Tổng quan luận án

Tài nguyên đất đồi núi tại Việt Nam chiếm khoảng 3/4 diện tích tự nhiên của cả nước, đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội nhưng lại đối mặt với nguy cơ thoái hóa nghiêm trọng. Theo thống kê địa hình, diện tích đất có độ dốc dưới 15° chiếm gần 22% (chủ yếu phục vụ sản xuất nông nghiệp và nông lâm nghiệp), diện tích có độ dốc từ 15° đến 25° chiếm trên 16%, và diện tích đất có độ dốc lớn hơn 25° chiếm trên 61%. Tại khu vực miền núi phía Bắc, do tình trạng thiếu hụt đất canh tác bằng phẳng, người dân buộc phải canh tác trên các sườn dốc lớn hơn 15°. Tập quán hỏa canh truyền thống kết hợp với việc bóc bỏ thảm phủ thực vật tự nhiên và tác động cơ học của mưa rào nhiệt đới đã khiến xói mòn và rửa trôi đất gia tăng nhanh chóng, đưa tốc độ thoái hóa đất ở Việt Nam vào nhóm cao tại khu vực Châu Á.

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm tại chỗ về các biện pháp canh tác theo đường đồng mức, trồng xen canh, bón phân hữu cơ hay thiết lập dải băng chắn đã chứng minh hiệu quả giảm thiểu xói mòn. Tuy nhiên, phần lớn các công trình này mới dừng lại ở quy mô thí nghiệm hẹp, đòi hỏi chi phí lớn về tài chính, thời gian và nhân lực. Do đó, việc ứng dụng và hiệu chỉnh các mô hình toán học định lượng xói mòn đất đã được quốc tế công nhận để dự báo cho điều kiện Việt Nam là hướng tiếp cận cần thiết.

Các mô hình xói mòn phổ biến trên thế giới như Phương trình mất đất phổ dụng (USLE), bản chỉnh sửa (RUSLE) hay mô hình Morgan – Morgan – Finney (MMF) ban đầu được phát triển dựa trên dữ liệu thực nghiệm ở vùng khí hậu ôn đới (điển hình là Hoa Kỳ và Châu Âu). Trong số các tham số cấu thành, hệ số xói mòn do cây trồng ($C$) phản ánh mức độ che phủ và kỹ thuật canh tác không thể áp dụng trực tiếp cho vùng nhiệt đới gió mùa có cơ cấu luân canh, xen canh phức tạp và lượng mưa tập trung cao theo mùa. Luận án "Nghiên cứu xác định mô hình định lượng xói mòn đất thích hợp cho hệ thống canh tác nông nghiệp điển hình trên đất dốc" của nghiên cứu sinh Trần Minh Chính (chuyên ngành Kỹ thuật Tài nguyên nước, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, năm 2021) được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống học thuật và thực tiễn này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm ba nội dung:

  1. Đánh giá các mô hình định lượng xói mòn đất, xác định nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất và khả năng áp dụng trong điều kiện ở Việt Nam.
  2. Nghiên cứu đặc trưng của hệ thống canh tác nông nghiệp, phân bố độ che phủ mặt đất bởi cây trồng và phân bố lượng mưa để hiệu chỉnh hệ số xói mòn do cây trồng ($C$) phù hợp với hệ thống canh tác nông nghiệp điển hình trên đất dốc vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam.
  3. Đánh giá và đề xuất mô hình dự báo xói mòn đất phù hợp với hệ thống canh tác nông nghiệp trên đất dốc vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Đất dốc và các hệ thống canh tác nông nghiệp phổ biến trên một số loại đất chính vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam; các mô hình canh tác cây hàng năm điển hình gồm đơn canh, xen canh, luân canh, và kết hợp luân canh - xen canh giữa lúa, ngô, lạc, đỗ, khoai, sắn; các mô hình tính toán định lượng xói mòn đất (USLE, MMF và các mô hình liên quan).
  • Phạm vi không gian: Khu vực đồi núi phía Bắc Việt Nam, với các ô quan trắc thực nghiệm đặt tại Bản Bát (Tân Minh, Đà Bắc, Hòa Bình), TX Vĩnh Yên (Vĩnh Phúc), Hòa Sơn (Lương Sơn, Hòa Bình), Thụy An (Ba Vì, Hà Nội), và Cò Nòi (Mai Sơn, Sơn La).
  • Phạm vi thời gian và tư liệu: Kế thừa chuỗi số liệu quan trắc thực địa nhiều năm và dữ liệu đo đạc thực nghiệm phục vụ luận án đến năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử nghiên cứu xói mòn đất cho thấy sự phát triển từ quan sát định tính sang các mô hình thực nghiệm và mô phỏng vật lý:

  • Nghiên cứu quốc tế:

    • Khái niệm và cơ chế xói mòn: Ellison (1944, 1947) chia quá trình xói mòn thành ba pha liên hoàn gồm tách hạt đất, di chuyển hạt đất và lắng đọng; trong đó giọt mưa đóng vai trò chính trong việc tách vỡ kết cấu đất, còn dòng chảy mặt đảm nhận vai trò vận chuyển. N. Hudson (1981) xác định lượng hao tổn đất cho phép trong canh tác bền vững trung bình khoảng 1,8 tấn/ha/năm (tương ứng với thời gian hình thành lớp đất 20 cm trong 30 năm), trong khi đất không có bảo vệ có thể mất từ 70 đến 200 tấn/ha/năm. Các thiệt hại tài nguyên đất diện rộng đã được Jacks và Whyte (1938) cảnh báo tại Hoa Kỳ và Liên Xô cũ.
    • Các mô hình thực nghiệm và hồi quy: Jovanovic và Vukcecic (1957), Leopold, Wolman và Miller (1964) nghiên cứu mô hình quan hệ giữa lượng bùn cát ($Q_s$) và lưu lượng dòng chảy ($Q_w$). Fournier (1960) xây dựng phương trình hồi quy dự báo bùn cát theo chỉ số lượng mưa $p^2/P$ kết hợp độ cao và độ dốc cho bốn dạng địa hình và lượng mưa khác nhau. Douglas (1967) đề xuất phương trình lượng mưa hiệu quả ($P_E$) kết hợp thảm phủ.
    • Mô hình phương trình mất đất phổ dụng (USLE) và biến thể: Bắt nguồn từ các công trình của Zingg (1940) về độ dốc và chiều dài sườn dốc $M=f(S,L)$, Smith (1941), Browning (1947), và phương trình Musgrave (1947). Wischmeier và Smith (1978) đã hệ thống hóa thành mô hình USLE với 6 hệ số ($R, K, L, S, C, P$). Renard và cộng sự (1997) phát triển mô hình RUSLE. Bên cạnh đó, Morgan, Morgan và Finney (MMF, 1984; Morgan và Duzant, 2008) xây dựng mô hình dự báo phân tách lượng đất tách rời ($J$) và khả năng vận chuyển ($G$). Các mô hình khác tại Châu Âu gồm EPIC, EUROSEM, PESERA (Bahrawi và nnk, 2016).
    • Nghiên cứu hệ số cây trồng ($C$): Mulengera và nnk (1999) chỉ rõ hệ số $C$ xác định tại Hoa Kỳ không phù hợp với khí hậu nhiệt đới. Panagos và nnk (2015), David (1988), Morgan (2005), Stone và Hilborn (2000) đã phân tích sự biến thiên của hệ số $C$ theo từng loại cây và kỹ thuật làm đất. Một số tác giả (Durigon và nnk, 2014; Ma và nnk, 2010; Borrelli và nnk, 2018; Oliveira và nnk, 2015) ứng dụng chỉ số thực vật viễn thám NDVI để ước tính hệ số $C$, song phương pháp này gặp hạn chế khi thảm phủ cây ngắn ngày thay đổi liên tục theo tháng.

