Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu cấu trúc rừng lá rộng thường xanh và tính đa dạng thực vật thân gỗ tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén tỉnh Cao Bằng" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Quốc Minh Dũng, chuyên ngành Lâm sinh (mã số: 9620205) tại Trường Đại học Lâm nghiệp, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Quốc Hưng và PGS. Nguyễn Hồng Hải, hoàn thành năm 2025.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cao Bằng là tỉnh vùng cao biên giới phía Đông Bắc Việt Nam, có diện tích rừng và đất rừng đạt 534.483,1 ha (chiếm 79,68% diện tích tự nhiên toàn tỉnh). Vườn quốc gia (VQG) Phia Oắc - Phia Đén được thành lập theo Quyết định số 57/QĐ-TTg ngày 11/01/2018 của Thủ tướng Chính phủ trên cơ sở nâng hạng từ Khu bảo tồn thiên nhiên, tổng diện tích tự nhiên là 10.593,5 ha thuộc địa bàn 5 xã/thị trấn của huyện Nguyên Bình (Thành Công, Quang Thành, Phan Thanh, Hưng Đạo và thị trấn Tĩnh Túc). Khu vực có tỷ lệ che phủ rừng đạt 81%, giữ vai trò quan trọng trong điều hòa khí hậu, bảo vệ đất và điều tiết nguồn nước. Tuy nhiên, trong tổng số 6.146,5 ha rừng gỗ tự nhiên, trạng thái rừng nghèo chiếm tỷ lệ lớn nhất. Tác động bất lợi từ lịch sử khai thác, tình trạng phá rừng, mở đường giao thông và lấn chiếm đất làm nương rẫy đã làm suy giảm nghiêm trọng trữ lượng và chất lượng tầng cây gỗ, đe dọa các loài thực vật quý hiếm.

Các nghiên cứu trước đây tại khu vực chủ yếu tập trung vào lập phương án quản lý rừng bền vững, theo dõi diễn biến rừng chu kỳ I-IV, hoặc các khảo sát sơ bộ về cây thuốc, họ Cà phê (Rubiaceae), loài Thu hải đường (Begonia wenshanensis). Đến thời điểm thực hiện đề tài, chưa có công trình nào điều tra toàn diện, có hệ thống về đặc điểm lâm học, cấu trúc không gian và phi không gian, tính đa dạng sinh học và động thái biến động của kiểu rừng lá rộng thường xanh (LRTX) nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén để làm căn cứ khoa học cho công tác phục hồi sinh thái.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu tổng quát: Xác định được một số cơ sở khoa học để phục hồi và phát triển các loài thực vật thân gỗ của rừng tự nhiên lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • (i) Mô tả được đặc điểm cấu trúc rừng lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại khu vực nghiên cứu.
    • (ii) Mô tả được tính đa dạng loài thực vật thân gỗ của rừng lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại khu vực nghiên cứu.
    • (iii) Xác định được biến động cấu trúc quần xã rừng lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt trong giai đoạn 2015-2020 tại khu vực nghiên cứu.
    • (iv) Đề xuất được giải pháp phục hồi và phát triển bền vững các loài thực vật thân gỗ tại khu vực nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quần xã thực vật rừng lá rộng thường xanh nghèo (LRTXN) và nghèo kiệt (LRTXK) tại VQG Phia Oắc - Phia Đén, trọng tâm là đặc điểm lâm học và biến động cấu trúc lâm phần.
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào cấu trúc lâm phần, đa dạng loài thực vật thân gỗ, biến động cấu trúc giai đoạn 2015-2020 và đề xuất giải pháp kỹ thuật phục hồi rừng.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện chọn mẫu điển hình trên 02 ô định vị (ODV) theo dõi sinh thái rừng quốc gia số 12 và số 13 tại VQG Phia Oắc - Phia Đén.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm được thu thập và theo dõi trong giai đoạn 2015 - 2020, kế thừa chu kỳ điều tra và hoàn thiện luận án đến năm 2025.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã tổng thuật 148 tài liệu tiếng Anh, phân loại theo ba mạch nghiên cứu:

  • Cấu trúc rừng tự nhiên và phân tích không gian: Ouyang & cộng sự [113] phân tích dữ liệu 600 ô kiểm kê cận nhiệt đới Trung Quốc, chỉ ra mật độ lâm phần và độ tuổi quyết định năng suất rừng mạnh hơn tính đa dạng loài và yếu tố môi trường. García-Cox & cộng sự [47] nghiên cứu họ Moraceae ở rừng Amazon (Ecuador), ghi nhận sinh khối trên mặt đất (AGB) trung bình 35,09 tấn/ha. Zhang & cộng sự [176] phân tích cấu trúc không gian 4 chiều (hệ số đồng góc W, độ hỗn loài M, độ ưu thế U, độ tàn che C) của rừng Pinus tabulaeformis. Meng & cộng sự [86] so sánh rừng thứ sinh suy thoái (SF1, SF2) với rừng nguyên sinh tại đảo Hải Nam (Trung Quốc), phát hiện tiết diện ngang và các chỉ số Shannon, Simpson ở rừng nguyên sinh cao hơn rõ rệt. Woldearegay & cộng sự [166] khảo sát cấu trúc thực vật thân gỗ tại Ethiopia, ghi nhận sự suy giảm ở các cấp kích thước lớn do xáo trộn nhân sinh. Culmsee & cộng sự [30] đánh giá vai trò của yếu tố sinh thái và địa sinh học định hình rừng Malesia. Các công trình về phân tích mô hình điểm không gian của Lan & cộng sự [69] (rừng mưa Xishuangbanna 20 ha ghi nhận 80% cây non phân bố cụm ở cự ly 0-10 m và giảm dần theo cấp tuổi), Fibich & cộng sự [42] (sử dụng hàm Ripley's K tại New Guinea), và Fangliang & cộng sự [41] (rừng Pasoh 50 ha tại Malaysia với 80,4% loài phân bố cụm) chứng minh các cơ chế phát tán hạn chế, tương tác cây - cây và tỷ lệ chết phụ thuộc mật độ.
  • Đa dạng loài và đa dạng phát sinh chủng loại: Reddy & cộng sự [89, 132] khảo sát đa dạng thực vật thân gỗ tại Đông Ghats (Ấn Độ). Về đa dạng tiến hóa, Faith [37] đề xuất chỉ số đa dạng phát sinh loài (PD) dựa trên tổng chiều dài nhánh cây phát sinh; Webb [154] giới thiệu hai chỉ số khoảng cách theo cặp trung bình (MPD) và khoảng cách taxon gần nhất trung bình (MNTD) áp dụng cho rừng mưa Borneo. Pandit & cộng sự [82] dùng công cụ Phylomatic của Phylocom nghiên cứu phân bố phát sinh loài dọc đai cao dãy Himalaya. Arroyo-Rodríguez & cộng sự [4] phân tích 9.000 cây tại Los Tuxtlas (Mexico), chứng minh sự tuyệt chủng cục bộ xảy ra ngẫu nhiên chứ không tập trung trên toàn bộ cây phát sinh. Về phân bố độ phong phú loài (SAD), nghiên cứu tại Tiankeng [58] kết hợp kiểm định Kolmogorov-Smirnov (K-S) và tiêu chí thông tin Akaike (AIC) cho thấy mô hình trung tính phù hợp hơn mô hình thích hợp trong sinh cảnh lòng hố sụt.
  • Biến động cấu trúc rừng tự nhiên: McDowell & cộng sự [85] xem xét động thái rừng toàn cầu; Barrufol & cộng sự [14] phân tích tốc độ tăng trưởng sinh khối tại Trung Quốc; Suzuki & cộng sự [33] theo dõi 28 năm rừng Lucidophyllous tại miền Trung Nhật Bản, ghi nhận tiết diện ngang tăng từ 29,18 lên 38,71 m²/ha trong khi mật độ giảm từ 666 xuống 404 cây/ha. Zhou & cộng sự [178] theo dõi động thái không gian rừng hỗn giao linh sam - vân sam; Wang & cộng sự [178] phân tích biến động 29 năm tại núi Trường Bạch ở hai đai cao 740 m và 1.680 m.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

Tác giả điểm lại 30 tài liệu tiếng Việt tiêu biểu:

  • Cấu trúc và sinh khối: Cao Thị Thu Hiền & cộng sự [24] mô phỏng phân bố N/D và N/H bằng hàm Weibull tại VQG Ba Vì. Bảo Huy & cộng sự [144] khảo sát 28 ô tiêu chuẩn 1 ha tại 6 vùng sinh thái, xác lập mối quan hệ giữa đa dạng cấu trúc - loài với sinh khối AGB. Trần Văn Đỗ & cộng sự [147] phân tích 173 ô tiêu chuẩn 1 ha rừng già LRTX, xác định lượng mưa tương quan thuận với AGB và tiết diện ngang. Phùng Đình Trung & cộng sự [118] nghiên cứu rừng phục hồi sau khai thác tại Đồng Nai. Nguyễn Văn Thêm & cộng sự [112] ứng dụng chỉ số phức tạp cấu trúc (CI) tại Mã Đà. Nguyễn Hồng Hải & cộng sự [98, 99, 100] ứng dụng kỹ thuật mô hình điểm không gian, phần mềm Crancod tại Thừa Thiên Huế, Đồng Nai và Kon Hà Nừng, xác định chu kỳ sinh thái phục hồi rừng LRTX sau khai thác là 30 năm.
  • Tính đa dạng loài: Lương Thị Hoan & cộng sự [103] nghiên cứu KBTTN Thần Sa - Phượng Hoàng; Lê Đức Thắng & cộng sự [143] đánh giá đa dạng cây gỗ qua các trạng thái rừng tại Mường Phăng (Điện Biên); Trương Quang Cường & cộng sự [148] tại KBTTN Hòn Bà; Phạm Hồng Lương & cộng sự [17] tại VQG Bidoup - Núi Bà; Nguyễn Văn Hợp & cộng sự [90] tại VQG Bù Gia Mập; Hoàng Văn Thang & cộng sự [22] tại VQG Ba Bể; Nguyễn Văn Hùng & cộng sự [107] nghiên cứu loài Tô hạp Điện Biên; Nguyễn Hồng Hải & cộng sự [102] khảo sát rừng LRTX Bình Phước (109 loài, 15 loài IUCN); Trần Văn Đỗ & cộng sự [145] phân tích tương quan sinh khối và độ cao tại Tây Nguyên; Bùi Mạnh Hưng & cộng sự [117] nghiên cứu mối quan hệ giữa đa dạng loài, PD và AGB tại Quảng Bình, Thừa Thiên Huế và Gia Lai.
  • Biến động lâm phần: Nguyễn Thị Thu Hiền & cộng sự [105] theo dõi 5 năm tại VQG Ba Bể và Vũ Quang (cây bổ sung 9 cây/ha/năm, cây chết 7-8 cây/ha/năm); Vũ Tiến Điển & cộng sự [51] tại VQG Tà Đùng; Trần Văn Con & cộng sự [101] tại KBTTN Hang Kia - Pà Cò (tỷ lệ bổ sung 18%, chết 0-12%).
  • Nghiên cứu tại Phia Oắc - Phia Đén: Cao Thị Thu Hiền & cộng sự [25] điều tra 9 ô mẫu 1 ha ghi nhận 119 loài thuộc 45 họ, phân bố N/D tuân theo quy luật Weibull 3 tham số. Trịnh Ngọc Bon & cộng sự [18] công bố loài Begonia wenshanensis. Nguyễn Ngân Hà & cộng sự [95] thống kê 1.199 loài thực vật có mạch, trong đó ngành Ngọc lan chiếm 78,31%. Trần Thế Bách & cộng sự [5] ứng dụng các phần mềm Paup, TreeView, Mega5 và Microsoft Access định loại 35 loài họ Cà phê. Lương Văn Dũng & cộng sự [150] xác định 78 loài thực vật nguy cấp. Nguyễn Thị Thoa & cộng sự [96] ghi nhận 472 loài cây thuốc. Vũ Tiến Chính & cộng sự [151] ghi nhận 741 loài cây thuốc ngành Ngọc lan.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình tại VQG Phia Oắc - Phia Đén trước đây dừng lại ở mức mô tả thực vật học định tính, kiểm kê danh lục hoặc khảo sát diện hẹp. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống:

  1. Thiếu các dẫn liệu định lượng chi tiết về cấu trúc lâm phần (cả cấu trúc phi không gian và cấu trúc không gian theo các giai đoạn sống của cây rừng) đối với hai trạng thái rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt.
  2. Chưa có nghiên cứu ứng dụng đa dạng phát sinh chủng loại (PD) và các mô hình phân bố độ phong phú loài (SAD) trong đánh giá thảm thực vật thân gỗ tại khu vực.
  3. Thiếu dữ liệu thực nghiệm liên tục về biến động cấu trúc lâm phần, tỷ lệ bổ sung, tỷ lệ chết và động thái sinh khối (AGB) theo chu kỳ 5 năm (2015-2020) trên các ô định vị sinh thái chuẩn quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Lý thuyết cấu trúc lâm phần: Cấu trúc rừng được tiếp cận theo hai chiều không gian (vị trí tương đối, khoảng cách giữa các cá thể, phân bố ngang và phân tầng thẳng đứng) và thời gian (sinh trưởng, tái sinh, đào thải và biến động sinh khối) theo quan điểm của Nguyễn Hồng Hải [99].
  • Cơ chế sinh thái điều chỉnh quần xã: Luận án vận dụng hệ thống các giả thuyết sinh thái học gồm: tương tác cây - cây (cạnh tranh và tương hỗ) [21, 135], giả thuyết phát tán hạn chế [59, 126], lý thuyết ổ sinh thái và tính không đồng nhất của môi trường [27, 50, 136], cơ chế chết phụ thuộc mật độ [28, 62], lý thuyết trung lập [32, 60] và cơ chế bảo vệ nhóm loài [71, 94].
  • Khung phân tích phát sinh chủng loại và đa dạng sinh học: Sử dụng hệ thống phân loại thực vật hạt kín APG (Angiosperm Phylogeny Group), cây phát sinh loài megatree; các chỉ số đa dạng loài truyền thống (Shannon-Wiener, Simpson, Margalef), hồ sơ đa dạng Renyi, đường cong tích lũy ECDF, đường cong Robbins; các thước đo tiến hóa gồm đa dạng phát sinh loài (PD) [37], khoảng cách theo cặp trung bình (MPD), khoảng cách taxon gần nhất trung bình (MNTD), chỉ số họ hàng ròng (NRI) và chỉ số taxon gần nhất (NTI) [154].
  • Mô hình phân bố độ phong phú loài (SAD): Đánh giá cấu trúc quần xã thông qua 6 mô hình SAD thực nghiệm và lý thuyết, sử dụng tiêu chí thông tin Akaike (AIC) và kiểm định Kolmogorov-Smirnov (K-S) [58].

