Tài liệu Xây dựng các mô hình cấu trúc, sinh trưởng và hình dạng thân cây làm cơ sở đề xuất các phương pháp xác định trữ lượng, sản lượng cho lâm phần keo tai tượng (acacia mangium ) tại khu hàm yên tuyên quang

Bé gi¸o dôc ®µo t¹o Bé gi¸o dôc ®µo t¹o Bé n«ng nghiÖp vµ PTnt Bé n«ng nghiÖp vµ PTnt Tr-êng ®¹i häc l©m nghiÖp Tr-êng ®¹i häc l©m nghiÖp ------------------------------------ Ng« ThÕ Long Ng« ThÕ Long x©y dùng c¸c m« h×nh cÊu tróc, sinh tr-ëng vµ h×nh d¹ng th©n c©y lµm c¬ së ®Ò xuÊt c¸c ph-¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tr÷ l-îng, s¶n sinh tr-ëng x©y dùng c¸c m« h×nh cÊu tróc, l-îng cho l©m phÇn keo tai t-îng (Acacia mangium) t¹i khu vùc vµ h×nh d¹ng th©n c©y lµm c¬ së ®Ò xuÊt c¸c ph-¬ng hµm yªn - tuyªn quang ph¸p x¸c ®Þnh tr÷ l-îng, s¶n l-îng cho l©m phÇn keo tai t-îng (Acacia mangium) t¹i khu vùc hµm yªn - tuyªn quang LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc l©m nghiÖp Hµ t©y - 2007 Bé gi¸o dôc ®µo t¹o Bé n«ng nghiÖp vµ PTnt Tr-êng ®¹i häc l©m nghiÖp ------------------------------------ Ng« ThÕ Long x©y dùng c¸c m« h×nh cÊu tróc, sinh tr-ëng vµ h×nh d¹ng th©n c©y lµm c¬ së ®Ò xuÊt c¸c ph-¬ng ph¸p x¸c ®Þnh tr÷ l-îng, s¶n l-îng cho l©m phÇn keo tai t-îng (Acacia mangium) t¹i khu vùc hµm yªn - tuyªn quang Chuyªn ngµnh: L¢M HäC M· sè: 60.62.60 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc l©m nghiÖp Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: GS.TS. NguyÔn H¶i TuÊt Hµ t©y - 2007 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Keo tai tượng (Acacia mangium) thuộc bộ đậu, họ phụ trinh nữ, là loài cây gỗ nhỡ, mọc nhanh, có giá trị về nhiều mặt trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong khoa học, đời sống và quốc phòng. Đây là loài có khả năng thích ứng rộng, kể cả những điều kiện không phù hợp như đồi trọc, đất bị thoái hoá, là loài cây cải tạo đất và cải tạo không gian dinh dưỡng cho khu rừng. Với những ưu điểm trên, Keo tai tượng được trồng khắp ở các tỉnh phía Bắc nhằm phủ xanh đất trống đồi núi trọc trong dự án 5 triệu ha rừng đã được Quốc hội khoá X thông qua tại kỳ họp thứ 2, trong đó có tỉnh Tuyên Quang. Theo kết quả điều tra chuyên đề năm 2003: “Đánh giá hiện trạng sử dụng đất đai, tài nguyên rừng và khả năng cung cấp nguyên liệu giấy từ rừng hiện có của tỉnh Tuyên Quang” thì Tuyên Quang có diện tích trồng keo là 32088 ha chiếm trên 45% diện tích rừng trồng của cả tỉnh. Đây là nguồn cung cấp gỗ nguyên liệu cho công nghiệp giấy, công nghiệp chế biến ván sàn, ván dăm, ngoài ra nó còn góp phần giải quyết một phần nhu cầu gỗ củi ở địa phương. Chính do những đặc điểm và những công dụng nói trên mà Keo tai tượng được coi là cây đa tác dụng điển hình. Cây Keo tai tượng xứng đáng được chọn là cây trồng chính trong cơ cấu cây lâm nghiệp trong chiến lược trồng rừng ở nước ta nói chung và tỉnh Tuyên Quang nói riêng. Cũng chính vì thế mà cây Keo tai tượng trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học Lâm nghiệp. Lĩnh vực nghiên cứu rất phong phú, từ khâu khảo nghiệm xuất xứ, chọn giống, đất gây trồng cho đến các biện pháp