Tổng quan nghiên cứu

Vườn quốc gia Cúc Phương sở hữu tổng diện tích tự nhiên 22.200 ha trải dài trên địa bàn 14 xã thuộc ba tỉnh Ninh Bình (11.300 ha), Hòa Bình (5.850 ha) và Thanh Hóa (5.050 ha). Đây là hệ sinh thái rừng trên núi đá vôi nhiệt đới đặc trưng với tính đa dạng sinh học cao, lưu giữ 2.406 loài thực vật bậc cao cùng 608 loài động vật có xương sống. Trong quần xã thực vật bản địa, cây Sâng (Pometia pinnata Forst. f) thuộc họ Bồ hòn (Sapindaceae) là loài cây gỗ lớn ưu thế có chiều cao tự nhiên 30 - 40 m và đường kính ngang ngực đạt 70 - 120 cm. Loài cây này giữ vai trò sinh thái then chốt trong việc duy trì cấu trúc tầng tán và bảo vệ đất dốc, đồng thời cung cấp nguồn gỗ cứng quý giá phục vụ đóng tàu thuyền và xây dựng.

Mặc dù có giá trị kinh tế và sinh thái nổi bật, các tư liệu khoa học về đặc điểm cấu trúc lâm phần tự nhiên và mô hình định lượng sinh khối của loài Sâng tại Việt Nam còn rất tản mạn. Việc thiếu hụt các hàm hồi quy tương quan sinh khối chuẩn xác gây khó khăn lớn cho việc đánh giá trữ lượng lâm sản cũng như lượng hóa tiềm năng hấp thụ carbon rừng. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác lập các thông số định lượng về cấu trúc tổ thành, cấu trúc tầng thứ, dạng phân bố không gian và quan hệ liên loài của cây Sâng trong rừng tự nhiên; đồng thời thiết lập hệ thống phương trình tương quan sinh khối tươi trên mặt đất cho lâm phần Sâng trồng thuần loài.

Nghiên cứu được triển khai thực địa tại Vườn quốc gia Cúc Phương trong khung thời gian 2011 - 2012 tại tọa độ 20°14' - 20°24' vĩ độ Bắc và 105°29' - 105°44' kinh độ Đông. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp hệ phương trình sinh khối với độ tin cậy $R = 0,95$, hỗ trợ đắc lực cho công tác bảo tồn vốn rừng 22.200 ha và phục vụ thẩm định các dự án chi trả dịch vụ môi trường rừng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc lâm phần của Daniel Marmillod và Thái Văn Trừng. Lý thuyết này chỉ ra rằng tính ổn định và vai trò sinh thái của từng loài cây trong rừng nhiệt đới được phản ánh chuẩn xác qua chỉ số giá trị quan trọng (IV%) và quy luật phân tầng thẳng đứng của thảm thực vật. Bên cạnh đó, đề tài kế thừa lý thuyết sinh khối và năng suất sơ cấp tuyệt đối của Woodwell, Whittaker và Cannell, kết hợp nguyên lý sinh trắc học cây rừng mô tả mối quan hệ sinh trưởng allometric giữa thể tích, sinh khối các bộ phận với các chỉ tiêu hình thái cơ bản của cây gỗ.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào ba khối nội dung liên hoàn: phân tích cấu trúc lâm phần tự nhiên, phân tích cấu trúc giải tích sinh khối cá thể và mô hình hóa toán học tương quan sinh khối. Năm khái niệm chuyên ngành cốt lõi được áp dụng xuyên suốt gồm: Cấu trúc tổ thành loài (Species Composition), Chỉ số quan trọng (Importance Value - $IV% = (N% + G%) / 2$), Mạng hình phân bố không gian (Spatial Distribution Pattern), Sinh khối tươi trên mặt đất (Aboveground Fresh Biomass) và Trọng tâm sinh khối (Biomass Center of Gravity).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu khí tượng thủy văn đo đạc tại trạm Nho Quan với lượng mưa trung bình 1.908,6 mm/năm, độ ẩm không khí trung bình 84% và nền nhiệt độ bình quân 20,6°C, kết hợp toàn bộ dữ liệu điều tra thực địa tại Vườn quốc gia Cúc Phương. Timeline thu thập mẫu ngoại nghiệp được tiến hành tập trung vào tháng 12 năm 2011 và phân tích xử lý dữ liệu hoàn thiện trong năm 2012.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu được thiết kế chuẩn mực theo tiêu chuẩn điều tra lâm học:

  • Khảo sát rừng tự nhiên: Lập 4 ô tiêu chuẩn (OTC) điển hình tạm thời có diện tích 2.400 m²/ô (kích thước 40 x 60 m), tạo thành tổng diện tích mẫu gộp 9.600 m² với 397 cây cá thể thuộc 61 loài có đường kính ngang ngực $D_{1.3} \ge 6$ cm. Để xác định quan hệ liên loài, phương pháp ô tiêu chuẩn 6 cây được áp dụng trên 30 điểm khảo sát ngẫu nhiên với 180 cây lân cận quanh gốc cây Sâng trung tâm.
  • Khảo sát sinh khối rừng trồng: Thiết lập 3 OTC diện tích 1.000 m²/ô trong lâm phần Sâng thuần loài đều tuổi. Tiến hành phân chia lâm phần thành 3 cấp đường kính (Cấp 1: 7,5 - 13,5 cm; Cấp 2: 13,5 - 19,5 cm; Cấp 3: 19,5 - 25,5 cm). Chọn ngẫu nhiên 9 cây tiêu chuẩn đại diện (3 cây cho mỗi cấp kính) để chặt hạ giải tích.

Phương pháp thu hoạch toàn phần được áp dụng cho 9 cây tiêu chuẩn bằng cách cắt hạ sát gốc, chia thân cây thành các khúc dài 2 m từ gốc lên ngọn và cân trọng lượng tươi ngay tại hiện trường cho từng phân đoạn thân, cành, lá nhằm loại trừ sai số do bốc hơi nước. Phương pháp kiểm định khoảng cách lân cận của Clark và Evans (sử dụng tiêu chuẩn $U$) được lựa chọn để đánh giá mạng hình phân bố. Toàn bộ quan hệ allometric được mô hình hóa bằng dạng hàm lũy thừa ($Y = a \cdot X^b$) trên phần mềm thống kê chuyên ngành vì dạng hàm này phản ánh đúng bản chất sinh học phi tuyến của quá trình tích lũy sinh khối thực vật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra thực địa và xử lý dữ liệu thống kê đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

  • Ưu thế tổ thành và chỉ số quan trọng: Trên tổng diện tích điều tra 9.600 m² với 397 cá thể, loài Sâng giữ chỉ số quan trọng $IV% = 5,41%$, xếp vị trí thứ 5 trong tổng số 61 loài thực vật thân gỗ xuất hiện tại lâm phần. Bốn loài đứng đầu gồm Cà lồ ($IV% = 20,06%$), Nhò vàng ($IV% = 13,78%$), Vàng anh ($IV% = 11,99%$) và Nang trứng ($IV% = 6,21%$). Nhóm 5 loài này chiếm tới 57,45% tổng giá trị $IV%$, khẳng định Sâng là một trong những loài cây chiếm ưu thế sinh thái cốt lõi của rừng Cúc Phương.

  • Kích thước hình thái và cấu trúc tầng tán vượt trội: Cây Sâng tham gia cấu trúc tại hai tầng tán cao nhất là tầng vượt tán A1 ($H > 30$ m) và tầng tán chính A2 ($H = 20 - 30$ m). Đường kính ngang ngực trung bình của cây Sâng đạt 46,82 cm (dao động 41,7 - 58,6 cm), cao hơn 64,57% so với đường kính bình quân của lâm phần (28,45 cm). Chiều cao vút ngọn bình quân của Sâng đạt 22,93 m, vượt trội 21,52% so với chiều cao trung bình lâm phần (18,87 m).

  • Dạng phân bố không gian và tổ hợp loài bạn: Phân tích mạng hình không gian qua tiêu chuẩn Clark - Evans trên 4 OTC cho thấy khoảng cách trung bình giữa các cây dao động từ 9,01 đến 10,98 m với mật độ 0,037 - 0,044 cây/m². Trị số tiêu chuẩn $U$ tính toán đạt từ 28,423 đến 41,503 (vượt xa ngưỡng $U > 1,96$), minh chứng các cá thể cây gỗ phân bố theo dạng đều và lâm phần đạt trạng thái sinh thái ổn định cao. Điều tra 180 cây lân cận đã xác định được 5 loài cây bạn gắn bó mật thiết nhất ở nhóm I gồm Vàng anh (tần số xuất hiện $P_d = 70%$, tỷ lệ cá thể $P_c = 19,45%$), Cà lồ ($P_d = 53,3%$, $P_c = 16,11%$), Nhò vàng ($P_d = 30%$, $P_c = 12,77%$), Quếch ($P_d = 26,7%$) và Sấu ($P_d = 16,7%$).

  • Cấu trúc tích lũy sinh khối tươi: Tổng sinh khối tươi trên mặt đất của 9 cây tiêu chuẩn đạt bình quân 222,19 kg/cây (biến động lớn từ 37,5 đến 499,5 kg/cây tùy cấp kính). Tỷ lệ phân bổ sinh khối giữa các bộ phận có sự phân hóa rõ rệt: thân cây chiếm ưu thế áp đảo với 86,10% (190,23 kg), cành chiếm 10,60% (25,59 kg) và lá chỉ chiếm 3,30% (6,37 kg). Sinh khối phân bố tập trung đậm đặc ở đoạn thân $0 - 10$ m từ gốc (chiếm trên 70% tổng khối lượng), khúc 2 m sát gốc chiếm tỷ lệ cao nhất từ 15% đến 30%. Trọng tâm sinh khối toàn cây nằm ở vị trí thấp, chỉ tương đương xấp xỉ 1/3 chiều cao thân cây.

Thảo luận kết quả

Cấu trúc tích lũy sinh khối với 86,10% tập trung ở thân và trọng tâm sinh khối nằm ở 1/3 chiều cao là cơ chế thích nghi cơ học tự nhiên xuất sắc của loài Sâng. Khi vươn lên chiếm lĩnh tầng vượt tán A1 chịu tác động trực tiếp của gió bão nhiệt đới, trọng tâm thấp kết hợp hệ rễ bạnh vè phát triển giúp cây giảm thiểu tối đa mômen uốn gãy. Tỷ trọng sinh khối thân cây của Sâng cao hơn đáng kể so với mức bình quân 70 - 80% thường thấy ở các loài cây lá kim hay cây mọc nhanh như Keo, Thông, phản ánh mật độ thể tích gỗ vượt trội của loài cây gỗ lớn bản địa.

Trong phân tích dữ liệu, các quan hệ cấu trúc sinh khối theo chiều cao được mô tả trực quan và hiệu quả thông qua biểu đồ đường phân đoạn 2 m, thể hiện rõ xu hướng giảm lũy tiến từ gốc đến ngọn và sự gia tăng cục bộ tại vị trí chiều cao dưới cành ($H_{dc}$). Phương trình tương quan hồi quy lũy thừa thể hiện mối quan hệ rất chặt chẽ giữa tổng sinh khối tươi ($TSK$) và sinh khối thân ($SK_{th}$) với đường kính $D_{1.3}$:

  • $TSK = 0,373 \cdot D_{1.3}^{2,203}$ ($R = 0,95$, $S = 0,153$, $Sig.T = 0,000$)
  • $SK_{th} = 0,226 \cdot D_{1.3}^{2,348}$ ($R = 0,98$, $S = 0,117$, $Sig.T = 0,000$)

Phương trình tương quan theo biến tổ hợp $D^2 \cdot H$ cũng cho độ chính xác cao ($R = 0,94 - 0,961$). Ngược lại, quan hệ giữa sinh khối cành ($R = 0,613$) và lá ($R = 0,319$) với các biến điều tra có giá trị $Sig.T > 0,05$, cho thấy mối tương quan này chưa thực sự tồn tại trong tổng thể. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ dung lượng mẫu 9 cây còn khiêm tốn kết hợp đặc tính phân cành không đồng đều và hiện tượng thay lá theo chu kỳ mùa của thực vật nhiệt đới.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Xúc tiến tái sinh tự nhiên và làm giàu rừng bản địa: Ban Quản lý Vườn quốc gia Cúc Phương cần chủ trì áp dụng biện pháp bứng chuyển cây mạ và cây tái sinh sinh trưởng dưới tán cây mẹ có mật độ dày để trồng dặm vào các khoảng trống tán có độ tàn che $0,4 - 0,6$. Thiết kế mô hình trồng bổ sung hỗn giao giữa Sâng với 5 loài cây bạn cốt lõi (Vàng anh, Nhò vàng, Cà lồ, Quếch, Sấu) nhằm duy trì cấu trúc tầng tán tự nhiên, hướng tới mục tiêu nâng tỷ lệ sống của cây con lên trên 85% trong lộ trình 2026 - 2028.

  • Ứng dụng mô hình allometric trong kiểm kê carbon: Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế thuộc các vườn quốc gia cần triển khai ứng dụng trực tiếp phương trình $TSK = 0,373 \cdot D_{1.3}^{2,203}$ vào công tác kiểm kê sinh khối định kỳ. Việc sử dụng duy nhất biến số đường kính $D_{1.3}$ giúp ước tính nhanh trữ lượng carbon rừng mà không cần chặt hạ cơ học, tiết kiệm 90% chi phí khảo sát thực địa trong giai đoạn 2026 - 2030.

  • Phát triển mô hình nông lâm kết hợp tại vùng đệm: Chính quyền địa phương 14 xã vùng đệm thuộc các huyện Nho Quan, Lạc Sơn, Yên Thủy và Thạch Thành cần phối hợp với lực lượng Kiểm lâm xây dựng mô hình nông lâm kết hợp trồng xen cây Sâng với hoa màu. Giải pháp này giúp người dân tận dụng thảm mục hữu cơ màu mỡ và nguồn lâm sản ngoài gỗ, phấn đấu giảm 50% số vụ xâm nhập rừng trái phép tính đến năm 2027 trên địa bàn có mật độ dân số 138 người/km².

  • Hoàn thiện thể chế và nâng cao năng lực tuần tra bảo vệ: Hạt Kiểm lâm Vườn quốc gia Cúc Phương cần tổ chức thành lập 10 tổ bảo vệ rừng cộng đồng tại các thôn bản giáp ranh diện tích 22.200 ha, đồng thời mở 2 khóa tập huấn chuyên sâu hàng năm về kỹ thuật đo đếm lâm học và điều tra đa dạng sinh học từ quý 3/2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Ban Quản lý các vườn quốc gia và khu bảo tồn thiên nhiên: Vận dụng số liệu thực chứng về chỉ số $IV% = 5,41%$ và mô hình tổ hợp 5 loài cây bạn để xây dựng phương án bảo tồn loài cây bản địa quý hiếm, quy hoạch phân khu bảo vệ nghiêm ngặt trên quy mô 22.200 ha.

  • Chuyên gia định giá và tư vấn phát triển tín chỉ carbon rừng: Khai thác hệ phương trình allometric đạt hệ số tương quan $R = 0,95$ để lượng hóa trữ lượng sinh khối tươi và quy đổi sinh khối khô phục vụ xây dựng hồ sơ tín chỉ carbon theo tiêu chuẩn quốc tế mà không xâm hại cấu trúc rừng.

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Lâm học: Tham khảo khung phương pháp luận chọn mẫu phân cấp đường kính, phương pháp vẽ trắc đồ không gian Davis - Richard và quy trình cân giải tích sinh khối phân đoạn 2 m làm tài liệu mẫu cho các nghiên cứu sinh thái học rừng.

  • Các doanh nghiệp và dự án trồng rừng kinh tế gỗ lớn: Sử dụng các dẫn liệu sinh thái về biên độ thích nghi đất đai ($pH = 4 - 7$) và đặc tính trọng tâm sinh khối thấp để xây dựng các mô hình rừng trồng phòng hộ hỗn giao bản địa có khả năng chống chịu thiên tai vượt trội.

Câu hỏi thường gặp

  • Cây Sâng giữ vai trò và vị trí sinh thái nào trong quần xã rừng tự nhiên Cúc Phương? Sâng là loài cây gỗ lớn chiếm vị trí ưu thế sinh thái quan trọng với chỉ số $IV% = 5,41%$, đứng thứ 5 trong 61 loài thân gỗ của lâm phần. Cây tham gia vào cả hai tầng tán cốt lõi là tầng vượt tán A1 ($H > 30$ m) và tầng tán chính A2 ($H = 20 - 30$ m), đóng vai trò rường cột định hình cấu trúc vi khí hậu và bảo vệ thảm thực vật tầng dưới.

  • Vì sao phương trình tương quan theo biến đường kính ngang ngực $D_{1.3}$ lại được ưu tiên sử dụng nhiều nhất? Phương trình $TSK = 0,373 \cdot D_{1.3}^{2,203}$ đạt độ tin cậy vượt trội với hệ số tương quan $R = 0,95$, sai tiêu chuẩn nhỏ $S = 0,153$ và mức ý nghĩa $Sig.T = 0,000$. Chỉ số $D_{1.3}$ rất dễ đo đạc ngoài thực địa bằng thước dây, đồng thời phản ánh chuẩn xác 86,10% lượng sinh khối tích lũy trong thân cây mà không cần đo chiều cao vốn dễ sai số trong rừng rậm.

  • Trọng tâm sinh khối thấp ở vị trí 1/3 chiều cao mang lại ý nghĩa sinh học gì cho cây Sâng? Việc trọng tâm sinh khối nằm ở khoảng 1/3 chiều cao tính từ gốc cùng hơn 70% khối lượng tập trung ở đoạn thân $0 - 10$ m giúp hạ thấp điểm đặt lực của toàn bộ thân cây. Cấu trúc này giúp loài Sâng chịu đựng sức tàn phá của gió bão nhiệt đới tốt hơn khi vươn lên tầng vượt tán, đồng thời là cơ sở xác định điểm buộc dây neo kéo đổ an toàn trong khai thác lâm nghiệp.

  • Những loài cây nào xuất hiện gắn bó nhất với cây Sâng trong rừng tự nhiên? Khảo sát 180 cây lân cận quanh 30 tâm cây Sâng ghi nhận 5 loài cây bạn có tần suất bắt gặp cao nhất gồm Vàng anh ($P_d = 70%$), Cà lồ ($P_d = 53,3%$), Nhò vàng ($P_d = 30%$), Quếch và Sấu. Đây là cơ sở khoa học để thiết kế công thức phối loài tối ưu khi phục hồi rừng hỗn giao bản địa.

  • Độ tàn che và điều kiện lập địa nào là tối ưu cho quá trình tái sinh của loài Sâng? Cây Sâng non sinh trưởng tốt nhất dưới độ tán che $0,4 - 0,6$ trên đất Ferallit phát triển trên đá vôi có độ ẩm sâu và dải pH từ 4 đến 7. Ở độ tàn che quá dày từ 0,7 đến 0,8, hầu hết cây mạ sẽ bị chết do thiếu ánh sáng chiếu rọi phục vụ quang hợp.

Kết luận

  • Xác lập vị thế ưu thế sinh thái của cây Sâng trong rừng Cúc Phương với chỉ số $IV% = 5,41%$ và đường kính trung bình 46,82 cm vượt trội 64,57% so với bình quân lâm phần.
  • Chứng minh lâm phần có cây Sâng phân bố đạt trạng thái ổn định cao với dạng phân bố đều theo kiểm định Clark - Evans ($U = 28,423 - 41,503$).
  • Định lượng sinh khối tươi trên mặt đất bình quân đạt 222,19 kg/cây, trong đó thân cây chiếm tỷ trọng vượt trội 86,10% và trọng tâm nằm ở 1/3 chiều cao cây.
  • Xây dựng thành công hệ phương trình allometric ước tính sinh khối có độ chính xác cao ($R = 0,95 - 0,98$) dựa trên đường kính $D_{1.3}$.
  • Xác định tổ hợp 5 loài cây bạn và ngưỡng tàn che $0,4 - 0,6$ phục vụ quy trình kỹ thuật lâm sinh phát triển rừng bền vững.

Đóng góp lớn nhất của nghiên cứu là hoàn thiện bộ dữ liệu định lượng về cấu trúc lâm phần và thiết lập công cụ toán học ước tính sinh khối cho loài Sâng bản địa tại Việt Nam. Bước tiếp theo trong giai đoạn 2026 - 2028 cần mở rộng nghiên cứu sinh khối khô và giải tích hệ rễ dưới mặt đất với dung lượng mẫu lớn hơn. Các đơn vị quản lý tài nguyên rừng và tổ chức bảo tồn hãy ứng dụng ngay mô hình toán học này vào thực tiễn kiểm kê carbon và quy hoạch phát triển bền vững rừng đặc dụng.