Thạc Sĩ Xây dựng mô hình cấu trúc và sinh trưởng cho các lâm phần Thông nhựa ( Pinus merkusii ) ở tỉnh Thừa

Chương1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ta bước vào thời kỳ phát triển mọi tiềm năng thiên nhiên của đất nước, để xây dựng cơ sở vật chất cho chủ nghĩa xã hội. Tài nguyên rừng đã và đang được khai thác một cách hiệu quả, nhưng vẫn còn những tồn tại chưa được giải quyết. Chính vì lý do này mà cần phải có nhiều công trình nghiên cứu về rừng nhằm phát triển mọi tiềm năng vốn có của tài nguyên này.
Nhiều vấn đề mang tính chất thời sự hiện nay như: ô nhiểm môi trường , hạn hán , lũ lụt, khai thác trái phép rừng phòng hộ đầu nguồn, cháy rừng ở nhiều nơi, . đã đặt ra cho chúng ta những câu hỏi: Bằng phương thức nào để bảo vệ được rừng và môi trường? Loài cây rừng nào có thể trồng để đảm bảo chức năng đa mục tiêu như: thích nghi cao với mọi loại đất rừng, dễ trồng, vừa phòng hộ môi sinh, cải tạo đất, tạo cảnh quan môi trường, vừa lấy nhiều sản phẩm gỗ và cả lâm sản ngoài gỗ ?
Hiện trạng rừng ở nước ta cho thấy loài Thông nhựa ( Pinus merkusii ) là một trong những loài cây có giá trị tổng hợp , đáp ứng được chức năng đa mục tiêu, và được khẳng định qua thực tế ở Việt nam. Nó có khả năng thích ứng cao trong các điều kiện lập địa tại nhiều vùng ở Việt Nam và đặc biệt nó đem lại lợi ích rất lớn về nhiều mặt: phòng hộ đầu nguồn, đặc dụng, bảo vệ môi trường, tạo cảnh quan và an ninh quốc phòng của đất nước6. Do những giá trị rất có ý nghĩa đó, trong các chương trình trồng rừng của chính phủ, nó là loài cây được ưu tiên lựa chọn.
Về mặt phương pháp nghiên cứu, cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu nào về vận dụng phần mềm phân tích thống kê SPSS ( Statistical Products for the Social Services) để mô phỏng quy luật cấu trúc và sinh trưởng cho loài Thông nhựa ở khu vực miền trung mà nhất là tại tỉnh Thừa thiên Huế.
Có thể dùng SPSS để phân tích quy luật cấu trúc và sinh trưởng vì những lý do sau:
- Phần lớn các đại lượng quan sát là những số liệu theo dạng số và liên tục, với nhiều dạng phân bố khác nhau.
- Các số liệu đa biến và có quan hệ lẫn nhau.
- Nhiều đại lượng thay đổi theo thời gian, mà nhất là các đại lượng sinh trưởng: sinh trưởng hằng năm, sinh trưởng bình quân của các nhân tố D, H, V, Zv, Zt,
Phần mềm phân tích thống kê SPSS đã được vận dụng trong các chuyên ngành Quản trị khinh doanh, Khoa học tự nhiên-Xã hội, Y học, nhưng đối với Lâm nghiệp thì chưa có một nghiên cứu nào đi sâu khai thác và vận dụng để phân tích thống kê các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm về cấu trúc và sinh trưởng cho các loài cây rừng tự nhiên, cũng như đối với các loài cây rừng trồng một cách có hệ thống.
Từ tính cấp thiết của thực tiễn đó chúng tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Xây dựng mô hình cấu trúc và sinh trưởng áp dụng cho các lâm phần Thông nhựa ( Pinus merkusii ) ở tỉnh Thừa Thiên Huế, với sự trợ giúp của phần mềm SPSS”, nhằm góp phần bổ sung cho những nghiên cứu về loài Thông nhựa tại khu vực và trên toàn quốc.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
+ Tìm hiểu một số đặc điểm về cấu trúc và sinh trưởng của Thông nhựa ở vùng Thừa Thiên Huế có điều kiện nóng ẩm, mưa nhiều.
