Khu rừng

Rừng là hệ sinh thái chủ yếu với cây cối là thành phần chính. Nói một cách khác, rừng là sự tập hợp của rất nhiều cây. Hệ sinh thái này cần có diện tích đủ lớn để phát triển. Mối quan hệ giữa hệ sinh thái và môi trường xung quanh phải chặt chẽ để tạo nên sự khác biệt giữa rừng và các môi trường khác.

Xem bài Rừng (lý thuyết đồ thị) để hiểu về cấu trúc đồ thị

Khái niệm

Từ thời kỳ đầu, con người đã hình thành những khái niệm cơ bản về rừng. Rừng là nguồn cung cấp các tài nguyên cần thiết cho cuộc sống. Qua các giai đoạn lịch sử, những hiểu biết về rừng dần được tích lũy và hoàn thiện thành các học thuyết. Năm 1817, H.Cotta (người Đức) đã cho ra mắt tác phẩm Những chỉ dẫn về lâm học, tổng hợp các khái niệm về rừng, góp phần xây dựng học thuyết về rừng có tầm ảnh hưởng lớn tại Đức và châu Âu trong thế kỷ 19. Đến năm 1912, G.F. Morodop công bố tác phẩm Học thuyết về rừng, nhấn mạnh sự phát triển của học thuyết này gắn liền với những tiến bộ trong lĩnh vực sinh thái học.

Năm 1930, Morozov đã đưa ra khái niệm: Rừng là một tập hợp cây gỗ có sự liên kết chặt chẽ, chiếm một không gian nhất định trên mặt đất và trong khí quyển. Rừng hiện diện trên diện tích lớn của Trái Đất và là một phần của cảnh quan địa lý. Năm 1952, M.E. Tcachenco khẳng định: Rừng là một thành phần của cảnh quan địa lý, bao gồm hệ sinh thái cây gỗ, cây bụi, cây cỏ, động vật và vi sinh vật, có mối quan hệ sinh học chặt chẽ với nhau cũng như với môi trường xung quanh. Năm 1974, I.S. Mê-lê-khôp nhận định: Rừng là một cấu trúc tự nhiên phức tạp, là phần thiết yếu của sinh quyển địa cầu.

Chức năng

• Nếu tổng lượng sinh khối từ thực vật trên Trái Đất đạt 53 tỷ tấn (tương đương 64% ở trạng thái khô), thì rừng đóng góp 37 tỷ tấn (70%). Các cây rừng cũng thải ra khoảng 52,5 tỷ tấn (hay 44%) oxy để phục vụ cho sự hô hấp của con người, động vật và côn trùng trong khoảng thời gian 2 năm (S.V. Belov 1976).
• Rừng là lớp thực vật chủ yếu gồm các cây thân gỗ trên bề mặt Trái Đất, giữ vai trò quan trọng cho con người như cung cấp gỗ, củi, điều hòa khí hậu, sản xuất oxy, điều tiết nước, nơi sinh sống của động thực vật và bảo tồn các nguồn gen quý hiếm.
• Mỗi hecta rừng sản sinh khoảng 300 – 500 kg sinh khối mỗi năm, cung cấp 16 tấn oxy (rừng thông có thể đạt 30 tấn, rừng trồng từ 3 - 10 tấn).
• Mỗi người cần khoảng 4.000 kg O₂ hàng năm, tương ứng với lượng oxy do 1.000 - 3.000 m² cây xanh tạo ra trong cùng thời gian.
• Nhiệt độ không khí trong rừng thường thấp hơn nhiệt độ ở vùng đất trống khoảng 3 - 5 °C.
• Rừng giúp bảo vệ và ngăn chặn gió bão, cát.
• Mức độ xói mòn đất ở vùng rừng chỉ bằng 10% so với vùng không có rừng.
• Rừng là nguồn gen vô tận cho nhân loại và là nơi sinh sống của nhiều loài động thực vật quý hiếm.
• Vì vậy, tỷ lệ đất có rừng là một chỉ số quan trọng về an ninh môi trường (diện tích đất có rừng tối ưu đảm bảo an toàn môi trường là ≥ 45% tổng diện tích).

Các đặc điểm

• Rừng là một tổng thể phức tạp với mối liên hệ qua lại giữa các cá thể trong quần thể, giữa các quần thể trong quần xã, và sự liên kết với môi trường xung quanh.
• Rừng luôn duy trì trạng thái cân bằng động, có tính ổn định, tự điều chỉnh và tự phục hồi để đối phó với những thay đổi từ môi trường và biến động về số lượng sinh vật, khả năng này phát triển nhờ quá trình tiến hóa lâu dài và sự chọn lọc tự nhiên giữa các thành phần trong rừng.
• Rừng có khả năng tự phục hồi và trao đổi chất cao.
• Rừng duy trì sự cân bằng đặc biệt trong việc trao đổi năng lượng và vật chất, với quá trình tuần hoàn sinh vật liên tục, đồng thời thải ra và bổ sung các chất từ các hệ sinh thái khác.
• Sự vận động của các quá trình trong rừng nằm trong mối tương tác phức tạp dẫn đến sự ổn định bền vững của hệ sinh thái rừng.
• Rừng phân bố rộng rãi trên toàn cầu.

Thành phần cấu trúc rừng

Cấu trúc rừng là quy luật tổ chức các thành phần tạo nên quần thể thực vật trong rừng, được sắp xếp theo không gian và thời gian.

Cấu trúc tổ hợp

Tổ hợp là yếu tố phản ánh số lượng loài tham gia và số cá thể của từng loài trong thành phần cây gỗ của rừng. Nói một cách khác, tổ hợp cho thấy sự kết hợp và mức độ hiện diện của các loài cây khác nhau trong cùng một thể tích.

Nếu trong một khu rừng, một loài cây chiếm hơn 95% thì rừng đó được gọi là rừng thuần loài, trong khi nếu có từ 2 loài cây trở lên với tỷ lệ gần bằng nhau thì được xem là rừng hỗn loài.

Tổ thành của các khu rừng nhiệt đới thường đa dạng hơn so với tổ thành của rừng ôn đới.

Cấu trúc tầng cây

Sự phân bố không gian của tầng cây gỗ theo chiều dọc phụ thuộc vào đặc điểm sinh thái và nhu cầu ánh sáng của các loài trong tổ thành. Cấu trúc tầng của các hệ sinh thái rừng nhiệt đới có nhiều tầng hơn so với các hệ sinh thái rừng ôn đới.

Một số cách phân loại tầng tán:

• Tầng vượt tán: Các loài cây cao vượt lên, không có tính liên tục.
• Tầng tán chính (tầng chiếm ưu thế sinh thái): Tạo thành tầng rừng chủ yếu, có tính liên tục.
• Tầng dưới tán: Bao gồm cây tái sinh và các cây ưa bóng.
• Tầng thảm tươi: Chủ yếu là các loài thảm tươi sống.
• Thực vật ngoại tầng: Chủ yếu là các loài cây leo.

Cấu trúc tuổi tác

Cấu trúc về mặt thời gian, phản ánh độ tuổi của các loài cây trong hệ sinh thái rừng, sự phân bố này có liên quan chặt chẽ với cấu trúc không gian.

Trong nghiên cứu và quản lý rừng, người ta thường phân chia tuổi lâm phần thành các cấp tuổi. Mỗi cấp tuổi thường kéo dài 5 năm, đôi khi là 10, 15, hoặc 20 năm tùy theo đối tượng và mục đích.

Cấu trúc mật độ

Cấu trúc mật độ thể hiện số lượng cây trên mỗi đơn vị diện tích, phản ánh mức độ tương tác giữa các cá thể trong lâm phần. Mật độ cây ảnh hưởng đến tiểu hoàn cảnh của rừng và năng suất của nó. Theo thời gian, độ tuổi của rừng sẽ dẫn đến sự thay đổi mật độ. Đây là cơ sở để áp dụng các biện pháp kỹ thuật lâm sinh trong quản lý rừng.

Một số chỉ tiêu cấu trúc khác

• Độ che phủ: Là tỷ lệ diện tích rừng so với một đơn vị diện tích hoặc lãnh thổ. Chẳng hạn, độ che phủ của rừng ở Việt Nam năm 2005 đạt 35,5%.
• Độ tàn che: Là mức độ che phủ của tán cây rừng, thường được phân loại theo các mức từ: 0,1; 0,2;...0.9;1.
• Mức độ khép tán: Thể hiện sự giao tán giữa các cá thể, cũng là tiêu chí để xác định giai đoạn phát triển của rừng.
• Phân bố mật độ theo đường kính: Sử dụng biểu đồ và hàm toán học để phân tích mật độ cây theo chỉ tiêu đường kính.
• Phân bố mật độ theo chiều cao: Tương tự như phân bố theo đường kính nhưng căn cứ vào chiều cao của cây.

Phát triển của rừng

Tương tự như các cá thể sinh vật khác, rừng cũng trải qua sự biến đổi theo thời gian. Nesterop (1949) đã phân chia quá trình phát triển của rừng thành các giai đoạn, chủ yếu áp dụng cho rừng trồng và rừng ôn đới.

• Rừng non: Các cây gỗ hỗ trợ lẫn nhau, trong khi đó có sự cạnh tranh giữa cây gỗ và cây bụi trong thảm thực vật.
• Rừng sào: Rừng bắt đầu khép tán, mối quan hệ cạnh tranh về ánh sáng và chiều cao giữa các cây gỗ trở nên gay gắt. Giai đoạn này, cây gỗ phát triển nhanh về chiều cao.
• Rừng trung niên: Rừng đã khép tán hoàn toàn, tốc độ phát triển chiều cao giảm, nhưng đường kính vẫn gia tăng. Rừng đã đạt đến độ thành thục về khả năng tái sinh.
• Rừng gần già: Giai đoạn này có sự phân chia không rõ ràng với hai giai đoạn trước và sau. Cây rừng vẫn tiếp tục ra hoa và tăng trưởng đường kính.
• Rừng già: Trữ lượng cây gỗ đạt tối đa, một số cây gỗ đã già và chết. Tán cây trở nên thưa thớt, cây vẫn ra hoa nhưng chất lượng giảm sút.
• Rừng quá già: Các cây tầng cao ngừng phát triển, ít ra hoa và trái, sức đề kháng với bệnh tật kém, xuất hiện hiện tượng rỗng ruột và dễ gãy đổ.

Diễn thế rừng

Hệ sinh thái rừng với những đặc điểm riêng biệt luôn biến động và thay đổi liên tục. Quá trình này được gọi là động thái rừng. Diễn thế rừng là một trạng thái trong quá trình vận động của hệ sinh thái rừng. Diễn thế rừng diễn ra khi thế hệ rừng này thay thế bằng thế hệ khác, trong đó tổ thành loài cây, đặc biệt là loài cây ưu thế sinh thái, có sự thay đổi đáng kể. Nói cách khác, diễn thế rừng là sự chuyển đổi giữa các hệ sinh thái rừng. Hiểu một cách đơn giản, diễn thế rừng không chỉ là sự thay thế thế hệ cây mà còn là sự thay thế các loài cây trong rừng.

Ví dụ:

• Cỏ → Cây bụi → Cây cao ưa sáng → Cây cao chịu bóng.
• Rừng → Rừng gỗ + Tre nứa → Cây bụi → Cỏ.

Theo Sucasov (1954, 1964), nguyên nhân của diễn thế rừng có thể là do mối quan hệ cạnh tranh giữa các loài; loài nào có khả năng cạnh tranh tốt sẽ chiếm ưu thế. Chẳng hạn, diễn thế rừng ngập mặn có thể diễn ra theo thứ tự: Mắm → Giá, Vẹt. Hoặc có thể do sự cạnh tranh giữa các loài dẫn đến sự thay đổi trong môi trường sống, từ đó có loài mới xuất hiện. Bên cạnh đó, còn nhiều yếu tố bên ngoài tác động như biến đổi đất đai, dịch bệnh (ví dụ: dịch châu chấu) và tác động mạnh mẽ của con người.

Diễn thế được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau: Theo chiều hướng diễn thế, có hai loại: Diễn thế tiến hóa và diễn thế thoái hóa. Theo nguồn gốc, chia thành hai loại: Diễn thế nguyên sinh và diễn thế thứ sinh.

Diễn thế nguyên sinh

Là quá trình hình thành rừng tại những khu vực hoàn toàn chưa có sự hiện diện của rừng, trải qua nhiều giai đoạn biến đổi của các quần xã thực vật khác nhau, cuối cùng hình thành nên quần xã thực vật rừng khá ổn định.

Diễn thế nguyên sinh bao gồm 4 giai đoạn:

• Di cư: Quá trình di chuyển của các mầm mống thực vật đến vùng đất mới.
• Định cư: Các mầm mống thực vật thích nghi và phát triển thế hệ đầu tiên.
• Quần tập: Sự xuất hiện của quá trình tái sinh tự nhiên.
• Xâm nhập: Nhóm thực vật khác gia nhập vào nhóm thực vật đã thích nghi và ảnh hưởng đến môi trường sống.

Ví dụ: Diễn thế rừng ngập mặn. Cây Mắm và Sú là những loài tiên phong xâm nhập vào vùng đất ngập nước mới lắng đọng cát ở ven bờ, thích nghi và phát triển, cố định cát bùn, dần thay đổi môi trường sống. Đến một giai đoạn nào đó, sẽ xuất hiện sự xâm nhập của Vẹt, Rà, những loài này sẽ chiếm ưu thế và lấn át các loài cũ để hình thành quần xã ưu thế, làm thay đổi môi trường sống, tích lũy nhiều mùn hơn và trở nên cạn hơn. Sau giai đoạn này, sẽ xuất hiện các loài sống bán ngập (Đước), tiến dần đến việc xuất hiện các loài thực vật sống cạn (Tràm).

Diễn thế thứ sinh

Diễn thế thứ sinh xảy ra trên nền tảng của diễn thế nguyên sinh, bắt đầu khi hệ sinh thái rừng bị ảnh hưởng từ bên ngoài (như khai thác, chặt phá, canh tác...), tiếp theo là quá trình phục hồi rừng và hình thành các rừng thứ sinh. Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn thế thứ sinh bao gồm: hình thức và mức độ tác động vào rừng, điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng. Ví dụ: Đất nương rẫy hoang hóa → Cây bụi → Các loài ưa sáng → Rừng thứ sinh.

Các loại rừng

• Rừng nguyên sinh
• Rừng thứ sinh
• Rừng thường xanh
• Rừng rậm
• Rừng thưa
• Rừng khộp
• Rừng rụng lá ôn đới
• Rừng núi cao
• Rừng ôn đới
• Rừng mưa
• Rừng mưa nhiệt đới
• Rừng mưa ôn đới
• Rừng mưa Amazon
• Rừng ngập nước
• Rừng sương mù
• Rừng ngập mặn
• Rừng lá rộng và hỗn hợp ôn đới
• Rừng lá kim ôn đới
• Rừng lá kim nhiệt đới và cận nhiệt đới
• Rừng lá kim hỗn hợp
• Rừng lá rộng khô cận nhiệt đới và nhiệt đới
• Rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới Việt Nam
• Rừng đặc dụng