Tổng quan luận án

Công trình thuộc thể loại Luận án Tiến sĩ Khoa học Môi trường, chuyên ngành Môi trường và Phát triển bền vững (mã số: 9440301.04), được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phan Bá Học tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2020, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Xuân Hải. Luận án kế thừa và sử dụng nguồn cơ sở dữ liệu từ đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số KHCN-TB/13-18 mang tên “Đánh giá tài nguyên đất nông nghiệp, đề xuất mô hình sử dụng đất với cơ cấu cây trồng có hiệu quả kinh tế và bền vững về môi trường vùng lưu vực sông Đà thuộc 3 tỉnh Lai Châu, Sơn La, Điện Biên”.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sơn La là tỉnh miền núi phía Tây Bắc có trên 80% diện tích tự nhiên là đất đồi núi, địa hình chia cắt phức tạp với độ dốc lớn. Quỹ đất phục vụ sản xuất nông nghiệp của tỉnh tương đối hạn chế, trong khi đang phải chịu áp lực nặng nề từ các tai biến thiên nhiên và biến đổi khí hậu như mưa lũ cực đoan, trượt lở đất, lũ quét, hạn hán và rửa trôi xói mòn. Bên cạnh yếu tố tự nhiên, các hoạt động canh tác nhân sinh không hợp lý như phá rừng làm nương rẫy, độc canh cây ngắn ngày (ngô, lúa nương, sắn) trên đất dốc không có biện pháp che phủ, lạm dụng phân bón vô cơ, đốt nương sau thu hoạch và chăn thả gia súc tự do đã làm đẩy nhanh tốc độ thoái hóa đất. Đất đai tại nhiều vùng bị chua hóa mạnh, mất mùn, suy kiệt dung tích hấp thu cation (CEC), kết von đá ong hóa và suy giảm nghiêm trọng độ phì nhiêu.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: Mặc dù đã có một số công trình nghiên cứu riêng lẻ về xói mòn hoặc nông hóa thổ nhưỡng vùng Tây Bắc, địa bàn tỉnh Sơn La vẫn thiếu các nghiên cứu định lượng tích hợp mang tính hệ thống. Cụ thể là việc đánh giá đồng bộ các loại hình thoái hóa đất (xói mòn do nước, suy giảm độ phì, kết von - đá ong hóa) gắn với xây dựng bản đồ chuyên đề bằng công nghệ GIS/viễn thám và mô hình xói mòn thực nghiệm; đồng thời thiếu các mô hình chuyển đổi cơ cấu cây trồng canh tác đất dốc được kiểm chứng đồng thời trên cả ba tiêu chí: hiệu quả kinh tế, an sinh xã hội và bảo vệ môi trường. Do đó, việc nghiên cứu đánh giá toàn diện tài nguyên đất và đề xuất các mô hình canh tác bền vững cho các cây trồng chủ lực là yêu cầu khoa học và thực tiễn cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Đánh giá được tài nguyên đất nông nghiệp của tỉnh Sơn La.
  2. Đánh giá được các nguyên nhân, quá trình và xu hướng thoái hóa, tổn thương tài nguyên đất nông nghiệp do yếu tố tự nhiên và con người.
  3. Đánh giá hiệu quả sử dụng đất và đề xuất cơ cấu cây trồng có hiệu quả kinh tế cao và sinh kế bền vững.
  4. Xây dựng được 02 mô hình sử dụng đất nông nghiệp phù hợp với điều kiện tự nhiên, trình độ canh tác của người dân và doanh nghiệp vùng nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tài nguyên đất sản xuất nông nghiệp, các quá trình thoái hóa đất (vật lý, hóa học, xói mòn), các loại hình sử dụng đất nông nghiệp (LUTs) và các mô hình canh tác cây trồng chủ lực (ngô, cà phê, cây ăn quả).
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ diện tích đất sản xuất nông nghiệp và quỹ đất có khả năng khai thác cho mục đích nông nghiệp trên địa bàn tỉnh Sơn La (tọa độ địa lý từ 20°39' đến 22°02' vĩ độ Bắc và từ 103°11' đến 105°02' kinh độ Đông).
  • Phạm vi thời gian: Các hoạt động điều tra, thu thập số liệu thứ cấp, khảo sát thực địa, lấy mẫu phân tích và thí nghiệm đồng ruộng được triển khai trong giai đoạn từ năm 2016 đến năm 2019.
  • Phạm vi khoa học: Tập trung nghiên cứu tính chất lý - hóa học của đất nông nghiệp chịu tác động của quá trình thoái hóa; tích hợp GIS, ảnh viễn thám và phương trình mất đất RUSLE để thành lập bản đồ thoái hóa; đánh giá hiệu quả sử dụng đất theo tiêu chí bền vững và thử nghiệm mô hình canh tác nông lâm kết hợp, xen canh chống xói mòn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Tác giả đã điểm lại hệ thống lý thuyết và phương pháp đánh giá môi trường đất, thoái hóa đất và canh tác bền vững trên thế giới:

  • Đánh giá thoái hóa đất toàn cầu và khu vực: Hệ thống GLASOD (Đánh giá toàn cầu về thoái hóa đất do con người) và ASSOD (Đánh giá thoái hóa đất vùng Nam và Đông Nam Á) do FAO, UNEP, UNESCO và ISRIC phối hợp xây dựng (1979, 1983). Theo Van Lynden và L. Oldeman (1997), khu vực Nam và Đông Nam Á có 1.967 triệu ha đất bị thoái hóa, trong đó xói mòn do nước chiếm 451 triệu ha (22,97%), thoái hóa hóa học chiếm 236,7 triệu ha (12,06%). Toàn cầu có khoảng 2 tỷ ha đất bị suy thoái, đe dọa làm giảm 10 - 20% sản lượng lương thực trong 25 năm (Viện Nghiên cứu Quản lý Đất đai, 2012).
  • Cơ chế suy thoái và ô nhiễm môi trường đất: Lal et al. và Lal & R. chứng minh xói mòn làm mất 2 - 40% sản lượng lương thực tại châu Phi; Crosson (1997) chỉ ra thoái hóa đất làm giảm >5% sản lượng nông nghiệp toàn cầu hàng năm. Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng (Hg, Cd, Pb, Ni, As, Cr, Zn) và các ngưỡng giới hạn tối đa cho phép (MAC) đối với cây trồng nông nghiệp tại các nước phát triển như Áo, Canada, Ba Lan, Nhật, Anh, Đức được tổng hợp từ số liệu của Lê Văn Khoa và nnk (2002).
  • Biện pháp cải tạo và mô hình canh tác đất dốc bền vững: Nghiên cứu của Achim Dobermann & Thomas Fairhurst (2000), Fairhurst & Mutert (2001), Whitbread et al. (2000) và Sánchez-de León et al. (2006) về việc bổ sung tàn dư hữu cơ, bón phân xanh và vỏ quả cà phê ủ hoai (20 tấn/ha) giúp giảm độ độc nhôm trao đổi, tăng sinh khối vi sinh vật và giun đất. Mạng lưới IBSRAM (Quản lý đất dốc châu Á tại 7 quốc gia gồm Indonesia, Malaysia, Nepal, Philippines, Thái Lan, Trung Quốc, Việt Nam) đã phát triển các kỹ thuật rãnh đồng mức, băng chắn sinh học cây họ Đậu. Trung tâm Đời sống Nông thôn Mindanao (Philippines) đưa ra 4 mô hình nông lâm kết hợp nổi tiếng: SALT 1 (canh tác đất dốc cơ cấu 75% cây nông nghiệp - 25% cây lâm nghiệp), SALT 2 (nông gia súc kết hợp), SALT 3 (kết hợp rừng đầu nguồn và dải nông nghiệp chân đồi), và SALT 4 (sản xuất nông nghiệp với cây ăn trái quy mô nhỏ). Nghiên cứu của Zhon Fu Jian & Lin Kai Wang (1996) tại Đông Nam Trung Quốc và các khuyến nghị của FAO (1995) tại Bogor về quản lý đất dốc có sự tham gia của người dân.

Các hướng nghiên cứu trong nước

Luận án tổng kết các công trình nghiên cứu nổi bật tại Việt Nam:

  • Thoái hóa đất và ô nhiễm môi trường: Nguyễn Tử Siêm & Thái Phiên (1992, 1999) cảnh báo xu thế thoái hóa phổ biến ở miền núi và đề xuất tạo lập hệ sinh thái nông lâm bền vững; Trần Kông Tấu & Trần Công Khánh (1998) nghiên cứu các dạng liên kết của 7 nguyên tố kim loại nặng độc hại; Lê Đức (1998, 2004, 2009) phân tích quy luật phân bố vi lượng và kim loại nặng theo chiều sâu phẫu diện; Trần Khải & Lê Thái Bạt (1999) đề xuất chính sách chống thoái hóa đất; Lê Xuân Đính (2000) chỉ ra nguy cơ đất bị chua hóa, độc sắt nhôm và cố định lân; Phạm Quang Hà (2002) nghiên cứu hàm lượng Cd; Nguyễn Xuân Thành và nnk (2007, 2009) đánh giá ô nhiễm đất vùng rau Hà Nội và thoái hóa đất dọc đường Hồ Chí Minh; Nguyễn Thế Đặng (2010) nghiên cứu dùng cỏ Vetiver, Dương xỉ hấp thu Pb, As ở Thái Nguyên.
  • Tai biến thiên nhiên và xói mòn đất dốc vùng Tây Bắc: Đề án của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012) thống kê Sơn La có 1.694 điểm trượt lở đất đá (11 điểm khối lượng rất lớn, 266 điểm khối lượng lớn). Chương trình KC 08-04 của Trường ĐH Khoa học Tự nhiên (2003, Lê Đức và cs 2004) xác định vùng lưu vực sông Đà có 84,5% diện tích đất dốc >25°, tầng đất mỏng <50 cm chiếm 24,7%, lượng đất mất do trồng lúa nương từ 100 - 150 tấn/ha/năm. Lưu Ngọc Quyến và cs (2015) ghi nhận lượng xói mòn đất do trồng ngô tại Mai Sơn (Sơn La) năm 2010 là 41,6 tấn/ha, tại Văn Chấn (Yên Bái) năm 2008 lên tới 106,0 tấn/ha. Hà Đình Tuấn và cs (2001) chỉ ra các hạn chế cố hữu: pH thấp, nghèo lân, độc nhôm cao (14 - 20% Al2O3). Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (2015) và Đỗ Văn Ngọc & Trần Đình Thao (2014) chỉ rõ tập quán đốt thân ngô sau thu hoạch làm phá hủy thảm phủ hữu cơ. Nguyễn Xuân Cự & Ngô Văn Giới (2007) nhấn mạnh sự suy kiệt dinh dưỡng trên đất dốc Sơn La.
  • Mô hình canh tác và sử dụng đất bền vững: Các nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hải (1999 - 2018) về thoái hóa đất và giải pháp công trình, sinh học, nông lâm kết hợp vùng gò đồi Đông Bắc và Tây Bắc; dự án của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp (2000, 2005, 2006) về bản đồ đất 1/100.000 và quy hoạch 38 vạn ha nương rẫy; mô hình SALT của Bộ môn Thổ nhưỡng (ĐHKHTN) xây dựng 25 mô hình tại 5 tỉnh phía Bắc giai đoạn 2000 trong khuôn khổ chương trình PAM; các dự án phát triển nông thôn của CARE, ACTIONAID, EU tại Mai Sơn, Phù Yên, Sông Mã. Các quan điểm về nông nghiệp bền vững của Lê Văn Khoa (1993) và Vũ Hữu Yêm (1995).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết lỗ hổng về mặt dữ liệu định lượng và phương pháp luận tích hợp: ứng dụng mô hình mất đất RUSLE kết hợp GIS và ảnh viễn thám để mô hình hóa không gian xói mòn đất; sử dụng phương pháp phân tích thứ bậc AHP để xác lập ma trận trọng số đánh giá đa tiêu chí cho suy giảm độ phì; đồng thời xây dựng các công thức thí nghiệm đồng ruộng có ô đo hứng xói mòn thực tế để định lượng chính xác hiệu quả giữ đất, giữ nước và giá trị kinh tế của việc trồng xen cây họ đậu trong ngô và mô hình nông lâm kết hợp đa tầng trong vườn cà phê tại địa bàn Sơn La.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khung lý thuyết sử dụng đất bền vững: Dựa trên tiêu chí của FAO (1976) và 5 nguyên tắc trụ cột của Smith & Jalian (1993), bao gồm: (1) Duy trì hoặc nâng cao sản lượng; (2) Giảm thiểu rủi ro sản xuất; (3) Bảo vệ tiềm năng tài nguyên thiên nhiên; (4) Ngăn chặn suy thoái chất lượng đất và nước; (5) Đảm bảo tính khả thi kinh tế và được xã hội chấp nhận.
  • Khung phân loại thoái hóa đất: Áp dụng khung phân loại GLASOD/ASSOD (FAO-UNEP) chia thoái hóa làm 3 nhóm chính: Thoái hóa do nước/xói mòn (W), Thoái hóa hóa học (C - chua hóa, mất dinh dưỡng, suy giảm hữu cơ), và Thoái hóa vật lý (P - nén chặt, kết von, đá ong hóa).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng tổ hợp phương pháp nghiên cứu liên ngành định tính và định lượng:

  1. Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu: Thu thập chuỗi số liệu khí tượng - thủy văn nhiều năm, số liệu thống kê kinh tế - xã hội, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, mô hình số độ cao (DEM) và ảnh vệ tinh viễn thám.
  2. Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu đất: Khảo sát mô tả phẫu diện đất ngoài thực địa theo tầng phát sinh; lấy mẫu đất đại diện tại các vùng sinh thái để phân tích trong phòng thí nghiệm.
  3. Phương pháp phân tích đất trong phòng thí nghiệm:
    • Lý tính: Thành phần cơ giới (phương pháp ống hút Robinson), dung trọng, tỷ trọng, độ xốp, độ ẩm, tốc độ thấm nước và độ bền đoàn lạp.
    • Hóa tính: pH (H2O, KCl đo điện cực), chất hữu cơ tổng số OM (phương pháp Walkley-Black), đạm tổng số N% (Kjeldahl), lân tổng số P2O5 và lân dễ tiêu (phương pháp Bray/Oniani), kali tổng số K2O và kali dễ tiêu (đo quang kế ngọn lửa), dung tích hấp thu cation CEC (phương pháp Amoni Axetat pH=7), và hàm lượng kim loại nặng (chiết và đo phổ hấp thụ nguyên tử AAS).
  4. Phương pháp đánh giá xói mòn đất bằng mô hình RUSLE: Xác định lượng đất mất hàng năm $A$ (tấn/ha/năm) thông qua phương trình: $$A = R \times K \times LS \times C \times P$$ Trong đó: $R$ là chỉ số xói mòn do mưa; $K$ là hệ số mẫn cảm xói mòn của đất; $LS$ là hệ số địa hình (chiều dài và độ dốc tính từ DEM); $C$ là hệ số quản lý thảm phủ thực vật (tính từ ảnh viễn thám); $P$ là hệ số biện pháp canh tác bảo vệ đất.
  5. Phương pháp chuyên gia và phân tích thứ bậc (AHP): Sử dụng ma trận so sánh cặp đôi để tính toán trọng số cho các chỉ tiêu suy giảm độ phì ($S_i$) bao gồm: chua hóa, suy giảm mùn, suy giảm CEC, suy giảm đạm, lân, kali tổng số; và ma trận trọng số đánh giá tổng hợp thoái hóa đất.
  6. Phương pháp thực nghiệm đồng ruộng: Thiết lập các ô tiêu chuẩn hứng xói mòn có khay thu gom vật liệu xói mòn và nước chảy tràn ngoài thực địa để theo dõi lượng đất mất qua từng trận mưa; bố trí thí nghiệm các công thức xen canh cây họ Đậu trong nương ngô và các công thức tầng tán nông lâm kết hợp trong vườn cà phê.
  7. Phương pháp GIS và xây dựng bản đồ: Sử dụng phần mềm ArcGIS chồng xếp các lớp dữ liệu không gian, nội suy không gian và phân cấp mức độ thoái hóa để thành lập hệ thống bản đồ chuyên đề.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 tổng thuật các đặc điểm nền tảng về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Sơn La và hệ thống các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đề tài:

  • Vị trí và địa hình: Tỉnh Sơn La có diện tích đồi núi chiếm >80% diện tích tự nhiên, độ cao trung bình 500 - 600 m đến 1.000 m (đỉnh Pu Luông cao nhất 2.853 m). Bốn hệ thống núi chính kết hợp 2 cao nguyên Sơn La - Nà Sản (1,5 vạn ha) và Mộc Châu (2 vạn ha) tạo nên địa mạo hiểm trở, sườn dốc phổ biến 25 - 45°.
  • Khí hậu - Thủy văn: Nhiệt độ trung bình năm 21,5°C, tổng tích ôn 7.500 - 8.000°C. Lượng mưa trung bình năm 1.200 - 1.600 mm, tập trung 84 - 92% vào mùa mưa (tháng 4 đến tháng 9), cường độ mưa ngày cực đại lên tới 146 mm gây xói mòn, sạt lở dữ dội. Mùa khô kéo dài gây thiếu nước trầm trọng. Hệ thống thủy văn gồm hai trục chính là sông Đà (dài 250 km qua tỉnh, lưu vực 9.844 km²) và sông Mã (dài 93 km, lưu vực 3.990 km²).
  • Tài nguyên và KTXH: Rừng có độ che phủ 45% (636.101 ha đất có rừng), đất chưa sử dụng còn 323.112 ha (chiếm 22,88% quỹ đất). Dân số năm 2018 đạt 1.242.765 người với 12 dân tộc (Thái 55%, Kinh 18%, Mông 12%, Mường 8,4%, Khơ Mú 1,89%, Dao 1,82%). Tỷ lệ hộ nghèo đa chiều là 36,3%; lao động nông nghiệp chiếm đa số với trình độ đào tạo khu vực nông thôn chỉ đạt 9,0%.
  • Tổng quan lý thuyết: Tổng hợp các công trình của FAO, UNEP, IBSRAM, các mô hình SALT, các nghiên cứu nông hóa thổ nhưỡng của các tác giả trong nước (Nguyễn Tử Siêm, Thái Phiên, Nguyễn Xuân Hải, Lê Đức...).

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG NỘI DUNG, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp luận, cách tiếp cận hệ thống và quy trình thực hiện các nội dung nghiên cứu:

  • Thiết lập cách tiếp cận đa chiều: tiếp cận sinh thái cảnh quan, tiếp cận hệ thống lưu vực sông, tiếp cận có sự tham gia của người dân và tiếp cận lượng hóa bằng công nghệ địa không gian.
  • Quy trình chuẩn hóa trong phân tích mẫu đất theo Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) đối với các chỉ tiêu cơ lý và hóa học.
  • Xây dựng quy trình tích hợp mô hình RUSLE trên nền tảng GIS để chiết xuất các bản đồ đơn tính: bản đồ lượng mưa và hệ số $R$, bản đồ thổ nhưỡng và hệ số $K$, bản đồ mô hình số độ cao DEM và hệ số $LS$, bản đồ viễn thám và hệ số $C$, bản đồ hiện trạng sử dụng đất và hệ số $P$.
  • Thiết lập quy trình đánh giá suy giảm độ phì thông qua phương pháp lấy mẫu lưới, phân tích hồi quy, nội suy Kriging và ma trận trọng số AHP.
  • Bố trí mạng lưới các ô quan trắc hứng xói mòn ngoài thực địa để kiểm chứng và hiệu chỉnh kết quả tính toán từ mô hình RUSLE.
  • Thiết kế bố trí thí nghiệm đồng ruộng các công thức canh tác: ngô xen đậu tương, ngô xen đậu xanh, cà phê trồng xen cây che bóng phân xanh và dải cỏ Vetiver/Ghine.

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá định lượng:

1. Đánh giá đặc điểm tài nguyên đất nông nghiệp và mức độ thích hợp đất đai

  • Phân loại các nhóm đất chính tại Sơn La: Đất feralit đỏ vàng phát triển trên đá phiến sét, đá magma axit; đất mùn vàng đỏ trên núi; đất nâu đỏ phát triển trên đá vôi và đá bazan; đất phù sa bồi tụ ven sông suối.
  • Tính chất lý học: Cấu trúc đất đồi núi bị suy thoái mạnh khi mất rừng, dung trọng tầng đất mặt tăng (đất bị nén chặt do canh tác và chăn thả), tỷ lệ đoàn lạp bền vững thấp, độ xốp giảm, tốc độ thấm nước giảm mạnh từ 120 - 150 mm/giờ ở đất rừng tự nhiên xuống còn 20 - 35 mm/giờ ở đất nương thoái hóa.
  • Tính chất hóa học: Đất nông nghiệp phần lớn bị chua mạnh (pHKCl dao động từ 3,8 đến 4,8), hàm lượng hữu cơ OM nghèo đến trung bình (1,2 - 2,5%), dung tích hấp thu CEC thấp (< 15 meq/100g đất), nghèo lân dễ tiêu nghiêm trọng do bị cố định bởi nhôm và sắt hoạt tính, hàm lượng đạm tổng số thấp.
  • Đánh giá thích hợp đất đai: Phân hạng thích hợp (S1 - rất thích hợp, S2 - thích hợp trung bình, S3 - ít thích hợp, N - không thích hợp) cho các cây trồng chủ lực (ngô, cà phê chè, chè, xoài, nhãn, mận).

2. Đánh giá nguyên nhân, mức độ thoái hóa và thành lập bản đồ thoái hóa đất

  • Xói mòn đất: Kết quả mô hình RUSLE kết hợp ô đo thực địa xác định lượng mất đất trên đất nương rẫy độc canh dao động từ 40 đến trên 120 tấn/ha/năm tùy thuộc độ dốc và thảm phủ. Bản đồ xói mòn đất chia thành 4 cấp độ: nhẹ (< 10 tấn/ha/năm), trung bình (10 - 50 tấn/ha/năm), mạnh (50 - 100 tấn/ha/năm) và rất mạnh (> 100 tấn/ha/năm).
  • Suy giảm độ phì: Xây dựng thành công các bản đồ đơn tính gồm đất chua hóa, suy giảm chất hữu cơ, suy giảm CEC, suy giảm N, P2O5 và K2O tổng số. Tích hợp ma trận AHP cho ra bản đồ tổng hợp suy giảm độ phì.
  • Kết von, đá ong hóa và thoái hóa tổng hợp: Xác định các diện tích đất bị trơ sỏi đá và kết von tầng mặt tập trung tại các vùng đất dốc bị rửa trôi lâu năm. Bản đồ thoái hóa đất tổng hợp tỉnh Sơn La thể hiện bức tranh không gian chi tiết về các vùng thoái hóa mạnh cần ưu tiên phục hồi.

3. Đánh giá hiệu quả các loại sử dụng đất (LUTs) và đề xuất cơ cấu cây trồng

  • Đánh giá hiệu quả kinh tế (tổng thu, chi phí đầu tư, lãi thuần, công lao động), hiệu quả xã hội (giải quyết việc làm, an sinh) và hiệu quả môi trường (độ che phủ, khả năng chống xói mòn) của các LUTs chính: LUT ngô thuần, LUT lúa nương, LUT sắn, LUT cà phê chè, LUT cây ăn quả (nhãn, xoài, mận), LUT nông lâm kết hợp.
  • Kết quả cho thấy các LUT độc canh ngô, sắn có hiệu quả kinh tế thấp, rủi ro cao và gây tổn thương môi trường nặng nhất; trong khi LUT cây công nghiệp lâu năm, cây ăn quả và mô hình nông lâm kết hợp cho giá trị thu nhập/ha cao gấp 2 - 4 lần và giảm thiểu mất đất.
  • Đề xuất định hướng chuyển đổi đất nương ngô dốc sang trồng cây ăn quả, cà phê có che bóng và trồng cỏ phục vụ chăn nuôi.

4. Kết quả xây dựng 02 mô hình thực nghiệm sản xuất nông lâm nghiệp bền vững

  • Mô hình 1: Sinh kế bền vững cho hộ gia đình (Canh tác ngô xen cây họ Đậu):
    • Khả năng kiểm soát xói mòn: Các công thức ngô xen đậu tương hoặc đậu xanh làm giảm lượng đất xói mòn từ 45 - 60% so với công thức đối chứng (ngô độc canh).
    • Năng suất và sinh trưởng: Cây họ Đậu che phủ đất nhanh, hạn chế cỏ dại, giữ ẩm độ đất mặt; năng suất ngô hạt trong mô hình xen canh đạt tương đương hoặc tăng nhẹ so với đối chứng (đạt 5,5 - 6,2 tấn/ha), đồng thời thu thêm 0,6 - 0,8 tấn hạt đậu/ha.
    • Hiệu quả kinh tế: Tăng thu nhập thuần của hộ nông dân lên 25 - 35% so với trồng thuần ngô.
  • Mô hình 2: Nông lâm kết hợp trong canh tác cà phê:
    • Bố trí cây che bóng (muồng đen, keo dậu) và băng cỏ Ghine/Vetiver chắn xói mòn theo đường đồng mức; áp dụng kỹ thuật bón phân hữu cơ vi sinh ủ từ vỏ quả cà phê kết hợp đốn tỉa tạo hình hợp lý.
    • Kết quả: Tỷ lệ xói mòn đất giảm trên 70%, độ ẩm đất trong mùa khô được duy trì cao hơn 15 - 20% so với vườn cà phê không che bóng, hiện tượng rụng quả non giảm rõ rệt.
    • Năng suất cà phê nhân duy trì ổn định ở mức 2,5 - 3,0 tấn/ha, chất lượng hạt đồng đều, kéo dài chu kỳ kinh doanh của vườn cây và nâng cao hiệu quả kinh tế bền vững.

Bảng tổng hợp số liệu nghiên cứu

Dưới đây là một số bảng số liệu tiêu biểu được trích xuất trực tiếp từ các nghiên cứu và số liệu tổng hợp trong văn bản luận án:

Bảng 1: Lượng đất xói mòn do canh tác ngô và sắn tại một số địa phương miền núi phía Bắc

(Nguồn: Trích dẫn theo Lưu Ngọc Quyến và cs, 2015 trong luận án)

Địa phương Năm theo dõi Cây trồng Lượng đất xói mòn (tấn/ha/năm)
Mường Khương (Lào Cai) 2010 Ngô 47,9
Bảo Thắng (Lào Cai) 2011 Ngô 80,8
Mai Sơn (Sơn La) 2010 Ngô 41,6
Văn Chấn (Yên Bái) 2008 Ngô 106,0
Văn Chấn (Yên Bái) 2009 Ngô 80,6
Yên Bình (Yên Bái) 2008 Sắn 75,3
Văn Yên (Yên Bái) 2009 Sắn 71,4

Bảng 2: Hàm lượng tối đa cho phép (MAC) của các kim loại nặng độc đối với thực vật trong đất nông nghiệp tại một số quốc gia

(Đơn vị: ppm - Nguồn: Lê Văn Khoa & nnk, 2002 trong luận án)

Kim loại nặng Áo Canada Ba Lan Nhật Bản Anh Đức
Đồng (Cu) 100 100 100 125 50 (100) 50 (200)
Kẽm (Zn) 300 400 300 250 150 (300) 300 (600)
Chì (Pb) 100 200 100 400 50 (100) 500 (1000)
Cadimi (Cd) 5 8 3 - 1 (3) 2 (5)
Thủy ngân (Hg) 5 0,3 5 - 2 10 (50)

Bảng 3: Hiện trạng diện tích đất bị thoái hóa theo các châu lục trên thế giới

(Đơn vị: Triệu ha - Nguồn: Viện Nghiên cứu Quản lý Đất đai, 2012 trong luận án)

Loại hình thoái hóa Toàn thế giới Châu Á Châu Phi Nam Mỹ Trung Mỹ Bắc Mỹ Châu Âu Châu Đại Dương
Xói mòn do nước 1.094 440 227 123 46 60 114 83
Xói mòn do gió 548 222 187 42 5 35 42 16
Suy giảm dinh dưỡng 135 14 45 68 4 - 3 1
Mặn hóa 76 53 15 2 2 - 4 0
Ô nhiễm 22 2 1 - 0 - 19 -
Chua hóa 6 4 2 - - 0 - -

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Luận án đã hệ thống hóa và làm rõ cơ chế, nguyên nhân, quá trình và xu hướng thoái hóa tài nguyên đất nông nghiệp tại vùng núi cao Tây Bắc dưới tác động tổng hợp của các yếu tố tự nhiên (địa hình dốc, mưa tập trung cường độ lớn, trượt lở) và hoạt động nhân sinh (canh tác nương rẫy độc canh, phá rừng, mất thảm phủ).
  • Xây dựng thành công phương pháp luận tiếp cận tích hợp giữa mô hình định lượng mất đất thực nghiệm (RUSLE), phân tích thứ bậc ma trận chuyên gia (AHP), hệ thống phân tích không gian GIS và ảnh viễn thám để thành lập bản đồ phân vùng thoái hóa đất đa chỉ tiêu (xói mòn, chua hóa, suy giảm chất hữu cơ, nghèo hóa dinh dưỡng N-P-K, suy giảm CEC và kết von đá ong).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp

  • Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu số hóa chi tiết và hệ thống bản đồ chuyên đề về hiện trạng tài nguyên đất, mức độ thích hợp đất đai và các cấp độ thoái hóa đất nông nghiệp tỉnh Sơn La, phục vụ trực tiếp công tác quy hoạch sử dụng đất và chuyển đổi cơ cấu cây trồng của địa phương.
  • Đề xuất được định hướng bố trí cơ cấu cây trồng phù hợp với từng tiểu vùng sinh thái của tỉnh Sơn La theo hướng giảm dần diện tích ngô, sắn trên đất dốc cao; mở rộng diện tích cây công nghiệp lâu năm (cà phê), cây ăn quả đặc sản kết hợp bảo vệ đất.
  • Thiết lập và kiểm chứng thành công 02 mô hình canh tác thực nghiệm đạt hiệu quả vượt trội về kinh tế, xã hội và môi trường:
    1. Mô hình ngô xen cây họ Đậu: Giảm 45 - 60% xói mòn đất, bổ sung chất hữu cơ và đạm sinh học cho đất, tăng thu nhập hộ gia đình 25 - 35%.
    2. Mô hình nông lâm kết hợp trong canh tác cà phê: Sử dụng cây che bóng, băng chắn cỏ Ghine/Vetiver và phân hữu cơ vỏ cà phê, giúp giảm >70% xói mòn, giữ ẩm đất trong mùa khô, ổn định năng suất và nâng cao chất lượng nông sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Do phạm vi nghiên cứu trải rộng trên toàn tỉnh Sơn La với địa hình chia cắt phức tạp, mật độ điểm lấy mẫu đất tại một số khu vực vùng sâu, vùng xa có địa hình hiểm trở còn bị hạn chế.
  • Thời gian theo dõi thực nghiệm đồng ruộng (2016 - 2019) phản ánh rõ nét hiệu quả ngắn hạn và trung hạn của các công thức xen canh và nông lâm kết hợp; tuy nhiên, các biến động dài hạn của độ phì nhiêu đất (đặc biệt là sự tích lũy hữu cơ sâu và biến đổi CEC) cần chu kỳ theo dõi dài hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng việc theo dõi động thái dinh dưỡng đất và vi sinh vật đất trong các mô hình nông lâm kết hợp cà phê và cây ăn quả theo chu kỳ 5 - 10 năm.
  • Nghiên cứu nhân rộng các mô hình canh tác bền vững trên đất dốc cho các đối tượng cây ăn quả có giá trị kinh tế cao khác đang phát triển mạnh tại Sơn La như nhãn ghép, xoài tròn Yên Châu, mận hậu Mộc Châu.
  • Ứng dụng các mô hình thủy văn - xói mòn ở quy mô tiểu lưu vực để đánh giá tác động lan tỏa của việc chuyển đổi cơ cấu cây trồng đối với nguồn nước và hồ chứa thủy điện Sơn La, Hòa Bình.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo khoa học và thực tiễn có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Thuộc các chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Đất đai, Thổ nhưỡng học, Nông học và Sinh thái học; có thể tham khảo phương pháp tích hợp mô hình RUSLE, GIS, AHP và phương pháp bố trí ô quan trắc hứng xói mòn thực địa.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Sử dụng làm học liệu trong giảng dạy các học phần về Đánh giá thoái hóa đất, Quy hoạch sử dụng đất bền vững, Nông lâm kết hợp và Bảo vệ môi trường lưu vực sông.
  • Cơ quan quản lý Nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sơn La và các tỉnh vùng Tây Bắc; các Viện nghiên cứu quy hoạch sử dụng làm cơ sở khoa học để xây dựng đề án chuyển đổi cơ cấu cây trồng trên đất dốc, chính sách hỗ trợ phát triển nông nghiệp hữu cơ, nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao và phòng chống thiên tai xói mòn, sạt lở.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những công cụ và phương pháp chính nào để xây dựng bản đồ thoái hóa đất tỉnh Sơn La?

Luận án sử dụng phương pháp luận tích hợp gồm: mô hình mất đất phổ quát hiệu chỉnh (RUSLE) để tính toán xói mòn đất dựa trên 5 thông số ($R, K, LS, C, P$); công nghệ Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) và dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám kết hợp mô hình số độ cao DEM; phương pháp phân tích thứ bậc AHP để xác định ma trận so sánh cặp đôi và tính trọng số cho các chỉ tiêu suy giảm độ phì ($S_i$); cùng hệ thống các ô quan trắc hứng xói mòn ngoài thực địa để kiểm định, hiệu chỉnh mô hình.

2. Hai mô hình thực nghiệm canh tác bền vững được xây dựng trong luận án là gì và đạt kết quả như thế nào?

Hai mô hình gồm:

  • Mô hình sinh kế ngô xen cây họ Đậu: Giúp giảm 45 - 60% lượng đất xói mòn, duy trì năng suất ngô hạt 5,5 - 6,2 tấn/ha, thu thêm hạt đậu và tăng 25 - 35% thu nhập thuần cho nông hộ.
  • Mô hình nông lâm kết hợp trong canh tác cà phê: Sử dụng cây che bóng, băng cỏ chắn dòng chảy và bón phân hữu cơ từ vỏ cà phê; kết quả làm giảm trên 70% lượng xói mòn đất, giữ ẩm vượt trội trong mùa khô và duy trì năng suất cà phê nhân ổn định 2,5 - 3,0 tấn/ha.

3. Thực trạng thoái hóa đất nông nghiệp tỉnh Sơn La được luận án chỉ ra tập trung vào các vấn đề cốt lõi nào?

Thực trạng thoái hóa đất nông nghiệp tại Sơn La gồm: xói mòn và rửa trôi đất nghiêm trọng trên các sườn đồi dốc trồng độc canh (lượng mất đất 40 - 120 tấn/ha/năm); đất bị chua hóa mạnh (pHKCl phần lớn từ 3,8 đến 4,8); suy giảm chất hữu cơ và dung tích hấp thu cation (CEC); nghèo kiệt lân dễ tiêu do bị cố định hóa học; đất bị nén chặt làm giảm tốc độ thấm nước; và nhiều diện tích đồi nương bị kết von, trơ sỏi đá ong hóa.

4. Luận án đề xuất định hướng chuyển đổi cơ cấu cây trồng tại Sơn La ra sao?

Luận án đề xuất giảm dần diện tích trồng độc canh ngô, lúa nương, sắn trên đất có độ dốc cao (>25°); chuyển đổi sang phát triển cây ăn quả lâu năm (nhãn, xoài, mận), vùng chuyên canh cà phê chè có cây che bóng phân xanh, phát triển đồng cỏ chăn nuôi gia súc theo mô hình nông lâm kết hợp (RVAC, SALT) nhằm vừa nâng cao hiệu quả kinh tế vừa bảo vệ tài nguyên đất và nguồn nước.


Kết luận

Luận án Tiến sĩ của tác giả Phan Bá Học là một công trình nghiên cứu khoa học toàn diện, giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá tài nguyên đất và thoái hóa đất nông nghiệp trên địa bàn tỉnh Sơn La. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng công nghệ địa không gian (GIS, viễn thám, RUSLE) và thử nghiệm đồng ruộng thực chứng, luận án đã định lượng hóa mức độ xói mòn, suy giảm độ phì và xây dựng thành công bộ bản đồ thoái hóa đất chi tiết cho tỉnh. Đồng thời, hai mô hình thực nghiệm ngô xen đậu và nông lâm kết hợp cà phê được luận án thiết lập đã chứng minh tính ưu việt về kiểm soát xói mòn, cải tạo đất và gia tăng thu nhập cho người dân. Kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học vững chắc và các giải pháp thực tiễn có khả năng ứng dụng trực tiếp vào công tác quy hoạch, quản lý và sử dụng bền vững tài nguyên đất nông nghiệp vùng Tây Bắc.