Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Rừng tự nhiên đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì chức năng sinh thái, bảo tồn nguồn gen sinh vật, điều hòa nguồn nước, chống xói mòn và cung cấp lâm sản. Tuy nhiên, sự ổn định của hệ sinh thái rừng phụ thuộc chặt chẽ vào các quy luật tổ chức nội tại trong không gian và thời gian. Thực tiễn quản lý lâm nghiệp cho thấy việc thiếu hụt các dẫn liệu khoa học định lượng về đặc trưng cấu trúc và khả năng tái sinh khiến công tác tác động kỹ thuật lâm sinh tại nhiều địa phương gặp lúng túng hoặc đạt hiệu quả thấp. Xuất phát từ yêu cầu bảo tồn và phát triển bền vững tài nguyên thực vật rừng, khóa luận "Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và đa dạng loài cây cao tại xã Dân Chủ, T.P Hạ Long, Tỉnh Quảng Ninh" được thực hiện nhằm cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác quản lý và kinh doanh rừng tại địa phương.

Mục tiêu chung của nghiên cứu là bổ sung cơ sở khoa học về tính đa dạng sinh học thành phần thực vật và các quy luật cấu trúc lâm phần trên cơ sở định lượng, phục vụ công tác phát triển rừng bền vững. Để đạt được mục tiêu chung, tác giả xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Đánh giá tính đa dạng về cấu trúc tổ thành tầng cây cao và cây tái sinh.
  2. Đánh giá tình hình sinh trưởng và một số đặc điểm cấu trúc tầng cây cao tại khu vực nghiên cứu.
  3. Đề xuất một số giải pháp phục vụ công tác bảo vệ và phát triển rừng tự nhiên tại xã Dân Chủ theo hướng bền vững và đa chức năng.

Đối tượng nghiên cứu trực tiếp là các cá thể cây gỗ thuộc tầng cây cao có đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) đạt từ 6 cm trở lên tại các trạng thái rừng tự nhiên. Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn tại địa bàn xã Dân Chủ, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh (vùng đồi núi thuộc cánh cung Đông Triều – Móng Cái). Phạm vi thời gian nghiên cứu và hoàn thành khóa luận là năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng sinh thái học cấu trúc rừng nhiệt đới của Richards P.W, Baur và các trường phái điều tra định lượng rừng của Meyer, Weibull, Đồng Sỹ Hiền, Nguyễn Hải Tuất, Lê Sáu. Việc phân định trạng thái rừng được đối chiếu theo Thông tư số 33/2018/TT-BNNPTNT và hệ thống phân loại rừng tự nhiên Việt Nam (Thông tư 34/2009/TT-BNNPTNT), xác định hai trạng thái chính là rừng gỗ tự nhiên núi đá lá rộng thường xanh trung bình (TXDB) và rừng gỗ tự nhiên núi đá lá rộng thường xanh nghèo (TXDN).

Phương pháp thu thập dữ liệu thực địa được tiến hành thông qua việc thiết lập hệ thống ô tiêu chuẩn (OTC) cố định. Trên mỗi trạng thái rừng (TXDB và TXDN), đề tài bố trí 5 OTC với diện tích mỗi ô là $1.000\text{ m}^2$ (kích thước $25 \times 40\text{ m}$), tổng cộng 10 ô khảo sát ($10.000\text{ m}^2$). Tất cả các cây thân gỗ có $D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$ trong ô đều được định danh loài, đo đếm đường kính ngang ngực bằng thước kẹp kính/thước dây, và đo ngẫu nhiên chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) bằng máy đo cao.

