Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc rừng 1. Những nghiên cứu về cấu trúc rừng trên thế giới Rừng tự nhiên là một hệ sinh thái cực kỳ phức tạp bao gồm nhiều thành phần với các quy luật sắp xếp khác nhau theo không gian và thời gian. Cấu trúc của lớp thảm thực vật là kết quả của quá trình chọn lọc tự nhiên, là sản phẩm của quá trình đấu tranh sinh tồn giữa thực vật với thực vật và giữa thực vật với hoàn cảnh sống.
Trên quan điểm sinh thái thì cấu trúc rừng chính là hình thức bên ngoài phản ánh nội dung bên trong của hệ sinh thái rừng. Tình hình nghiên cứu về cấu trúc rừng đã được các nhà khoa học lâm nghiệp trên thế giới đề cập từ những năm đầu của thế kỷ 20 nhằm xây dựng cơ sở khoa học và lý luận phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc rừng vẫn đang được áp dụng rộng rãi vào thực tế và đóng góp ngày càng to lớn trong việc xây dựng các mô hình lâm sinh đạt hiệu quả sản xuất cao. Những nghiên cứu này đã nêu lên quan điểm, các khái niệm và mô tả định tính về tổ thành rừng, mật độ, dạng sống và tầng phiến của rừng.
Trên quan điểm hình thái của cấu trúc rừng thì hiện tượng thành tầng là một trong những đặc trưng cơ bản về cấu trúc hình thái của quần thể thực vật và là cơ sở để tạo nên cấu trúc tầng thứ. Các nghiên cứu điển hình về cấu trúc hình thái của rừng mưa nhiệt đới đã được nhiều tác giả như: Davis T. (1964) đã nghiên cứu về cơ sở sinh thái học trong kinh doanh rừng mưa, tác giả đã đi sâu vào nghiên cứu các nhân tố cấu trúc rừng, các biện pháp 6 kỹ thuật lâm sinh áp dụng vào từng rừng mưa tự nhiên. Nghiên cứu tìm hiểu những cấu trúc sinh thái thông qua việc mô tả, phân loại và đưa ra những khái niệm về dạng sống, về tầng phiến.
Ngoài ra còn biểu diễn các đặc trưng cấu trúc rừng mưa và hình thái của chúng bằng những phẫu đồ rừng. Trong nghiên cứu về rừng tự nhiên nhiệt đới, vấn đề được đa số nhà lâm học quan tâm là thành phần loài cây gỗ, kết cấu loài cây gỗ, cấu trúc quần thụ. Những thông tin về kết cấu loài cây gỗ, cấu trúc quần thụ là những cơ sở khoa học quan trọng để phân chia nhỏ kiểu rừng thành những kiểu QXTV. Phương pháp phân tích và đánh giá vai trò của các loài cây gỗ trong các QXTV là mối quan tâm hàng đầu trong lâm học và là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên trong các nghiên cứu về rừng.
Khi phân tích những đặc trưng lâm học của rừng, các nhà lâm học cần phải làm rõ những điều kiện hình thành (khí hậu, địa hình, địa chất, hoạt động của con người và sinh vật), kết cấu, cấu trúc và chức năng của những thành phần hình thành rừng (Richards P. Phân loại được cấu trúc rừng là cơ sở quan trọng để đánh giá và kiểm soát hệ sinh thái rừng (Gao T. và ctv, 2014; Ruben Valbuena, 2015). Về kết cấu loài cây gỗ Cấu trúc rừng đóng vai trò rất quan trọng trong quản lý bền vững tài nguyên rừng.
Trong đó, kết cấu loài cây gỗ hay cấu trúc tổ thành là nhân tố có ảnh hưởng quyết định đến cấu trúc sinh thái và hình thái của rừng; cấu trúc tổ thành khác nhau sẽ dẫn đến sự khác nhau tương ứng về các đặc trưng cấu trúc khác của rừng. Tổ thành lâm phần là nhân tố biểu thị tỷ trọng của mỗi loài cây hay nhóm loài cây nào đó chiếm trong lâm phần. Trong đó, tỷ trọng của mỗi loài cây hay nhóm loài cây được gọi là hệ số tổ thành và công thức biểu thị hệ số tổ thành của các loài cây trong lâm phần được gọi là công thức tổ thành. Tổ thành rừng là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mức độ ĐDSH, tính ổn định, tính bền vững của hệ sinh thái rừng.
