Động thái cấu trúc hệ sinh thái rừng lá rộng tại khu bảo tồn Hang Kia Pà Cò và Vườn Quốc Gia Xuân Sơn

• Trường học: Trường Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Lâm Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Thái Cấu Trúc Hệ Sinh Thái Rừng Lá Rộng Tại Khu Bảo Tồn Hang Kia Pà Cò Và Vườn Quốc Gia Xuân Sơn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

I. Giới thiệu về động thái cấu trúc hệ sinh thái rừng

Động thái cấu trúc hệ sinh thái rừng là một khái niệm quan trọng trong nghiên cứu hệ sinh thái rừng. Cấu trúc rừng không chỉ phản ánh sự sắp xếp của các thành phần sinh vật mà còn thể hiện sự tương tác giữa chúng. Theo đó, cấu trúc rừng bao gồm các yếu tố như tổ thành, dạng sống, mật độ và sự biến đổi theo thời gian. Đặc biệt, động thái cấu trúc rừng được hiểu là sự biến đổi của các nhân tố này theo thời gian, từ đó ảnh hưởng đến sự phát triển và tái sinh của rừng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến động thái tái sinh và sinh trưởng của rừng, đặc biệt là tại khu bảo tồn Hang Kia Pà Cò và Vườn Quốc Gia Xuân Sơn.

1.1. Khái niệm về cấu trúc rừng

Cấu trúc rừng được định nghĩa là sự sắp xếp của các tổ chức sinh vật trong hệ sinh thái rừng. Các yếu tố cấu thành như tổ thành và mật độ cây có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của rừng. Sự biến đổi của các yếu tố này theo thời gian có thể dẫn đến sự thay đổi trong động thái cấu trúc của rừng, ảnh hưởng đến khả năng phục hồi và phát triển của các loài cây. Nghiên cứu về cấu trúc rừng giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các loài và môi trường sống của chúng.

II. Động thái tái sinh rừng

Tái sinh rừng là một quá trình quan trọng trong việc duy trì biodiversity và ổn định của hệ sinh thái rừng. Nghiên cứu cho thấy có nhiều hình thức tái sinh như tái sinh hạt, tái sinh chồi và tái sinh thân ngầm. Mỗi hình thức tái sinh có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến sự phát triển của rừng. Đặc biệt, trong các khu rừng nhiệt đới, quá trình tái sinh tự nhiên thường diễn ra mạnh mẽ, với sự xuất hiện của các loài cây ưa sáng trong các lỗ trống do cây già cỗi tạo ra. Điều này cho thấy sự thích nghi của các loài cây với điều kiện môi trường và sự cạnh tranh trong hệ sinh thái rừng.

2.1. Các hình thức tái sinh

Các hình thức tái sinh rừng bao gồm tái sinh hạt, tái sinh chồi và tái sinh thân ngầm. Tái sinh hạt thường xảy ra khi các hạt giống được phát tán và nảy mầm trong điều kiện thuận lợi. Tái sinh chồi là quá trình phát triển từ các chồi của cây mẹ, trong khi tái sinh thân ngầm liên quan đến sự phát triển của các rễ ngầm. Mỗi hình thức tái sinh đều có vai trò quan trọng trong việc duy trì biodiversity và cấu trúc của hệ sinh thái rừng.

III. Đánh giá động thái cấu trúc rừng

Đánh giá động thái cấu trúc rừng là một phần quan trọng trong nghiên cứu hệ sinh thái rừng. Việc phân tích các chỉ số như độ giàu loài, chỉ số Simpson và chỉ số Shannon-Wiener giúp hiểu rõ hơn về sự đa dạng sinh học trong rừng. Nghiên cứu cho thấy rằng sự thay đổi trong các chỉ số này có thể phản ánh tình trạng sức khỏe của rừng và khả năng phục hồi của nó sau các tác động từ con người. Đặc biệt, trong các khu bảo tồn như Hang Kia Pà Cò và Vườn Quốc Gia Xuân Sơn, việc duy trì và bảo vệ hệ sinh thái rừng là rất cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững.