Dữ liệu thực địa được tổng hợp và phân tích thống kê trên phần mềm vi tính Microsoft Excel thông qua các mô hình toán học:

  • Cấu trúc tổ thành loài: Xác định qua hệ số tổ thành $K_i = (X_i / N) \times 10$ (trong đó $X_i$ là số cá thể loài $i$, $N$ là tổng số cá thể) và chỉ số mức độ quan trọng $IV% = (N% + G%) / 2$ theo phương pháp của Daniel Marmillod (với $N%$ là tỷ lệ số cá thể, $G%$ là tỷ lệ tiết diện ngang). Các loài có $IV% > 5%$ được xác định là loài có ý nghĩa sinh thái, và nhóm loài chiếm tổng $IV% \ge 50%$ được xem là nhóm ưu thế.
  • Quy luật phân bố cấu trúc lâm phần: Kiểm định độ phù hợp của phân bố thực nghiệm số cây theo cỡ đường kính ($N/D_{1.3}$) và theo cỡ chiều cao ($N/H_{vn}$) với ba hàm lý thuyết: hàm phân bố mũ Meyer ($Y = a \cdot e^{-bX}$), hàm phân bố khoảng cách, và hàm phân bố Weibull. Tiêu chuẩn Chi-bình phương ($\chi^2$) ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$ được dùng để kiểm định giả thuyết $H_0$.
  • Mối tương quan giữa chiều cao và đường kính ($H_{vn} - D_{1.3}$): Khảo sát qua 9 dạng phương trình tương quan thực nghiệm (tuyến tính, logarit, parabol bậc 2, đa thức bậc 3/cubic, compound, power, growth, exponential, hàm S) để lựa chọn phương trình có hệ số xác định cao nhất và tham số có ý nghĩa thống kê.
  • Đánh giá đa dạng loài: Sử dụng hệ thống 5 chỉ số sinh thái định lượng gồm: số loài ($S$), chỉ số đa dạng Shannon-Wiener ($H'$), chỉ số đa dạng Simpson ($D$), chỉ số mức độ phong phú Margalef ($d$), và chỉ số độ đồng đều Pielou ($J'$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này tổng kết các thành tựu lý luận và thực nghiệm về lâm học trên thế giới và tại Việt Nam. Về mặt quốc tế, tác giả phân tích các nghiên cứu của Richards P.W (1952) về tính đa dạng loài rừng mưa nhiệt đới; các đóng góp của Meyer (1934), Weibull, Schiffel trong mô hình hóa phân bố $N/D_{1.3}$; cũng như các văn kiện quốc tế về đa dạng sinh học (Công ước Đa dạng sinh học Rio 1992, các chiến lược bảo tồn của IUCN, WWF, UNEP). Tại Việt Nam, chương 1 hệ thống hóa các công trình nghiên cứu cấu trúc rừng tự nhiên của Đồng Sỹ Hiền (1974), Nguyễn Hải Tuất (1996), Lê Sáu (1996), Vũ Tiến Hinh, Đào Công Khanh (1996), Trần Cẩm Tú (1999); đồng thời điểm lại các nghiên cứu phân loại thực vật và đa dạng sinh học của Thái Văn Trừng (1987), Phan Kế Lộc (1992), Nguyễn Nghĩa Thìn (1992–2002).

Chương 2: Mục tiêu, giới hạn và phương pháp nghiên cứu

Tác giả trình bày chi tiết mục tiêu chung, 3 mục tiêu cụ thể, đối tượng nghiên cứu và hệ thống 5 nội dung chính: phân loại trạng thái rừng, cấu trúc tổ thành tầng cây cao, cấu trúc lâm phần ($N/D$, $N/H$, tương quan $H-D$), đánh giá tính đa dạng loài, và đề xuất giải pháp kỹ thuật lâm sinh. Quy trình lập ô tiêu chuẩn $1.000\text{ m}^2$, biểu mẫu thu thập số liệu, các công thức toán học tính toán hệ số tổ thành $K_i$, chỉ số $IV%$, thuật toán hàm Meyer, phân bố khoảng cách, phân bố Weibull, phép kiểm định $\chi^2$, 9 phương trình tương quan sinh trưởng và 5 công thức toán học tính chỉ số đa dạng sinh học ($S$, $H'$, $D$, $d$, $J'$) được quy định chặt chẽ.

