc vào độ cao địa hình (601–1000 m.) trong khu rừng thường xanh Amazon ở Ecuador [47]. Các đặc điểm cấu trúc rừng như cấu trúc ngang và dọc, đường kính ngang ngực (DBH) và đường kính tán cây đã được xem xét để phân tích.
Kết quả cho thấy, tán của các loài thuộc họ Moraceae chiếm khoảng 16,43% tán cây phía trên trong các ô mẫu. Những cây thuộc họ Moraceae có khả năng lưu trữ carbon theo sinh khối trên mặt đất dự kiến trên mỗi ha là 35,09 tấn/ha, trong đó loài Ficus cuatracasana Dugand là loài có khả năng thu giữ carbon trên mỗi ha dự kiến cao nhất, với 15,737 tấn/ha. Cấu trúc không gian của cây là sự sắp xếp các cây trên mặt một mặt phẳng, có thể là theo chiều ngang hoặc dọc, và được coi là một thuộc tính quan trọng của cấu trúc lâm phần, nó cung cấp các thông tin về sự thay đổi khoảng cách giữa cây - cây thay vì mật độ cây trung bình. Cấu trúc không gian trực tiếp ảnh hưởng đến nhiều quá trình sinh thái trong hệ sinh thái rừng, chẳng hạn như sự phát triển của cây và năng suất cây trồng, độ ổn định cây trồng, hoặc khả năng tái sinh.
Để nghiên cứu đặc điểm cấu trúc không gian của rừng ưu thế bởi loài Thông (Pinus tabulaeformis Carr) ở Trung Quốc, Zhang và cộng sự đã phân tích các đặc điểm cấu trúc không gian trong các mối quan hệ giữa các cây bằng cách sử dụng phân bố 4 chiều của các tham số cấu trúc không gian bao gồm: hệ số đồng góc (W); độ hỗn loài (M); độ ưu thế (U) và độ tàn che (C). Kết quả cho thấy phần lớn cây trong rừng phân bố ngẫu nhiên. Các cây chiếm ưu thế được sắp xếp ngẫu nhiên ở những khu vực rất rậm rạp và được bao quanh bởi cùng một loài. Hai ô thí nghiệm trong nghiên cứu được bố trí khác nhau chủ yếu ở mức độ hỗn hợp loài và ưu thế.
Phần lớn các cây đối chứng trong rừng Thông thuần loài ở Trung Quốc (ô 1) biểu hiện sự hỗn loài ít và tính ưu thế thấp, trong khi các cây trong rừng Thông hỗn giao 7 Trung Quốc (ô 2) phân bố đều và hầu hết các cây đều có ưu thế trung gian. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng của cây, tái sinh và đa dạng môi trường sống cũng như cải thiện chất lượng rừng ở quy mô nhỏ [176]. Những vấn đề liên quan đến các quá trình và cơ chế đã điều chỉnh sự chung sống của loài và cấu trúc quần xã thực vật, đặc biệt là ở các phạm vi không gian khác nhau đã được xem xét trong rất nhiều nghiên cứu. Barot & cộng sự đã nhấn mạnh ảnh hưởng của các yếu tố nội sinh và ngoại sinh đến phân bố không gian và thời gian của các loài cây [12].
Các nghiên cứu khác đã điều tra tương tác cùng loài và khác loài [21, 23], phát tán hạn chế [59] hay ổ sinh thái [27]. Tilman & cộng sự nhấn mạnh rằng mô hình không gian của cây có thể được giải thích bởi ảnh hưởng của môi trường sống không đồng nhất và các trạng thái cân bằng của các loài phụ thuộc vào khả năng phát tán và cạnh tranh [136]. Phát tán bị giới hạn bởi khoảng cách hay phát tán hạn chế được coi là cơ chế tiềm năng cho việc tách các loài cây trong không gian và làm giảm tính cạnh tranh loại bỏ [126]. Bên cạnh đó, phân bố dạng đám mảng của cây cũng là do sự môi trường sinh thái thích hợp ở những nơi mà các quá trình sinh thái và nguồn tài nguyên hạn chế có thể tác động đến phân bố không gian một cách đồng thời [50].