lâm sinh, điều tra, sản lượng. Nghiên cứu sinh trưởng cũng như tìm hiểu quy luật kết cấu lâm phần không ngoài mục đích xây dựng phương pháp dự đoán trữ, sản lượng rừng, tạo tiền đề cho công tác quy hoạch điều chế rừng, và đánh giá hiệu quả của các phương thức kỹ thuật lâm sinh. Sinh trưởng và sản lượng rừng có mối 2 quan hệ mật thiết với hoàn cảnh sinh thái cũng như biện pháp tác động của con người. Vì vậy, mỗi loài cây đặc biệt là những loài đã được trồng tập trung trên quy mô lớn, cần phải nghiên cứu và phân tích mối quan hệ đó trên cơ sở định lượng bằng các mô hình toán học, làm căn cứ xác định và dự đoán các chỉ tiêu sản lượng rừng. Tại khu vực Hàm Yên - Tuyên Quang, Keo tai tượng được trồng với số lượng lớn và chúng sinh trưởng đặc biệt tốt so với các vùng khác ở miền Bắc Việt Nam. Đã có nhiều nghiên cứu về Keo tai tượng cho khu vực này trong đó phải kể đến các nghiên cứu của Viện nghiên cứu cây nguyên liệu giấy. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ tập trung sâu vào khía cạnh giống và kỹ thuật lâm sinh (như: tạo cây con, kỹ thuật trồng, chăm sóc…). Những nghiên cứu liên quan đến điều tra, sản lượng còn rất hạn chế, chưa được nghiên cứu sâu cho khu vực này, đây là yêu cầu cần thiết khi sản xuất kinh doanh bất cứ loài cây trồng nào. Đặc biệt trong công tác điều tra rừng việc ứng dụng các mô hình cấu trúc, sinh trưởng để xác định nhanh trữ lượng và sản lượng rừng ít được quan tâm và chưa được ứng dụng rộng rãi. Với loài Keo tai tượng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang chưa được tác giả nào đề cập tới. Đề tài: “Xây dựng các mô hình cấu trúc, sinh trưởng và hình dạng thân cây làm cơ sở đề xuất các phương pháp xác định trữ lượng, sản lượng cho lâm phần Keo tai tượng (Acacia mangium) tại khu vực Hàm Yên – Tuyên Quang” được lựa chọn nghiên cứu và có thể xem là một công trình nhỏ góp phần khắc phục tồn tại trên. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu về các mô hình cấu trúc, sinh trưởng và hình dạng thân cây rừng làm cơ sở khoa học nhằm phục vụ công tác điều tra, kinh doanh rừng hiệu quả. Rất nhiều tác giả trong và ngoài nước đã nghiên cứu lĩnh vực này cho các đối tượng, bằng các phương pháp khác nhau và nhằm các mục đích khác nhau. Vì vậy, 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 để làm cơ sở định hướng cho việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu. 1.1. Trên thế giới 1.1.1. Nghiên cứu quy luật cấu trúc lâm phần 1.1.1.1. Nghiên cứu định quy luật cấu trúc đường kính thân cây rừng (N-D1.3) Qui luật phân bố số cây theo cỡ kính (N-D) là một trong các qui luật quan trọng nhất của cấu trúc rừng và cho đến nay đã được nghiên cứu khá đầy đủ. Qui luật phân bố số cây theo cỡ đường kính được biểu thị khác nhau như phân bố thực nghiệm N-D, phân bố số cây theo cỡ tự nhiên,... và bằng phương pháp biểu đồ hay bằng phương pháp mô hình hoá... Để nghiên cứu mô tả qui luật này, hầu hết các tác giả đã dùng phương pháp giải tích, tìm các phương trình toán học dưới nhiều dạng phân bố xác suất khác nhau. Những tác giả sau đây là những người đầu tiên xây dựng quy luật này: Veize (1880), Vimmenauer (1890, 1918), Shiffel (1898, 1899, 1902), Tretchiakov (1921, 1927, 1934, 1965), J.Tuirin (1923, 1927, 1931, 1945), Moiseenko (1930, 1958), Anoutchin (1931, 1936, 1954), Moiseev (1966, 1969, 1971), Prodan (1961, 1965) (theo Nguyễn Thị Hải Yến (2002) [32]). 