Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quản lý và phát triển tài nguyên rừng tại Việt Nam, phần lớn diện tích rừng trồng hiện nay là rừng thuần loài, đều tuổi và có tốc độ sinh trưởng nhanh. Mặc dù đáp ứng nhu cầu cung cấp gỗ trong ngắn hạn, các lâm phần thuần loài bộc lộ nhiều nhược điểm về mặt sinh thái: cấu trúc đơn giản, khả năng chống chịu sâu bệnh kém, dễ bị đổ gãy khi gặp thiên tai, bão lốc và làm suy thoái đất rừng. Trong khi đó, hệ sinh thái rừng tự nhiên với cấu trúc hỗn giao đa loài duy trì được sự ổn định cao nhờ các mối quan hệ tương hỗ và cân bằng sinh thái. Do đó, việc nghiên cứu quy luật tương tác giữa các loài cây trong rừng tự nhiên là cơ sở khoa học để xây dựng các mô hình rừng trồng hỗn giao bản địa có năng suất và tính bền vững cao.

Đề tài "Nghiên cứu mối quan hệ tự nhiên giữa loài cây rừng với loài cây Nhội (Bischofia javanica Blume) và loài cây Trương Vân (Toona surenii) tại Vườn Quốc gia Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn" do sinh viên Lường Anh Tuấn thực hiện tại Khoa Lâm nghiệp, Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên (2018), dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Đức Chính, nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Xác định cấu trúc rừng nơi sinh sống của hai loài cây Nhội (Bischofia javanica Blume) và cây Trương Vân (Toona surenii) tại Vườn Quốc gia Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn.
  2. Xác định mối quan hệ tự nhiên giữa các loài cây rừng khác với loài cây Nhội và loài cây Trương Vân tại khu vực nghiên cứu.
  3. Đề xuất tập đoàn cây trồng rừng hỗn giao với loài cây Nhội và cây Trương Vân tại Vườn Quốc gia Ba Bể và các vùng sinh thái có điều kiện tương tự.

Đối tượng nghiên cứu là tầng cây gỗ trong rừng tự nhiên và cấu trúc lâm phần có sự xuất hiện của hai loài cây chính là Nhội và Trương Vân. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc đánh giá khoảng cách, tần suất xuất hiện và mức độ tương tác giữa cây chính với các loài cây bạn lân cận. Địa bàn nghiên cứu được bố trí tại xã Nam Mẫu, huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn (nằm trong ranh giới Vườn Quốc gia Ba Bể), với thời gian thu thập và xử lý số liệu từ tháng 01/2018 đến tháng 06/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình sinh thái

Khóa luận kế thừa các nền tảng lý luận về sinh thái học rừng nhiệt đới, cấu trúc quần xã và quan hệ liên loài:

  • Học thuyết hệ sinh thái của Tansley và hoàn thiện bởi Odum (1971), xem xét cấu trúc rừng dưới góc độ hệ thống tương tác vật chất và năng lượng.
  • Các hình thức quan hệ sinh thái: quan hệ hỗ trợ (hội sinh, hợp tác, cộng sinh) và quan hệ đối kháng (ức chế - cảm nhiễm thông qua chất tiết phitônxit qua rễ/lá, cạnh tranh nguồn sống về ánh sáng, dinh dưỡng đất, và sự phân ly ổ sinh thái).
  • Khung phân chia mức độ bắt gặp loài của Nguyễn Hải Tuất (1991) dựa trên tần suất xuất hiện theo ô ($f_o$) và tần suất theo số cá thể ($f_c$):
    • Nhóm 1 (rất hay gặp): $f_o \ge 30%$ và $f_c \ge 7%$.
    • Nhóm 2 (hay gặp): $15% \le f_o < 30%$ và $3% \le f_c < 7%$.
    • Nhóm 3 (ít gặp): $f_o < 15%$ và $f_c < 3%$.
  • Phương pháp mô phỏng phẫu diện và trắc đồ lâm học ngang - dọc theo Richards và Davis (1933–1934).