+ Xác lập được những phương pháp vận dụng thích hợp SPSS trong việc xử lý số liệu về cấu trúc và sinh trưởng nói chung và cho Thông nhựa ở Thừa Thiên Huế nói riêng
* Những điểm mới và những đóng góp của đề tài
- Về lý luận:
+ Xây dựng các mô hình cấu trúc và sinh trưởng cho đối tượng rừng trồng Thông nhựa trong khu vực để làm công cụ dự đoán phục vụ cho điều tra và đánh giá trữ lượng, sản lượng.
+ Mang lại lợi ích của việc vận dụng các phần mềm thống kê nói chung và phần mềm SPSS nói riêng trong xử lý số liệu nghiên cứu và thực nghiệm trong lâm nghiệp.
- Về thực tiễn:
+ Cụ thể hoá vấn đề nghiên cứu cho Thông nhựa ở khu vực miền Trung Trung Bộ tại tỉnh Thừa thiên Huế như: xây dựng các mô hình cấu trúc, xây dựng và định lượng các quy luật sinh trưởng nhằm phục vụ cho công tác điều tra.
+ Vận dụng phần mềm xử lý thống kê và phân tích cơ sở dữ liệu hiện đại SPSS vào xử lý số liệu nghiên cứu và thực nghiệm cho đối tượng cây trồng lâm nghiệp một cách có hệ thống.
* Khả năng ứng dụng của đề tài
- Ở nước ta, Thông nhựa được trồng trên diện rộng từ miền Bắc đến miền Nam, nên kết quả nghiên cứu của đề tài không chỉ ứng dụng ở các khu vực trồng tập trung, thuần loài đều tuổi tại tỉnh Thừa thiên Huế, mà còn là tài liệu tham khảo cho các tỉnh và khu vực khác trên toàn quốc.
- Đưa ra được một hệ thống các phương pháp xử lý số liệu bằng SPSS để nghiên cứu quy luật cấu trúc và sinh trưởng mà ở đó đã làm nổi bật những đặc thù của đối tượng nghiên cứu.
- Hy vọng đây là tài liệu tham khảo phục vụ trong nghiên cứu chuyên ngành Lâm nghiệp.














Chương 2
TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Nghiên cứu về các mô hình cấu trúc và sinh trưởng rừng đã được nhiều tác giả trên thế giới và Việt Nam đề cập từ những năm đầu thế kỷ XX. Những nghiên cứu này đều có xu hướng xây dựng cơ sở có tính khoa học và lý luận phục vụ công tác kinh doanh rừng hiệu quả. Bước đầu đi từ định tính, sau đến định lượng với quy luật tự nhiên, góp phần giải quyết được nhiều vấn đề trong kinh doanh rừng.
Sinh trưởng cây rừng và lâm phần là trọng tâm của sản lượng rừng, nó có tính chất nền tảng để nghiên cứu các phương pháp dự đoán sản lượng cũng như hệ thống biện pháp tác động nhằm nâng cao năng suất của rừng9. Có nhiều hướng, nhiều phương pháp khác nhau khi nghiên cứu cấu trúc và sinh trưởng của lâm phần. ở châu Âu vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, vấn đề quy luật phân bố số cây ổn định theo tần số và tần suất ở các cỡ tự nhiên về đường kính, chiều cao, thể tích, . đã được nhiều tác giả công bố. Nhiều vấn đề nghiên cứu cấu trúc và sản lượng rừng trước đây còn nặng về nghiên cứu định tính, mô tả thì nay đã được nghiên cứu định lượng. Định hướng nghiên cứu cấu trúc và sản lượng rừng đã được các nhà khoa học khái quát lại dưới dạng các mô hình toán học từ đơn giản đến phức tạp nhằm định lượng các quy luật của tự nhiên, nhờ đó đã giải quyết được nhiều vấn đề trong kinh doanh rừng, đặc biệt trong lĩnh vực lập biểu chuyên dụng phục vụ cho công tác điều tra và dự đoán sản lượng cũng như xây dựng hệ thống các biện pháp kinh doanh, nuôi dưỡng rừng cho từng đối tượng cụ thể.
Cho đến nay, các thành tựu trong nghiên cứu về khoa học sản lượng rừng của nhân loại là rất đồ sộ. Vì thế, trong khuôn khổ một đề tài thạc sỹ, tác giả chỉ khái quát một số công trình tiêu biểu trong và ngoài nước có liên quan tới nội dung nghiên cứu của đề tài làm cơ sở định hướng cho việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu.