4 Các hàm số thường được sử dụng để tiếp cận các dãy phân bố kinh nghiệm của số cây theo đường kính được các nhà khoa học sử dụng như: - Beta: + Bennet, F.A (1969) [33]), dùng phân bố Bêta và xác định các đại lượng đường kính nhỏ nhất (dm) và đường kính lớn nhất (dM) thông qua phương trình tương quan kép với mật độ (N), tuổi (A) và cấp đất (S) như sau: dm = a0 + a1.logN + a2.A.N + a3.logN (1.1) dM = a0 + a1.N + a2.logN + a3.A.S + a4.A.N (1.2) + Burkhart, H., Strub, U. (1973) [34], tính toán các tham số dm, dM,  và  của phân bố Bêta theo các dạng phương trình: dm = a0 + a1.h0 + a2.A.N + a3. h0 N (1.3) dM = a0 + a1.h0 + a2.A.N + a3. h0 N (1.4)  = a0 + a1.  = a0 + a1. A + a2.A.h0 N A + a2.N.h0 N (1.5) (1.6) Với: h0 là chiều cao tầng trội, A là tuổi và N là mật độ lâm phần. Kennel, R (1971), xác định các đại lượng dm, dM, và N thông qua quan hệ trực tiếp với tuổi theo dạng phương trình: dm = a0 + a1.A + a2.A2 (1.7) dM = a0 + a1.A + a2.A2 (1.8) a1 a2  ) A A2 (1.9) N= e - Gamma: ( a0  5 + Lembeke, Knapp và Dittmar (theo Phạm Ngọc Giao (1996) [8]), sử dụng phân bố Gamma với các tham số thông qua các phương trình biểu thị mối tương quan với tuổi và chiều cao tầng trội: 1 A b = a0 + a1.  a2. 1 A2 (1.10) P = a0 + a1.A + a2. A2 (1.11)  = a0 + a1.h100 + a2. A + a3.A.h100 (1.12) + Roemisch, K (1975) (theo Phạm Ngọc Giao (1996) [8]), nghiên cứu khả năng dùng hàm Gamma mô phỏng sự biến đổi của phân bố đường kính cây rừng theo tuổi, xác lập quan hệ của tham số Bêta với tuổi, đường kính trung bình, chiều cao tầng trội đã khảng định quan hệ giữa tham số Bêta với chiều cao tầng trội là chặt chẽ nhất. - Hàm Meyer: Với các lâm phần hỗn giao khác tuổi, Meyer (1934), Prodan (1949) [11] mô tả phân bố N–D bằng phương trình: Ni = K.e-.di (1.13) Trong đó: di và Ni là trị số giữa cỡ và số cây của cỡ kính thứ i, phương trìnnh này còn được gọi là phương trình Meyer. - Ngoài ra, để mô tả phân bố N–D có thể sử dụng các hàm như: hàm Weibull, hàm Phân bố chuẩn, hàm Poisson, hàm Charlier, hàm Pearson… Ngoài các hướng nghiên cứu trên còn có quan điểm cho rằng đường kính cây rừng là một đại lượng ngẫu nhiên phụ thuộc vào thời gian và quá trình biến đổi của phân bố đường kính theo tuổi là quá trình ngẫu nhiên. Theo hướng nghiên cứu này còn có các tác giả Suzuki (1971), Preussner.K (1974), Bock.W và Diener (1972) (theo Nguyễn Trọng Bình (1996) [1]). Theo các tác giả trên, quá trình đó biểu thị một tập hợp các giá trị x của đại lượng ngẫu 6 nhiên tại mỗi thời điểm t và 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 mà không phụ thuộc vào những trạng thái ở những thời điểm trước nữa thì đólà quá trình Markov. Nếu xt = x, nghĩa là quá trình ở thời điểm t có trạng thái x. Nếu tập hợp các trạng thái có thể xảy ra của quá trình Markov có thể đếm được thì