Phương pháp nghiên cứu thực địa và xử lý dữ liệu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp điều tra lâm học định lượng và toán xác suất:

  • Phương pháp kế thừa: Thu thập tài liệu điều kiện tự nhiên, tài nguyên thực vật và hiện trạng quản lý rừng tại Vườn Quốc gia Ba Bể và Thư viện Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
  • Lập tuyến điều tra: Thiết lập 3 tuyến khảo sát bám theo sườn dông địa hình núi đá vôi, cự ly giữa các tuyến từ 100 m đến 1000 m, định vị tọa độ bằng máy định vị GPS 76Sx.
  • Phương pháp ô 6 cây: Trên mỗi tuyến, chọn ngẫu nhiên 10 điểm có cây Nhội và 10 điểm có cây Trương Vân làm tâm ô (tổng cộng 30 ô/loài). Tại mỗi điểm, cây nghiên cứu làm tâm, tiến hành đo đếm 5 cây gỗ lân cận gần nhất có đường kính ngang ngực $D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$. Tổng số cây điều tra là 30 cây tâm và 150 cây bạn cho mỗi loài.
  • Thu thập chỉ tiêu lâm học: Đo đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$) bằng thước dây; chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) bằng máy đo cao laser; đường kính tán ($D_t$), khoảng cách từ cây tâm đến từng cây bạn và đo góc phương vị. Mẫu thực vật không rõ danh pháp được thu thập cành, lá, hoa, quả để định danh tại hiện trường hoặc phối hợp chuyên gia.
  • Phương pháp phân tích tương quan xác suất: Mức độ liên hệ giữa loài chính (A) và loài bạn (B) được tính toán qua hệ số tương quan $\rho$:

$$\rho = \frac{P(AB) - P(A) \cdot P(B)}{\sqrt{P(A) \cdot P(B) \cdot [1 - P(A)] \cdot [1 - P(B)]}}$$

Quy ước giá trị $\rho$:

  • $0 \le \rho < 0{,}3$: Quan hệ trung tính / tương quan yếu.
  • $0{,}3 \le \rho < 0{,}5$: Quan hệ dương vừa phải.
  • $0{,}5 \le \rho < 0{,}7$: Quan hệ dương tương đối chặt.
  • $0{,}7 \le \rho < 0{,}9$: Quan hệ dương chặt.
  • $0{,}9 \le \rho \le 1{,}0$: Quan hệ dương rất chặt.
  • Mức giá trị âm tương ứng biểu thị mức độ cạnh tranh, bài xích.

Nội dung chính theo từng phần của khóa luận

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của việc bảo vệ và phục hồi rừng tự nhiên tại Việt Nam. Khái quát thực trạng diện tích rừng cả nước đạt khoảng 13,4 triệu ha (hơn 11 triệu ha rừng tự nhiên và hơn 2 triệu ha rừng trồng), cùng những hạn chế về mặt sinh thái của rừng trồng thuần loài. Xác định mục tiêu, đối tượng, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tạo lập cơ sở chọn loài trồng rừng hỗn giao bản địa.

Phần 2: Tổng quan nghiên cứu

  • Cơ sở lý luận: Phân tích các mối quan hệ hỗ trợ (hội sinh, hợp tác, cộng sinh) và đối kháng (ức chế - cảm nhiễm, cạnh tranh, phân ly ổ sinh thái) trong quần xã sinh vật.
  • Tổng quan trong và ngoài nước: Tổng thuật các công trình nghiên cứu cấu trúc rừng mưa nhiệt đới của Richards, Baur, Catinot, Odum; các nghiên cứu trong nước về cấu trúc và quan hệ loài của Nguyễn Hải Tuất, Hoàng Văn Thắng, Vũ Tiến Hinh, Nguyễn Văn Trương, Trần Đình Lý.
  • Tổng quan khu vực nghiên cứu: Vườn Quốc gia Ba Bể nằm trên địa bàn 5 xã (Nam Mẫu, Khang Ninh, Cao Thượng, Quảng Khê, Cao Trĩ) thuộc huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn; tọa độ $105^\circ 36' 55''$ Đ, $22^\circ 24' 19''$ B. Địa hình chia cắt mạnh bởi núi đá vôi Karst, đỉnh Phja Bjoóc cao 1.578 m; khí hậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ trung bình năm $21 - 23^\circ\text{C}$, lượng mưa bình quân trên 1.600 mm/năm. Hệ thực vật VQG ghi nhận 417 loài thực vật và 299 loài động vật có xương sống.

