Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thông ba lá (Pinus kesiya Royle ex Gordon) là loài cây thân gỗ lá kim bản địa có ý nghĩa kinh tế và sinh thái quan trọng tại vùng Tây Nguyên, đặc biệt là tỉnh Lâm Đồng – nơi có diện tích rừng thông tự nhiên lớn nhất cả nước. Rừng thông ba lá không chỉ cung cấp nguồn nguyên liệu gỗ và nhựa phục vụ cho hơn 50 ngành công nghiệp chế biến, mà còn giữ vai trò trọng yếu trong việc phòng hộ đầu nguồn cho 7 hệ thống sông suối lớn, điều tiết nguồn sinh thủy, chống xói mòn đất dốc và tạo dựng cảnh quan đặc trưng cho ngành du lịch. Tuy nhiên, trước áp lực khai thác không bền vững, nạn phá rừng làm nương rẫy và nguy cơ cháy rừng trong mùa khô, việc phục hồi, nuôi dưỡng và mở rộng diện tích rừng trồng thông ba lá trở thành nhiệm vụ then chốt của ngành lâm nghiệp địa phương, cụ thể là Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Đặc điểm sinh trưởng của rừng Thông ba lá trồng tại huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng" do sinh viên Nguyễn Đình Kha thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thanh Hải (Khoa Lâm nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, 2023) được triển khai nhằm giải quyết yêu cầu thực tiễn về mặt khoa học kỹ thuật trong công tác điều tra và kinh doanh rừng trồng.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu chung: Xác định những đặc điểm sinh trưởng cơ bản của rừng trồng Thông ba lá tại huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc quản lý, bảo vệ, nuôi dưỡng và phát triển bền vững rừng trồng tại khu vực.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Đánh giá đặc điểm cấu trúc lâm phần thông qua quy luật phân bố số cây theo cấp đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) và cấp chiều cao vút ngọn ($H$).
    • Đánh giá đặc điểm sinh trưởng và lượng tăng trưởng của lâm phần thông qua việc thiết lập các mô hình hồi quy biểu diễn tương quan giữa các chỉ tiêu sinh trưởng ($D_{1.3}, H, V$) với tuổi ($A$), và tương quan giữa chiều cao với đường kính ($H/D_{1.3}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lâm phần rừng trồng Thông ba lá thuần loài được trồng trong giai đoạn từ năm 2016 đến năm 2023.
  • Phạm vi không gian: Thuộc tiểu khu 316 A do Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương quản lý, địa hình núi trung bình có độ dốc bình quân 20 – 30°, độ cao trung bình khoảng 1.000 m so với mực nước biển.
  • Phạm vi nội dung: Cấu trúc lâm phần, quy luật sinh trưởng đường kính, chiều cao, thể tích thân cây và lượng tăng trưởng bình quân hàng năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tiếp cận

Nghiên cứu sinh trưởng cây rừng và lâm phần là nền tảng của khoa học sản lượng rừng, phản ánh quá trình tích lũy kích thước và sinh khối theo thời gian ($A$). Tác giả đã tổng thuật các trường phái mô hình hóa sinh trưởng thực nghiệm và lý thuyết trên thế giới như hàm Gompertz ($y = m \cdot e^{-b \cdot e^{-kt}}$), mô hình Schumacher, hàm Bachmann, hàm Korsun, cũng như các nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam của Vũ Đình Phương, Phùng Ngọc Lan, Bùi Việt Hải và đặc biệt là nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Lung trên đối tượng Thông ba lá tại Đà Lạt.

