Nghiên Cứu Mối Liên Hệ Giữa Thể Tích Cây Có Vỏ và Một Số Chỉ Tiêu Lập Biểu Thể Tích Gỗ

• Đề tài: Nghiên Cứu Mối Liên Hệ Giữa Thể Tích Cây Có Vỏ và Chỉ Tiêu Lập Biểu Thể Tích Gỗ

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: LƯỢC SỬ VÀ ĐẶC ĐIỂM ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Lược sử nghiên cứu
• 1.2. Đặc điểm đối tượng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vì Sao Lập Biểu Thể Tích Gỗ Là Nền Tảng Quản Lý Rừng

Trong lĩnh vực lâm nghiệp, việc xác định chính xác thể tích và trữ lượng gỗ là yếu tố cốt lõi quyết định sự thành công của công tác quản lý, kinh doanh và bảo tồn tài nguyên rừng. Biểu thể tích cây rừng đóng vai trò như một công cụ không thể thiếu, giúp chuyển đổi các chỉ số đo đếm đơn giản như đường kính và chiều cao thành ước tính thể tích đáng tin cậy. Nghiên cứu này tập trung vào việc làm rõ mối liên hệ giữa thể tích cây có vỏ và các chỉ tiêu sinh trưởng cơ bản, từ đó xây dựng cơ sở khoa học vững chắc để lập biểu thể tích cho các loài cây khai thác phổ biến. Sự ra đời của các biểu thể tích chính xác không chỉ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí trong công tác điều tra tài nguyên rừng mà còn nâng cao hiệu quả hoạch định khai thác, đảm bảo tính bền vững. Trước đây, các phương pháp thủ công như giải tích thân cây đòi hỏi chặt hạ mẫu, tốn kém và không khả thi trên quy mô lớn. Do đó, việc tìm ra một phương trình hồi quy thể tích tối ưu, phản ánh đúng quy luật sinh trưởng của cây, là một nhiệm vụ cấp thiết. Nghiên cứu này kế thừa và phát triển các công trình đi trước, áp dụng phương pháp thống kê hiện đại để giải quyết những tồn tại, góp phần hoàn thiện hệ thống bảng biểu phục vụ ngành lâm nghiệp Việt Nam, đặc biệt tại khu vực Bắc Trung Bộ.

1.1. Khái niệm và vai trò của biểu thể tích cây rừng

Biểu thể tích cây rừng là một bảng tra cứu hoặc một công thức toán học cho phép ước tính thể tích thân cây (thường là thể tích thân cây dưới vỏ hoặc có vỏ) dựa trên một hoặc nhiều biến số dễ đo đạc như đường kính ngang ngực (DBH) và chiều cao vút ngọn (Hvn). Vai trò của nó cực kỳ quan trọng: nó là cầu nối giữa các số liệu đo đạc tại thực địa và kết quả cuối cùng là ước tính trữ lượng rừng. Thay vì phải chặt hạ cây để đo thể tích trực tiếp, người điều tra chỉ cần đo đường kính và chiều cao, sau đó sử dụng biểu để suy ra thể tích. Điều này giúp giảm thiểu tác động đến hệ sinh thái, tiết kiệm chi phí và cho phép điều tra trên diện rộng một cách nhanh chóng. Theo Husch et al. (2003), nguyên tắc cơ bản do Cotta đề xuất từ thế kỷ 19 vẫn còn nguyên giá trị: 'Cây có cùng đường kính, chiều cao và hình dạng sẽ có cùng thể tích'. Biểu thể tích chính là công cụ hiện thực hóa nguyên tắc này.

1.2. Lược sử các phương pháp đo đếm và lập biểu tại Việt Nam

Lịch sử lập biểu thể tích tại Việt Nam đã trải qua nhiều giai đoạn. Một trong những biểu đầu tiên là “Biểu thể tích tạm thời” do Kraeuter lập năm 1958, áp dụng chung cho nhiều loài ở miền Bắc. Tuy nhiên, biểu này có nhược điểm là giả định hình dạng các loài cây tương tự nhau, điều này không hoàn toàn chính xác. Sau đó, các nghiên cứu của Đồng Sĩ Hiền (1970, 1974) đã đi sâu vào cơ sở lý luận, đề xuất phương pháp đường sinh để lập biểu cho từng tổ hình dạng, mang lại độ chính xác cao hơn. Các tác giả như Nguyễn Ngọc Lung, Vũ Tiến Hinh cũng đã đóng góp nhiều công trình quan trọng, thử nghiệm các dạng phương trình hồi quy thể tích khác nhau. Các phương trình phổ biến được sử dụng bao gồm dạng tuyến tính V = a + bD²H và dạng phi tuyến V = a * D^b * H^c. Sự phát triển này cho thấy một xu hướng rõ ràng: chuyển từ các biểu chung, đơn giản sang các biểu chuyên biệt cho từng loài hoặc nhóm loài, dựa trên các mô hình toán học chặt chẽ.