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án thực hiện theo hướng tiếp cận thực nghiệm sinh thái học, kết hợp điều tra thực địa định lượng và mô hình hóa toán học:

  • Thiết kế mẫu điều tra: Kế thừa và thu thập số liệu trên 02 ô định vị (ODV) nghiên cứu sinh thái rừng quốc gia (số hiệu ODV 12 và ODV 13). Trong mỗi ODV, thiết lập hệ thống các ô nghiên cứu (ONC), ô đo đếm (ODD) và ô dạng bản (ODB) để thu thập dữ liệu theo các tầng cây.
  • Thu thập dữ liệu tầng cây cao: Đo đếm toàn bộ các cây gỗ có đường kính thân tại vị trí 1,3 m ($D_{1.3}$ hay DBH) đạt tiêu chuẩn quy định; đo chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$), đường kính tán ($D_t$), xác định tọa độ không gian tương đối ($X, Y$), định danh tên loài và ghi nhận tình trạng sống/chết tại hai thời điểm 2015 và 2020. Phân chia cá thể cây thành ba giai đoạn sống: cây non ($D_{1.3} < 10\text{ cm}$), cây sào ($10\text{ cm} \le D_{1.3} \le 30\text{ cm}$) và cây thành thục ($D_{1.3} > 30\text{ cm}$).
  • Thu thập dữ liệu tầng cây tái sinh: Bố trí các ô dạng bản (ODB) trong ODD; kiểm đếm số lượng cá thể, xác định tên loài, phân cấp chiều cao (dưới 0,5 m; 0,5 - 1 m; 1 - 2 m; > 2 m), đánh giá nguồn gốc tái sinh (hạt hay chồi) và phân loại chất lượng cây tái sinh (tốt, trung bình, xấu).
  • Phương pháp phân tích và xử lý dữ liệu:
    • Mô hình hóa cấu trúc phi không gian: Thiết lập hàm tương quan thực nghiệm giữa đường kính ($D_{1.3}$) và chiều cao ($H_{vn}$); mô phỏng phân bố số cây theo cấp đường kính ($N/D_{1.3}$) và cấp chiều cao ($N/H_{vn}$) bằng các hàm phân bố xác suất lý thuyết (Weibull, Meyer, khoảng cách).
    • Phân tích cấu trúc không gian: Ứng dụng phương pháp phân tích mô hình điểm không gian (spatial point pattern analysis), sử dụng hàm tương quan theo cặp một biến số và hai biến số (Ripley's K, g-function); đánh giá tính đồng nhất và tương tác không gian (tương hỗ, cạnh tranh, độc lập) giữa các giai đoạn sống.
    • Đánh giá cấu trúc tổ thành: Tính toán chỉ số giá trị quan trọng ($IV%$) để xác lập công thức tổ thành tầng cây gỗ và cây tái sinh.
    • Phân tích đa dạng phát sinh chủng loại: Dựng cây phát sinh loài cho ODV 12 và 13 bằng phần mềm/công cụ Phylomatic dựa trên hệ thống APG; tính toán các chỉ số PD, MPD, MNTD, NRI, NTI.
    • Mô phỏng SAD: Kiểm định mức độ phù hợp của 6 mô hình phân bố độ phong phú loài qua giá trị sai số K-S và $\Delta\text{AIC}$.
    • Đánh giá biến động lâm phần và sinh khối: So sánh định lượng giai đoạn 2015-2020 về mật độ ($N/\text{ha}$), tổng tiết diện ngang ($\sum G/\text{ha}$), trữ lượng ($M/\text{ha}$), tỷ lệ cây chết, cây bổ sung, sự dịch chuyển cấp kính và biến động sinh khối trên mặt đất (AGB).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu sơ cấp và bán sơ cấp từ 02 ô định vị theo dõi sinh thái rừng quốc gia số 12 và 13 tại VQG Phia Oắc - Phia Đén chu kỳ 2015 và 2020 do Phân viện Điều tra - Quy hoạch Rừng Đông Bắc Bộ quản lý (tác giả trực tiếp tham gia đoàn điều tra thực địa).
  • Dữ liệu thứ cấp: Bản đồ hiện trạng tài nguyên rừng VQG Phia Oắc - Phia Đén năm 2015; hồ sơ quy hoạch VQG theo Quyết định số 57/QĐ-TTg; số liệu khí tượng thủy văn huyện Nguyên Bình, tỉnh Cao Bằng; các ấn phẩm chuyên khảo khoa học liên quan.

Nội dung chính theo từng chương

Luận án có dung lượng 132 trang chính văn, gồm 18 bảng biểu, 20 hình vẽ và 178 tài liệu tham khảo, được bố cục thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương này tổng thuật toàn diện và có hệ thống các thành tựu nghiên cứu lâm học trên thế giới và tại Việt Nam. Nội dung tập trung phân tích 4 nhóm vấn đề chính: đặc điểm cấu trúc rừng tự nhiên (nhấn mạnh sự chuyển dịch từ cấu trúc phi không gian sang phân tích mô hình điểm không gian và cấu trúc 4 chiều W, M, U, C); tính đa dạng loài thực vật thân gỗ (kết hợp các chỉ số đa dạng thành phần loài với đa dạng tiến hóa phát sinh chủng loại PD và phân bố độ phong phú loài SAD); biến động cấu trúc rừng tự nhiên (tỷ lệ bổ sung, chết tự nhiên, chuyển cấp kính và động thái tích lũy sinh khối AGB); và tổng kết các công trình đã công bố tại VQG Phia Oắc - Phia Đén. Chương 1 làm rõ khoảng trống khoa học: kiểu rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt tại khu vực nghiên cứu chưa từng được phân tích động thái sinh thái học định lượng đa thời gian và đa dạng tiến hóa, qua đó khẳng định tính đúng đắn của đề tài.

Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 cụ thể hóa 4 nội dung nghiên cứu tương ứng với các mục tiêu cụ thể đặt ra. Tác giả luận giải quan điểm tiếp cận sinh thái học thực nghiệm thông qua mạng lưới ô định vị dài hạn. Phương pháp nghiên cứu được trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống ô nghiên cứu (ONC), ô đo đếm (ODD) và ô dạng bản (ODB) trong 02 ODV sinh thái quốc gia 12 và 13; quy trình kỹ thuật đo đếm lâm học tầng cây cao và tầng cây tái sinh; các công thức toán học tính toán chỉ số tổ thành $IV%$, các hàm phân bố lý thuyết $N/D_{1.3}$ và $N/H_{vn}$; thuật toán phân tích điểm không gian hai biến số; quy trình xây dựng cây phát sinh loài theo chuẩn APG; và phương pháp kiểm định mô hình SAD qua kiểm định Kolmogorov-Smirnov và chỉ số AIC.

Chương 3: Đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu

Chương 3 trình bày các đặc trưng về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của VQG Phia Oắc - Phia Đén thuộc địa bàn 5 xã, thị trấn của huyện Nguyên Bình, tỉnh Cao Bằng. Về địa hình, khu vực có độ chia cắt mạnh, độ dốc phổ biến 25-30°, địa hình cao dần từ Đông sang Tây và từ Nam lên Bắc, đỉnh núi Phia Oắc cao 1.931 m hình thành từ núi đất xen lẫn núi đá. Khí hậu mang tính chất á nhiệt đới vùng núi cao. Thảm thực vật phân hóa theo hai đai cao rõ rệt: kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới núi thấp (độ cao dưới 700 m) và kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới núi trung bình và cao (độ cao từ 700 m trở lên). Về hiện trạng tài nguyên rừng, đất có rừng chiếm ưu thế với tỷ lệ che phủ 81%, nhưng diện tích rừng nghèo chiếm tỷ lệ lớn nhất trong 6.146,5 ha rừng gỗ tự nhiên. Đa dạng thực vật ghi nhận 1.199 loài có mạch thuộc 611 chi, 177 họ; ngành Ngọc lan (Magnoliophyta) chiếm 78,31%. Chương này cũng mô tả chi tiết vị trí địa lý, địa hình, thổ nhưỡng và trạng thái thực bì của 02 ô định vị sinh thái quốc gia số 12 và 13, khẳng định tính đại diện điển hình cho hai trạng thái rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt của VQG.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 4 là chương trọng tâm của luận án, trình bày toàn bộ kết quả phân tích thực nghiệm và thảo luận khoa học qua 4 nhóm nội dung:

  1. Đặc điểm cấu trúc rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt: Phân tích các chỉ tiêu cấu trúc lâm phần ($N/\text{ha}$, $\bar{D}{1.3}$, $\bar{H}{vn}$, $\sum G/\text{ha}$, $M/\text{ha}$) tại ODV 12 và 13 giai đoạn 2015-2020. Xây dựng tương quan thực nghiệm $D_{1.3} - H_{vn}$; mô hình hóa phân bố $N/D_{1.3}$ và $N/H_{vn}$ (chứng minh sự phù hợp của các dạng phân bố giảm dần một đỉnh lệch). Phân tích cấu trúc không gian chỉ ra tính đồng nhất phân bố trên hai ODV, xác định mô hình phân bố không gian cụm của cây non, phân bố ngẫu nhiên của cây sào và cây thành thục; quan hệ không gian hai biến số phản ánh tương tác tương hỗ ở cự ly hẹp (0-5 m) và chuyển dần sang độc lập hoặc cạnh tranh ở cự ly lớn hơn. Tầng cây tái sinh được đánh giá chi tiết về mật độ, nguồn gốc (hạt chiếm ưu thế), chất lượng (tốt, trung bình, xấu) và phân bố theo cấp chiều cao.
  2. Tính đa dạng loài thực vật thân gỗ: Xác định công thức tổ thành loài tầng cây gỗ dựa trên $IV%$, định danh các loài ưu thế lâm phần; tính toán các chỉ số Shannon-Wiener, Simpson, Margalef cho tầng cây cao và cây tái sinh. Xây dựng cây phát sinh chủng loại APG cho ODV 12 và 13; tính toán các chỉ số đa dạng phát sinh loài (PD, MPD, MNTD, NRI, NTI). Thiết lập đường cong ECDF, đường cong Robbins, hồ sơ đa dạng Renyi; kiểm định 6 mô hình SAD qua K-S và AIC, chỉ ra vai trò phối hợp giữa quá trình thích hợp và quá trình trung tính trong việc duy trì cấu trúc quần xã.
  3. Biến động cấu trúc lâm phần giai đoạn 2015-2020: Xác định số lượng và tỷ lệ cây bổ sung, cây chết tự nhiên theo cấp kính; phân tích biến động các nhân tố tầng cây cao (mật độ $N$, tiết diện ngang $G$, trữ lượng $M$) và biến động sinh khối trên mặt đất (AGB).
  4. Giải pháp phục hồi và phát triển rừng: Tổng hợp các kết quả thực nghiệm để đề xuất các giải pháp kỹ thuật lâm sinh (khoanh nuôi bảo vệ, xúc tiến tái sinh tự nhiên kết hợp làm giàu rừng bằng cây bản địa, điều tiết mật độ và quan hệ không gian cạnh tranh) áp dụng cho hai trạng thái rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén.

Dưới đây là bảng tổng hợp các chỉ tiêu cấu trúc và nội dung khảo sát chính được phân tích trong Chương 4 của luận án:

Hạng mục nghiên cứu Chỉ tiêu và phương pháp phân tích cụ thể Đối tượng / Dữ liệu thực nghiệm
Cấu trúc tầng cây gỗ Mật độ ($N$), $\bar{D}{1.3}$, $\bar{H}{vn}$, tiết diện ngang ($\sum G$), trữ lượng ($M$) Tầng cây cao ODV 12 và ODV 13 (2015 và 2020)
Quy luật phân bố Mô hình hóa phân bố thực nghiệm $N/D_{1.3}$ và $N/H_{vn}$ bằng các hàm lý thuyết Các cấp đường kính và chiều cao lâm phần
Cấu trúc không gian Hàm tương quan điểm một và hai biến số (Ripley's K, g-function); tính đồng nhất Cây non ($D < 10\text{ cm}$), cây sào ($10-30\text{ cm}$), cây thành thục ($D > 30\text{ cm}$)
Tầng cây tái sinh Mật độ, cấp chiều cao, chất lượng (tốt, TB, xấu), nguồn gốc (hạt/chồi) Ô dạng bản (ODB) trong ODV 12 và 13
Tổ thành & đa dạng loài Công thức tổ thành ($IV%$), chỉ số Shannon-Wiener, Simpson, Margalef Cây gỗ tầng cao và tầng cây tái sinh
Phát sinh chủng loại (PD) Cây phát sinh loài APG, chỉ số PD, MPD, MNTD, NRI, NTI Quần xã thực vật thân gỗ tại 2 ODV
Mô hình SAD Kiểm định 6 mô hình SAD qua Kolmogorov-Smirnov (K-S) và $\Delta\text{AIC}$ Đường cong tích lũy ECDF, Robbins, Renyi
Biến động lâm phần Cây bổ sung, cây chết, chuyển cấp kính, sinh khối trên mặt đất (AGB) Dữ liệu định vị đo lặp chu kỳ 2015 - 2020

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Luận án đã xác định được một cách có hệ thống một số đặc điểm cấu trúc và biến động cấu trúc của rừng lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén trong giai đoạn 2015-2020. Đây là công trình đầu tiên tại khu vực kết hợp phân tích cấu trúc phi không gian (quan hệ $D_{1.3} - H_{vn}$, phân bố $N/D_{1.3}$, $N/H_{vn}$) với cấu trúc không gian chi tiết theo ba giai đoạn sống (cây non, cây sào, cây thành thục), làm rõ bản chất phân bố cụm ở cự ly nhỏ và các dạng tương tác không gian giữa các cá thể.
  2. Luận án đã đánh giá định lượng mức độ đa dạng thực vật thân gỗ của rừng lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén thông qua việc tích hợp các chỉ số đa dạng loài truyền thống với các phương pháp tiến hóa hiện đại: xây dựng cây phát sinh chủng loại theo chuẩn APG, lượng hóa các chỉ số đa dạng phát sinh loài (PD, MPD, MNTD, NRI, NTI), và kiểm định mức độ phù hợp của 6 mô hình phân bố độ phong phú loài (SAD) bằng tiêu chuẩn K-S và AIC.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Cơ sở thực tiễn phục hồi rừng: Kết quả nghiên cứu bước đầu cung cấp cơ sở khoa học lâm sinh và sinh thái học vững chắc để đề xuất một số giải pháp phục hồi rừng thứ sinh nghèo và nghèo kiệt tại VQG Phia Oắc - Phia Đén, hướng tới quản lý và bảo tồn bền vững hệ sinh thái rừng đặc dụng vùng núi cao.
  2. Hệ thống giải pháp lâm sinh đề xuất:
    • Áp dụng biện pháp khoanh nuôi xúc tiến tái sinh tự nhiên có hỗ trợ, dựa trên phát hiện tầng cây tái sinh có nguồn gốc chủ yếu từ hạt và mật độ cây tái sinh triển vọng tập trung ở các cấp chiều cao dưới 2 m.
    • Điều tiết cấu trúc không gian lâm phần thông qua việc giảm thiểu tính cạnh tranh giữa cây sào và cây thành thục ở cự ly lân cận hẹp, bảo vệ các nhóm loài có quan hệ tương hỗ.
    • Trồng bổ sung và làm giàu rừng bằng các loài cây gỗ bản địa có giá trị bảo tồn và kinh tế cao, lựa chọn loài dựa trên phân tích công thức tổ thành ($IV%$) và cấu trúc phát sinh chủng loại của quần xã.
  3. Giá trị tư liệu: Công trình đóng vai trò là tài liệu tham khảo khoa học, phương pháp luận chuẩn xác phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu khoa học và giảng dạy chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng tại các trường đại học và viện nghiên cứu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Thời gian theo dõi thực nghiệm: Dữ liệu biến động cấu trúc lâm phần và sinh khối mới chỉ được theo dõi trong chu kỳ 5 năm (2015-2020). Khoảng thời gian này tương đối ngắn so với chu kỳ diễn thế sinh thái tự nhiên kéo dài hàng chục đến hàng trăm năm của rừng nhiệt đới.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu tập trung thu thập số liệu trên 02 ô định vị nghiên cứu sinh thái rừng quốc gia (ODV 12 và ODV 13). Mặc dù mang tính đại diện cao cho hai trạng thái rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt, phạm vi này chưa bao quát toàn bộ các tiểu vùng lập địa, độ cao và sườn phơi phức tạp của toàn bộ VQG Phia Oắc - Phia Đén.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục duy trì bảo vệ và đo đếm định kỳ các chu kỳ tiếp theo (sau năm 2020) trên 02 ô định vị số 12 và 13 nhằm xác lập chuỗi số liệu dài hạn về động thái sinh trưởng, tỷ lệ chết, bổ sung và biến động sinh khối AGB.
  • Mở rộng nghiên cứu tương quan giữa cấu trúc, tính đa dạng thực vật thân gỗ với các yếu tố môi trường vô sinh (đặc điểm thổ nhưỡng, độ dày tầng đất, độ ẩm, vi khí hậu và độ cao địa hình) dọc theo các đai sinh thái khác nhau tại VQG.
  • Thiết lập các mô hình thực nghiệm lâm sinh ứng dụng các giải pháp phục hồi rừng đã đề xuất để đánh giá hiệu quả thực tế ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Thuộc các chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng, Sinh thái học rừng, Thực vật học và Biến đổi khí hậu. Luận án cung cấp khung phương pháp luận kết hợp lâm học thực nghiệm với phân tích không gian và phát sinh chủng loại.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Làm tài liệu tham khảo bài bản trong giảng dạy các học phần Cấu trúc rừng, Điều tra rừng, Đa dạng sinh học và Lâm học nhiệt đới; làm cơ sở so sánh cho các nghiên cứu sinh thái rừng tại vùng Đông Bắc và miền Bắc Việt Nam.
  • Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Ban quản lý Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén, Chi cục Kiểm lâm tỉnh Cao Bằng và Phân viện Điều tra - Quy hoạch Rừng Đông Bắc Bộ trong việc xây dựng phương án quản lý rừng bền vững, bảo tồn nguồn gen thực vật quý hiếm và xây dựng các chương trình phục hồi rừng đặc dụng.

Các phần nội dung đáng tham khảo

  • Khung phương pháp nghiên cứu cấu trúc không gian (mô hình điểm, hàm tương quan theo cặp cho 3 giai đoạn sống cây non, cây sào, cây thành thục) tại Chương 2.
  • Phương pháp xây dựng cây phát sinh loài APG và ứng dụng 6 mô hình SAD (kiểm định qua K-S và AIC) để đánh giá đa dạng sinh thái tại Chương 2 và Chương 4.
  • Bộ số liệu thực nghiệm gốc về cấu trúc lâm phần, tầng cây tái sinh, biến động 5 năm và sinh khối AGB tại 02 ô định vị sinh thái quốc gia 12 và 13 tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập từ nguồn nào và trong giai đoạn nào?

Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập và kế thừa từ 02 ô định vị (ODV) theo dõi sinh thái rừng quốc gia số 12 và số 13 tại VQG Phia Oắc - Phia Đén trong giai đoạn 2015 - 2020 của Phân viện Điều tra - Quy hoạch Rừng Đông Bắc Bộ, kết hợp quá trình trực tiếp tham gia điều tra thực địa của chính nghiên cứu sinh.

2. Luận án sử dụng những công cụ và phương pháp hiện đại nào để đánh giá tính đa dạng thực vật thân gỗ?

Bên cạnh các chỉ số đa dạng loài truyền thống (Shannon-Wiener, Simpson, Margalef, Berger-Parker), luận án ứng dụng hệ thống phân loại APG để xây dựng cây phát sinh loài, tính toán các chỉ số đa dạng tiến hóa (PD, MPD, MNTD, NRI, NTI); thiết lập đường cong ECDF, đường cong Robbins, hồ sơ đa dạng Renyi; và kiểm định độ phù hợp của 6 mô hình phân bố độ phong phú loài (SAD) thông qua kiểm định Kolmogorov-Smirnov (K-S) và tiêu chí thông tin Akaike (AIC).

3. Cấu trúc không gian của tầng cây gỗ được luận án phân tích dựa trên nguyên lý nào?

Cấu trúc không gian được phân tích thông qua phương pháp mô hình điểm không gian (spatial point pattern analysis), sử dụng hàm tương quan theo cặp một biến số và hai biến số (Ripley's K, g-function). Phân tích được thực hiện trên tọa độ không gian ($X, Y$) của các cá thể chia theo ba giai đoạn sống: cây non ($D_{1.3} < 10\text{ cm}$), cây sào ($10\text{ cm} \le D_{1.3} \le 30\text{ cm}$) và cây thành thục ($D_{1.3} > 30\text{ cm}$) để xác định kiểu phân bố (cụm, ngẫu nhiên, đều) và mối quan hệ không gian (tương hỗ, cạnh tranh, độc lập).

4. Động thái lâm phần trong chu kỳ 2015 - 2020 được theo dõi qua các chỉ tiêu định lượng nào?

Động thái lâm phần được lượng hóa qua sự biến động của mật độ cá thể ($N/\text{ha}$), đường kính bình quân ($\bar{D}{1.3}$), chiều cao bình quân ($\bar{H}{vn}$), tổng tiết diện ngang thân cây ($\sum G/\text{ha}$), trữ lượng lâm phần ($M/\text{ha}$), số lượng cây bổ sung, số lượng cây chết tự nhiên theo từng cấp kính và biến động sinh khối trên mặt đất (AGB).

5. Hiện trạng rừng tự nhiên tại VQG Phia Oắc - Phia Đén có đặc điểm gì dẫn đến việc lựa chọn đề tài?

VQG Phia Oắc - Phia Đén có diện tích tự nhiên 10.593,5 ha, độ che phủ rừng đạt 81%. Tuy nhiên, trong 6.146,5 ha rừng gỗ tự nhiên thì diện tích rừng nghèo chiếm tỷ lệ lớn nhất; tài nguyên rừng bị tác động mạnh trong quá khứ do khai thác, phá rừng và lấn chiếm nương rẫy, làm suy giảm chất lượng tầng cây gỗ. Trong khi đó, các nghiên cứu trước đây chưa có công trình nào đánh giá toàn diện về cấu trúc và động thái của trạng thái rừng LRTX nghèo và nghèo kiệt để làm cơ sở khoa học cho công tác phục hồi.

Kết luận

Luận án tiến sĩ lâm nghiệp của tác giả Quốc Minh Dũng là công trình nghiên cứu sinh thái học thực nghiệm chuyên sâu về cấu trúc lâm phần, đa dạng thực vật thân gỗ và biến động cấu trúc 5 năm (2015-2020) của rừng tự nhiên lá rộng thường xanh nghèo và nghèo kiệt tại Vườn quốc gia Phia Oắc - Phia Đén, tỉnh Cao Bằng. Bằng việc kết hợp các chỉ tiêu điều tra lâm học truyền thống với các công cụ phân tích hiện đại như mô hình điểm không gian, cây phát sinh chủng loại APG và mô hình phân bố độ phong phú loài SAD trên 02 ô định vị sinh thái quốc gia, luận án đã làm sáng tỏ quy luật cấu trúc và các cơ chế sinh thái điều chỉnh quần xã. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng và đề xuất các giải pháp kỹ thuật lâm sinh thiết thực phục vụ công tác phục hồi, bảo tồn và quản lý bền vững tài nguyên rừng đặc dụng tại khu vực Đông Bắc Việt Nam.