3.1. Các chỉ số đánh giá

Các chỉ số đánh giá như độ giàu loài, chỉ số Simpson và chỉ số Shannon-Wiener là những công cụ quan trọng trong việc phân tích biodiversity của rừng. Độ giàu loài phản ánh số lượng các loài có mặt trong một khu vực, trong khi chỉ số Simpson và Shannon-Wiener cung cấp thông tin về sự phân bố và tính đồng đều của các loài. Việc theo dõi và đánh giá các chỉ số này giúp xác định tình trạng sức khỏe của hệ sinh thái rừng và đưa ra các biện pháp bảo tồn hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về động thái cấu trúc hệ sinh thái rừng không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong quản lý và bảo tồn rừng, giúp cải thiện các chiến lược bảo vệ hệ sinh thái rừng. Đặc biệt, việc hiểu rõ về động thái tái sinh và sinh trưởng của rừng có thể hỗ trợ trong việc phát triển các chương trình phục hồi rừng và bảo tồn đa dạng sinh học. Điều này không chỉ có lợi cho môi trường mà còn góp phần vào phát triển kinh tế bền vững.

4.1. Quản lý và bảo tồn rừng

Quản lý và bảo tồn rừng là một trong những ứng dụng quan trọng của nghiên cứu về hệ sinh thái rừng. Các chiến lược bảo tồn có thể được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu về động thái tái sinh và sinh trưởng của rừng. Việc áp dụng các biện pháp quản lý hiệu quả sẽ giúp duy trì sự đa dạng sinh học và ổn định của hệ sinh thái rừng, đồng thời đảm bảo lợi ích kinh tế cho cộng đồng địa phương.

Tổng quan nghiên cứu

Động thái rừng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm hiểu rõ sự biến đổi của các thành phần cấu trúc rừng theo thời gian, bao gồm quá trình tái sinh, sinh trưởng và diễn thế rừng. Trên thế giới, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc rừng bao gồm cấu trúc sinh thái, hình thái và thời gian, trong đó động thái cấu trúc rừng phản ánh sự biến đổi của tổ thành loài, mật độ cây và quá trình chết của cây theo thời gian. Các nghiên cứu quốc tế tập trung vào ba hướng chính: tái sinh rừng, sinh trưởng và phát triển rừng, cũng như diễn thế rừng. Ví dụ, nghiên cứu tại vùng núi Trường Bạch, Trung Quốc cho thấy chỉ số đa dạng loài trong lớp cây tái sinh giảm tới 55% sau 10-15 năm khai thác, sau đó phục hồi dần về mức ban đầu sau 28 năm. Tại Amazon, mật độ tái sinh và tỉ lệ tăng trưởng cây non trong các lỗ trống nhân tạo cũng được ghi nhận có sự biến đổi rõ rệt theo kích thước lỗ trống và mức độ mở tán.

Tại Việt Nam, nghiên cứu động thái rừng chủ yếu tập trung vào rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại các khu bảo tồn như Hang Kia – Pà Cò (Hòa Bình) và Vườn Quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ). Phạm vi nghiên cứu sử dụng số liệu thu thập từ các ô tiêu chuẩn định vị (OTCĐV) trong giai đoạn 2007-2018, nhằm phân tích đặc điểm cấu trúc rừng, động thái tổ thành loài, cấu trúc N/D1.3, quá trình tái sinh bổ sung, chuyển cấp và chết của tầng cây cao. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp quản lý và bảo tồn rừng bền vững, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc mô phỏng và dự báo động thái rừng trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết sinh thái rừng và mô hình động thái rừng, trong đó:

• Lý thuyết cấu trúc rừng: Cấu trúc rừng được phân thành cấu trúc sinh thái (tổ thành loài, dạng sống), cấu trúc hình thái (tầng thứ, mật độ) và cấu trúc thời gian (cấu trúc tuổi). Động thái cấu trúc rừng là sự biến đổi của các nhân tố này theo thời gian.
• Lý thuyết tái sinh rừng: Bao gồm các hình thức tái sinh hạt, chồi và thân ngầm, với các mô hình như lý luận bức khảm tái sinh, mô hình tái sinh bổ sung và các yếu tố ảnh hưởng như ánh sáng, độ ẩm, địa hình.
• Mô hình diễn thế rừng: Phân biệt diễn thế nguyên sinh và thứ sinh, diễn thế tiến hóa và thoái bộ, mô phỏng quá trình thay thế thế hệ rừng qua các giai đoạn phát triển.
• Mô hình toán học mô phỏng động thái rừng: Sử dụng các hàm toán học (hàm Meyer, phân bố Weibull, hàm logarit, hàm hỗn hợp nhị thức âm) để mô phỏng các quá trình tái sinh bổ sung, chuyển cấp và chết cây trong lâm phần.

Các khái niệm chính bao gồm: tổ thành loài, chỉ số đa dạng Shannon-Wiener, Simpson, chỉ số Rényi, cấu trúc N/D1.3 (số cây trên diện tích theo cấp đường kính), tỉ lệ chết, tỉ lệ chuyển cấp, tỉ lệ tái sinh bổ sung.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ 6 ô tiêu chuẩn định vị (OTCĐV) tại hai khu vực nghiên cứu: 3 ô tại Khu bảo tồn thiên nhiên Hang Kia – Pà Cò (Hòa Bình) và 3 ô tại Vườn Quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ). Dữ liệu được thu thập qua hai lần đo đếm năm 2007 và 2018, bao gồm đo đường kính ngang ngực (D1.3), chiều cao cây (Hvn), số lượng cây tái sinh bổ sung, cây chết và chuyển cấp.
• Phương pháp phân tích:
  • Tính toán chỉ số tổ thành loài (IVI%), chỉ số đa dạng loài Shannon-Wiener, Simpson và Rényi để đánh giá tính đa dạng và cấu trúc quần xã.
  • Mô hình hóa phân bố số cây theo đường kính và chiều cao bằng các phân bố lý thuyết như hàm Meyer, phân bố Weibull.
  • Xác định các chỉ số động thái: tỉ lệ chết, tỉ lệ chuyển cấp, tỉ lệ tái sinh bổ sung dựa trên số liệu hai thời điểm.
  • Thử nghiệm các dạng hàm toán học (Linear, Logarit, Inverse, Quadratic, Compound) để mô phỏng các quá trình động thái.
  • Sử dụng phần mềm MM&S để xây dựng mô hình mô phỏng động thái cấu trúc rừng, nhập các phương trình toán học phù hợp và kiểm tra tính hoàn chỉnh của mô hình.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu sử dụng số liệu thu thập trong giai đoạn 2007-2018, với các phân tích và mô phỏng được thực hiện trong giai đoạn tiếp theo nhằm dự báo động thái rừng trong tương lai.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm cấu trúc rừng và tính đa dạng loài:

   • Tại Hang Kia – Pà Cò và Xuân Sơn, rừng tự nhiên lá rộng thường xanh có tính đa dạng sinh học cao với hơn 1.000 loài thực vật bậc cao có mạch được ghi nhận tại mỗi khu vực.
   • Chỉ số đa dạng Shannon-Wiener dao động trong khoảng 1,9 đến 2,3, cho thấy mức độ đa dạng loài tương đối cao và ổn định.
   • Cấu trúc N/D1.3 của rừng phân bố theo dạng hàm Meyer hoặc phân bố Weibull, phản ánh sự phân bố giảm dần số cây theo cấp đường kính, với tỷ lệ cây nhỏ chiếm đa số.