II. Thách Thức Khi Ước Tính Trữ Lượng Rừng Thiếu Công Cụ

Việc ước tính trữ lượng rừng một cách chính xác luôn là một bài toán phức tạp. Nếu không có các công cụ hỗ trợ như biểu thể tích, các nhà lâm nghiệp phải đối mặt với nhiều thách thức lớn. Phương pháp truyền thống là giải tích toàn bộ thân cây, nghĩa là phải chặt hạ cây mẫu, cưa thành các lóng gỗ và tính toán thể tích từng lóng bằng các công thức kinh điển như Smalian hay Huber. Quá trình này không chỉ cực kỳ tốn kém về thời gian, nhân lực và chi phí, mà còn mang tính phá hủy, không phù hợp với mục tiêu bảo tồn và quản lý bền vững, đặc biệt khi cần số lượng mẫu lớn để đảm bảo tính đại diện. Hơn nữa, độ chính xác của việc đo đạc thủ công dễ bị ảnh hưởng bởi sai số chủ quan. Sự thiếu hụt các biểu thể tích cập nhật, phù hợp với từng loài cây và điều kiện lập địa cụ thể dẫn đến các số liệu điều tra kém tin cậy. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc lập kế hoạch khai thác, định giá gỗ thương phẩm, và đánh giá hiệu quả của các dự án trồng rừng. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng các mô hình sinh trưởng cây rừng và biểu thể tích hiện đại là yêu cầu bắt buộc để khắc phục những hạn chế này.

2.1. Hạn chế của công thức tính thể tích gỗ tròn truyền thống

Các công thức tính thể tích gỗ tròn kinh điển như Smalian, Huber, và Newton đều dựa trên việc đo đường kính ở hai đầu lóng gỗ (và ở giữa đối với Newton). Mặc dù chính xác cho từng lóng riêng lẻ, việc áp dụng chúng cho toàn bộ cây đứng gặp nhiều trở ngại. Để có số đo, cây phải được chặt hạ và phân thành nhiều đoạn. Quá trình này, như đã đề cập, tốn kém và không thực tiễn cho công tác điều tra tài nguyên rừng quy mô lớn. Hơn nữa, các công thức này giả định lóng gỗ có dạng hình học nhất định (paraboloid, neiloid), trong khi hình dạng thực tế của thân cây biến thiên phức tạp từ gốc đến ngọn. Sự biến động về hệ số hình dạng cây giữa các loài, và thậm chí giữa các cá thể cùng loài, làm cho việc áp dụng một công thức chung trở nên kém chính xác. Đây chính là lý do các phương pháp hồi quy hiện đại được ưu tiên hơn.

2.2. Sự cần thiết của mô hình dự báo thể tích cây có vỏ

Trong thực tiễn, đo đếm cây rừng tại hiện trường thường đo đường kính có vỏ vì đây là thao tác nhanh và đơn giản nhất. Do đó, việc xây dựng mô hình dự báo trực tiếp thể tích cây có vỏ là vô cùng cần thiết. Từ thể tích này, có thể suy ra thể tích gỗ thương phẩm (không vỏ) thông qua các nghiên cứu về tỷ lệ và độ dày vỏ cây. Một mô hình dự báo tốt phải có khả năng ước tính thể tích một cách tin cậy chỉ từ các biến số dễ thu thập như D1.3 và Hvn. Việc này không chỉ tăng tốc độ điều tra mà còn giảm thiểu sai số do các phép đo phức tạp hoặc các bước chuyển đổi trung gian gây ra. Nghiên cứu này chính là đáp ứng nhu cầu đó, tìm kiếm một phương trình chung hoặc riêng cho từng loài để dự báo thể tích từ các chỉ tiêu đo đếm cơ bản, tạo ra một công cụ mạnh mẽ và thực tiễn cho các chủ rừng và cơ quan quản lý.