đó là chuỗi Markov. Tóm lại, các nghiên cứu về phân bố số cây theo đường kính và ứng dụng của nó thường dựa vào dãy tần số lý thuyết. Xu hướng chung là tìm hàm toán học thích hợp và xác định các tham số của phân bố N-D. Các hàm toán học được sử dụng để mô tả rất đa dạng. Một dãy phân bố kinh nghiệm có thể chỉ phù hợp cho một dạng hàm số, cũng có thể phù hợp cho nhiều hàm số ở các mức độ xác suất khác nhau. Việc dùng hàm này hay hàm khác để biểu thị dãy phân bố kinh nghiệm N-D phụ thuộc vào kinh nghiệm của từng tác giả và bản chất quy luật đo đạc được. 1.1.1.2. Nghiên cứu quy luật quan hệ giữa chiều cao với đường kính thân cây Đây là một trong những quy luật cơ bản trong lâm phần được rất nhiều tác giả nghiên cứu. Các nghiên cứu đó cho thấy giữa chiều cao và đường kính những cây trong lâm phần luôn tồn tại mối quan hệ chặt chẽ, 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. Tiurin.Đ.V (1927) đã phát hiện hiện tượng này khi ông xác lập đường cong chiều cao các cấp tuổi khác nhau. Kết luận này cũng được Vagui, A.B (1955) đã khẳng định. (theo Phạm Ngọc Giao (1996) [8]). 7 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 nhau (theo Phạm Ngọc Giao (1996) [8]). Krauter, G (1958) và Tiourin, A.V (1931) (theo Phạm Ngọc Giao (1996) 9) 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 đã 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. Curtis, R. O. (1967) [35]), đã mô phỏng quan hệ chiều cao với đường kính và tuổi theo dạng phương trình: Log h = d+b1.1/d +b2.1/A +b3.1/d.A (1.14) Sau đó Curtis.R.O đã nắn phương trình (1.14) 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: 8 Log h = b0 + b1*1/d (1.15) 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: 3 1 b  a d h  1,3 (1.16) 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; [11], đã đề nghị các dạng phương trình dưới đây: h = a0 + a1d + a2d2 (1.17) h –1,3 = d2/(a + bd)2 (1.18) h = a.db ; logh = a + b.logd (1.19) h = a (1 –e-cd) (1.20) h = a + b.logd (1.21) h –1,3 = a. (d/(1+d))b (1.22) h –1,3 = a.e-b/d (1.23) log(h-1,3) = loga – b.((loge)/d) (1.24) h = a(blnd – c(lnd)^2) (1.25) h = a0 + a1d + a2logd (1.26) h = a0 + a1d + a2d2 + a3d3 (1.27) Thực tiễn điều tra rừng cho thấy, có thể dựa vào quan hệ H/D xác định chiều cao tương ứng cho từng cỡ kính mà không cần thiết đo cao toàn bộ. Tuy nhiên, phương trình toán học cụ thể biểu thị quan hệ này lại rất phong phú và 9 đa dạng. Để mô phỏng tương quan giữa chiều cao với đường kính có thể sử dụng nhiều dạng phương trình khác nhau. Việc dùng phương trình này hay phương trình khác để biểu thị tương quan H/D phụ thuộc vào kinh nghiệm của từng tác giả và bản chất quy luật đo đạc được. Cho đến nay, 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. 