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết quy trình chọn đối tượng cây gỗ, hệ thống trang thiết bị dụng cụ điều tra (địa bàn ba chân, GPS 76Sx, thước đo cao laser, thước dây 50 m), phương pháp lập 3 tuyến điều tra, quy thức lập ô 6 cây ngẫu nhiên (30 ô cho cây Nhội, 30 ô cho cây Trương Vân) và các công thức toán xác suất thống kê xử lý mối liên hệ liên loài.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Tập trung phân tích các dữ liệu định lượng thu thập từ 60 ô tiêu chuẩn:

  • Lâm phần có loài cây Nhội (Bischofia javanica): Trong 30 ô điều tra (150 cây bạn), ghi nhận 36 loài cây bạn đi kèm. Chỉ số bình quân của cây Nhội đạt $D_{1.3} = 29{,}2\text{ cm}$, $H_{vn} = 9{,}95\text{ m}$, $D_t = 2{,}96\text{ m}$. Bốn loài cây bạn xuất hiện với tỷ lệ cá thể trên 5% gồm: Mạy tèo (29,33%), Ô rô (12,67%), Sảng đá (6,00%), Thị đá (5,01%). Công thức tổ thành tầng cây gỗ xác định:

$$23{,}28\text{MaT} + 10{,}74\text{OrO} + 5{,}69\text{SaĐ} + 5{,}01\text{ThĐ} + 56{,}62\text{LK}$$

  • Lâm phần có loài cây Trương Vân (Toona surenii): Trong 30 ô điều tra (150 cây bạn), ghi nhận 39 loài cây bạn. Cây Trương Vân có các chỉ số hình thái trung bình ở tầng cây gỗ, khoảng cách đến các cây bạn dao động từ 2,0 m đến 7,5 m. Bốn loài cây bạn có tỷ lệ cá thể trên 5% gồm: Mạy tèo (20,67%), Ô rô (18,67%), Thị đá (12,00%), Trai lý (8,00%). Công thức tổ thành tầng cây gỗ xác định:

$$23{,}95\text{MaT} + 12{,}36\text{OrO} + 9{,}18\text{ThĐ} + 8{,}32\text{TrL} + 56{,}19\text{LK}$$

  • Đánh giá tương quan và trắc đồ không gian:
    • Cây Nhội có tương quan dương chặt với Mạy tèo ($\rho = 0{,}75$), tương quan dương tương đối chặt với Ô rô ($\rho = 0{,}63$), và quan hệ ngẫu nhiên/trung tính với Sảng đá ($\rho = -0{,}22$) và Thị đá ($\rho = -0{,}15$).
    • Cây Trương Vân có tương quan dương với Ô rô ($\rho = 0{,}34$), Mạy tèo ($\rho = 0{,}23$), Thị đá ($\rho = 0{,}28$) và quan hệ ngẫu nhiên với Trai lý ($\rho = 0{,}19$).
    • Trắc đồ lâm học cho thấy khoảng cách bình quân từ cây tâm đến cây bạn từ 3,32 m đến 6,20 m; diện tích tán lá ít bị chồng chéo, mức độ cạnh tranh không gian dinh dưỡng thấp.
  • Đề xuất tập đoàn cây trồng: Xây dựng danh lục 4 loài cây phối hợp trồng hỗn giao với Nhội và 4 loài cây phối hợp với Trương Vân.

Phần 5: Kết luận và đề nghị

Tổng kết toàn bộ các phát hiện về tổ thành loài, hệ số quan hệ tương hỗ và đề xuất các giải pháp kỹ thuật lâm sinh ứng dụng trong trồng rừng hỗn giao tại địa phương.