III. Phương Pháp Xây Dựng Phương Trình Hồi Quy Thể Tích Gỗ

Để thiết lập mối liên hệ toán học giữa thể tích và các chỉ tiêu sinh trưởng, phương pháp cốt lõi được sử dụng là phân tích tương quan và hồi quy. Quá trình này bao gồm ba bước chính: thu thập số liệu, lựa chọn dạng hàm, và xây dựng mô hình. Đầu tiên, số liệu được thu thập từ các cây mẫu đại diện cho 34 loài cây khai thác phổ biến tại vùng Bắc Trung Bộ. Mỗi cây mẫu sau khi chặt hạ sẽ được đo đạc chi tiết các chỉ số: đường kính ngang ngực (DBH), chiều cao vút ngọn (Hvn), và thể tích thực tế thông qua phương pháp chia đoạn. Dữ liệu này là cơ sở để 'huấn luyện' mô hình. Tiếp theo, nhiều dạng hàm toán học, từ tuyến tính đơn giản đến phi tuyến phức tạp, được đưa ra thử nghiệm để xem dạng hàm nào mô tả tốt nhất mối quan hệ. Cuối cùng, bằng cách sử dụng phần mềm thống kê chuyên dụng như SPSS, các tham số của phương trình hồi quy thể tích được xác định. Mô hình tốt nhất sẽ là mô hình có hệ số xác định (R²) cao nhất và sai số (S) thấp nhất, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy khi áp dụng vào thực tiễn.

3.1. Quy trình thu thập và xử lý số liệu đo đếm cây rừng

Số liệu là nền tảng của mọi mô hình. Trong nghiên cứu này, số liệu được kế thừa từ đề tài của GS.TS. Vũ Tiến Hinh (2011), bao gồm 34 loài cây tại vùng Bắc Trung Bộ. Quy trình thu thập chuẩn được áp dụng: Cây mẫu được chọn, chặt hạ, sau đó chia thân cây thành 10 đoạn có chiều dài tương đối bằng nhau. Tại mỗi vị trí chia (0.0h, 0.1h, ..., 0.9h) và vị trí 1.3m, đường kính có vỏ và không vỏ được đo chính xác. Chiều cao vút ngọn (Hvn) và các chiều cao dưới cành cũng được ghi lại. Thể tích thực của thân cây được tính theo công thức kép tiết diện bình quân (Smalian) cho 10 đoạn. Toàn bộ dữ liệu sau đó được nhập vào phần mềm SPSS để làm sạch, kiểm tra các giá trị ngoại lai và chuẩn bị cho bước phân tích tương quan và hồi quy.

3.2. Thử nghiệm các dạng phương trình hồi quy thể tích phổ biến

Việc lựa chọn dạng hàm phù hợp là yếu tố quyết định độ chính xác của mô hình. Dựa trên các tài liệu chuyên ngành, nghiên cứu đã thử nghiệm một số phương trình hồi quy phổ biến để mô tả mối quan hệ V = f(d, h). Các dạng hàm chính bao gồm: 1) Dạng tuyến tính đa biến: V = b₀ + b₁d + b₂h + b₃d²h, 2) Dạng logarit: log(V) = b₀ + b₁log(d) + b₂log(h), và 3) Dạng phi tuyến (hàm mũ): V = b₀ * d^b₁ * h^b₂. Mỗi phương trình này phản ánh một giả định khác nhau về quy luật sinh trưởng và mối quan hệ giữa các biến. Ví dụ, dạng hàm mũ thường rất phù hợp trong các nghiên cứu sinh học. Việc thử nghiệm nhiều dạng hàm giúp tìm ra mô hình không chỉ khớp tốt nhất với dữ liệu (R² cao) mà còn phù hợp với lý thuyết sinh trưởng của cây rừng.

IV. Bí Quyết Đánh Giá và Lựa Chọn Mô Hình Thể Tích Tối Ưu

Xây dựng được mô hình là một chuyện, nhưng lựa chọn mô hình nào là tốt nhất lại là một bước quan trọng khác. Một mô hình tối ưu không chỉ có hệ số xác định R² cao, cho thấy khả năng giải thích sự biến thiên của dữ liệu tốt, mà còn phải có sai số ước tính thấp. Trong nghiên cứu này, sau khi chạy hồi quy cho các dạng hàm, kết quả được đánh giá dựa trên nhiều chỉ tiêu. Hệ số R² cho biết bao nhiêu phần trăm sự thay đổi của thể tích được giải thích bởi đường kính và chiều cao. Sai số tiêu chuẩn (S) cho biết độ lệch trung bình của các giá trị dự đoán so với giá trị thực tế. Ngoài ra, việc kiểm nghiệm mô hình bằng một tập dữ liệu độc lập (không tham gia vào quá trình xây dựng mô hình) là phương pháp khách quan nhất. Các chỉ số như sai số bình quân (Δ%), sai số quân phương (Sq), và hệ số chính xác được tính toán để đưa ra kết luận cuối cùng. Dựa trên các phân tích, phương trình dạng V = b₀ * d^b₁ * h^b₂ thường cho kết quả vượt trội, thể hiện mối quan hệ chặt chẽ và ổn định nhất.