2.1. Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
2.1.1. Nghiên cứu định lượng quy luật cấu trúc lâm phần
2.1.1.1. Nghiên cứu định lượng quy luật cấu trúc đường kính thân cây rừng (N/D1.3)
Quy luật phân bố số cây theo cỡ đường kính ngang ngực (N/D1.3) là một trong các chỉ tiêu quan trọng nhất của cấu trúc rừng, đã được nghiên cứu khá đầy đủ từ đầu thế kỷ XX, bằng phương pháp biểu đồ hoặc phương pháp giải tích, . Quy luật cấu trúc đường kính thân cây rừng (N/D1.3) được mô phỏng nhiều cách khác nhau như phân bố thực nghiệm N/D1.3, phân bố số cây theo cỡ tự nhiên, . Các tác giả đã dùng phương pháp giải tích để mô tả quy luật này. Kết quả là họ đã xác lập được các phương trình toán học dưới nhiều dạng phân bố xác suất khác nhau. Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về lĩnh vực này như sau:
Một số tác giả đưa ra các hàm : hàm Mayer (tác giả sử dụng năm 1933, 1949), hàm Hyperbol, hàm Poisson, hàm Charlier, hàm Logarit chuẩn, họ Pearson, hàm Weibull . 1
Một số tác giả khác: Suzuki (1971), Preussner.K (1974), Bock.W và Diener.W (1972) lại nghiên cứu theo xu hướng khác với quan điểm đường kính cây rừng là một đại lượng ngẫu nhiên và phụ thuộc vào thời gian và coi quá trình biến đổi của phân bố đường kính theo tuổi là một quá trình ngẫu nhiên. Quá trình đó biểu thị một tập hợp các đại lượng ngẫu nhiên (Xt) với thời gian t lấy trong một khoảng thời gian nào đó. Nếu trị số của đường kính tại thời điểm t chỉ phụ thuộc vào trị số ở thời điểm t-1 thì đó là quá trình Markov. Nếu Xt = X có nghĩa là quá trình ở thời điểm t có dạng X. Nếu tập hợp các trạng thái có thể xảy ra của quá trình Markov có thể đếm được thì đó là chuỗi Markov, tức là mỗi trị số của t sẽ ứng với 1 số tự nhiên.[1]
Dùng hàm này hoặc hàm khác để xây dựng dãy phân bố thực nghiệm N/D1.3 phụ thuộc vào kinh nghiệm từng tác giả và bản chất quy luật điều tra đo đạc. Một dãy phân bố thực nghiệm có thể chỉ phù hợp cho một dạng hàm số, cũng có thể phù hợp cho nhiều hàm số ở các mức xác suất khác nhau.
Tóm lại, nghiên cứu định lượng cấu trúc N/D1.3, các tác giả có xu hướng dựa vào dãy tần số lý thuyết để mô tả phân bố N/D1.3 và ứng dụng của dãy tần số đó. Đồng thời, bằng phương pháp giải tích, các tác giả đã lựa chọn được nhiều hàm toán học để mô phỏng phù hợp qui luật cấu trúc. Những kết quả nghiên cứu định lượng trên là những cơ sở quan trọng cho việc vận dụng vào nghiên cứu đối tượng Thông nhựa. Trong nghiên cứu xây dựng mô hình cấu trúc N/D1.3 đề tài đã lựa chọn dạng hàm Weibull như sau:
(2.1)
Trong đó:
F(x): là tần suất cộng dồn (hàm phân bố)
: là hai tham số của phương trình
x : là cỡ đường kính ngang ngực (D1.3) chuẩn hoá
2.1.1.2. Nghiên cứu quy luật quan hệ giữa chiều cao vút ngọn với đường kính ngang ngực của cây ( Hvn/D1.3 )