Kết quả và đóng góp nghiên cứu

Kết quả định lượng chính

Khóa luận đã định lượng hóa cấu trúc lâm phần và mức độ gắn kết sinh thái của hai loài cây nghiên cứu tại Vườn Quốc gia Ba Bể:

Chỉ số lâm học / Sinh thái Lâm phần có cây Nhội (Bischofia javanica) Lâm phần có cây Trương Vân (Toona surenii)
Số ô quan sát (ô 6 cây) 30 ô 30 ô
Số cây bạn điều tra 150 cây 150 cây
Số loài cây bạn ghi nhận 36 loài 39 loài
Nhóm cây bạn ưu thế ($f_c > 5%$) Mạy tèo (29,33%), Ô rô (12,67%), Sảng đá (6,00%), Thị đá (5,01%) Mạy tèo (20,67%), Ô rô (18,67%), Thị đá (12,00%), Trai lý (8,00%)
Khoảng cách bình quân đến cây bạn 5,72 m – 6,20 m (Mạy tèo: 5,85 m; Ô rô: 5,74 m; Sảng đá: 6,20 m; Thị đá: 5,72 m) 3,32 m – 5,74 m (Mạy tèo: 4,42 m; Ô rô: 3,32 m; Thị đá: 4,15 m; Trai lý: 5,74 m)
Hệ số tương quan ($\rho$) Mạy tèo: $+0{,}75$ (Dương chặt)
Ô rô: $+0{,}63$ (Dương chặt)
Sảng đá: $-0{,}22$ (Ngẫu nhiên)
Thị đá: $-0{,}15$ (Ngẫu nhiên)
Ô rô: $+0{,}34$ (Dương vừa)
Thị đá: $+0{,}28$ (Dương yếu/NN)
Mạy tèo: $+0{,}23$ (Dương yếu/NN)
Trai lý: $+0{,}19$ (Ngẫu nhiên)

Tập đoàn cây trồng hỗn giao đề xuất

Dựa trên kết quả phân tích tương quan sinh thái và trắc đồ không gian tán rừng, khóa luận đề xuất cơ cấu cây trồng hỗn giao bản địa như sau:

TT Loài cây trồng chính Loài cây phối hợp hỗn giao Tên khoa học
1 Nhội (Bischofia javanica) Mạy tèo
Ô rô
Sảng đá
Thị đá
Streblus macrophyllus
Acanthaceae
Sterculia lanceolata Cav.
Diospyros montana Roxb.
2 Trương Vân (Toona surenii) Mạy tèo
Ô rô
Thị đá
Trai lý
Streblus macrophyllus
Acanthaceae
Diospyros montana Roxb.
Fagraea fragrans

Đóng góp của khóa luận

  • Bổ sung số liệu thực tế về đặc điểm tổ thành và quan hệ liên loài của cây Nhội và cây Trương Vân tại vùng núi đá vôi Vườn Quốc gia Ba Bể.
  • Chứng minh phương pháp ô 6 cây kết hợp giải thuật xác suất thống kê là công cụ phù hợp để đánh giá nhanh tương quan sinh thái rừng tự nhiên phục vụ lâm sinh ứng dụng.
  • Cung cấp cơ sở chọn loài cụ thể để thay thế phương thức trồng rừng thuần loài bằng mô hình hỗn giao đa loài, giúp tăng khả năng phòng hộ và ổn định sinh thái.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Khóa luận tự chỉ ra một số hạn chế do điều kiện thời gian và nguồn lực nghiên cứu:

  • Dung lượng mẫu điều tra còn khiêm tốn (30 ô tiêu chuẩn cho mỗi loài cây chính), chỉ phản ánh cấu trúc rừng ở giai đoạn trung niên tại một số trạng thái sinh cảnh thuộc xã Nam Mẫu.
  • Đề tài mới dừng lại ở việc khảo sát cấu trúc tổ thành, khoảng cách hình thái và tần suất bắt gặp không gian, chưa phân tích thực nghiệm về sinh hóa (chất tiết phitônxit qua lá, rễ).
  • Chưa theo dõi liên tục sự biến động của các nhân tố vi khí hậu (độ ẩm đất, ánh sáng tầng dưới tán, nhiệt độ) và quá trình tái sinh tự nhiên theo mùa.