Phân bố dạng cụm của một loài có thể do phát tán hạn chế hoặc môt trường sống không đồng nhất hoặc cả hai yếu tố này [156]. Cơ chế này được xem xét bởi việc mật độ cùng loài giảm theo khoảng cách trong động thái rừng như bổ sung, phát triển và tồn tại. Tương tác trực tiếp giữa cây-cây thường được quan sát ở phạm vi không gian hẹp trong khi ở phạm vi lớn có thể bị lu mờ bởi các yếu tố môi trường [161]. Getzin & cộng sự cho rằng có thể tách ảnh hưởng của của các yếu tố này có thể dựa vào các phân tích thống kê không gian ở trạng thái không đồng nhất [50].
Kết quả kiểm tra tác động của nhiều yếu tố phi sinh học (khí hậu, đất, tuổi và địa hình) và các yếu tố sinh học (đa dạng phân loại và cấu trúc, đa dạng chức năng và các đặc điểm chung của quần xã thực vật và sự không đồng nhất của loài) về độ ổn định của sinh khối và các thành phần của nó (sinh khối trung bình và sự biến đổi sinh khối) theo thời gian cho thấy sự đa dạng về cấu trúc và chức năng có tác động yếu hơn đến sự ổn định sinh khối. Tuổi rừng và sự đa dạng về cấu trúc làm tăng 8 sinh khối trung bình và sự biến đổi sinh khối một cách đáng kể và đồng thời. Các quần xã bị chi phối bởi các loài cây có tỷ trọng gỗ cao có độ ổn định sinh khối cao. Kết quả này cho thấy rằng sự không đồng nhất của loài là cơ chế chính được đề xuất để giải thích tác động ổn định của tính đa dạng đối với sinh khối quần xã.
Các yếu tố đất và khí hậu cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành mối quan hệ ổn định-đa dạng. Kết quả này cung cấp cái nhìn mới về mức độ đa dạng của cây ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ sinh thái trên các loại đa dạng quần xã và biên độ môi trường ở phạm vi rộng [167]. Meng & cộng sự đã so sánh cấu trúc và đặc điểm của thảm thực vật giữa các khu rừng thứ sinh nhiệt đới bị suy thoái trên đảo Hải Nam của Trung Quốc [86], đại diện cho hai giai đoạn diễn thế (SF1 và SF2) và một khu rừng nguyên sinh để cung cấp thông tin hỗ trợ quá trình phục hồi rừng. Các tác giả quan sát thấy không có sự khác biệt đáng kể về tổng mật độ cây giữa các loại rừng, nhưng tổng tiết diện ngang ở rừng nguyên sinh cao hơn đáng kể.
Phân bố đường kính khác nhau đáng kể giữa rừng nguyên sinh và rừng thứ sinh, nhưng hai trạng thái rừng thứ sinh không khác biệt đáng kể. SF1 bị chi phối bởi loài cây Macaranga denticulata và SF2 bởi Cratoxylon ligustrinum, trong khi rừng nguyên sinh là Engelhardtia chrysolepis. Chỉ số đa dạng Simpson và Shannon ở rừng nguyên sinh cao hơn rừng thứ sinh. Hệ số tương đồng Jaccard và chỉ số Morisita-Horn cho thấy độ tương đồng giữa hai rừng thứ sinh lớn hơn và độ tương đồng thấp nhất giữa SF1 và rừng nguyên sinh.
Hiểu được đặc điểm cấu trúc và thực vật của các giai đoạn diễn thế khác nhau là rất quan trọng để quản lý quá trình phục hồi rừng. Woldearegay & cộng sự đã tiến hành điều tra rừng Bore–Anferara–Wadera, Ethiopia để nghiên cứu cấu trúc thảm thực vật [166]. Các loài thực vật thân gỗ cao hơn hoặc bằng 3 m được đếm và đo chiều cao cũng như đường kính ngang ngực của chúng. Mật độ, tần suất, tiết diện ngang và giá trị tầm quan trọng (IV) của các loài thực vật thân gỗ đã được tính toán.
Các kết quả điều tra cho thấy, phân bố số cây theo đường kính và chiều cao khác nhau cho thấy tỷ lệ cá thể tương đối cao ở các cấp thấp hơn, cho thấy tác động của những xáo trộn do con người gây ra trong quá khứ.