1.1.1.3. Nghiên cứu quan hệ giữa đường kính tán cây với đường kính thân cây Tán cây là bộ phận quyết định đến sinh trưởng, tăng trưởng cây rừng, là chỉ tiêu quan trọng để xác định không gian dinh dưỡng của từng cây riêng lẻ. Các tác giả Zieger; Erich (1928), Cromer. O.A.N; Ahken .J.D (1948), Itvessalo; yrjo (1950), Heinsdifh.D (1953), Feree, Miller.J (1953), Hollerwoger.F (1954), … đều khẳng định có mối quan hệ mật thiết giữa đường kính tán và đường kính ngang ngực. Tuỳ theo loài cây và điều kiện khác nhau, mối liên hệ này thể hiện khác nhau, nhưng phổ biến nhất là dạng đường thẳng bậc nhất (theo Hoàng Văn Dưỡng (2001) [5]): Dt = a + b.D1,3 (1.28) 1.1.2. Nghiên cứu sinh trưởng và tăng trưởng Nghiên cứu sinh trưởng cây rừng đã được đề cập từ thế kỷ XVIII. Về lĩnh vực này phải kể đến các tác giả như: Oettlt, G. Baur, Borggreve, Breymann, H. Cotta, Draudt, M. Hartig, E. Weise, H. Thomasius.... 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 10 Coil, T.X (1960), Alder (1980), Clutter, J, L; Allison, B.J (1973).... (theo Hoàng Văn Dưỡng (2001) [5]). 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 [19]. Có thể coi sinh trưởng rừng và cây rừng là một hàm phụ thuộc nhiều biến số, tuổi (A), các điều kiện sinh thái (Sti) và các biện pháp kinh doanh tác động của con người (TĐs)… 11 Y = f (A, STi, TĐs…) (1.29) Nếu coi điều kiện sinh thái biện pháp kinh doanh tác động tương đối đồng nhất thì điều kiện sinh trưởng của rừng và cây rừng là một hàm số theo tuổi [12]: Y = f (A) (1.30) Trong lịch sử phát triển môn sản lượng rừng, những hàm sinh trưởng dạng (1.30) được nghiên cứu nhiều, bắt đầu từ hàm Gompertz (1825): Y = m. e Trong đó: ( b.e(  c. A) ) (1.31) Y: hàm sinh trưởng của nhân tố điều tra A: tuổi cây hay tuổi rừng m,b,c: những tham số của phương trình Sau đó là các hàm sinh trưởng của các tác giả như: Korsun-Assmann Frane, Schumacher, Korf, v.v.. G. Wenk (1973) đã tổng hợp những đặc điểm của các hàm sinh trưởng (Y), tăng trưởng bình quân Y/A, hàm tăng trưởng thường xuyên (hay gọi là hàm tốc độ sinh trưởng) và hàm suất tăng trưởng (hay gọi là hàm tốc độ sinh trưởng tương đối) (P = W = Y’/Y) cũng như mối liên hệ giữa chúng (theo Vũ Thành Nam (2006) [21]). Nói chung các hàm dùng để mô phỏng quy luật sinh trưởng đều có dạng phức tạp, biểu diễn quá trình sinh học phức tạp của cây rừng hoặc lâm phần, dưới sự chi phối tổng hợp của các nhân tố nội tại và ngoại cảnh. Song một hàm sinh trưởng phải phản ánh trung thực quá trình sinh trưởng của cây rừng hay lâm phần, dễ dàng xác định các tham số, các tham số phải có ý nghĩa và được giải thích rõ ràng. 12 1.1.3. Nghiên cứu hình dạng thân cây Thân cây rừng là một khối lập thể và trong thực tiễn cũng đã gặp nhiều trường hợp các cây rừng có kích thước cơ bản giống nhau (cùng chiều cao và cùng đường kính lấy ở vị trí quy chuẩn nào đó, ví dụ ở cách gốc cây 1,3m), song thể tích của chúng lại rất khác nhau. Sự khác biệt này cũng do hình dạng thân cây khác nhau gây nên. Vì vậy có thể nói: “Trong mối liên hệ nhất định giữa chiều cao với đường kính, hình dạng trở thành nhân tố quyết định thể tích thân cây rừng”. Sở dĩ mỗi thân cây rừng có một nét dáng riêng là do trong quá trình sinh trưởng và phát triển, cây rừng chịu tác động tổng hợp của nhiều yếu tố nội tại và ngoại cảnh. - Về hình dạng tiết diện ngang thân cây, rất nhiều các tác giả như: X.R. Oxetrov, I.IA. Đobrovlianxki, H.Beckman, B.Matem, H.E. Wolff, O. Wiilfing… đã đi tìm sai số tương đối khi tính diện tích tiết diện ngang bằng những công thức đơn giản rồi từ đó rút ra các kết luận cần thiết, cụ thể [11]: + Sai số tương đối khi tính tiết diện ngang phụ thuộc vào cách đo đường kính, công thức tính toán và loài cây có độ nhẵn của vỏ khác nhau. + Trong khoa học đo cây có thể coi tiết diện ngang thân cây là hình tròn với đường kính bằng trị số bình quân của hai đường kính đo ở vị trí bất kỳ vuông góc với nhau trên tiết diện đó. - Về hình dạng tiết diện dọc thân cây được nhiều tác giả quan tâm và kết quả đạt được cũng rất phong phú, đa dạng [11]: + Một số tác giả như: A.Shiffel (1899-1902), W.Hohenadl (19221923), N.V.Tretiakov (1952) nghiên cứu hình dạng tiết diện dọc bằng cách trực tiếp biểu thị hình dạng thân cây thông qua việc so sánh đường kính đo ở các vị trí khác nhau trên thân cây với một đường kính lấy ở vị trí nào đó trên phần gốc cây làm chuẩn. 13 + Rất nhiều tác giả như: Mendeleev (1899), Belanovxki (1917), Wimmonauer (1918), Miller (1960), Wanthoz (1964), Giurgiu (1963), Heijbel (1965), Ozumi (1965)… không đi vào nghiên cứu những nguyên nhân phức tạp tác động đến hình dạng thân cây mà trên cơ sở nhìn nhận kết quả tổng hợp hình thành nên thân cây để đặt mục tiêu xác định dạng đường sinh của nó. Zakharov V. K (1955, 1957, 1958, 1961, 1965) khi nghiên cứu liên hệ giữa các nhân tố hình dạng tương đối (hình số và hệ số thon tự nhiên) với các nhân tố đường kính, chiều cao cho các loài cây chính của Belorussi đã nhận thấy chúng không có sự phụ thuộc vào nhau. Các nghiên cứu của các tác giả Floreseu I. (1964), Heger L. (1965) cũng cho kết luận tương tự (theo Đồng Sỹ Hiền (1974) [10]). Dittmar (1958) thấy rằng có trường hợp hình số tự nhiên không phụ thuộc vào đường kính ngang ngực, nhưng cũng có những trường hợp lại phụ thuộc, chủ yếu là rừng non, rừng nhiều tầng hoặc chăm sóc kém không thuần nhất về đường kính và chiều cao. Các nghiên cứu của Altherr (1953, 1963), Krauter G. (1961) cũng cho kết luận có sự phụ thuộc giữa hình số tự nhiên và đường kính ngang ngực (theo Đồng Sỹ Hiền (1974) [10]). Grochowski J. (1962) khi nghiên cứu lâm phần Thông rụng lá nhận thấy hình số tự nhiên có liên hệ với chiều cao. Còn tác giả Glazov N. M. (1963) khi nghiên cứu loài Thông rụng lá ở vùng Amour đã phủ nhận quan điểm của Zakharov V. K. và khẳng định rằng hệ số thon tự nhiên có phụ thuộc vào đường kính [10]. Những kết luận khác nhau của các tác giả trên đây có khi trái ngược hẳn với nhau về tính độc lập của hình số và hệ số thon tự nhiên có thể làm cho chúng ta phân vân, và cho thấy rõ ràng không thể chấp nhận bất kỳ một quan điểm nào một cách giản đơn, mà phải tiến hành nghiên cứu và tìm ra các quy luật. 14 * Khi nghiên cứu về đường sinh thân cây (theo Đồng Sỹ Hiền (1974) [10]) có một số công trình phổ biến sau: - Mendeleep D.I (1899), Benlanovxki I.G (1917) và Wimmenauer K (1918) đặt mục tiêu xác định hình dạng của đường sinh và biểu thị nó bằng phương trình toán học, xem đường kính (y) như là một hàm của chiều cao (x): Y = F (x) (1.32) Và đề nghị biểu thị hàm số này bằng phương trình bậc 2, bậc 3 hoặc bậc 4. - Muller G (1960) đề nghị biểu thị mối liên hệ giữa đường kính và chiều cao bằng hàm số mũ: D = a.bh = F(h) (1.33) Giả thuyết vòng năm có bề dày cố định, thì có thể tính được thể tích thân cây bình quân cho những cây ở cùng điều kiện lập địa và có chiều cao bằng cách lấy tích phân diện tích nằm dưới đường cong, tức là lấy tích phân phương trình mũ trên: V=  h F (h) .d 4 2 h (1.34) 0 - Wauthoz L (1964) ở Bỉ đã xây dựng phương pháp xác định thể tích thân cây và lập biểu thể tích thân cây trên cơ sở phương trình: Y2 = A.Xm. Trong đó: Y: là đường kính hoặc bán kính tại vị trí chiều cao X kể từ ngọn, m: là hệ số mũ, nó biến đổi từ gốc đến ngọn. Thể tích thân cây được tính như sau: V=  h A.x 4 0 m .d x  g0 .h m 1 (1.35) Trong đó: g0: là tiết diện ngang ở cổ rễ. Trong thực tiễn g0 sẽ được thay thế bằng g1,3 tức tiết diện ngang ở tầm cao 1,3m: 15 g1,3 hm . .h m  1 (h  1,3) m V= (1.36) - Theo Heibel.I (1965) ở Thuỵ Điển đã sử dụng 3 phương trình kết hợp lại để tiếp cận đường sinh thân cây n = i – k.tg.[k(n - i)] (1.37) Trong đó: n là hệ số độ thon tự nhiên, n = don/do1 n là chiều dài tương đối, n = hn/h k, i, i : là những hệ số cố định. Thể tích cơ bản sẽ là: Vg =  4 n   .  i  k.tg.(k ( n  i ))2 .d n (1.38) 0 - Petrovxki V.S. (1963, 1964) ở Liên Xô cũ, biểu thị mối quan hệ giữa đường kính lấy ở vị trí bất kỳ với khoảng cách L từ đường kính đó đến gốc bằng phương trình Parabol sau: X2 = 2.P.(y – h) (1.39) Trong đó: P là thông số tiêu đỉnh của đường sinh; X, y là toạ độ của Parabol; H là chiều dài của thân cây bớt 1 m. Thể tích của thân cây được tính theo công thức sau: H Vg =  . X 2 .dl   .M .d 05 2 .H 0 với M tuỳ thuộc vào loài cây. (1.40) 16 1.2. Ở Việt Nam 1.2.1. Nghiên cứu quy luật cấu trúc lâm phần 1.2.1.1. Nghiên cứu quy luật cấu trúc đường kính thân cây rừng (N-D1.3) Khi nghiên cứu quy luật kết cấu của lâm phần, hầu hết các tác giả đều quan tâm đến quy luật này, có thể kể đến một số công trình tiêu biểu sau: Với rừng tự nhiên nước ta, tác giả Đồng Sỹ Hiền (1974) [10] đã dùng họ đường cong Pearson biểu diễn phân bố số cây theo cỡ đường kính. Nguyễn Hải Tuất (1975, 1982, 1990) đã sử dụng hàm Meyer, hàm khoảng cách để biểu diễn quy luật cấu trúc đường kính rừng thứ sinh, ứng dụng quá trình Poisson vào nghiên cứu quần thể rừng. Nguyễn Văn Trương (1983) [26] đã sử dụng phân bố Poisson để nghiên cứu, mô phỏng quy luật cấu trúc đường kính thân cây cho đối tượng rừng hỗn giao khác tuổi. Các nghiên cứu này cho thấy phân bố N-D thường có nhiều đỉnh hình răng cưa và tồn tại phổ biến ở dạng phân bố giảm. Theo Đồng Sỹ Hiền (1974) [10] phạm vi biến động đường kính trong từng lâm phần tự nhiên thường từ 0,5 – 4,1 lần đường kính bình quân. Với mỗi loài trong lâm phần, phạm vi biến động đường kính hẹp hơn. Vị trí cây có đường kính bình quân nằm trong khoảng từ 51 – 73% số cây kể từ cỡ kính nhỏ. Hệ số biến động bình quân về đường kính trong lâm phần khoảng 71%. Đối với những lâm phần thuần loài đều tuổi, qua nghiên cứu của Vũ Văn Nhâm (1998), Vũ Tiến Hinh (1990) cho thấy có thể dùng phân bố Weibull với hai