Nghiên cứu tương quan Hvn/D1.3 là một trong những quy luật cơ bản và quan trọng trong hệ thống các quy luật cấu trúc lâm phần. Từ kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy, chiều cao tương ứng với mỗi cỡ kính cho trước luôn tăng theo tuổi, đó là kết quả quá trình tự nhiên của sự sinh trưởng. Trong một cỡ đường kính xác định, ở các cấp tuổi khác nhau sẽ có các cây thuộc cấp sinh trưởng khác nhau. Cấp sinh trưởng càng giảm khi tuổi lâm phần tăng lên dẫn đến tỷ lệ H/D tăng theo tuổi. Từ đó đường cong quan hệ giữa H/D có thể bị thay đổi dạng và luôn dịch chuyển về phía trên khi tuổi lâm phần tăng lên. Vagui, A.B (1955) đã khẳng định “Đường cong chiều cao thay đổi và luôn dịch chuyển lên phía trên khi tuổi tăng lên”. Tiurin.Đ.V (1927) đã phát hiện hiện tượng này khi ông xác lập đường cong chiều cao các cấp tuổi khác nhau. Prodan.M (1965) lại phát hiện độ dốc đường cong chiều cao có chiều hướng giảm dần khi tuổi tăng lên và Prodan.M (1944) khi nghiên cứu kiểu rừng “Plenterwal” đã kết luận đường cong chiều cao không bị thay đổi do vị trí của các cây ở một cỡ đường kính nhất định là như nhau7. Curtis.R.O đã mô phỏng quan hệ chiều cao với đường kính và tuổi theo dạng phương trình:
Log h = logh = d+b1.+b2.+b3. (2.2)
Sau đó Curtis.R.O đã nắn phương trình (2.22) theo đường định kỳ 5 năm tương ứng với định kỳ kiểm kê tài nguyên ở rừng Lĩnh Sam, tại từng tuổi nhất định phương trình sẽ là:
Log h = b0 + b1*1/d (2.3)
Theo Curtis thì các dạng phương trình khác cho kết quả không khả quan bằng hai dạng trên.
Petterson, H (1955) (theo Nguyễn Trọng Bình (1996) 1, đề xuất phương trình tương quan:
=a+ (2.4)
Krauter, G (1958) và Tiourin, A.V (1931) (theo Phạm Ngọc Giao (1995) 7 nghiên cứu tương quan giữa chiều cao với đường kính ngang ngực dựa trên cơ sở cấp đất và cấp tuổi. Kết quả nghiên cứu cho thấy: khi dãy phân hoá thành các cấp chiều cao thì mối quan hệ này không cần xét đến cấp đất hay cấp tuổi và cũng không cần xét đến tác động của hoàn cảnh, tuổi đến sinh trưởng của cây rừng và lâm phần, vì những nhân tố này đã được phản ánh trong kích thước của cây, nghĩa là trong quan hệ H/D đã bao hàm tác động của hoàn cảnh và tuổi.
Ngoài ra đối với những lâm phần thuần loài đều tuổi, dù có tìm được phương trình toán học biểu thị quan hệ H/D theo tuổi thì cũng không đơn giản vì chiều cao cây rừng ngoài phụ thuộc vào yếu tố tuổi còn phụ thuộc rõ nét vào mật độ, cấp đất, biện pháp tỉa thưa, .Kennel.R kiến nghị một cách khác, mô phỏng sự biến đổi tương quan H/D theo tuổi là: trước hết tìm một phương trình thích hợp cho lâm phần, sau đó xác lập mối liên hệ của các tham số phương trình theo tuổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
Các nhà nghiên cứu khác như: Hohenadl; Krenn; Michailoff; Naslund, M; Anoutchin, NP; Eckert, KH; Korsun, F; Levakovic, A; Meyer, H.A; Muller; V. Soest,J đã đề nghị các dạng phương trình dưới đây:
h = a0 + a1d + a2d2 (2.5)
h –1,3 = d2/(a + bd)2 (2.6)
h = a.db ; logh = a + b.logd (2.7)
h = a (1 –e-cd) (2.8)
h = a + b.logd (2.9)
h –1,3 = a. (d/(1+d))b (2.10)
h –1,3 = a.e-b/d (2.11)
log(h-1,3) = loga – b.((loge)/d) (2.12)
h = a(blnd – cl(lnd)^2 (2.13)
h = a0 + a1d + a2logd (2.14)
h = a0 + a1d + a2d2 + a3d3 (2.15)
Để mô phỏng tương quan giữa chiều cao với đường kính có thể sử dụng nhiều dạng phương trình khác nhau. Vấn đề lựa chọn dạng phương trình thích hợp nhất cho những đối tượng nào thì chưa được nghiên cứu đầy đủ. Hai dạng phương trình được sử dụng nhiều để biểu thị đường cong chiều cao là phương trình Parabol và phương trình Logarit.