Chương 3: Điều kiện cơ bản của khu vực nghiên cứu

Chương này mô tả đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội của xã Dân Chủ, thành phố Hạ Long. Về địa lý, xã cách trung tâm thành phố Hạ Long 20 km về phía Tây Bắc, diện tích tự nhiên là 2.733,98 ha. Địa hình đồi núi chiếm 88,77% diện tích, độ cao tuyệt đối từ 20–500 m so với mực nước biển, độ dốc 12–35°, địa hình có các khối núi đá vôi dốc đứng phân bố rải rác. Về khí hậu, khu vực chịu ảnh hưởng gió mùa Đông Bắc với nhiệt độ trung bình năm 23,1°C (cao nhất 36,6°C, thấp nhất 5,5°C), độ ẩm trung bình trên 80%, lượng mưa trung bình năm đạt 1.786 mm (tập trung 75–85% vào mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9). Thổ nhưỡng gồm đất vùng bằng và đất đồi núi; trong đó đất đồi núi là đất feralit điển hình vùng nhiệt đới phát triển trên đá phiến, cuội kết và dăm kết, tầng đất có màu nâu vàng đến đỏ vàng, thành phần cơ giới nhẹ, nghèo dinh dưỡng.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 4 là phần trọng tâm với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Phân loại trạng thái rừng: Xác lập hai trạng thái TXDB và TXDN. Mật độ bình quân dao động 45–60 cây/OTC (450–600 cây/ha); đường kính trung bình lâm phần ($D_{tb}$) đạt trên 20 cm; phạm vi đường kính từ 6–65 cm, trong đó cây kích thước nhỏ (6–12 cm) chiếm tỷ trọng lớn, xuất hiện rải rác một số cây gỗ lớn đạt 50–60 cm. Tổng tiết diện ngang $\sum G$ đạt mức thấp, từ 0,2–0,4 $\text{m}^2/\text{ha}$.
  • Cấu trúc tổ thành tầng cây cao: Trạng thái TXDB có 15–20 loài/OTC, thành phần gồm các loài ưa sáng tiên phong và cây bản địa như Lát, Côm tầng, Nghiến, Vạng trứng, Bứa, Táu muối, Trường vải, Sang mây, Thị rừng. Trạng thái TXDN có thành phần loài ít hơn (13–17 loài/OTC), tán rừng bị gián đoạn do khai thác chọn trước đây, cây thành thục ít, chủ yếu gồm Dẻ cau, Trâm sừng, Sang mây, Thẩu tấu, Táu muối, Táu mật, Thị rừng, Thừng mực. Đề tài phát hiện quy luật tương quan: các loài có hệ số $K_i \ge 0,5$ (tương đương $N% \ge 5%$) đều đạt chỉ số $IV% \ge 5%$.
  • Cấu trúc lâm phần:
    • Phân bố $N/D_{1.3}$: Ở trạng thái TXDB, hàm phân bố Meyer có mức độ phù hợp cao nhất (4/5 OTC đạt giả thuyết $H_0^+$, trong khi khoảng cách đạt 2/5 OTC, Weibull đạt 1/5 OTC). Ở trạng thái TXDN, hàm khoảng cách phù hợp tốt nhất (3/5 OTC đạt $H_0^+$, Weibull đạt 2/5 OTC, hàm Meyer không phù hợp).
    • Phân bố $N/H_{vn}$: Ở trạng thái TXDN, phân bố có dạng một đỉnh lệch trái, tập trung số cây ở dải chiều cao 15–25 m; hàm khoảng cách mô phỏng tốt nhất (3/5 OTC phù hợp), hàm Meyer đạt 1/5 OTC và Weibull không phù hợp.
    • Tương quan $H_{vn} - D_{1.3}$: Ở cả hai trạng thái, phương trình đa thức bậc 3 (Cubic) chiếm ưu thế áp đảo, ngoài ra xuất hiện phương trình parabol bậc 2 và hàm S. Các hệ số tương quan đạt mức từ yếu đến vừa phải.
  • Tính đa dạng loài tầng cây cao: Các chỉ số đa dạng giữa hai trạng thái được tính toán chi tiết, phản ánh mức độ phong phú và độ đồng đều tương đối tương đồng giữa các OTC.
  • Đề xuất giải pháp: Đề xuất 4 nhóm giải pháp quản lý - bảo vệ (hoàn thiện quy chế, tuyên truyền, phát huy vai trò cộng đồng/già làng, lập hương ước) và các giải pháp kỹ thuật lâm sinh cụ thể theo từng trạng thái.