Hướng nghiên cứu mở rộng cần thực hiện:

  • Tăng số lượng tuyến và điểm điều tra trên toàn bộ các phân khu chức năng của Vườn Quốc gia Ba Bể.
  • Nghiên cứu sâu cơ chế tiết phitônxit và cạnh tranh dinh dưỡng khoáng giữa rễ cây chính và rễ cây bạn trong điều kiện đất đồi núi đá vôi.
  • Thử nghiệm xây dựng mô hình trồng rừng hỗn giao thực nghiệm theo danh lục đề xuất để theo dõi tỷ lệ sống, tốc độ sinh trưởng và năng suất rừng qua từng năm.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên: Ngành Lâm học, Quản lý tài nguyên rừng, Quản lý tài nguyên và môi trường tham khảo phương pháp điều tra ô 6 cây, kỹ thuật vẽ trắc đồ lâm học Richards - Davis và thuật toán xác suất đánh giá tương quan loài.
  • Cán bộ kỹ thuật lâm nghiệp và Ban quản lý rừng đặc dụng: Cung cấp cơ sở khoa học thực tế để thiết kế dự án trồng rừng phòng hộ hỗn giao, khoanh nuôi xúc tiến tái sinh tự nhiên tại VQG Ba Bể và khu vực miền núi phía Bắc.
  • Nghiên cứu sinh thái học thực vật: Tham khảo dữ liệu về thành phần loài cây gỗ đi kèm với Nhội và Trương Vân trên lập địa núi đá vôi.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp ô 6 cây trong nghiên cứu này được tiến hành như thế nào?
Phương pháp này chọn một cây nghiên cứu chính (Nhội hoặc Trương Vân) làm tâm ô, sau đó xác định và đo đếm 5 cây gỗ gần nhất xung quanh có đường kính ngang ngực $D_{1.3} \ge 6\text{ cm}$. Các chỉ tiêu thu thập gồm: tên loài, cự ly từ cây tâm, $D_{1.3}$, chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$), đường kính tán ($D_t$) và góc phương vị.

2. Bốn loài cây bạn xuất hiện nhiều nhất cùng cây Nhội tại VQG Ba Bể là những loài nào?
Trong 150 cây bạn điều tra cùng cây Nhội, 4 loài có tỷ lệ xuất hiện cao nhất là: Mạy tèo (45 cây, chiếm 29,33%), Ô rô (19 cây, chiếm 12,67%), Sảng đá (9 cây, chiếm 6,00%) và Thị đá (7 cây, chiếm 5,01%).

3. Mức độ liên hệ giữa cây Nhội với loài cây Mạy tèo được đánh giá ra sao?
Loài cây Mạy tèo xuất hiện ở 23 trên tổng số 30 ô nghiên cứu có cây Nhội. Hệ số tương quan xác suất tính được đạt $\rho = 0{,}75$, cho thấy Mạy tèo có mối quan hệ tương hỗ dương ở mức độ chặt với cây Nhội trong lâm phần tự nhiên.

4. Khoảng cách bình quân giữa cây Trương Vân và các cây bạn trong rừng tự nhiên là bao nhiêu?
Khoảng cách bình quân từ cây Trương Vân đến cây Mạy tèo là 4,42 m; đến cây Ô rô là 3,32 m; đến cây Thị đá là 4,15 m; và đến cây Trai lý là 5,74 m. Trắc đồ tán cho thấy độ chồng chéo tán ít, mức độ cạnh tranh không gian dinh dưỡng không lớn.

5. Những loài cây nào được đề xuất trồng hỗn giao cùng cây Trương Vân?
Dựa trên tần suất xuất hiện và hệ số tương quan dương, 4 loài cây được đề xuất trồng hỗn giao cùng Trương Vân gồm: Mạy tèo (Streblus macrophyllus), Ô rô (Acanthaceae), Thị đá (Diospyros montana Roxb.) và Trai lý (Fagraea fragrans).

Kết luận

Khóa luận của tác giả Lường Anh Tuấn đã thực hiện đầy đủ việc điều tra định lượng cấu trúc lâm phần và xác định mối quan hệ tự nhiên giữa cây Nhội, cây Trương Vân với các loài cây gỗ lân cận tại Vườn Quốc gia Ba Bể. Dữ liệu thực nghiệm qua 60 ô tiêu chuẩn đã chỉ ra các loài cây bạn có tương quan sinh thái tích cực (Mạy tèo, Ô rô, Sảng đá, Thị đá, Trai lý) và mô phỏng được khoảng cách phân bố không gian hợp lý. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học tin cậy phục vụ công tác thiết kế mô hình trồng rừng hỗn giao bản địa và bảo tồn tài nguyên rừng vùng núi đá vôi phía Bắc.