2.1.1.3. Nghiên cứu quan hệ giữa đường kính tán cây với đường kính 1.3 m
Tán cây là chỉ tiêu quan trọng để xác định không gian dinh dưỡng của cây cá lẻ. Tán cây còn thể hiện sức sống, khả năng sinh trưởng, tăng trưởng của cây nên có quan hệ mật thiết đến sinh trưởng đường kính ngang ngực. Điều này đã được các tác giả nghiên cứu và khẳng định như: Zieger, Itvessalo, Willingham, Zieger, Erich (1928), Cromer. O.A.N; Ahken .J.D (1948), Feree, Miller.J (1953), Hollerwoger.F (1954), . Cho nên có thể xác định hệ số khép tán cho loài cây, lâm phần thông qua kết quả xác định không gian dinh dưỡng. Tuỳ từng loài cây và các điều kiện lập địa khác nhau, mối liên hệ này được thể hiện khác nhau. Nhưng phổ biến nhất là dạng phương trình đường thẳng:
Dt = a + b.D1.3 (2.16)
2.1.2. Nghiên cứu sinh trưởng, tăng trưởng
Nghiên cứu sinh trưởng và dự đoán sản lượng rừng là nội dung chính của khoa học sản lượng rừng được hình thành và phát triển đầu tiên ở Châu Âu từ thế kỷ XIX. Sự phát triển của khoa học sản lượng rừng gắn liền với tên tuổi của các nhà khoa học như: Oettlt, G. Baur, Borggreve, Breymann, H. Cotta, Draudt, M. Hartig, E. Weise, H. Thomasius 9
Nhìn chung những nghiên cứu về sinh trưởng của cây rừng, lâm phần, được xây dựng thành các mô hình toán học và được công bố trong các công trình nghiên cứu của Meyer, H.A và D.D Stevenson (1943), Schumacher, F.X và Coil, T.X (1960), Alder (1980), Clutter, J, L; Allison, B.J (1973)
Vì vậy có thể khái quát quá trình phát triển của môn khoa học tăng trưởng, sản lượng rừng thành 2 phương hướng:
+ Đo đạc lặp lại nhiều năm các chỉ tiêu sinh trưởng trong các ô định vị đại diện cho các lâm phần nghiên cứu để biết cả quá trình phát sinh, phát triển, già cỗi và tiêu vong. Phương hướng này đòi hỏi quá nhiều thời gian nên sau này được cải tiến bằng cách lựa chọn những lâm phần có cùng hoàn cảnh sinh trưởng nhưng khác nhau về tuổi gọi là nằm trong một “dãy phát triển tự nhiên”.
+ Giải tích thân cây đại diện mỗi lâm phần khác nhau về các nhân tố cần nghiên cứu, để có số liệu tăng trưởng đầy đủ từ khi bắt đầu trồng hoặc tái sinh.
Sau đó áp dụng kỹ thuật phân tích thống kê toán học, phân tích tương quan và hồi quy để xác định sản lượng gỗ của lâm phần. Trên thế giới số lượng các hàm toán học mô tả quá trình sinh trưởng cũng rất phong phú như hàm: Gompertz (1825), Verhulst (1845), Mitscherlich (1919), Kovessi (1929), Petterson (1929), Levacovic (1935), Korsun (1935), Peshel (1938), Korf (1930), Verkbulet (1952), Michailov (1953), Drakin (1957), Richards (1959), Thomasius (1965), Simes (1966), Sless(1970), Sloboda (1971), Schumacher (1980). Hàm sinh trưởng là mô hình sinh trưởng đơn giản nhất mô tả quá trình sinh trưởng của cây rừng cũng như lâm phần. Dựa vào hàm sinh trưởng có thể biết trước được giá trị lớn nhất của đại lượng sinh trưởng ở tuổi cuối cùng và tính trước được tốc độ sinh trưởng cực đại.
Dạng hàm sinh trưởng của Gompertz (1825):
y = m. (2.17)
Trong đó: y: hàm sinh trưởng của nhân tố điều tra
A: tuổi cây hay tuổi rừng
m,b,c: những tham số của phương trình
Tiếp sau đó là các hàm sinh trưởng của các tác giả như: Korsun, Assmann Frane, Schumacher, Korf, .
Năm 1973, Wenk chứng minh hàm Gompertz là kết quả của một giả thuyết vi phân đơn giản về tốc độ sinh trưởng tương đối:
(2.18)
Từ đó, có thể đi tới phương trình biểu thị tốc độ sinh trưởng tương đối của Gompertz như sau: