Cấu trúc rừng là sự sắp xếp tổ chức nội bộ của các thành phần sinh vật trong hệ sinh thái rừng mà qua đó các loài có đặc điểm sinh thái khác nhau cùng sinh sống hài hòa và đạt tới sự ổn định tương đối trong một giai đoạn phát triển nhất định của rừng. Cấu trúc của rừng là kết quả của các mối quan hệ cạnh tranh
27
cùng loài hay khác loài giữa các sinh vật và sự thích nghi của sinh vật đó với môi trường sinh thái. Việc nghiên cứu cấu trúc rừng hiện nay đã được các nhà khoa học thế giới cũng như trong nước chuyển dần từ phương thức mô tả định tính sang định lượng với sự hỗ trợ của thống kê toán học và tin học. Trong đó việc mô hình hoá cấu trúc rừng, xác lập mối quan hệ giữa các nhân tố cấu trúc rừng đã được nhiều tác giả nghiên cứu có kết quả.
2.3.1 Nghiên cứu về cấu trúc rừng ngập mặn ở nước ngoài
Công trình nghiên cứu cấu trúc rừng đầu tiên phải kể đến là vào năm 1898, De Liocourt xây dựng mô hình dựa trên sự phân bố hình học của đường kính từ rừng có nhiều độ tuổi mọc xen (Meyer and Stevenson, 1943). Meyer and Stevenson đã áp dụng mô hình này để mô tả phân bố số cây theo đường kính (N/D) cho rừng hổn loài ở tiểu ban Pennsylvania. Cấu trúc của một khu rừng ảnh hưởng bởi độ lớn và tính chu kỳ thủy triều, các chất dinh dưỡng, và các yếu tố gây stress như bão cấp độ cao, hạn hán, sự tích tụ muối và băng giá (English et al., 1997).
Lugo and Snedaker (1974) đã phát triển 1 khóa phân loại rừng ngập mặn dựa trên các đặc tính của thủy triều và chu kỳ ngập nước. Các tác giả đưa ra giả thiết rằng các yếu tố môi trường này đóng vai trò quan trọng nhất trong cấu trúc rừng ngập mặn. Hệ thống phân loại này được kế thừa bởi Cintron et al. (1980), áp dụng để xác định một số mô hình phổ biến về sự đáp ứng của cấu trúc rừng ngập mặn đối với các điều kiện môi trường khác nhau và nó được xem là công cụ hữu ích để phân loại rừng ngập mặn (Cintron et al., 1980).
Từ năm 1973, các tác giả đã bắt đầu tập trung nghiên cứu vào những nhân tố sinh thái có ý nghĩa nhất dùng để xác định đặc điểm cấu trúc rừng ngập mặn trên khu vực địa lý rộng. Các phương pháp và các thông số cần thiết đã được đơn giản hóa, tối ưu hóa thời gian và không gian áp dụng. Một cuộc khảo sát được tiến hành tại 25 quần xã rừng ngập mặn ở Florida, Puerto Rico và Costa Rica đã được thực hiện để kiểm tra các phương pháp lựa chọn (Pool et al., 1977).
Kết quả này sau đó đã được sử dụng để mô tả rừng ngập mặn Puerto Rico (Martinez et al., 1979) và Costa Rica (Jimenez, 1981). Các cấu trúc dữ liệu đã được cập nhật bởi Cintron et al. (1980) và Cintron and Novelli (1984) thông qua chỉ số giá trị quan trọng IVI.
Chỉ số giá trị quan trọng (IVI): Cho thấy tầm quan trọng về cấu trúc của 1 loài trong vùng có các loài hỗn giao nên được tính toán bằng cách cộng gộp các tỷ lệ phần trăm tương đối của tiết diện ngang, mật độ và tần số, (IVI) được tính cho từng loài, cân xứng so với cùng 1 kích thước đối với toàn bộ cấu trúc rừng.
Chỉ số giá trị quan trọng (IVI): Biểu thị cấu trúc, mối tương quan và trật tự ưu thế giữa các loài trong một quần thể thực vật (Mishra, 1968). Chỉ số này biểu thị tốt hơn, toàn diện hơn cho các tính chất tương đối của hệ sinh thái
28
so với các giá trị đơn tuyệt đối của mật độ, tần suất, độ ưu thế, vv... Thông qua chỉ số IVI xác định được cấu trúc không gian, mối tương quan và trật tự ưu thế giữa các loài trong một quần thể thực vật. Chỉ số IVI của một loài đạt giá trị tối đa là 300 khi trong quần xã chỉ có duy nhất loài cây đó.
Mendoza and Alura (2001) đã nghiên cứu về cấu trúc rừng ngập mặn phía Tây đảo Samar, Philippine. Các tác giả đã sử dụng ô mẫu 10 x 10 m để xác định mật độ cây, chiều cao dưới tán, tiết diện ngang, mật độ cây con và tìm hiểu mối liên hệ đối với đất ở khu vực ven biển. Phương pháp này giúp bảo vệ đường bờ biển, chống xói mòn ven biển, đặc biệt là khu bờ biển tiếp xúc trực tiếp với Thái Bình Dương.
Joschi and Ghose (2003) đã tìm hiểu mối liên hệ giữa cấu trúc rừng và sự phân bố loài theo pH và độ mặn của đất tại khu rừng ngập mặn Sundarbans, Ấn Độ. Nghiên cứu cho thấy độ mặn của đất thay đổi theo khoảng cách ngày càng tăng từ đường ven bờ thủy triều. Các tác giả cho rằng: Tần số ngập triều có ảnh hưởng tới độ mặn của đất. Theo nghiên cứu này, các cây Ô rô, Mấm trắng, Mấm biển chiếm ưu thế ở các khu vực có chế độ ngập triều thường xuyên. Hầu hết các loài có một ngưỡng pH tối ưu, ngoại trừ Mấm biển. Cây Ô rô tương đối mẫn cảm với pH và dải độ mặn do biên độ sinh thái rộng của nó.
Mutsert et al. (2004) đã nghiên cứu về cấu trúc rừng và sự tái sinh cây ngập mặn ở Everglade, Florida. Các tác giả đã sử dụng 2 ô mẫu kích thước 20 x 20 m và 100 - 150 tuyến (transect) từ năm 1995 – 2003 để nghiên cứu về sự đa dạng cấu trúc rừng (chiều cao cây, đường kính ngang ngực và mật độ). Các tác giả phát hiện rằng cấu trúc khu rừng này được chiếm ưu thế bởi Đước và Cóc trắng ở Shark River và Conocarpus erectus và Đước ở Taylor Slough.
Cấu trúc rừng ngập mặn và các đặc tính trầm tích được khảo sát tại các khu rừng ngập mặn Bocas del Toro, nước Cộng hòa Panama. Cấu trúc rừng được khảo sát để xác định đặc điểm phân bố các thảm thực vật ở Bocas del Toro. Bằng cách sử dụng một dãy các ô mẫu và tuyến cố định, Lovelock et al.
(2005) đã phát hiện rằng các khu rừng tại Bocas del Toro được chiếm ưu thế bởi Đước với rất ít cá thể Mấm và Bần. Sự đa dạng loài ở đây thấp, nhưng vẫn có sự phong phú về cấu trúc rừng theo các điều kiện thổ nhưỡng (độ mặn, nồng độ N, P, S) (Lovelock et al., 2005).
Yanuartanti (2007) đã nghiên cứu về cấu trúc, giá trị quan trọng, mức độ đa dạng và mô hình phân tán của rừng ngập mặn tại Muara Gembong, Jakarta.
Phương pháp được sử dụng để mô tả, kỹ thuật lấy mẫu có mục đích và thảm thực vật rừng ngập mặn được nghiên cứu bằng phương pháp ô mẫu. Khu vực lấy mẫu được chia thành 4 vị trí: Mỗi vị trí được chia thành 3 ô vuông kích thước 10 m x 10 m cho cây lớn; 3 ô kích thước 5 m x 5 m cho cây con và 15 ô kích thước 1 m x 1 m cho cây bụi. Dữ liệu thứ cấp được thu thập là điều kiện
29
vật lí và hóa học: nhiệt độ nước, không khí và đất, độ ẩm, độ mặn, pH đất, và kết cấu đất. Dựa trên thành phần rừng ngập mặn, khu vực Muara Gembong được phân chia gồm rừng ngập mặn, rừng ngập lợ, nơi chiếm ưu thế của các họ Mấm và Bần. Trong toàn bộ diện tích khu vực khảo sát, Mấm là loài chiếm ưu thế.
Chỉ số Shannon cho thấy đa dạng của rừng ngập mặn Muara Gembong thấp, với chiều cao vút ngọn của cây từ hạt và cây bụi đạt 2,1. Chỉ số đa dạng thấp là do sự xáo trộn môi trường sống và kết cấu đất đồng nhất được cấu tạo bởi các hạt sét.
Kasawani et al. (2007) đã nghiên cứu về cấu trúc rừng, chỉ số đa dạng và sinh khối tại khu rừng ngập mặn Tok Bali, Kelanta, Mã Lai. Các tác giả đã tìm hiểu về cấu trúc của sự phân bố rừng ngập mặn ở đây cho chương trình quản lí và phục hồi. Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 7 đến tháng 11 năm 2006 để xác định thành phần loài, chỉ số đa dạng và sinh khối bề mặt trong 15,8 ha rừng ngập mặn hỗn giao. Các tác giả đã công bố rằng loài Bần trắng chiếm ưu thế với hơn 73 cá thể trong mỗi tuyến (31 cây lớn, 42 cây con và cây từ hạt). Trong đó, hầu hết cây hiện diện trong các tuyến khảo sát có chiều cao từ 10 - 14 m.
Macintosh et al. (2002) đã nghiên cứu phục hồi rừng ngập mặn và đa dạng sinh học vùng cửa biển ở Ranong, Thái Lan bằng phương pháp thu thập số liệu trên thực địa với ô tiêu chuẩn là 100 m2 và xử lý số liệu bằng phần mềm PRIMER (Clarke and Warwick, 1994) để xác định các chỉ số đa dạng sinh học.
Tác giả cũng đã sử dụng phần trăm tương đồng (Similarity Percent) để mô tả sự đóng góp của các loài trong quần xã, tính ma trận tương đồng (Similarity matrices) trên cơ sở tương đồng của Bray – Curtis, vẽ sơ đồ nhánh (Cluster) và NMDS (Non Metric multi – Dimensional Scaling) để mô tả mối quan hệ giữa các vị trí nghiên cứu. Tác giả đã nghiên cứu đa dạng sinh học theo phương pháp này và đã phân tích, đánh giá, so sánh đa dạng sinh học dựa trên các chỉ số, giúp đánh giá cấu trúc sinh học cây ngập mặn theo yếu tố môi trường và lập địa. Hiện nay các chỉ số này rất phổ biến, được áp dụng và luận án này cũng kế thừa các công cụ tính toán trên đây.
2.3.2 Nghiên cứu về cấu trúc rừng ngập mặn Việt Nam
Về các công trình nghiên cứu cấu trúc rừng ở Việt Nam rất đa dạng và phong phú. Đây là nội dung không thể thiếu để xây dựng cơ sở khoa học cho quản lý rừng bền vững. Công trình nghiên cứu có hệ thống nhất về cấu trúc rừng tự nhiên Việt Nam là của Nguyễn Văn Trương (1983). Các chỉ tiêu để định lượng về tổ hợp các loài phân bố dựa trên chỉ số quan trọng (IVI) tính bằng phần trăm. Các loài có giá trị IVI > 5% là loài có ý nghĩa về mặt sinh thái, nhóm dưới 10 loài cây có tổng IVI > 50% tổng thể tầng cây cao thì chúng được coi là nhóm loài ưu thế (còn gọi là ưu hợp thực vật).
30
Nghiên cứu cấu trúc rừng nói chung và cấu trúc rừng ngập mặn nói riêng đã được các nhà khoa học trong nước quan tâm. Tuy nhiên, những nghiên cứu về đặc điểm cấu trúc và thành phần loài cây rừng ngập mặn ở Việt Nam còn rất ít. Các công trình nghiên cứu, dự án trước đây thực hiện ở vùng rừng ngập mặn tập trung chủ yếu vào các lĩnh vực phục vụ xây dựng chiến lược quản lý, bảo vệ hệ sinh thái rừng. Một số công trình nghiên cứu của Phan Nguyên Hồng (1999) về rừng ngập mặn Việt Nam đã cho một cách khái quát về phân vùng và các dòng di cư của cây ngập mặn.
Nguyễn Hoàng Trí (1999) đã nghiên cứu tổng quát về rừng ngập mặn.
Trong đó, tác giả cho rằng các hệ sinh thái rừng ngập mặn mang đặc điểm đa dạng sinh học về mặt thành phần thực vật, cấu trúc rừng và tỷ lệ tăng trưởng.
Đặc biệt, tác giả đã đề cập đến các nhân tố sinh thái chi phối đến sự hình thành và phát triển của rừng ngập mặn, đồng thời phân tích các tính chất thích nghi, đa dạng của rừng ngập mặn. Các vấn đề bảo tồn, quản lý hệ sinh thái này và sử dụng nó một cách bền vững.
Trương Thị Nga và Hà Chí Tâm (2009) đã đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến thực vật ngập mặn tại rừng ngập mặn tự nhiên tại Cà Mau cho thấy các loài cây ưu thế thích nghi bởi một nhóm yếu tố môi trường. Rừng ngập mặn tại cửa sông Cù Lao Dung có đa dạng sinh học cao và ưu thế là rừng ngập nước lợ với loài Bần chua (Nguyễn Hà Quốc Tín, 2007). Nghiên cứu về thành phần hóa học đất rừng ngập mặn tại Cà Mau cho thấy đất ngập mặn giàu dinh dưỡng và nhiều tiềm năng cho sự phân bố mang tính đa dạng sinh học (Trương Thị Nga và Huỳnh Quốc Tịnh 2008). Đặng Trung Tấn (2007) đã nghiên cứu các yếu tố môi trường tác động lên sự phân bố loài, đồng thời phân tích sự cạnh tranh loài dưới tác động của ánh sáng, tập trung chủ yếu vào sự cạnh tranh giữa 2 loài tiên phong trên vùng đất mới là Mấm trắng và Đước đôi tại cồn ngoài sông Ông Trang (Đặng Trung Tấn, 2007).
Trương Thị Nga và Võ Thị Trúc Hà (2013) nghiên cứu về vai trò và chức năng của rừng ngập mặn đến các yếu tố môi trường tại Cù Lao Dung đã cho thấy mật độ và sự đa dạng loài cây ngập mặn bao gồm các dạng sống tại rừng ngập mặn có ảnh hưởng nhiều và rõ rệt đến các yếu tố môi trường.
Trần Triết và ctv. (2007) đã nghiên cứu các kiểu thảm thực vật rừng trong Khu Dự trữ sinh quyển Cần Giờ, Tp. Hồ Chí Minh. Các tác giả đã phân tích, so sánh sự khác biệt và tương đồng giữa các kiểu rừng cũng như giữa hai trạng thái rừng tự nhiên và trồng lại. Các kết quả này có thể ứng dụng trong các nghiên cứu khác về cấu trúc thảm thực vật.
Viên Ngọc Nam (2003) đã nghiên cứu về cấu trúc cây ngập mặn và tác giả đã mô phỏng quy luật phân bố số cây theo đường kính của loài Mấm trắng tại Cần giờ.
31
Viên Ngọc Nam (2012 ) đã nghiên cứu đa dạng sinh học về thực vật trong phân khu bảo vệ nghiêm ngặt của khu bảo tồn thiên nhiên rừng ngập mặn Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh theo phương pháp khảo sát thực địa. Tác giả cũng đã tiếp cận phần mềm PRIMER 5 để phân tích các chỉ số đa dạng sinh học.
Hứa Mỹ Ngọc (2011) đã nghiên cứu cấu trúc cây thân gỗ rừng ngập mặn tại Cồn Trong cửa sông Ông Trang. Tác giả đã bố trí 5 tuyến điều tra đại diện cho 5 khu vực phân bố của các loài cây ngập mặn tại Cồn Trong. Tác giả đã nghiên cứu cấu trúc sinh thái và cấu trúc theo không gian.
Về cấu trúc sinh thái: tác giả đã xác định tổ thành loài thực vật tại cồn Ông Trang có 4 loài chính, gồm Đước đôi, Mấm trắng, Vẹt tách và Bần trắng. Mối quan hệ giữa các quần xả trong khu vực nghiên cứu ở mức tương đồng 80% có 3 quần xã cần được bảo tồn.
Về cấu trúc ngang (phân bố số cây theo đường kính). Quy luật phân bố số cây theo cấp đường kính ngang ngực khác nhau ở từng tuyến. Ở hầu hết các tuyến đường biểu diễn quy luật phân bố theo cấp kính có đỉnh lệch trái, đường biểu diễn có xu hướng giảm về số lượng theo cấp tăng lên của đường kính ngang ngực. Về cấu trúc đứng (phân bố số cây theo chiều cao). Mỗi tuyến nghiên cứu có sự phân bố số cây theo cấp chiều cao theo một quy luật khác nhau. Nhưng nghiên cứu tổng thể cả khu vực về quy luật phân bố số cây theo cấp chiều cao, tác giả ghi nhận đường biểu diễn cấp phân bố chiều cao có đỉnh lệch phải.
Đặng Trung Tấn (2002) khi nghiên cứu rừng Dà (Ceriops tagal) thuần loài không đồng tuổi đã kết luận tầng tán phân chia thành nhiều tầng, thông thường gồm ba tầng chính: (i) tầng trên là cây có đường kính lớn (cây lớn tuổi) chiếm 30% ,(ii) tầng giữa là tầng ưu thế chiếm 50% là những cây có đường kính bình quân, (iii) tầng dưới là cây tái sinh cao từ 0,5 –1,5 m, với mật độ 10.000 cây/ha.
Đối với rừng Dà đồng tuổi thì ít có sự biến động về chiều cao và đường kính. Do vậy, tầng tán của rừng thường chỉ có 1 tầng chính chiếm 60-70%, các tầng vượt tán và tầng cây bị chèn ép chiếm 30%.