Phương pháp nghiên cứu ngoại nghiệp

  • Phương pháp thu thập tài liệu: Kế thừa bản đồ hiện trạng rừng mới nhất (tỷ lệ 1/10.000, hệ tọa độ VN-2000 kinh tuyến trục 107,75°, múi chiếu 3°), hồ sơ thiết kế kỹ thuật trồng, chăm sóc và phương án điều chế rừng của đơn vị.
  • Bố trí ô tiêu chuẩn (OTC): Sử dụng phương pháp điều tra điển hình cho loài cây và năm trồng. Tổng cộng 40 OTC tạm thời được thiết lập ngoài thực địa. OTC có dạng hình tròn, bán kính $R = 12,62\text{ m}$, diện tích mỗi ô là $500\text{ m}^2$.
  • Thu thập dữ liệu trên OTC:
    • Đo đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) tại vị trí $1,3\text{ m}$ bằng thước dây chuyên dụng (độ chính xác $0,5\text{ cm}$).
    • Đo chiều cao dưới cành ($H_{dc}$) và chiều cao vút ngọn ($H$) bằng sào đo cao (sai số $0,1 - 0,5\text{ m}$).
    • Chọn và chặt ngã giải tích thân cây: Chọn 02 cây tiêu chuẩn đại diện cho lâm phần trồng năm 2001 (không cụt ngọn, không sâu bệnh, thân thẳng) để giải tích vòng năm, xác định quá trình tăng trưởng quá khứ và tính toán hình số thân cây ($f_{1.3}$).

Phương pháp nghiên cứu nội nghiệp và xử lý thống kê

  • Xác định cấu trúc phân bố: Sử dụng công thức phân tổ của Brooks và Caruthers để chia tổ thực nghiệm: $$\text{Số tổ: } m = 3,3 \cdot \log(n); \quad \text{Cự ly tổ: } k = \frac{X_{\max} - X_{\min}}{m}$$
  • Tính toán các đặc trưng thống kê mẫu: Trị số trung bình ($\bar{X}$), độ lệch chuẩn ($S$), phương sai ($S^2$), hệ số biến động ($Cv%$), độ lệch ($Sk$), độ nhọn ($Ex$).
  • Xác định thể tích cây đứng và hình số thân cây: $$V = \frac{\pi}{4} \cdot D_{1.3}^2 \cdot H \cdot f_{1.3}$$ Trong đó hình số thân cây $f_{1.3}$ được xác định từ cây giải tích theo công thức: $$f_{1.3} = \frac{\sum d_i^2}{n \cdot D_{1.3}^2}$$
  • Mô hình hóa tương quan sinh trưởng: Sử dụng phần mềm thống kê Statgraphics Plus 3.0 và Microsoft Excel để thử nghiệm 12 dạng hàm hồi quy phi tuyến và tuyến tính (Linear, Exponential, Reciprocal, Logarithmic, Multiplicative, Square Root, S-Curve). Việc lựa chọn phương trình tối ưu dựa trên hệ số tương quan ($r$ lớn nhất), sai số tiêu chuẩn hồi quy ($S_{y/x}$ nhỏ nhất), tiêu chuẩn kiểm định $F$ ($F_{\text{tính}} > F_{0.05}$) và tính quy luật sinh học của cây rừng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ vai trò đa mục tiêu của Thông ba lá đối với hệ sinh thái và kinh tế tỉnh Lâm Đồng, thực trạng suy giảm tài nguyên rừng do khai thác và áp lực chuyển đổi mục đích sử dụng đất. Chương này xác định rõ mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn phạm vi khảo sát tại tiểu khu 316 A thuộc Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

Tổng hợp các thành tựu lý luận về động thái cấu trúc và mô hình hóa sinh trưởng lâm phần. Khái quát các giai đoạn phát triển của lâm phần (rừng non, rừng sào, rừng trung niên, rừng thành thục), các công trình nghiên cứu sử dụng toán thống kê trong lâm nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam, qua đó xác lập cơ sở lý thuyết cho việc ứng dụng hàm toán học trong dự đoán sản lượng và điều tiết mật độ rừng trồng.

