Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu cấu trúc và đa dạng sinh học tầng cây cao tại xã Tân Sơn - huyện Chợ Mới - tỉnh Bắc Kạn" do sinh viên Hoàng Nguyên Thái thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Vũ Tiến Hưng tại Trường Đại học Lâm nghiệp (năm 2018), thuộc chuyên ngành Lâm sinh (mã ngành: 301).

Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ thực trạng suy thoái tài nguyên rừng tự nhiên tại Việt Nam do các tác động tiêu cực của gia tăng dân số, áp lực lương thực, tập quán du canh du cư và công tác quản lý thiếu chặt chẽ. Xã Tân Sơn, huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn sở hữu tổng diện tích tự nhiên 6.292,17 ha, trong đó đất lâm nghiệp chiếm khoảng 80%. Mặc dù có tiềm năng tài nguyên rừng lớn với khoảng 45% diện tích rừng ẩm nhiệt đới gió mùa vẫn ở trạng thái nguyên sinh hoặc ít bị tác động (phần lớn phân bố trên núi đá vôi), ý thức bảo vệ và phát triển rừng của người dân địa phương còn hạn chế. Tập quán chăn thả gia súc tự do vào rừng cùng việc khai thác gỗ tự phát đã gây suy giảm đa dạng sinh học và suy thoái cấu trúc rừng. Do đó, việc xác lập cơ sở khoa học về cấu trúc và tính đa dạng sinh học tầng cây cao là yêu cầu cần thiết nhằm đề xuất các biện pháp kỹ thuật lâm sinh quản lý, chăm sóc và nuôi dưỡng rừng tự nhiên bền vững.

Khóa luận xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Xác định thành phần thực vật rừng tại xã Tân Sơn, huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn.
  2. Định lượng một số chỉ tiêu cấu trúc rừng thông qua việc mô hình hóa các quy luật sinh học.
  3. Thử nghiệm một số chỉ tiêu đánh giá đa dạng sinh học về loài cây thuộc xã Tân Sơn, huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn.
  4. Đề xuất một số giải pháp tác động khôi phục lại vốn rừng, hạn chế tốc độ suy thoái cả về số lượng và chất lượng rừng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở hai trạng thái rừng gỗ tự nhiên theo bảng phân loại của Thông tư số 34/2009/TT-BNNPTNT: rừng gỗ tự nhiên núi đất lá rộng thường xanh và nửa rụng lá trung bình (ký hiệu TXB) và rừng gỗ tự nhiên núi đất lá rộng thường xanh và nửa rụng lá phục hồi (ký hiệu TXP). Phạm vi không gian đặt tại địa bàn xã Tân Sơn, huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn; đối tượng đo đếm trực tiếp là tầng cây cao có đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) đạt từ 6 cm trở lên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kế thừa và vận dụng hệ thống lý luận về cấu trúc lâm phần và đa dạng sinh học thực vật rừng nhiệt đới của các tác giả trong và ngoài nước:

  • Khung lý thuyết cấu trúc lâm phần: Quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính ($N/D_{1.3}$) theo hàm Meyer (1934), hàm Weibull (Ballell, 1973), hàm khoảng cách và họ đường cong Pearson (Nguyễn Hải Tuất, 1986; Đồng Sỹ Hiền, 1974); quy luật phân bố số cây theo chiều cao ($N/H_{vn}$) theo Richards (1952) và Thái Văn Trừng (1978); quy luật tương quan sinh trắc giữa chiều cao và đường kính ($H_{vn} - D_{1.3}$) theo Trorey (1932), Stoffels (1952); cấu trúc tổ thành loài theo Richards (1952), Bảo Huy (1993), Đào Công Khanh (1995).
  • Hệ thống phân loại rừng: Quy phạm QPN 6-84 của Viện Điều tra Quy hoạch rừng (kế thừa từ Loetschau, 1966), phân loại 14 kiểu thảm thực vật của Thái Văn Trừng (1978), phân loại điều chế của Trần Ngũ Phương (1985-1988) và hệ thống phân loại trạng thái rừng theo Thông tư số 34/2009/TT-BNNPTNT.
  • Khung lý thuyết đánh giá đa dạng sinh học: Chỉ số phong phú loài của Kjayaraman (2000), chỉ số đa dạng Shannon - Wiener (1949), chỉ số Simpson (1949), lý thuyết thông tin Brillouin và chỉ số hợp lý tương đối ($J$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế kết hợp giữa điều tra ngoại nghiệp và phân tích định lượng nội nghiệp:

  • Thu thập dữ liệu thứ cấp: Kế thừa tài liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, báo cáo hiện trạng tài nguyên rừng và công tác quản lý bảo vệ rừng tại xã Tân Sơn.
  • Điều tra ngoại nghiệp: Sử dụng bản đồ địa hình và bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/25.000 để sơ thám và xác định tuyến điều tra. Thiết lập 6 ô tiêu chuẩn (OTC) điển hình tạm thời có diện tích 1.000 m² (0,1 ha)/OTC, phân bố đều cho 2 trạng thái: 3 OTC thuộc trạng thái TXB và 3 OTC thuộc trạng thái TXP. Thu thập toàn bộ số liệu tầng cây cao ($D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$) theo mẫu biểu quy chuẩn, bao gồm tên loài, $D_{1.3}$ (cm), chiều cao vút ngọn $H_{vn}$ (m) và chiều cao dưới cành $H_{dc}$ (m).
  • Xử lý và phân tích số liệu nội nghiệp: Ứng dụng phần mềm Microsoft Excel 2010 và SPSS để tính toán thống kê mô tả, xác lập công thức tổ thành theo số cây ($K_i > 0,5$) và theo chỉ số giá trị quan trọng ($IV% \ge 5%$). Mô phỏng phân bố thực nghiệm $N - D_{1.3}$ và $N - H_{vn}$ bằng hàm khoảng cách và hàm Weibull 2 tham số; kiểm định độ phù hợp bằng tiêu chuẩn Chi bình phương ($\chi^2$) ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$. Mô phỏng tương quan $H_{vn} - D_{1.3}$ qua 4 hàm (Logarithmic, Quadratic, Compound, Power) và tương quan $H_{vn} - H_{dc}$ qua 3 hàm (Linear, Logarithmic, Power).

Nội dung chính theo từng chương

Đặt vấn đề và Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này khái quát tính cấp thiết của công tác quản lý và bảo vệ rừng tự nhiên trước sức ép khai thác của con người, đồng thời hệ thống hóa các thành tựu nghiên cứu về cấu trúc và đa dạng sinh học rừng trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả tổng hợp các công trình mô hình hóa toán học đối với cấu trúc lâm phần (phân bố số cây theo đường kính, chiều cao, tương quan sinh trắc thân cây), các quan điểm phân loại thảm thực vật rừng nhiệt đới của Loetschau, Thái Văn Trừng, Trần Ngũ Phương và quá trình xây dựng các công trình kiểm kê thực vật chí từ thời kỳ Pháp thuộc đến các bộ sách Cây gỗ rừng Việt Nam.

Mục tiêu, đối tượng - phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Tác giả xác định cụ thể hệ thống 4 mục tiêu, đối tượng rừng TXB và TXP, phạm vi nghiên cứu tại xã Tân Sơn; đồng thời trình bày chi tiết cơ sở toán học của các phương pháp phân tích. Cụ thể hóa công thức tính hệ số tổ thành $K_i = (X_i / N) \times 10$, công thức tính chỉ số quan trọng $IV% = (N% + G%)/2$, hàm mật độ xác suất Weibull hai tham số $F(x) = 1 - \exp(-\lambda x^\alpha)$, hàm phân bố khoảng cách, công thức kiểm định $\chi^2$, các dạng phương trình hồi quy tương quan sinh trắc học và các công thức toán học đo lường độ phong phú, độ đa dạng loài ($R, H, D, J$).

Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu

Chương này cung cấp bức tranh chi tiết về địa bàn nghiên cứu:

  • Tự nhiên: Xã Tân Sơn có diện tích tự nhiên 6.292,17 ha, độ cao trung bình 600 m so với mực nước biển, địa hình núi cao bị chia cắt mạnh bởi các khe suối (suối Khuổi Hồng, suối Bản Lù, suối Lũng Kim). Khí hậu nhiệt đới gió mùa có nhiệt độ trung bình năm 21°C, lượng mưa từ 1.600 đến 2.000 mm/năm, độ ẩm dao động 85 - 90%. Thổ nhưỡng gồm 4 nhóm đất chính: Feralit vàng đỏ, Feralit vàng nâu, Feralit màu vàng nhạt trên núi thấp, và đất dốc tụ/đất sẫm màu chân núi đá vôi.
  • Kinh tế - xã hội và tài nguyên đất: Dân số 1.276 người (mật độ 20,3 người/km²), nguồn lao động tại chỗ có 845 người. Sản xuất phụ thuộc chính vào nông lâm nghiệp (cây trồng chính là gừng, đạt năng suất trên 150 tấn/ha) và chăn nuôi thả rông. Cơ cấu đất đai ghi nhận đất rừng sản xuất chiếm 3.409,82 ha; đất rừng phòng hộ chiếm 2.062,17 ha; đất phi nông nghiệp 69,47 ha; đất chưa sử dụng 175,93 ha; diện tích đất sản xuất nông nghiệp được thống kê tại bảng hiện trạng rừng là 604,67 ha.

Kết quả nghiên cứu

Tác giả trình bày toàn bộ số liệu phân tích định lượng về cấu trúc và đa dạng thực vật tầng cây cao:

Chỉ tiêu thống kê Rừng phục hồi (TXP) Rừng trung bình (TXB)
Mật độ tầng cây cao ($N$) 720 - 900 cây/ha 820 - 860 cây/ha
Đường kính trung bình ($D_{tb}$) 16,21 - 17,50 cm 16,08 - 18,83 cm
Tiết diện ngang ($G$) 15,16 - 21,63 m²/ha 19,09 - 25,59 m²/ha
Trữ lượng tầng cây cao ($M$) 94,41 - 100,50 m³/ha 169,99 - 194,18 m³/ha
Chiều cao vút ngọn trung bình ($H_{tb}$) 8,01 - 12,08 m 12,87 - 13,78 m
Hệ số biến động đường kính ($S%$) 27,70% - 39,29% 43,83% - 53,04%
Hệ số biến động chiều cao ($S%$) 18,65% - 31,27% 16,63% - 44,99%

Về tổ thành loài, các loài cây chiếm ưu thế ở cả hai trạng thái gồm Thành ngạnh, Chò xót, Dẻ, Bời lời, Chân chim, Thẩu tấu, Dung, Kháo, Re. Các loài cây có giá trị kinh tế cao hoặc quý hiếm như Sếu, Trâm trắng xuất hiện với số lượng rất nhỏ và không đủ điều kiện tham gia công thức tổ thành. Nhóm loài chiếm ưu thế chủ yếu là các loài cây gỗ có giá trị kinh tế thấp.

Về quy luật phân bố:

  • Phân bố $N - D_{1.3}$: Hàm khoảng cách có 3/6 OTC phù hợp với phân bố thực nghiệm ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$. Hàm Weibull có 5/6 OTC phù hợp với thực nghiệm ($\chi^2_{tính} < \chi^2_{bảng}$), do đó hàm Weibull được lựa chọn làm mô hình mô phỏng tối ưu. Phân bố thực nghiệm có hệ số độ lệch $Sk > 0$, lệch trái rõ rệt và xuất hiện dạng răng cưa, phản ánh lâm phần đang phục hồi sau khai thác chọn thô.
  • Phân bố $N - H_{vn}$: Hàm Weibull phù hợp ở 4/6 OTC, trong khi hàm khoảng cách chỉ phù hợp ở 3/6 OTC. Hàm Weibull tiếp tục được chọn làm mô hình biểu diễn phân bố số cây theo chiều cao. Đỉnh phân bố tập trung nhiều ở dải chiều cao 8 - 16 m.

Về phân tích tương quan sinh trắc:

  • Tương quan $H_{vn} - D_{1.3}$: Thử nghiệm 4 dạng phương trình đều cho mức ý nghĩa thống kê cao ($Sig = 0,000 < 0,05$), hệ số tương quan $R$ dao động từ 0,621 đến 0,872. Phương trình Parabol bậc 2 ($H_{vn} = a + b_1 D_{1.3} + b_2 D_{1.3}^2$) đạt hệ số tương quan $R$ cao nhất ở hầu hết các OTC (đạt cực đại $R = 0,872$ tại OTC 3 của TXB), được xác định là mô hình mô phỏng tốt nhất.
  • Tương quan $H_{vn} - H_{dc}$: Phân tích trên 3 hàm (Linear, Logarithmic, Power) đều cho $Sig < 0,05$, hệ số $R$ dao động từ 0,45 đến 0,96. Dạng hàm mũ Power ($\text{Log}H_{vn} = a + b \cdot \text{Log}D_{1.3}$ theo ký hiệu văn bản) cho kết quả tương thích nhất tại đa số các ô tiêu chuẩn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng cụ thể về hiện trạng lâm phần tại xã Tân Sơn:

  • Đã xác định rõ đặc điểm cấu trúc tổ thành phức tạp của kiểu rừng lá rộng thường xanh và nửa rụng lá trên núi đất, không có loài ưu thế sinh thái tuyệt đối. Tỷ lệ tham gia của các loài cây mục đích có giá trị kinh tế cao rất thấp, thay vào đó là các loài tiên phong phục hồi sinh thái (Thành ngạnh, Chò xót).
  • Chỉ ra các bằng chứng sinh trắc học về tác động của con người: Hệ số biến động lớn về đường kính ($S%$ lên đến 53,04%), phân bố thực nghiệm $N - D_{1.3}$ và $N - H_{vn}$ có bước nhảy dạng răng cưa, minh chứng cho quá trình chặt chọn thiếu quy tắc trong quá khứ chỉ lấy đi các cây thân thẳng, phẩm chất tốt, chừa lại các cá thể cong queo hoặc sâu bệnh.
  • Chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của hàm phân bố xác suất Weibull hai tham số trong việc mô phỏng quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính và cỡ chiều cao tại địa bàn nghiên cứu, vượt trội so với phân bố khoảng cách. Xác lập hàm Parabol bậc 2 là mô hình phù hợp nhất để ước tính chiều cao từ đường kính đo đếm.

Về giải pháp quản lý lâm sinh, tác giả đề xuất:

  • Cần có biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt các loài cây bản địa quý hiếm còn sót lại (Sếu, Trâm trắng), ngăn chặn việc người dân khai thác kiệt quệ.
  • Áp dụng các giải pháp nuôi dưỡng, khoanh nuôi xúc tiến tái sinh tự nhiên kết hợp trồng bổ sung các loài cây bản địa, loài đặc hữu có giá trị kinh tế nhằm cải thiện phẩm chất lâm phần và nâng cao tính đa dạng sinh học.
  • Quản lý chặt chẽ hoạt động chăn thả gia súc tự do trong rừng, giảm thiểu tác động tiêu cực đến tầng cây tái sinh và thảm thực vật tự nhiên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của khóa luận chủ yếu xuất phát từ giới hạn nguồn lực và quy mô của một nghiên cứu tốt nghiệp đại học:

  • Dung lượng mẫu thực nghiệm còn hạn chế, mới thiết lập 6 ô tiêu chuẩn tạm thời (tổng diện tích điều tra 0,6 ha) tập trung vào 2 trạng thái TXB và TXP, chưa bao quát được toàn diện diện tích rừng rộng lớn trên núi đá vôi của xã Tân Sơn.
  • Dữ liệu tập trung hoàn toàn vào tầng cây cao ($D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$), chưa mở rộng điều tra cấu trúc tầng cây tái sinh, cây bụi và thảm tươi; phần tính toán chi tiết các chỉ số đa dạng loài sinh thái (Shannon - Wiener, Simpson, Brillouin, chỉ số $J$) mới chỉ dừng ở bước nêu phương pháp luận và lập bảng danh mục, chưa cung cấp trọn vẹn số liệu chỉ số đa dạng trong văn bản báo cáo.

Hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung:

  • Mở rộng phạm vi điều tra lập ô tiêu chuẩn định vị lâu dài trên nhiều trạng thái rừng khác nhau, đặc biệt là hệ sinh thái rừng trên núi đá vôi.
  • Bổ sung nghiên cứu chuyên sâu về đặc trưng cấu trúc và mật độ tầng cây tái sinh nhằm đánh giá khả năng phục hồi tự nhiên và diễn thế của rừng sau can thiệp lâm sinh.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Lâm sinh, Quản lý tài nguyên rừng và Điều tra quy hoạch rừng khi tìm hiểu về phương pháp luận ứng dụng thống kê sinh học trong lâm nghiệp.

Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất là quy trình ứng dụng các phân bố xác suất (hàm Weibull, hàm khoảng cách) và các dạng mô hình hồi quy phi tuyến trong SPSS và Excel để giải quyết bài toán mô phỏng cấu trúc lâm phần thực tế. Đồng thời, các số liệu điều tra cơ bản về trạng thái rừng TXB và TXP là nguồn dữ liệu thực địa có ý nghĩa đối với cán bộ kiểm lâm và chính quyền địa phương huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn trong công tác xây dựng phương án quản lý rừng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Hai trạng thái rừng được điều tra trong khóa luận là gì và được xác định theo quy định nào?
Nghiên cứu tập trung vào hai trạng thái: rừng gỗ tự nhiên núi đất lá rộng thường xanh phục hồi (TXP) và rừng gỗ tự nhiên núi đất lá rộng thường xanh trung bình (TXB), được phân loại theo hệ thống tiêu chí quy định tại Thông tư số 34/2009/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Mô hình phân bố nào mô phỏng quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính ($N/D_{1.3}$) tốt nhất?
Hàm Weibull 2 tham số là mô hình tối ưu nhất. Kết quả kiểm định Chi bình phương ($\chi^2$) ở mức ý nghĩa $\alpha = 0,05$ cho thấy hàm Weibull phù hợp với thực nghiệm ở 5/6 OTC (chấp nhận giả thuyết $H_0$), trong khi hàm khoảng cách chỉ đạt 3/6 OTC.

Phương trình toán học nào mô tả tốt nhất mối quan hệ giữa chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) và đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$)?
Phương trình Parabol bậc 2 (Quadratic) có dạng $H_{vn} = a + b_1 D_{1.3} + b_2 D_{1.3}^2$ là mô hình mô phỏng tốt nhất, với tất cả các ô tiêu chuẩn đều có ý nghĩa thống kê ($Sig = 0,000 < 0,05$) và hệ số tương quan $R$ đạt giá trị cao nhất trong 4 hàm thử nghiệm (dao động từ 0,670 đến 0,872).

Đặc điểm cấu trúc lâm phần phản ánh điều gì về lịch sử tác động của con người đối với khu rừng?
Hệ số biến động đường kính lớn ($27,70% - 53,04%$), đường cong phân bố thực nghiệm có dạng hình răng cưa và độ lệch lệch trái ($Sk > 0$) chứng minh rằng rừng đã trải qua quá trình khai thác chọn thô kiệt quệ trong quá khứ; các cá thể thân thẳng, chất lượng tốt đã bị khai thác hết, chỉ còn lại các cây nhỏ đang phục hồi hoặc cây phẩm chất xấu.

Quy mô và phương pháp thiết lập ô tiêu chuẩn ngoại nghiệp được thực hiện như thế nào?
Tác giả đã lập 6 ô tiêu chuẩn điển hình tạm thời trên địa bàn xã Tân Sơn, mỗi ô có diện tích 1.000 m² (0,1 ha). Trong đó, 3 ô thuộc trạng thái TXB và 3 ô thuộc trạng thái TXP, thực hiện đo đếm toàn bộ cây gỗ có đường kính ngang ngực $D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hoàng Nguyên Thái đã phân tích định lượng thành công cấu trúc lâm phần tầng cây cao tại hai trạng thái rừng tự nhiên phục hồi và trung bình ở xã Tân Sơn, huyện Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn. Công trình chứng minh tính hiệu quả của hàm Weibull và phương trình Parabol bậc 2 trong việc mô hình hóa các quy luật sinh trắc học rừng tự nhiên bằng các kiểm định thống kê tin cậy. Dữ liệu thực nghiệm phản ánh tình trạng rừng đang trong giai đoạn phục hồi sinh thái sau các tác động khai thác chọn thô, đồng thời cung cấp cơ sở kỹ thuật thực tiễn cho việc đề xuất các giải pháp khoanh nuôi, chăm sóc và quản lý rừng bền vững tại địa phương.