Tổng quan nghiên cứu

Trong công tác điều tra và kiểm kê tài nguyên rừng tại Việt Nam, rừng tự nhiên nghèo và trung bình hiện chiếm hơn 80% tổng diện tích kinh doanh rừng. Tuy nhiên, các hệ thống biểu thể tích thân cây đứng đang được lưu hành tại nhiều địa phương đã được xây dựng cách đây hơn 40 năm, vốn chủ yếu thu thập số liệu trên đối tượng rừng giàu hoặc rừng nguyên sinh trước năm 1975. Trải qua nhiều thập kỷ tác động môi trường và khai thác chọn, đặc điểm hình thái cũng như tương quan sinh trưởng của cây gỗ rừng tự nhiên đã có sự biến đổi sâu sắc, dẫn đến sai số ước tính trữ lượng có thể vượt ngưỡng cho phép trong quản lý kinh doanh.

Nhằm giải quyết bất cập mang tính thực tiễn này, luận văn thạc sĩ khoa học lâm nghiệp của tác giả Đặng Thị Hương Lan thực hiện nghiên cứu cơ sở khoa học để lập biểu thể tích thân cây đứng cho các loài cây khai thác chủ lực tại vùng rừng tự nhiên Bắc Trung Bộ. Nghiên cứu tập trung vào 5 loài cây gỗ bản địa có giá trị kinh tế và sinh thái cao, bao gồm: Dẻ trắng (Lithocarpus proboscideus), Trâm móc (Eugenia sp.), Trường sâng (Amesiodendron chinense), Vối thuốc (Syzygium cumini), và Lim xanh (Erythrophleum fordii).

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực địa tại hai khu vực trọng điểm thuộc tỉnh Hà Tĩnh (huyện Hương Khê) và tỉnh Quảng Bình (huyện Bố Trạch) trong khung thời gian đào tạo cao học 2009 - 2011. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc thiết lập các mô hình tương quan sinh trắc học có độ tin cậy cao, kiểm soát sai số thể tích tổng thể dưới 2,5%, cung cấp công cụ định lượng chính xác phục vụ kiểm kê tài nguyên rừng, định giá lâm sản và quản lý rừng bền vững theo tiêu chuẩn quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các lý thuyết sinh trắc học rừng và mô hình hóa allometric kinh điển trong khoa học điều tra rừng:

  • Lý thuyết tương quan sinh trưởng allometric (Spurr, 1952; Schumacher & Hall, 1933; Akindele & LeMay, 2006): Thể tích thân cây ($V$) được xem là hàm số đồng biến của các biến độc lập gồm đường kính ngang ngực ($D_{1.3}$), chiều cao vút ngọn ($H_{vn}$) và chỉ số hình dạng ($F$) thông qua phương trình tổng quát $V = f(D, H, F)$.
  • Lý thuyết hình số tự nhiên và hệ số thon Hohenadl (Hohenadl, 1922-1923; Đồng Sĩ Hiền, 1971): Sử dụng đường kính tại vị trí tương đối bằng 1/10 chiều cao cây ($D_{01}$) làm mốc chuẩn để xác định hình số tự nhiên ($f_{01}$) và hệ số thon ($K_{0i}$), giúp loại bỏ sự phụ thuộc cơ học vào kích thước tuyệt đối của thân cây.
  • Lý thuyết phương trình đường sinh thân cây (Mendeleev, Wimmenauer, Đồng Sĩ Hiền, 1974): Xem thân cây là một khối hình học tròn xoay phức tạp, thể tích được tính bằng tích phân bình phương của hàm số đường sinh biểu diễn bán kính theo chiều cao tương đối: $V = \frac{\pi}{4} \int_{0}^{H} y^2 dx$.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm: Thể tích thân cây có vỏ ($V_{cvo}$), thể tích thân cây không vỏ ($V_{kvo}$), đường kính ngang ngực $1,3\text{ m}$ ($D_{1.3}$), đường kính tương đối tại các phân vị 1/10 thân cây ($D_{00}$ đến $D_{09}$), và sai số tương đối tổng thể tích ($%\Delta\sum V$).

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu thực nghiệm được kế thừa và thu thập trực tiếp từ 238 cây ngả thuộc 5 loài cây gỗ mục tiêu tại các lâm phần khai thác tự nhiên ở Hà Tĩnh và Quảng Bình. Dung lượng mẫu cho từng loài đảm bảo tính đại diện cao trong thống kê sinh học:

  • Trâm móc: 50 cây ($D_{1.3}$ từ 41,81 đến 79,65 cm; $H_{vn}$ từ 14,6 đến 21,5 m; thể tích từ 1,14 đến 4,87 $\text{m}^3$).
  • Trường sâng: 50 cây ($D_{1.3}$ từ 41,61 đến 73,30 cm; $H_{vn}$ từ 16,9 đến 22,9 m).
  • Vối thuốc: 43 cây ($D_{1.3}$ từ 54,00 đến 85,20 cm; $H_{vn}$ từ 16,8 đến 22,4 m; thể tích từ 1,86 đến 3,59 $\text{m}^3$).
  • Dẻ trắng: 45 cây ($D_{1.3}$ từ 35,50 đến 78,00 cm; $H_{vn}$ từ 18,3 đến 27,7 m; thể tích từ 0,69 đến 5,55 $\text{m}^3$).
  • Lim xanh: 50 cây ($D_{1.3}$ từ 68,70 đến 113,56 cm; $H_{vn}$ từ 17,9 đến 24,1 m; thể tích từ 3,39 đến 11,98 $\text{m}^3$).

Quy trình xử lý ngoại nghiệp tiến hành đo chiều dài men thân, chia thân cây thành 10 đoạn bằng nhau để đo đường kính có vỏ và không vỏ tại các vị trí từ $0,0H$ đến $0,9H$ và tại $1,3\text{ m}$. Thể tích thực của cây ngả được tính toán chính xác bằng công thức kép tiết diện bình quân 10 đoạn (công thức phân đoạn hình học).

Phương pháp phân tích số liệu áp dụng công cụ Microsoft Excel và phần mềm thống kê SPSS để thực hiện hồi quy phi tuyến logarit hóa cho 4 dạng phương trình thể tích 2 nhân tố. Nghiên cứu thực hiện kiểm định Kolmogorov-Smirnov (K-S test) nhằm kiểm tra luật phân bố chuẩn của hình số tự nhiên $f_{01}$, phân tích phương sai ANOVA (F-test) để kiểm tra tính độc lập của $f_{01}$ với đường kính và chiều cao, cùng phương pháp đa thức bậc cao (từ bậc 1 đến bậc 10) để dựng đường sinh thân cây. Mô hình tối ưu được lựa chọn thông qua đánh giá độc lập trên tập mẫu cây kiểm tra gồm 10 đến 15 cây cho mỗi loài dựa trên các tiêu chí: hệ số xác định ($R^2$) cao nhất, sai số cá lẻ bình quân dưới 10%, sai số cá lẻ cực đại không quá 20% và sai số tổng thể tích tiệm cận 0.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và kiểm định thống kê sinh trắc học đã mang lại các phát hiện cốt lõi:

  • Phương trình allometric 2 nhân tố đạt độ chính xác cao nhất: Trong 4 dạng mô hình thử nghiệm, phương trình dạng lũy thừa $V = K \cdot D_{1.3}^a \cdot H_{vn}^b$ (dạng logarit hóa tuyến tính $\ln V = \ln K + a\ln D + b\ln H$) thể hiện sự tương thích vượt trội với hệ số xác định $R^2$ dao động từ 0,876 đến 0,992. Cụ thể, loài Dẻ trắng đạt $R^2 = 0,992$, Lim xanh đạt $R^2 = 0,988$, Trâm móc đạt $R^2 = 0,952$, Trường sâng đạt $R^2 = 0,950$ và Vối thuốc đạt $R^2 = 0,897$. Toàn bộ các tham số hồi quy đều có ý nghĩa thống kê ở mức $P < 0,05$.
  • Sai số kiểm tra mô hình ở mức rất thấp: Khi kiểm định trên tập mẫu kiểm tra độc lập (10 - 15 cây/loài), phương trình số (1) cho sai số thể tích cá lẻ bình quân rất nhỏ: Dẻ trắng đạt 3,95%, Lim xanh đạt 4,90%, Trường sâng đạt 4,88%, Vối thuốc đạt 5,06%, và Trâm móc đạt 6,01%. Sai số phần trăm tổng thể tích ($%\Delta\sum V$) cực thấp, chỉ dao động từ 0,84% (Lim xanh), 1,15% (Vối thuốc), 1,21% (Trâm móc), 1,85% (Dẻ trắng) đến 2,43% (Trường sâng), hoàn toàn không có cây nào vượt ngưỡng sai số tối đa 20%.
  • Tính chuẩn hóa và độc lập sinh học của hình số tự nhiên $f_{01}$: Trị số $f_{01}$ trung bình của các loài biến động trong biên độ hẹp từ 0,4742 đến 0,5525 (Dẻ trắng: 0,4742; Lim xanh: 0,4971; Trâm móc: 0,5241; Trường sâng: 0,5349; Vối thuốc: 0,5525) với hệ số biến động $S%$ rất nhỏ từ 4,33% đến 9,54%. Kiểm định Kolmogorov-Smirnov xác nhận $f_{01}$ của cả 5 loài đều tuân theo phân bố chuẩn với mức ý nghĩa Asymp.sig từ 0,506 đến 0,730 (đều lớn hơn 0,05). Phân tích phương sai ANOVA chỉ ra giá trị Sig đối với $D_{1.3}$ và $H_{vn}$ đều lớn hơn 0,05, chứng minh $f_{01}$ hoàn toàn độc lập với kích thước cây đứng.
  • Mối quan hệ tuyến tính hoàn hảo giữa $D_{01}$ và $D_{1.3}$: Tương quan giữa đường kính tương đối $D_{01}$ và đường kính ngang ngực $D_{1.3}$ đạt mức độ giải thích gần như tuyệt đối với $R^2$ từ 0,998 đến 0,999 (ví dụ ở loài Dẻ trắng: $D_{01} = -1,1436 + 0,9925 \cdot D_{1.3}$).

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính ưu việt của phương trình thể tích 2 nhân tố dạng $V = K \cdot D_{1.3}^a \cdot H_{vn}^b$ so với các phương pháp tiếp cận khác. Về mặt sinh học, cây gỗ rừng tự nhiên qua nhiều mùa sinh trưởng luôn phát triển đồng thời cả chiều cao và tiết diện ngang thân, do đó mô hình allometric kết hợp cả $D_{1.3}$ và $H_{vn}$ phản ánh sát thực nhất quy luật tích lũy sinh khối thân cây. Trong thực tế tính toán, các dữ liệu này có thể được chuyển hóa thành bảng tra thể tích 2 lối vào hoặc biểu đồ tương quan đường cong thể tích theo từng cỡ kính, giúp cán bộ ngoại hiện trường tra cứu thuận tiện.

Khi so sánh giữa ba phương pháp: phương trình thể tích, phương pháp hình số tự nhiên $f_{01}$ và phương pháp tích phân đường sinh thân cây, nghiên cứu nhận thấy phương trình thể tích 2 nhân tố vừa đảm bảo sai số tổng thể nhỏ nhất (dưới 2,43%), vừa dễ áp dụng trực tiếp trong sản xuất lâm nghiệp. Phương pháp đường sinh đòi hỏi phải hiệu chỉnh đa thức từ bậc 5 đến bậc 9 tương đối phức tạp, trong khi phương pháp hình số $f_{01}$ đòi hỏi phải chuyển đổi gián tiếp qua $D_{01}$.

So với các biểu thể tích cũ lập từ thập niên 1970 vốn có sai số tổng thể tích thường dao động từ 8% đến 12% khi áp dụng cho rừng nghèo, mô hình mới của luận văn đã kéo giảm sai số xuống dưới 2,5%, giải quyết triệt để tình trạng ước tính chênh lệch trữ lượng khai thác tại khu vực Bắc Trung Bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu sinh trắc học và kiểm định sai số, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên rừng:

  • Chuẩn hóa và ban hành hệ thống biểu thể tích hai nhân tố mới: Đề nghị Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Hà Tĩnh, Quảng Bình cùng Cục Lâm nghiệp thẩm định, ban hành chính thức biểu thể tích 2 nhân tố cho 5 loài cây Dẻ trắng, Lim xanh, Trâm móc, Trường sâng, Vối thuốc, nhằm khống chế sai số kiểm kê lâm phần dưới 3,0%, dự kiến hoàn thành trong giai đoạn 2026 - 2027.
  • Số hóa thuật toán tính toán thể tích vào phần mềm chuyên ngành: Các Chi cục Kiểm lâm và Ban quản lý rừng phòng hộ, đặc dụng cần tích hợp trực tiếp phương trình $V = K \cdot D_{1.3}^a \cdot H_{vn}^b$ vào các ứng dụng điều tra rừng trên thiết bị di động, giúp tự động hóa khâu tính toán trữ lượng ngay tại hiện trường, giảm thời gian xử lý dữ liệu từ 15 ngày xuống còn 24 giờ kể từ quý IV năm 2026.
  • Mở rộng nghiên cứu tương quan thể tích không vỏ và sinh khối: Giao Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam và Trường Đại học Lâm nghiệp tiếp tục thu thập mẫu từ 300 đến 500 cây ngả cho các loài bản địa phụ trợ, hoàn thiện phương trình chuyển đổi $V_{kvo} = a + b \cdot V_{cvo}$ và xác lập quan hệ thể tích cành ngọn trong vòng 24 tháng tới.
  • Tổ chức tập huấn kỹ thuật đo đếm sinh trắc học chính xác: Các công ty lâm nghiệp và hạt kiểm lâm cần triển khai định kỳ 5 đến 10 lớp tập huấn hàng năm cho lực lượng điều tra viên về phương pháp đo chiều cao vút ngọn và đường kính ngang ngực chuẩn xác, đảm bảo sai số đo đếm ngoại nghiệp không vượt quá 1,5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư điều tra, quy hoạch và kiểm kê rừng: Ứng dụng trực tiếp các phương trình thể tích 2 nhân tố và bảng tra thể tích để tính toán chính xác trữ lượng gỗ khai thác chính và trữ lượng rừng tự nhiên phục vụ lập hồ sơ thiết kế khai thác và kiểm kê định kỳ 5 năm.
  • Ban quản lý rừng phòng hộ, đặc dụng và doanh nghiệp lâm nghiệp: Sử dụng bộ phương trình để xác định giá trị tài nguyên rừng, xây dựng phương án quản lý rừng bền vững theo chứng chỉ quốc tế (FSC/PEFC) và tính toán chi trả dịch vụ môi trường rừng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Lâm học: Tiếp cận nguồn tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp luận nghiên cứu sinh trắc học cây rừng, quy trình xử lý số liệu thống kê đa biến trên SPSS/Excel và kỹ thuật dựng phương trình đường sinh thân cây.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về lâm nghiệp: Sử dụng kết quả làm cơ sở khoa học để rà soát, cập nhật hệ thống định mức kinh tế kỹ thuật trong điều tra rừng và tính toán trữ lượng các-bon rừng tự nhiên hướng tới mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên phương trình thể tích hai nhân tố thay vì một nhân tố?

Biểu thể tích một nhân tố chỉ sử dụng biến đường kính $D_{1.3}$, thường gây ra sai số lớn từ 15% đến 25% khi chiều cao cây thay đổi theo điều kiện lập địa. Phương trình hai nhân tố tích hợp cả $D_{1.3}$ và $H_{vn}$ giúp kiểm soát sai số thể tích cá lẻ bình quân dưới 6,01% và sai số tổng thể tích dưới 2,43% cho cả 5 loài nghiên cứu.

Hình số tự nhiên $f_{01}$ có ưu điểm vượt trội gì so với hình số thường $f_{1.3}$?

Hình số tự nhiên $f_{01}$ được xác định tại vị trí tương đối bằng 1/10 chiều cao cây, có tính ổn định sinh học cao và hoàn toàn độc lập với kích thước đường kính hay chiều cao (kiểm định ANOVA có giá trị Sig đều lớn hơn 0,05). Ngược lại, hình số thường $f_{1.3}$ bị biến động mạnh bởi chiều cao tuyệt đối và bạnh gốc của cây gỗ nhiệt đới.

Mô hình toán học cụ thể nào được chứng minh là tối ưu nhất trong nghiên cứu?

Phương trình allometric dạng mũ $V = K \cdot D_{1.3}^a \cdot H_{vn}^b$ (dạng tuyến tính hóa logarit $\ln V = \ln K + a\ln D + b\ln H$) đạt hiệu quả tối ưu nhất. Mô hình này sở hữu hệ số xác định $R^2$ rất cao từ 0,876 đến 0,992, mang lại sai số tổng thể tích thực tế chỉ 0,84% ở loài Lim xanh và 1,85% ở loài Dẻ trắng.

Kết quả của luận văn có thể áp dụng cho các khu vực rừng tự nhiên ngoài Bắc Trung Bộ không?

Các phương trình được xây dựng trên mẫu điều tra đặc trưng của vùng sinh thái Hà Tĩnh và Quảng Bình. Khi ứng dụng sang các vùng sinh thái khác, các đơn vị cần thu thập mẫu kiểm tra độc lập từ 15 đến 30 cây ngả để kiểm định lại sai số tổng thể tích, đảm bảo độ lệch không vượt quá 5% trước khi đưa vào sử dụng diện rộng.

Làm thế nào để ước tính nhanh thể tích thân cây không vỏ từ số liệu đo đếm có vỏ?

Luận văn đã xác lập quan hệ tương quan tuyến tính chặt chẽ giữa thể tích không vỏ và có vỏ qua phương trình $V_{kvo} = a + b \cdot V_{cvo}$ với hệ số $R^2$ vượt 0,95. Cán bộ kỹ thuật chỉ cần đo đếm thông số có vỏ ngoài hiện trường là có thể quy đổi chính xác ra thể tích gỗ thương phẩm không vỏ mà không cần bóc vỏ cây.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc lập biểu thể tích cây đứng 2 nhân tố cho 5 loài gỗ khai thác chủ lực tại khu vực rừng tự nhiên Bắc Trung Bộ.
  • Khẳng định phương trình allometric dạng $V = K \cdot D_{1.3}^a \cdot H_{vn}^b$ là mô hình toán học tối ưu nhất, đạt hệ số xác định $R^2$ từ 0,876 đến 0,992 và khống chế sai số tổng thể tích dưới 2,43%.
  • Chứng minh hình số tự nhiên $f_{01}$ tuân theo quy luật phân bố chuẩn (K-S test Sig từ 0,506 đến 0,730) và độc lập hoàn toàn với các chỉ tiêu sinh trắc học của cây đứng.
  • Thiết lập mối quan hệ tương quan tuyến tính chặt chẽ giữa $D_{01}$ và $D_{1.3}$ với $R^2$ đạt từ 0,998 đến 0,999, tạo tiền đề cho việc ước lượng nhanh thể tích từ các biến số dễ đo đếm.
  • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác từ 238 cây mẫu, tạo bước đệm quan trọng để hoàn thiện hệ thống biểu thể tích hiện đại cho ngành lâm nghiệp trong giai đoạn 2026 - 2030.

Hãy tham khảo và ứng dụng ngay bộ phương trình thể tích 2 nhân tố của luận văn vào công tác quản lý, điều tra và kiểm kê rừng thực tế tại đơn vị của bạn để tối ưu hóa độ chính xác và nâng cao hiệu quả kinh doanh tài nguyên rừng bền vững!