4.1. Phân tích kết quả qua hệ số xác định R² và các sai số

Kết quả phân tích từ tài liệu gốc cho thấy, với phương trình dạng phi tuyến (3.4), hầu hết các loài cây đều có hệ số xác định R² rất cao. Cụ thể, có 25/34 loài cây đạt R² > 0.95, cho thấy mô hình giải thích được trên 95% sự biến động của thể tích. Đây là một con số rất ấn tượng trong các nghiên cứu lâm nghiệp. Các chỉ tiêu sai số khi kiểm nghiệm bằng tài liệu khách quan cũng rất khả quan. Sai số bình quân (Δ%) dao động trong khoảng cho phép, bình quân chỉ khoảng +6.36%. Sai số khi điều tra tổng thể tích của một quần thể cây chỉ khoảng +2.08%. Những con số này khẳng định rằng phương trình hồi quy thể tích được xây dựng có độ tin cậy cao và hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của thực tiễn đo đếm cây rừng.

4.2. Khả năng lập biểu thể tích hai nhân tố từ phương trình

Từ phương trình tối ưu đã được lựa chọn, việc lập biểu thể tích hai nhân tố trở nên đơn giản. Biểu thể tích hai nhân tố là một bảng tra cứu, với một chiều là các cấp đường kính ngang ngực (DBH) và chiều còn lại là các cấp chiều cao vút ngọn (Hvn). Giá trị trong các ô của bảng chính là thể tích cây được tính toán từ phương trình. Người dùng chỉ cần đo D và H của cây tại thực địa, sau đó tra cứu trên bảng để có ngay thể tích ước tính. Phương pháp này đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ được các tính toán phức tạp tại hiện trường. Nghiên cứu đề xuất có thể lập biểu riêng cho từng loài để đạt độ chính xác cao nhất, hoặc lập biểu chung cho các nhóm loài có đặc tính sinh trưởng tương tự để tăng tính thuận tiện khi sử dụng.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Kết Quả Nghiên Cứu Trong Lâm Nghiệp

Giá trị lớn nhất của một công trình nghiên cứu khoa học nằm ở khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Kết quả của nghiên cứu này cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ và chính xác cho ngành lâm nghiệp Việt Nam, đặc biệt tại khu vực Bắc Trung Bộ. Việc xác lập được các phương trình hồi quy thể tích đáng tin cậy cho 34 loài cây khai thác phổ biến cho phép các đơn vị quản lý và kinh doanh rừng ước tính trữ lượng rừng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Thay vì các phương pháp cũ tốn kém, giờ đây chỉ với một thước dây và thước đo cao, người ta có thể có được số liệu về sản lượng gỗ. Điều này giúp việc lập kế hoạch khai thác, giao dịch mua bán gỗ thương phẩm trở nên minh bạch và chính xác hơn. Hơn nữa, các biểu thể tích này còn là cơ sở dữ liệu quan trọng để xây dựng các mô hình sinh trưởng cây rừng, theo dõi sự phát triển của lâm phần, đánh giá khả năng hấp thụ carbon, và phục vụ cho các mục tiêu quản lý rừng bền vững và chứng chỉ rừng (FSC).

5.1. Xây dựng biểu thể tích cho từng loài và nhóm loài cây

Từ các phương trình đã được xác lập, đề tài đề xuất ba hướng ứng dụng chính để lập biểu. Hướng thứ nhất và cũng là hướng có độ tin cậy cao nhất là lập biểu riêng cho từng loài cây. Điều này đảm bảo tính chính xác tối đa vì nó phản ánh đúng đặc điểm hình thái và quy luật sinh trưởng riêng của mỗi loài. Hướng thứ hai là gộp các loài có hệ số hình dạng cây tương tự vào cùng một nhóm để xây dựng biểu chung cho nhóm. Phương pháp này giúp giảm số lượng biểu cần quản lý mà vẫn duy trì độ chính xác ở mức chấp nhận được. Hướng thứ ba, đơn giản nhất nhưng độ tin cậy thấp hơn, là xây dựng một biểu chung cho tất cả các loài. Lựa chọn hướng đi nào phụ thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu về độ chính xác của công tác điều tra.

5.2. Hướng dẫn sử dụng biểu thể tích trong điều tra và kinh doanh

Để sử dụng biểu thể tích trong thực tế, quy trình rất đơn giản. Trước hết, cần xác định loài cây cần điều tra. Sau đó, tại hiện trường, tiến hành đo đường kính ngang ngực (DBH) bằng thước kẹp kính và chiều cao vút ngọn (Hvn) bằng thước đo cao chuyên dụng. Với hai thông số này, người dùng tra cứu trong biểu thể tích hai nhân tố tương ứng với loài cây đó để tìm ra thể tích ước tính. Trong kinh doanh, khi cần xác định nhanh sản lượng của một lô rừng, phương pháp này cho phép tính toán tổng trữ lượng một cách nhanh chóng bằng cách nhân thể tích trung bình của cây với tổng số cây trong lô. Điều này giúp đẩy nhanh quá trình định giá và giao dịch, mang lại hiệu quả kinh tế cao.

VI. Kết Luận Tương Lai Của Điều Tra Tài Nguyên Rừng Hiện Đại

Nghiên cứu về mối liên hệ giữa thể tích cây có vỏ và các chỉ tiêu đo đếm đã khẳng định sự tồn tại của một mối quan hệ toán học chặt chẽ, có thể mô hình hóa bằng các phương trình hồi quy thể tích. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp các phương trình cụ thể cho 34 loài cây tại Bắc Trung Bộ mà còn mở ra một hướng đi hiện đại và hiệu quả cho công tác điều tra tài nguyên rừng tại Việt Nam. Việc ứng dụng các phương pháp thống kê và công nghệ thông tin vào lâm nghiệp giúp thay thế các phương pháp thủ công, lạc hậu, mang lại độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí và phù hợp với xu thế quản lý bền vững. Tương lai của ngành điều tra rừng sẽ gắn liền với việc hoàn thiện và mở rộng hệ thống các biểu thể tích điện tử, tích hợp với công nghệ GIS và viễn thám để có thể giám sát tài nguyên rừng trên quy mô lớn. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, như khả năng áp dụng các biểu này cho cây có kích thước nhỏ hơn hoặc so sánh hiệu quả với các phương pháp lập biểu khác.

6.1. Tóm tắt đóng góp chính và ý nghĩa khoa học của đề tài

Đóng góp quan trọng nhất của đề tài là đã xác lập được bộ phương trình hồi quy và đánh giá độ tin cậy của chúng cho 34 loài cây khai thác phổ biến, đáp ứng yêu cầu cấp thiết của thực tiễn. Về mặt khoa học, nghiên cứu đã chứng minh rằng phương pháp hồi quy, đặc biệt là các hàm phi tuyến, là công cụ hiệu quả để mô hình hóa quy luật sinh trưởng phức tạp của cây rừng. Kết quả này là một cơ sở dữ liệu quý giá, có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sâu hơn về mô hình sinh trưởng cây rừng, động thái quần thể, và sinh khối. Nó góp phần vào việc từng bước hoàn thiện hệ thống bảng biểu, chuẩn hóa phương pháp luận trong khoa học đo đếm cây rừng tại Việt Nam.

6.2. Các tồn tại và kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo

Mặc dù đạt được những kết quả quan trọng, nghiên cứu vẫn còn một số tồn tại. Thứ nhất, dữ liệu chủ yếu tập trung vào các cây có kích thước lớn (đủ tiêu chuẩn khai thác), do đó cần kiểm nghiệm thêm khả năng áp dụng của các phương trình này cho các cây có kích thước nhỏ hơn. Thứ hai, nghiên cứu chưa so sánh sâu về ưu nhược điểm của phương pháp hồi quy so với các phương pháp lập biểu khác như phương pháp đường sinh. Do đó, các nghiên cứu trong tương lai được kiến nghị nên mở rộng phạm vi cỡ kính của cây mẫu, thu thập thêm số liệu về độ dày vỏ cây để xây dựng trực tiếp biểu thể tích thân cây dưới vỏ, và tích hợp các công nghệ mới như quét laser (LiDAR) để nâng cao độ chính xác của việc thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình 3D cho thân cây.