Chương 5: Kết luận - Tồn tại - Kiến nghị

Tác giả đúc kết lại các đặc trưng định lượng của tầng cây cao tại hai trạng thái rừng; thừa nhận 4 điểm tồn tại chính do hạn chế về thời gian, nhân lực và dữ liệu đất đai; đồng thời đưa ra 3 nhóm kiến nghị cụ thể về việc duy trì theo dõi định vị ô tiêu chuẩn, mở rộng khảo sát các tầng sinh thái và triển khai chính sách giao đất giao rừng gắn với bảo vệ sinh thái.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã cung cấp hệ thống số liệu định lượng chi tiết về hai trạng thái rừng tự nhiên núi đá tại xã Dân Chủ, thành phố Hạ Long. Các kết quả đo đếm và kiểm định thống kê được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Chỉ tiêu nghiên cứu Trạng thái TXDB (Rừng thường xanh trung bình) Trạng thái TXDN (Rừng thường xanh nghèo)
Mật độ tầng cây cao ($N$) 45 – 60 cây/1.000 $\text{m}^2$ (48 cây ở OTC1) 45 – 60 cây/1.000 $\text{m}^2$ (57 cây ở OTC1)
Đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) $D_{tb} > 20\text{ cm}$; dải $D$ từ 6 – 65 cm; tập trung 6 – 12 cm $D_{tb} > 20\text{ cm}$; dải $D$ từ 6 – 65 cm; tập trung 6 – 12 cm
Tổng tiết diện ngang ($\sum G$) 0,2 – 0,4 $\text{m}^2/\text{ha}$ 0,2 – 0,4 $\text{m}^2/\text{ha}$
Số lượng loài/OTC ($S$) 12 – 20 loài/OTC (OTC1: 16 loài; OTC2 cao nhất) 13 – 17 loài/OTC (OTC1: 15 loài; OTC3 cao nhất)
Chỉ số Shannon-Wiener ($H'$) 2,284 (OTC4) – 2,803 (OTC2) 2,456 (OTC4) – 2,754 (OTC3)
Chỉ số Simpson ($D$) Đạt cao nhất 0,930 (OTC2) 0,890 – 0,933 (cao nhất ở OTC3)
Chỉ số Margalef ($d$) 11,395 (OTC4) – 19,430 (OTC2) 12,... (OTC4) – 16,430 (OTC3)
Chỉ số Pielou ($J'$) Đồng đều giữa các OTC, sai khác không đáng kể Đồng đều giữa các OTC, sai khác không đáng kể
Hàm phân bố $N/D_{1.3}$ tối ưu Hàm Meyer (4/5 OTC phù hợp kiểm định $\chi^2$) Hàm khoảng cách (3/5 OTC phù hợp kiểm định $\chi^2$)
Hàm phân bố $N/H_{vn}$ tối ưu Hàm khoảng cách và hàm Meyer Hàm khoảng cách (3/5 OTC phù hợp kiểm định $\chi^2$)
Dạng hàm tương quan $H - D$ Phương trình Cubic (bậc 3), riêng OTC3 là hàm S Phương trình Cubic (bậc 3) và Parabol bậc 2

Đóng góp về mặt phương pháp và thực tiễn của công trình bao gồm:

  • Đóng góp phương pháp luận: Khẳng định tính tương thích thực nghiệm giữa hệ số tổ thành $K_i$ và chỉ số mức độ quan trọng $IV%$. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc xác định nhanh các loài có $K_i \ge 0,5$ hoặc $N% \ge 5%$ có thể đại diện chuẩn xác cho các loài có vị trí sinh thái quan trọng ($IV% \ge 5%$), giúp tinh giản quy trình điều tra thực địa.
  • Đóng góp ứng dụng kỹ thuật lâm sinh:
    • Đối với trạng thái rừng TXDN: Áp dụng Quy phạm kỹ thuật QPN-98 (Chương 1, Điều 2), thực hiện biện pháp khoanh nuôi xúc tiến tái sinh tự nhiên kết hợp trồng bổ sung các loài cây bản địa có giá trị nhằm cải thiện độ che phủ và nâng cấp tổ thành.
    • Đối với trạng thái rừng TXDB: Áp dụng biện pháp khoanh nuôi bảo vệ kết hợp vệ sinh rừng; dựa trên phân bố $N/D_{1.3}$ để loại bỏ bớt các cây phi mục đích ở cùng cấp kính, giảm thiểu áp lực cạnh tranh dinh dưỡng cho các loài cây mục đích.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ rõ 4 hạn chế xuất phát từ điều kiện thực hiện:

  • Do thời gian khảo sát thực địa ngắn nên các nhận định về quy luật động thái và chiều hướng diễn thế rừng còn mang tính phỏng đoán, chưa phản ánh đầy đủ chu kỳ biến động tự nhiên dài hạn của lâm phần.
  • Dữ liệu thứ cấp kế thừa tại địa phương chưa thật đầy đủ, phạm vi khảo sát 10 OTC chưa bao quát được toàn bộ các tiểu vùng sinh thái trên toàn xã.
  • Việc xử lý số liệu mô phỏng toán học thực nghiệm chủ yếu dừng ở mức phân tích thống kê trên phần mềm văn phòng, chưa ứng dụng sâu các thuật toán nắn đường cong chuyên dụng để tối ưu hóa triệt để các tham số mô hình.
  • Chưa khảo sát, phân tích các chỉ tiêu lý hóa học của đất rừng – một nhân tố sinh thái then chốt vừa là nguyên nhân vừa là kết quả chi phối động thái sinh trưởng của quần xã thực vật.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các tầng cấu trúc khác (đặc biệt là tầng cây tái sinh mục đích, thảm tươi, cây bụi) và bổ sung các nhân tố hoàn cảnh rừng (đất đai, độ dày tầng đất, độ đá nổi).
  • Duy trì việc bảo vệ và tổ chức đo đếm định kỳ trên hệ thống các ô tiêu chuẩn định vị đã lập để ghi nhận chuỗi số liệu diễn thế thực tế theo thời gian.
  • Kết hợp nghiên cứu lâm sinh với chính sách kinh tế lâm nghiệp, đặc biệt là cơ chế giao đất giao rừng lâu dài cho cộng đồng và hộ gia đình quản lý.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng, Điều tra quy hoạch rừng và Sinh thái thực vật.

Các phần có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

  • Quy trình thiết kế và bố trí ô tiêu chuẩn định lượng $1.000\text{ m}^2$ trên địa hình đồi núi đá vôi dốc.
  • Phương pháp luận kết hợp giữa tính toán công thức tổ thành truyền thống ($K_i$) và chỉ số quan trọng sinh thái ($IV%$).
  • Quy trình và biểu mẫu tính toán kiểm định Chi-bình phương ($\chi^2$) cho các hàm phân bố xác suất cấu trúc lâm phần (Meyer, khoảng cách, Weibull) và quy trình lựa chọn hàm tương quan sinh trưởng chiều cao – đường kính.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận phân chia rừng tại xã Dân Chủ thành những trạng thái nào và dựa trên cơ sở pháp lý nào?
Rừng tại khu vực nghiên cứu được phân chia thành hai trạng thái: rừng gỗ tự nhiên núi đá lá rộng thường xanh trung bình (TXDB) và rừng gỗ tự nhiên núi đá lá rộng thường xanh nghèo (TXDN). Cơ sở phân loại dựa trên hướng dẫn tại Thông tư số 33/2018/TT-BNNPTNT và hệ thống tiêu chí trữ lượng của Thông tư số 34/2009/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

2. Mô hình toán học nào mô phỏng quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính ($N/D_{1.3}$) tốt nhất cho từng trạng thái?
Đối với trạng thái rừng TXDB, mô hình phân bố mũ Meyer là mô hình tối ưu nhất khi có 4/5 ô tiêu chuẩn phù hợp với phân bố thực nghiệm qua kiểm định $\chi^2$. Ngược lại, đối với trạng thái rừng TXDN, mô hình phân bố khoảng cách là mô hình mô phỏng tốt nhất với 3/5 ô tiêu chuẩn được chấp nhận qua kiểm định $\chi^2$, trong khi hàm Meyer không phù hợp với bất kỳ ô tiêu chuẩn nào của trạng thái này.

3. Mối tương quan sinh trưởng giữa chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) và đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) tuân theo dạng phương trình nào?
Kết quả khảo sát 9 dạng phương trình cho thấy quan hệ $H_{vn} - D_{1.3}$ tại khu vực nghiên cứu đa số tuân theo dạng phương trình đa thức bậc ba (Cubic: $H = a_1 + a_2 D + a_3 D^2 + a_4 D^3$) ở hầu hết các ô tiêu chuẩn; cá biệt có ô tiêu chuẩn biểu hiện tương quan theo hàm S hoặc phương trình parabol bậc hai. Các hệ số tương quan đạt mức độ từ yếu đến trung bình.

4. Mức độ đa dạng sinh học tầng cây cao tại hai trạng thái rừng được ghi nhận như thế nào qua các chỉ số định lượng?
Cả hai trạng thái rừng có mức độ đa dạng tương đối cao và đồng đều. Trạng thái TXDB có số loài dao động từ 12–20 loài/OTC, chỉ số Shannon-Wiener ($H'$) từ 2,284–2,803, chỉ số Simpson ($D$) đạt cao nhất 0,930 và chỉ số Margalef ($d$) từ 11,395–19,430. Trạng thái TXDN có số loài từ 13–17 loài/OTC, chỉ số $H'$ từ 2,456–2,754, chỉ số $D$ đạt cao nhất 0,933 và chỉ số $d$ từ 12 đến 16,430.

5. Giải pháp kỹ thuật lâm sinh cụ thể nào được tác giả đề xuất riêng cho trạng thái rừng nghèo (TXDN)?
Tác giả đề xuất áp dụng Quy phạm kỹ thuật QPN-98 (Chương 1, Điều 2), thực hiện biện pháp khoanh nuôi xúc tiến tái sinh tự nhiên kết hợp với trồng bổ sung các loài cây gỗ bản địa có giá trị nhằm tận dụng khả năng diễn thế phục hồi tự nhiên, đồng thời điều chỉnh lại mật độ và cấu trúc tổ thành tầng cây cao theo hướng ổn định.

Kết luận

Khóa luận của sinh viên Đinh Đức Thuận đã định lượng hóa thành công các đặc trưng cấu trúc lâm phần và đa dạng sinh học tầng cây cao tại hai trạng thái rừng tự nhiên TXDB và TXDN ở xã Dân Chủ, thành phố Hạ Long. Nghiên cứu xác lập được các mô hình phân bố thực nghiệm tối ưu ($N/D$, $N/H$, tương quan $H-D$) và hệ thống chỉ số sinh thái ($H'$, $D$, $d$, $J'$) phản ánh tính chất của hệ sinh thái rừng nhiệt đới phục hồi sau tác động. Những dữ liệu và giải pháp lâm sinh theo Quy phạm QPN-98 được đề xuất là cơ sở khoa học thiết thực phục vụ công tác quy hoạch, khoanh nuôi và bảo tồn bền vững tài nguyên rừng tại tỉnh Quảng Ninh.