2. Động thái cấu trúc tổ thành và N/D1.3:

   • Qua 11 năm, tổ thành loài có sự biến đổi rõ rệt, với một số loài ưu thế giảm tỷ lệ tổ thành, trong khi các loài tái sinh bổ sung tăng lên, thể hiện sự chuyển đổi thành phần loài theo thời gian.
   • Số lượng loài và tính đa dạng loài trong quần xã tăng nhẹ, đồng thời tính đồng đều phân bố cá thể cũng được cải thiện.
   • Cấu trúc N/D1.3 có xu hướng dịch chuyển về phía các cấp đường kính lớn hơn, phản ánh quá trình sinh trưởng và chuyển cấp của cây rừng.

3. Quá trình tái sinh bổ sung, chuyển cấp và chết cây:

   • Tỉ lệ tái sinh bổ sung trung bình đạt khoảng 3-5%/năm, đủ bù đắp cho tỉ lệ chết cây trung bình khoảng 2-4%/năm, giúp duy trì mật độ cây rừng ổn định.
   • Quá trình chuyển cấp cây từ cấp đường kính nhỏ lên lớn có mối quan hệ tuyến tính tích cực với số cây tại cấp đường kính đó, cho thấy sự phát triển liên tục của cây rừng.
   • Mô hình toán học dạng logarit và hàm hỗn hợp nhị thức âm mô phỏng tốt các quá trình động thái này với hệ số tương quan R² trên 0,85.

4. Mô phỏng động thái rừng bằng phần mềm MM&S:

   • Mô hình mô phỏng dự báo rằng trong vòng 20 năm tới, mật độ cây rừng sẽ duy trì ổn định hoặc tăng nhẹ, với sự gia tăng đa dạng loài và sự chuyển dịch thành phần loài theo hướng rừng phát triển bền vững.
   • Các kịch bản mô phỏng cho thấy tác động tích cực của việc bảo vệ rừng và quản lý khai thác hợp lý đến động thái rừng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về động thái rừng, như nghiên cứu tại Trung Quốc và Amazon, khi chỉ số đa dạng loài và mật độ tái sinh bổ sung có sự biến đổi theo thời gian phục hồi sau khai thác. Sự biến đổi tổ thành loài và cấu trúc N/D1.3 phản ánh quá trình sinh trưởng và diễn thế rừng, đồng thời cho thấy rừng tại hai khu vực nghiên cứu đang trong giai đoạn phục hồi và phát triển ổn định.

Việc sử dụng các mô hình toán học và phần mềm MM&S đã giúp mô phỏng chính xác các quá trình động thái, cung cấp công cụ dự báo hữu ích cho quản lý rừng. So với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam, luận văn đã bổ sung dữ liệu dài hạn từ các OTC định vị, nâng cao độ tin cậy của kết quả.

Các biểu đồ phân bố số cây theo đường kính, đồ thị biến đổi chỉ số đa dạng theo thời gian và mô hình dự báo động thái rừng sẽ minh họa rõ nét các phát hiện trên, giúp người quản lý dễ dàng nắm bắt xu hướng phát triển rừng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường bảo vệ và giám sát rừng tự nhiên nhằm duy trì tỉ lệ tái sinh bổ sung cao hơn tỉ lệ chết cây, đảm bảo sự ổn định và phát triển bền vững của rừng trong vòng 10-20 năm tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý khu bảo tồn, chính quyền địa phương.

2. Áp dụng các biện pháp kỹ thuật lâm sinh điều tiết cấu trúc rừng, như khai thác chọn lọc, tạo lỗ trống nhân tạo để kích thích tái sinh các loài ưu thế, nâng cao đa dạng sinh học và năng suất sinh khối. Thời gian thực hiện: 5 năm đầu nghiên cứu. Chủ thể: Các đơn vị quản lý rừng và chuyên gia lâm nghiệp.

3. Phát triển hệ thống theo dõi động thái rừng dài hạn trên các ô tiêu chuẩn định vị, mở rộng phạm vi nghiên cứu và cập nhật số liệu định kỳ để điều chỉnh chính sách quản lý phù hợp. Chủ thể: Viện nghiên cứu lâm nghiệp, các trường đại học.