Vì vậy, nghiên cứu kết cấu loài cây gỗ hay cấu trúc tổ thành được xem như công việc đầu tiên và quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc rừng. Khi nghiên cứu về rừng, nhiều nhà lâm học (Richards P., 1964) cho rằng, mỗi kiểu rừng được hình thành từ những loài cây gỗ khác nhau. 7 Trong phương pháp phân tích kết cấu loài cây gỗ, các nhà lâm học nhận định rằng, thành phần loài cây gỗ là một trong những vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu trong QXTV. Theo Nguyễn Văn Thêm (2002), kết cấu loài cây gỗ biểu thị thành phần loài cây gỗ và tỷ lệ của chúng trong QXTV.
Vì vậy, khi nghiên cứu về rừng, việc xác định kết cấu loài cây gỗ là nhiệm vụ quan trọng; và khi phân tích kết cấu loài cây gỗ nhà lâm học cần xác định chính xác tên loài cây và tỷ trọng mỗi loài cây. Khi phân tích vai trò của các loài cây gỗ trong QXTV một số tác giả dựa vào 3 tham số là: mật độ tương đối (N%), tiết diện ngang thân cây tương đối (G%) và độ thường gặp tương đối (F%) hoặc độ ưu thế tương đối (D%) (Curtis and McIntosh, 1951). Một số tác giả khác khi tính chỉ số IV lại dựa vào 4 tham số: F%, N%, độ che phủ tương đối (W%) và thể tích thân cây tương đối (V%) (Kayama, 1961; trích dẫn bởi Nguyễn Văn Thêm, 2010). Một số tác giả chỉ sử dụng N% và G% để xác định độ ưu thế của các loài cây gỗ trong QXTV (Suratman M.
and Misbahuzzaman K (2007) khi đánh giá đặc điểm cấu trúc rừng ở Vườn Quốc gia Dulhazara Safari – Bangladesh, kết quả tính toán theo chỉ số giá trị quan trọng (IV%) dựa vào 3 tham số là: mật độ tương đối (N%), tiết diện ngang thân cây tương đối (G%) và độ thường gặp tương đối (F%) cho thấy, họ Dầu là họ chiếm ưu thế lớn nhất và loài Dầu đỏ (Dipterocarpus turbinatus) là loài duy nhất chiếm ưu thế trong khu vực. Trong đó, chỉ số giá trị quan trọng (IV%) được tính toán từ 3 chỉ tiêu: mật độ tương đối, độ ưu thế tương đối và tần số tương đối, qua đó xác định được loài cây ưu thế của toàn bộ khu vực nghiên cứu. Về cấu trúc tầng thứ và phân bố số cây theo cấp đường kính Cấu trúc tầng thứ của thảm thực vật biểu hiện ở sự tổ chức và sắp xếp các thành phần của chúng theo chiều đứng và ngang, là kết quả cạnh tranh sinh tồn giữa các loài cây trong QXTV với nhau và với hoàn cảnh xung quanh trong quá trình sinh 8 trưởng và phát triển. Với rừng tự nhiên, cấu trúc tầng thứ phản ánh bản chất sinh thái nội bộ hệ sinh thái rừng và mô phỏng hàng loạt các mối quan hệ giữa các tầng rừng với nhau, giữa cây cao và cây thấp, cây cùng loài hay khác loài, cùng tuổi hay khác tuổi.
Việc nghiên cứu cấu trúc tầng thứ rất có ý nghĩa trong thực tiễn sản xuất lâm nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng rừng, phù hợp với mục đích kinh doanh. Sự phân bố theo không gian của tầng cây gỗ theo chiều thẳng đứng phụ thuộc vào đặc tính sinh thái học, nhu cầu ánh sáng của các loài cây tham gia trong tổ thành. Cấu trúc tầng thứ của các hệ sinh thái rừng nhiệt đới nhiều tầng thứ hơn các hệ sinh thái rừng ôn đới. Để nghiên cứu cấu trúc tầng thứ, phương pháp vẽ biểu đồ mặt cắt đứng của rừng do David và Richards (1933-1934) đề xướng và sử dụng lần đầu tiên ở Guyana đến nay vẫn là phương pháp được đánh giá là có giá trị nhất về mặt nghiên cứu lý luận cũng như thực tiễn sản xuất để nghiên cứu cấu trúc tầng thứ của rừng.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là chỉ minh họa được cách sắp xếp theo hướng thẳng đứng của các loài cây gỗ trong một diện tích có hạn. Nghiên cứu cấu trúc tầng thứ cho đối tượng rừng tự nhiên có nhiều ý kiến khác nhau, có tác giả cho rằng, ở kiểu rừng này chỉ có một tầng cây gỗ. Ngược lại, có nhiều tác giả lại cho rằng, rừng lá rộng thường xanh thường có từ 3 đến 5 tầng. Tuy nhiên, hầu hết các tác giả khi nghiên cứu tầng thứ rừng tự nhiên đều nhắc đến sự phân tầng nhưng mới dừng lại ở mức nhận xét hoặc đưa ra những kết luận mang tính định tính; việc phân chia các tầng theo chiều cao cũng mang tính chất cơ giới, chứ chưa phản ánh được sự phân tầng phức tạp của rừng tự nhiên nhiệt đới.
(1952) đã đi sâu nghiên cứu cấu trúc rừng mưa nhiệt đới về mặt hình thái. Theo tác giả, một đặc điểm nổi bật của rừng mưa nhiệt đới là tuyệt đại bộ phận thực vật đều thuộc thân gỗ. Tác giả đã phân biệt tổ thành loài cây gỗ trong rừng mưa thành hai loại: Rừng mưa hỗn hợp có tổ thành loài cây rất phức tạp và rừng mưa đơn ưu có tổ thành loài cây đơn giản. Trong những lập địa đặc biệt thì 9 rừng mưa đơn ưu chỉ bao gồm một vài loài cây.
Cũng theo tác giả này thì rừng mưa thường có nhiều tầng (thường có ba tầng, ngoại trừ tầng cây bụi và tầng cây thân cỏ). Trong rừng mưa nhiệt đới ngoài cây gỗ lớn, cây bụi và các loài thân cỏ còn có nhiều loài cây leo đủ hình dáng và kích thước, cùng nhiều thực vật phụ sinh trên thân hoặc cành cây. "Rừng mưa thực sự là một quần lạc hoàn chỉnh và cầu kỳ nhất về mặt cấu tạo và cũng phong phú nhất về mặt loài cây". Phân bố số cây theo cấp đường kính (N/D1,3) là một đặc điểm cấu trúc lâm học rất quan trọng có liên quan tới dự báo sản lượng rừng được các nhà khoa học đầu tư nghiên cứu.
Khi rừng tự nhiên hỗn loài đã phát triển đến giai đoạn ổn định, thì phân bố N/D1,3 có dạng phân bố giảm theo hình chữ “J” ngược (trích dẫn bởi Đồng Sĩ Hiền, 1974). Có thể kể đến một số công trình nghiên cứu tiêu biểu của các tác giả như Meyer (1934), đã sử dụng phương trình toán học có dạng đường cong giảm liên tục để mô tả phân bố số cây theo cỡ đường kính, về sau gọi là phương trình Meyer hay hàm Meyer (trích dẫn bởi Đồng Sĩ Hiền, 1974). Naslund (1936 - 1937) đã xác lập luật phân bố Chiarlier kiểu A để nắn phân bố số cây theo cỡ kính của các lâm phần rừng thuần loài đều tuổi; Diatchenko Z. sử dụng phân bố Gamma để biểu thị phân bố số cây theo cỡ đường kính lâm phần Thông ôn đới; Loetsch F.
(1973) đã dùng hàm Beta còn J.