tham số để biểu thị phân bố N-D cho những lâm phần như: thồn đuôi ngựa, thông nhựa, mỡ và bồ đề. Phạm Ngọc Giao (1996) [8] khi nghiên cứu quy luật N/D cho thông đuôi ngựa vùng Đông Bắc đã chứng minh tính thích ứng của hàm Weibull và xây dựng mô hình cấu trúc đường kính cho lâm phần thông đuôi ngựa. 17 Các nghiên cứu về Keo tai tượng của các tác giả Nguyễn Văn Diện (2001) [4], Tống Minh Mạnh (2001) [20] và Khúc Đình Thành (1999) [25] khi nghiên cứu tại Ba Vì (Hà Tây), Đông Triều – Uông Bí (Quảng Ninh) đều kết luận có thể dùng hàm Weibull để nắn phân bố thực nghiệm N-D cho các lâm phần Keo tai tượng. Nhìn chung, khi nghiên cứu xây dựng mô hình hoá quy luật N-D, các tác giả nước ta thường sử dụng một trong hai phương pháp, đó là phương pháp biểu đồ và phương pháp giải tích toán học. Phương pháp biểu đồ dùng để phát hiện quy luật, còn phương pháp giải tích toán học dùng để định lượng quy luật. Việc dùng hàm này hay hàm khác để biểu thị dãy phân bố thực nghiệm N-D còn phụ thuộc vào kinh nghiệm của từng tác giả và bản chất của quy luật đo đạc. Đối với rừng trồng thuần loài đều tuổi, nhiều tác giả đã chọn phân bố Weibull để mô tả và xây dựng mô hình cấu trúc đường kính lâm phần thuần loài đều tuổi. 1.2.1.2. Nghiên cứu quy luật quan hệ giữa chiều cao với đường kính thân cây Các tác giả trong nước đã sử dụng rất nhiều phương trình toán học để biểu diễn tương quan này, có thể kể đến một số công trình tiêu biểu sau: Nghiên cứu về rừng tự nhiên nước ta, Đồng Sỹ Hiền (1974) 11, đã thử nghiệm các phương trình (1.17), (1.19), (1.21), (1.26) cho thấy chúng đều thích hợp, trong đó hai phương trình (1.19), (1.26) được chọn làm phương trình lập biểu cấp chiều cao. Phạm Ngọc Giao (1996) 9, đã khẳng định tương quan H/D của các lâm phần Thông đuôi ngựa tồn tại chặt dưới dạng phương trình Lôgarit một chiều (công thức 1.21). 18 Bằng phương pháp của Kennel xây dựng, tác giả đã xây dựng mô hình động thái đường cong chiều cao cho lâm phần Thông đuôi ngựa cho khu Đông Bắc với các tham số của phương trình tương quan H/D như sau: b  0,4141 0,9524.[ H0  H ] lg D0  lg D a = H - b. lg D H = 1,23 +0,84. H0 - 24,65. (1.41) (1.42) H0 N (1.43) Tác giả Bảo Huy (1993) 17, đã thử nghiệm bốn phương trình tương quan H/D: h = a + b.d1,3 (1.44) h = a + b. logd1,3 (1.45) logh = a + b.d1,3 (1.46) logh = a + b.logd1,3 (1.47) cho từng loài ưu thế: Bằng lăng, Cẩm xe, Kháo và Chiêu Liêu ở rừng rụng lá và nửa rụng lá Bằng lăng khu vực Tây Nguyên, tác giả đã chọn được phương trình (1.50) là thích hợp nhất. Vũ Văn Nhâm (1988) 25, dùng phương trình (1.21) xác lập quan hệ H/D cho mỗi lâm phần làm cơ sở lập biểu thương phẩm gỗ mỏ rừng Thông đuôi ngựa. Các nghiên cứu về Keo tai tượng của các tác giả Tống Minh Mạnh (2001) [20] và Khúc Đình Thành (1999) [25] khi nghiên cứu tại Ba Vì (Hà Tây), Đông Triều – Uông Bí (Quảng Ninh) cũng kết luận có thể dùng phương trình (1.21) để xác lập quan hệ H/D cho các lâm phần Keo tai tượng. Phân tích các kết quả của các tác giả đi trước cho thấy phương pháp biểu đồ đòi hỏi nhiều tài liệu quan sát, đồng thời bị nhân tố chủ quan chi phối