4. Ứng dụng mô hình toán học và phần mềm mô phỏng trong quản lý rừng, đào tạo cán bộ kỹ thuật sử dụng công cụ này để dự báo và ra quyết định khoa học, nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên rừng. Thời gian: 3 năm đầu. Chủ thể: Viện nghiên cứu, cơ quan quản lý lâm nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách lâm nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách bảo vệ và phát triển rừng bền vững, dựa trên dữ liệu động thái rừng thực tế và mô hình dự báo.

2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực sinh thái rừng và lâm nghiệp: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán học và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu chuyên sâu hơn về động thái rừng.

3. Cán bộ kỹ thuật và chuyên gia lâm nghiệp tại các khu bảo tồn và vườn quốc gia: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật lâm sinh và công cụ mô phỏng để quản lý và phục hồi rừng hiệu quả.

4. Các tổ chức phi chính phủ và cơ quan bảo tồn đa dạng sinh học: Sử dụng thông tin về đa dạng sinh học và động thái rừng để thiết kế các chương trình bảo tồn và phát triển cộng đồng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Động thái rừng là gì và tại sao nó quan trọng?
   Động thái rừng là sự biến đổi của các thành phần cấu trúc rừng theo thời gian, bao gồm tái sinh, sinh trưởng và chết cây. Hiểu động thái giúp quản lý rừng hiệu quả, bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển bền vững.

2. Phương pháp nghiên cứu nào được sử dụng để theo dõi động thái rừng?
   Phương pháp chính là sử dụng các ô tiêu chuẩn định vị (OTCĐV) để đo đếm cây theo chu kỳ dài hạn, kết hợp mô hình toán học và phần mềm mô phỏng để phân tích và dự báo.

3. Các chỉ số đa dạng loài nào được áp dụng trong nghiên cứu?
   Chỉ số Shannon-Wiener, Simpson và Rényi được sử dụng để đánh giá tính đa dạng và đồng đều của quần xã cây rừng, giúp hiểu rõ sự phong phú và phân bố cá thể trong rừng.

4. Tỉ lệ tái sinh bổ sung và tỉ lệ chết cây có mối quan hệ như thế nào?
   Tỉ lệ tái sinh bổ sung cần cao hơn hoặc bằng tỉ lệ chết cây để duy trì mật độ và cấu trúc rừng ổn định. Nghiên cứu cho thấy tỉ lệ tái sinh bổ sung trung bình khoảng 3-5%/năm, đủ bù đắp tỉ lệ chết 2-4%/năm.

5. Làm thế nào mô hình toán học hỗ trợ quản lý rừng?
   Mô hình toán học mô phỏng các quá trình động thái như tái sinh, chuyển cấp và chết cây, giúp dự báo xu hướng phát triển rừng, từ đó đề xuất các biện pháp kỹ thuật và chính sách quản lý phù hợp.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích chi tiết động thái rừng tự nhiên lá rộng thường xanh tại Hang Kia – Pà Cò và Vườn Quốc gia Xuân Sơn dựa trên số liệu thu thập từ các ô tiêu chuẩn định vị trong giai đoạn 2007-2018.
• Đã xác định được các đặc điểm cấu trúc rừng, sự biến đổi tổ thành loài, cấu trúc N/D1.3, cũng như các quá trình tái sinh bổ sung, chuyển cấp và chết cây.
• Mô hình toán học và phần mềm MM&S được ứng dụng thành công để mô phỏng và dự báo động thái rừng, cung cấp công cụ quản lý hiệu quả.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật lâm sinh và chính sách bảo vệ rừng bền vững.
• Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu trên các OTC định vị và ứng dụng mô hình toán học để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên rừng trong tương lai.

Quý độc giả và các nhà quản lý lâm nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để phát triển các chương trình bảo tồn và quản lý rừng hiệu quả, góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và đa dạng sinh học quốc gia.