Chương 3: Đặc điểm khu vực, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội vùng nghiên cứu. Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương quản lý tổng diện tích $18.847,38\text{ ha}$, phân bố trên 6 xã/thị trấn (D’ran, Lạc Xuân, Ka Đô, P’ró, Ka Đơn, Tu Tra). Khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa núi cao với nhiệt độ bình quân $22^\circ\text{C}$, lượng mưa trung bình năm biến động từ $900 - 3.010\text{ mm}$. Thổ nhưỡng chủ yếu là đất Feralit mùn trên núi phát triển trên đá granit, bazan, sa thạch. Chương 3 cũng chuẩn hóa toàn bộ quy trình bố trí 40 ô tiêu chuẩn điều tra ngoại nghiệp và hệ thống công thức xử lý dữ liệu nội nghiệp.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu

Trình bày các phát hiện định lượng cốt lõi qua hệ thống số liệu thực nghiệm:

  • Cấu trúc phân bố $N/D_{1.3}$: Phân tích đặc trưng mẫu của 8 cấp tuổi rừng trồng (2016 – 2023). Đường phân bố số cây theo cấp đường kính ở giai đoạn rừng non (năm trồng 2018 – 2022) có dạng 1 hoặc 2 đỉnh lệch trái ($Sk > 0$), sau đó có xu hướng chuyển dần sang đối xứng hoặc lệch phải ($Sk < 0$) ở các tuổi lớn hơn (năm trồng 2016 – 2017). Hệ số biến động đường kính dao động từ $11,6%$ đến $33,4%$, phản ánh mức độ đồng đều tương đối của lâm phần.
  • Cấu trúc phân bố $N/H$: Phân bố số cây theo chiều cao có hệ số biến động từ $11,6%$ đến $22,9%$, chênh lệch chiều cao giữa các cá thể so với trung bình lâm phần nằm trong khoảng $0,47 - 1,25\text{ m}$.
  • Mô hình hóa sinh trưởng đường kính ($D_{1.3}/A$): Dạng hàm căn bậc hai dạng $y = a + b\sqrt{x}$ đạt mức độ tương thích cao nhất: $$D_{1.3} = -10,8072 + 7,79908 \cdot \sqrt{A} \quad (r = 0,99; , S_{y/x} = 0,49; , F_{\text{tính}} = 207,24 > F_{0.05})$$
  • Mô hình hóa sinh trưởng chiều cao ($H/A$): Dạng hàm số mũ $y = \exp(a + bx)$ phản ánh sát thực tế sinh học: $$H = \exp(-0,43425 + 0,348037 \cdot A) \quad (r = 0,98; , S_{y/x} = 0,158; , F_{\text{tính}} = 203,63 > F_{0.05})$$
  • Hình số thân cây và sinh trưởng thể tích ($V/A$): Xác định được hình số bình quân thân cây đứng $f_{1.3} = 0,68$. Đường cong sinh trưởng thể tích cây cá thể ($V$) tăng chậm ở giai đoạn dưới 4 năm tuổi và bắt đầu gia tăng nhanh từ tuổi thứ 5 trở đi.
  • Tương quan giữa chiều cao và đường kính ($H/D_{1.3}$): Xây dựng phương trình tương quan phục vụ tính toán gián tiếp chiều cao: $$H = -2,20969 + 2,70574 \cdot \sqrt{D_{1.3}} \quad (r = 0,98)$$
  • Động thái tăng trưởng hàng năm: Từ số liệu giải tích 2 cây mẫu, lượng tăng trưởng đường kính bình quân hàng năm đạt $\Delta d_{1.3} = 1,41\text{ cm/năm}$; lượng tăng trưởng chiều cao bình quân hàng năm đạt $\Delta h = 1,14\text{ m/năm}$. Đồ thị biểu diễn lượng tăng trưởng thực nghiệm có dạng gấp khúc do hạn chế về dung lượng cây giải tích.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các tham số sinh trưởng thực nghiệm và đề xuất ứng dụng mô hình vào việc lập kế hoạch tỉa thưa, điều tiết mật độ. Chương này tính toán cân bằng sản lượng khai thác bền vững cho toàn bộ diện tích rừng trồng Thông ba lá của đơn vị.

Kết quả và đóng góp

Tổng hợp các kết quả định lượng chính

Nghiên cứu đã cung cấp hệ thống thông số toán học mô tả toàn diện các chỉ tiêu lâm học của rừng trồng Thông ba lá tại huyện Đơn Dương:

Chỉ tiêu nghiên cứu Mô hình / Phương trình thực nghiệm Hệ số tương quan ($r$) Sai số tiêu chuẩn ($S_{y/x}$) Giá trị kiểm định $F_{\text{tính}}$
Sinh trưởng đường kính ($D_{1.3}/A$) $D_{1.3} = -10,8072 + 7,79908 \cdot \sqrt{A}$ $0,99$ $0,49$ $207,24$
Sinh trưởng chiều cao ($H/A$) $H = \exp(-0,43425 + 0,348037 \cdot A)$ $0,98$ $0,158$ $203,63$
Tương quan chiều cao - đường kính ($H/D_{1.3}$) $H = -2,20969 + 2,70574 \cdot \sqrt{D_{1.3}}$ $0,98$ — —
Hình số thân cây ($f_{1.3}$) $f_{1.3} = 0,68$ (tính bình quân chung) — — —
Tăng trưởng đường kính bình quân ($i_{d1.3}$) $1,41\text{ cm/năm}$ — — —
Tăng trưởng chiều cao bình quân ($i_h$) $1,14\text{ m/năm}$ — — —

Đóng góp thực tiễn về quản lý và khai thác rừng bền vững

  1. Cơ sở cho giải pháp kỹ thuật lâm sinh: Phương trình tương quan $H/D_{1.3}$ và các phân bố $N/D_{1.3}$ là căn cứ khoa học để xác định thời điểm và cường độ tỉa thưa nuôi dưỡng rừng ở giai đoạn rừng non và rừng sào, loại bỏ những cây bị chèn ép hoặc sâu bệnh, tập trung không gian dinh dưỡng cho cây sinh trưởng tốt.
  2. Xác định giới hạn khai thác bền vững:
    • Tổng lượng tăng trưởng trữ lượng hàng năm của toàn bộ diện tích rừng trồng Thông ba lá tại Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương ước tính đạt $18.511,75\text{ m}^3/\text{năm}$.
    • Với trữ lượng vút ngọn bình quân của Thông ba lá ở tuổi thành thục (từ cấp tuổi 25 năm trở lên) là $227\text{ m}^3/\text{ha}$, diện tích khai thác trắng tối đa cho phép mỗi năm là $82\text{ ha/năm}$ ($18.511,75 / 227$).
    • Trên thực tế, đơn vị đang khai thác bình quân $27\text{ ha/năm}$ (tương ứng khoảng $6.129\text{ m}^3/\text{năm}$). Mức khai thác này thấp hơn nhiều so với tổng lượng tăng trưởng hàng năm, đảm bảo tính bền vững của vốn rừng trong suốt chu kỳ kinh doanh 25 năm theo phương án quản lý rừng bền vững đã được phê duyệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Số liệu thực địa mới được thu thập trên 40 ô tiêu chuẩn tạm thời tập trung tại một khu vực cục bộ (tiểu khu 316 A), chưa bao quát hết 23 tiểu khu và các dạng lập địa khác nhau trong phạm vi quản lý của công ty.
    • Số lượng cây chặt ngã để giải tích thân cây còn rất ít (chỉ thực hiện trên 02 cây mẫu trồng năm 2001), dẫn đến đường biểu diễn lượng tăng trưởng thực nghiệm hàng năm ($i_{d1.3}$ và $i_h$) có dạng gấp khúc, chưa triệt tiêu được sai số ngẫu nhiên và tính chủ quan khi đọc vòng năm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng hệ thống ô tiêu chuẩn định vị lâu năm trên nhiều điều kiện lập địa, độ dốc và hướng dốc khác nhau để theo dõi liên tục động thái sinh trưởng.
    • Tăng cường số lượng cây giải tích ở các cấp tuổi khác nhau nhằm hoàn thiện biểu sản lượng và xây dựng phương trình tăng trưởng có độ tin cậy cao hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Lâm học, Quản lý tài nguyên rừng, Điều tra quy hoạch rừng: Cung cấp phương pháp mẫu về xử lý số liệu điều tra lâm phần, kỹ thuật lập mô hình hồi quy phi tuyến trên phần mềm Statgraphics và Excel.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các ban quản lý rừng phòng hộ, công ty lâm nghiệp vùng Tây Nguyên (đặc biệt là tỉnh Lâm Đồng): Có thể tham khảo trực tiếp các phương trình sinh trưởng ($D_{1.3}/A, H/A, V/A$) và hình số $f_{1.3} = 0,68$ để tính toán trữ lượng cây đứng, lập phương án điều chế rừng và xây dựng kế hoạch khai thác tỉa thưa cho các lâm phần Thông ba lá có điều kiện lập địa tương đồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương trình toán học nào được lựa chọn để mô tả sinh trưởng đường kính ($D_{1.3}$) theo tuổi của Thông ba lá trong đề tài?
Mô hình căn bậc hai dạng $y = a + b\sqrt{x}$ được lựa chọn với phương trình cụ thể:
$$D_{1.3} = -10,8072 + 7,79908 \cdot \sqrt{A}$$
Phương trình đạt hệ số tương quan $r = 0,99$, sai số chuẩn $S_{y/x} = 0,49$ và tiêu chuẩn kiểm định $F_{\text{tính}} = 207,24 > F_{0.05}$.

2. Hình số thân cây đứng ($f_{1.3}$) của Thông ba lá tại khu vực nghiên cứu được xác định là bao nhiêu?
Hình số thân cây đứng bình quân được tính toán trực tiếp từ dữ liệu cây giải tích là $f_{1.3} = 0,68$. Chỉ số này được dùng trong công thức $V = \frac{\pi}{4} \cdot D_{1.3}^2 \cdot H \cdot 0,68$ để tính toán thể tích cây cá thể.

3. Dung lượng mẫu điều tra ngoại nghiệp của khóa luận gồm bao nhiêu ô tiêu chuẩn và cây giải tích?
Nghiên cứu đã thiết lập 40 ô tiêu chuẩn tạm thời dạng hình tròn (diện tích $500\text{ m}^2$/ô, bán kính $R = 12,62\text{ m}$) trên các lâm phần trồng từ năm 2016 đến năm 2023 tại tiểu khu 316 A, cùng với 02 cây tiêu chuẩn chặt ngã giải tích thân cây trồng năm 2001.

4. Dựa trên số liệu tăng trưởng trữ lượng, diện tích khai thác rừng trồng hàng năm tối đa của Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương là bao nhiêu?
Tổng lượng tăng trưởng trữ lượng hàng năm của toàn bộ diện tích rừng thông trồng tại công ty là $18.511,75\text{ m}^3/\text{năm}$. Với trữ lượng vút ngọn tuổi thành thục là $227\text{ m}^3/\text{ha}$, diện tích khai thác tối đa cho phép là $82\text{ ha/năm}$. Mức khai thác thực tế hiện nay ($27\text{ ha/năm}$, tương đương khoảng $6.129\text{ m}^3/\text{năm}$) nằm trong ngưỡng an toàn sinh thái.

5. Lượng tăng trưởng bình quân hàng năm về đường kính và chiều cao của Thông ba lá đạt giá trị bao nhiêu?
Theo kết quả giải tích thân cây mẫu, lượng tăng trưởng bình quân hàng năm về đường kính ngang ngực đạt $i_{d1.3} = 1,41\text{ cm/năm}$ và lượng tăng trưởng bình quân hàng năm về chiều cao vút ngọn đạt $i_h = 1,14\text{ m/năm}$.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đình Kha đã lượng hóa thành công các quy luật cấu trúc, sinh trưởng và tăng trưởng của rừng trồng Thông ba lá tại tiểu khu 316 A thuộc Công ty Lâm nghiệp Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng. Thông qua việc thiết lập các mô hình hồi quy có độ tin cậy cao về đường kính, chiều cao và thể tích theo tuổi, công trình đã làm sáng tỏ động thái phát triển của lâm phần trong giai đoạn rừng non và rừng sào. Các kết quả định lượng về hình số thân cây ($0,68$) và hạn mức khai thác bền vững ($82\text{ ha/năm}$) cung cấp luận cứ khoa học quan trọng phục vụ trực tiếp công tác điều chế rừng và quản lý lâm nghiệp bền vững tại địa phương.