  • Nghiên cứu tại Việt Nam:

    • Nguyễn Quang Mỹ (2005) chia lịch sử nghiên cứu xói mòn ở Việt Nam thành ba giai đoạn: (1) Trước 1954: Kinh nghiệm dân gian chống xói mòn bằng bờ chắn gỗ, ruộng bậc thang; (2) Giai đoạn 1954 – 1975: Bắt đầu từ Chỉ thị 15/TTg (1964) của Thủ tướng Chính phủ, khởi xướng các nghiên cứu định tính và bán định lượng của Tôn Gia Huyên, Nguyễn Quý Khải, Nguyễn Ngọc Bình, Tạ Quang Bửu, Hà Học Ngô, Trần An Phong; (3) Giai đoạn sau 1975: Thành lập các trạm quan trắc thực địa tại Gia Lai (Tây Nguyên I, II), Thái Nguyên, Hữu Lũng (Lạng Sơn), trạm Ekmat (Buôn Ma Thuột).
    • Chu Đức (1991) đã chỉ ra sai số khi thay trực tiếp dữ liệu Việt Nam vào phương trình USLE nguyên bản và đặt vấn đề cần phân tích tính tương thích địa lý. Nguyễn Trọng Hà (1996) xác lập công thức tính hệ số xói mòn mưa $R = 0,548257 \times P - 59,5$ (với $P$ là lượng mưa năm) và tính toán chỉ số xói mòn $K$ cho các nhóm đất đồi núi Việt Nam.
    • Các dự án hợp tác quốc tế: Hợp tác giữa Viện Thổ nhưỡng Nông hóa (SFRI) với Viện IRD, Bioemco, iEES - Paris tại lưu vực Đồng Cao (Hòa Bình/Hà Nội) chứng minh canh tác sắn gây mất đất 700 – 1.305 g/m²/năm, trong khi trồng cỏ chăn nuôi và rừng keo, trẩu chỉ mất 10 – 30 g/m²/năm (Rochelle E. và nnk). Dự án EU – BORASSUS (2008) tại Việt Nam (Đặng Quang Phán, Đào Châu Thu) chỉ ra việc phủ thảm hữu cơ cho ngô trên sườn dốc 25° giúp giảm một nửa lượng nước chảy tràn và thất thoát dinh dưỡng, nâng năng suất ngô từ 2,55 tấn/ha lên trên 3,0 tấn/ha. Ứng dụng ảnh viễn thám và GIS được phát triển bởi Vũ Anh Tuân (2004), Trần Quốc Vinh (2012), Nguyên và cộng sự (2018).

Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết là: Các mô hình USLE thông thường khi áp dụng vào vùng núi phía Bắc Việt Nam chưa xét đến sự tương tác đồng thời giữa phân bố lượng mưa tập trung theo tháng với chu kỳ biến đổi độ che phủ tán lá trong các mô hình trồng xen, gối vụ, cũng như thiếu vắng hệ số định lượng ảnh hưởng của các biện pháp kỹ thuật làm đất tại chỗ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết xói mòn cơ học do nước (Ellison, 1947; Hudson, 1981; Wischmeier và Smith, 1978; Morgan, 2008):

  • Mô hình Phương trình mất đất phổ dụng (USLE): $$A = R \times K \times LS \times C \times P$$ Trong đó:

    • $A$: Lượng đất mất dự báo (tấn/ha/năm hoặc tấn/acre).
    • $R$: Chỉ số độ xói mòn của mưa, tính toán từ động năng và cường độ mưa $EI_{30}$ theo công thức hồi quy thực nghiệm của Nguyễn Trọng Hà (1996): $R = 0,548257 \times P - 59,5$ ($P$ là lượng mưa năm, mm).
    • $K$: Hệ số tính xói mòn của đất, xác định qua toán đồ 5 tham số của Wischmeier & Smith hoặc công thức của Hội Khoa học Đất quốc tế (ISSS, 1995): $$100K = 2,241 \times [10^{-4} \times M^{1,14} \times (12 - OM) + 3,25 \times (b - 2) + 2,5 \times (c - 3)]$$ (với $M$ là hàm lượng cấp hạt $0,002 - 0,2$ mm, $OM$ là hàm lượng hữu cơ %, $b$ là kết cấu đất, $c$ là độ thấm).
    • $LS$: Hệ số kết hợp giữa chiều dài sườn dốc ($L$) và độ dốc ($S$): $$L = \left(\frac{x}{22,13}\right)^m$$ $$S = \frac{0,43 + 0,30S + 0,043S^2}{6,613}$$ $$LS = \left(\frac{x}{22,13}\right)^m \times (0,065 + 0,045S + 0,0065S^2)$$ (với $x$ là chiều dài sườn dốc tính bằng mét, $m$ là số mũ phụ thuộc độ dốc).
    • $C$: Hệ số xói mòn do cây trồng và lớp phủ. Luận án tiến hành xây dựng hệ số cây trồng hiệu chỉnh ($C_h$) thông qua tích hợp độ che phủ tán theo tháng, lượng mưa phân bố theo tháng và hệ số tác động kỹ thuật canh tác ($D$).
    • $P$: Hệ số bảo vệ đất thực tiễn, phân loại theo bảng định mức quản lý đất của David (1988).

  • Mô hình Morgan – Morgan – Finney (MMF): Mô hình MMF phân chia xói mòn thành 2 pha độc lập:

    1. Pha nước (thủy văn): Xác định lượng mưa hữu hiệu, lượng nước chặn bởi tán cây, và tổng lượng dòng chảy mặt.
    2. Pha bùn cát: Dự báo lượng đất bị tách rời bởi tác động của hạt mưa ($J$) và khả năng vận chuyển đất tối đa của dòng chảy mặt ($G$). Lượng đất mất thực tế được xác định bởi giá trị nhỏ nhất giữa hai đại lượng: $A = \min(J, G)$.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích, kế thừa và tổng hợp tư liệu thổ nhưỡng, khí tượng thủy văn, các kết quả thí nghiệm xói mòn đã công bố tại khu vực miền núi phía Bắc.
    • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thiết lập và quan trắc tại hệ thống các ô thí nghiệm xói mòn tiêu chuẩn (kích thước chuẩn $22,13 \times 1,83$ m và các ô thực địa) tại 5 vùng sinh thái: Đà Bắc (Hòa Bình), Vĩnh Yên (Vĩnh Phúc), Lương Sơn (Hòa Bình), Ba Vì (Hà Nội), Mai Sơn (Sơn La). Đo đạc các chỉ tiêu: lượng mưa từng trận/tháng/năm, lớp dòng chảy bề mặt, hàm lượng bùn cát và khối lượng đất xói mòn thu trong bể lắng, đo động thái phát triển chiều cao tán và độ che phủ thực vật theo thời gian sinh trưởng.
    • Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm: Phân tích thành phần cơ giới đất (tỷ lệ cát, limon, sét), dung trọng, độ ẩm, độ thấm nước và hàm lượng mùn/chất hữu cơ ($OM$).
    • Phương pháp mô hình hóa và hiệu chỉnh toán học: Tính toán các thông số đầu vào, thiết lập quan hệ định lượng giữa độ che phủ - lượng mưa - kỹ thuật canh tác để xác định hệ số $C_h$ và hệ số kỹ thuật $D$.
    • Phương pháp kiểm định và so sánh: Đánh giá độ tin cậy giữa kết quả tính toán theo mô hình USLE chuẩn, USLE hiệu chỉnh ($C_h$), mô hình MMF với số liệu đo đạc thực tế tại các ô thí nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về xói mòn đất, phân loại xói mòn (xói mòn bề mặt và xói mòn theo dòng) và phân tích các nhân tố chi phối quá trình xói mòn:

  • Nhân tố khí hậu: Khẳng định mưa là tác nhân động lực chính. Cường độ mưa, lớp nước mưa và sự phân bố mưa theo mùa tại miền Bắc (tập trung vào mùa hè) chi phối mạnh đến lượng rửa trôi đất. Dẫn chứng nghiên cứu của Nguyễn Quang Mỹ (2005) cho thấy trên đất cà phê 3 năm tuổi, khi dòng chảy mặt tăng từ 754 mm lên 2.501 mm (tăng hơn 3 lần) thì lượng đất xói mòn tăng từ 44 tấn/ha lên 213 tấn/ha (tăng gần 5 lần).
  • Nhân tố địa hình: Độ dốc và chiều dài sườn dốc làm gia tăng năng lượng dòng chảy. Dẫn chứng thí nghiệm tại Tây Nguyên (1978 – 1982) trên đất bazan trồng chè: độ dốc 3° gây mất đất 96 tấn/ha/năm, tăng lên 15° lượng đất mất đạt 305 tấn/ha/năm. Tại Phú Thọ (1982 – 1986) trên đất phù sa cổ trồng sắn: độ dốc 3° mất 15 tấn/ha/năm, độ dốc 22° mất 147 tấn/ha/năm (độ dốc tăng 7,3 lần, lượng xói mòn tăng 9,8 lần).
  • Nhân tố thổ nhưỡng: Phân tích tính xói mòn của đất ($K$). Đất kết cấu thô, hàm lượng sét thấp và nghèo hữu cơ có tính xói mòn cao. Tổng hợp bảng phân loại hệ số $K$ của FAO - UNESCO (1976), toán đồ Wischmeier - Smith (1978) và bảng giá trị $K$ của Stewart và nnk (1975).
  • Nhân tố thực vật và con người: Tán lá làm giảm động năng giọt mưa; rễ cây cố định hạt đất và tăng khả năng thấm nước từ 50 – 60%. Phá rừng và độc canh cây ngắn ngày (như sắn) làm tăng xói mòn lên hàng trăm tấn/ha/năm so với đất có rừng phủ (chỉ mất ~1 tấn/ha/năm tại Cầu Hai, Phú Thọ).

Chương 1 cũng tổng hợp các bảng thông số chuẩn quốc tế phục vụ tính toán USLE:

Cấp kết cấu đất (FAO - UNESCO, 1976) Tính xói mòn thấp Tính xói mòn trung bình Tính xói mòn cao
Loại kết cấu thô 0,10 0,20 0,40
Loại kết cấu trung bình 0,15 0,30 0,60
Loại kết cấu mịn 0,05 0,10 0,20
Loại đất đồi núi Việt Nam (Nguyễn Trọng Hà, 1996) Số mẫu ($n$) Hệ số $K$ (theo W - S) Hệ số $K$ (theo ISSS)
Đất đen có tầng kết von dày 5 0,09 0,11
Đất nâu thẫm trên bazan 15 0,12 0,09
Đất nâu vùng bán khô hạn 6 0,25 0,19
Đất vàng tích vôi 12 0,28 0,31
Đất xám bạc màu 21 0,22 0,20
Đất xám có tầng loang lổ 25 0,25 0,23
Đất nâu vàng 35 0,21 0,20
Đất đỏ vàng có tầng sét loang lổ 27 0,23 0,25
Đất mùn alit núi cao 19 0,15 0,16

Chương này đi đến kết luận về sự cần thiết phải kiểm định và hiệu chỉnh tham số $C$ của mô hình USLE và mô hình MMF khi ứng dụng tại vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam.

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 trình bày chi tiết khung phương pháp luận, cơ sở lý thuyết tính toán của các mô hình và phương án bố trí thí nghiệm thực địa:

  • Xác lập cách tiếp cận nghiên cứu đa biến số: Lượng mưa ($R$), Thổ nhưỡng ($K$), Địa hình ($LS$), Canh tác ($C$), và Bảo vệ đất ($P$).
  • Phương pháp xác định hệ số $P$ dựa trên khung đánh giá của David (1988) kết hợp độ dốc và biện pháp canh tác (bậc thang, đường đồng mức, băng cây, dải bờ rộng, làm đất tối thiểu, che tủ).
  • Phương pháp xác định hệ số cây trồng ($C$) theo Hội Khoa học Đất quốc tế và hiệu chỉnh theo Stone & Hilborn (2000), Morgan (2005):
STT Kỹ thuật canh tác (Stone và Hilborn, 2000) Hệ số hiệu chỉnh $D$
1 Cày vào mùa thu 1,00
2 Cày vào mùa xuân 0,90
3 Làm đất sử dụng hữu cơ che tủ 0,60
4 Cày tạo luống 0,35
5 Làm đất theo vùng 0,25
6 Không làm đất 0,25
  • Thiết kế ô thí nghiệm quan trắc xói mòn thực địa: Chi tiết quy cách ô đo dòng chảy và đất xói mòn tại Cò Nòi (Mai Sơn, Sơn La) và các điểm Hòa Bình, Vĩnh Phúc, Hà Nội. Ô thí nghiệm được trang bị hệ thống rãnh gom nước, bể thu gom bùn cát lắng đọng và thiết bị đo mưa tự ghi để thu thập các trận mưa thực tế.
  • Khung tính toán thông số đầu vào cho mô hình MMF gồm các biến số đất (dung trọng, độ ẩm ban đầu, độ thấm), biến số thảm phủ (tỷ lệ che phủ tán, chiều cao giọt nước rơi, lượng bốc thoát hơi nước) và biến số mưa (tổng lượng mưa, số ngày mưa).

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 tập trung phân tích các kết quả tính toán định lượng, hiệu chỉnh tham số và kiểm định mô hình:

  • Đặc điểm sử dụng đất và cơ cấu cây trồng: Phân tích hiện trạng canh tác vùng đồi núi phía Bắc với các hệ thống canh tác nương rẫy, trồng xen cây họ đậu với ngô, sắn trên đất dốc. Đồ thị phân bố độ che phủ tán và lượng mưa theo tháng chỉ ra sự bất lợi lớn: thời kỳ đầu vụ gieo trồng (tháng 4 - tháng 6), độ che phủ tán cây thấp nhất lại trùng với thời điểm bắt đầu các trận mưa rào cường độ lớn, làm lượng đất mất tăng vọt.
  • Kết quả xác định các hệ số USLE tại các điểm nghiên cứu:
    • Hệ số xói mòn mưa $R$ tính theo chuỗi lượng mưa năm tại các trạm thực địa.
    • Hệ số xói mòn đất $K$ đo đạc và tính toán tại các ô quan trắc dao động trong khoảng $0,09 - 0,31$.
    • Hệ số địa hình $LS$ được xác định chi tiết cho từng ô quan trắc theo độ dốc thực tế và chiều dài sườn.
    • Hệ số bảo vệ đất $P$ được xác định tương ứng với các giải pháp kỹ thuật tại từng ô thí nghiệm.
  • Hiệu chỉnh hệ số cây trồng ($C$): Luận án đã xác định hệ số cây trồng hiệu chỉnh ($C_h$) dựa trên mối quan hệ giữa tỷ lệ che phủ tán cây qua các tháng, phân bố lượng mưa năm và hệ số tác động của các biện pháp kỹ thuật ($D$). Luận án đã xây dựng bảng hệ số $D$ đặc thù cho các hệ thống cây trồng chính (ngô đơn canh, sắn đơn canh, ngô xen lạc, ngô xen đậu, lúa nương) tại miền núi phía Bắc.
  • So sánh, kiểm định kết quả tính toán với thực nghiệm:
    • Tính toán lượng đất mất theo mô hình USLE thông thường (sử dụng hệ số $C$ của Hội KHĐ Quốc tế) cho thấy sự chênh lệch lớn so với số liệu đo đạc thực tế tại các ô quan trắc.
    • Tính toán lượng đất mất theo mô hình USLE hiệu chỉnh ($C_h$) cho kết quả sát với số liệu thực đo tại hiện trường ở tất cả các điểm nghiên cứu (Đà Bắc, Lương Sơn, Vĩnh Yên, Ba Vì, Mai Sơn).
    • Tính toán theo mô hình MMF (xác định các thông số tách hạt $J$ và khả năng vận chuyển $G$ theo hệ số $C$ thông thường và hiệu chỉnh). Kết quả cho thấy MMF phản ánh chi tiết cơ chế xói mòn, trong đó lượng đất mất dự báo ($A = \min(J, G)$) khi áp dụng thông số hiệu chỉnh đạt độ tương thích cao với thực tế.
    • Phân tích tương quan giữa độ dốc, lượng mưa và lượng đất mất đo được so với dự báo của USLE hiệu chỉnh và MMF, khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng mô hình vào thực tiễn quy hoạch canh tác đất dốc.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã nêu rõ các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:

  1. Đóng góp về khoa học:
    • Đã nghiên cứu và hiệu chỉnh thành công hệ số xói mòn do cây trồng ($C$) thành hệ số $C_h$ dựa trên sự kết hợp đồng thời giữa phân bố độ che phủ tán cây theo các giai đoạn sinh trưởng, phân bố lượng mưa theo thời gian và hệ số kỹ thuật tác động vào đất ($D$), phù hợp với đặc thù canh tác nông nghiệp trên đất dốc vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam.
    • Kiểm định và đánh giá một cách có hệ thống độ chính xác của mô hình Phương trình mất đất phổ dụng (USLE) và mô hình Morgan – Morgan – Finney (MMF) trong điều kiện nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam, làm rõ cơ chế tác động của từng yếu tố thành phần ($R, K, LS, C_h, P, J, G$).
  2. Đóng góp về thực tiễn và giải pháp:
    • Cung cấp bộ thông số đầu vào và quy trình tính toán định lượng xói mòn đất phục vụ công tác dự báo lượng đất mất cho các hệ thống cây trồng hàng năm điển hình (đơn canh, xen canh, luân canh ngô, sắn, đậu, lúa nương).
    • Đưa ra cơ sở khoa học để đề xuất các kỹ thuật canh tác giảm thiểu xói mòn đất: bố trí thời vụ hợp lý để tăng độ che phủ trước mùa mưa lớn, áp dụng trồng xen cây họ đậu, che phủ tàn dư hữu cơ và làm đất tối thiểu nhằm hạn chế rửa trôi lớp đất mặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận án:

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu tập trung vào các hệ thống canh tác cây hàng năm ngắn ngày (ngô, sắn, lạc, đỗ, lúa nương) trên đất dốc tại vùng trung du và miền núi phía Bắc; chưa mở rộng đánh giá chi tiết cho các hệ thống cây ăn quả, cây công nghiệp lâu năm và các mô hình nông lâm kết hợp phức tạp nhiều tầng tán.
    • Mô hình USLE hiệu chỉnh tập trung dự báo lượng đất mất trên sườn dốc canh tác, chưa giải quyết trọn vẹn bài toán vận chuyển và bồi lắng bùn cát trên toàn bộ mạng lưới thủy văn lưu vực quy mô lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng phạm vi kiểm định và hiệu chỉnh hệ số $C_h$, hệ số $D$ cho các vùng sinh thái nông nghiệp khác trên cả nước, đặc biệt là khu vực Tây Nguyên và Duyên hải miền Trung.
    • Tích hợp mô hình USLE hiệu chỉnh và mô hình MMF với công nghệ GIS và dữ liệu viễn thám đa thời gian độ phân giải cao để tự động hóa việc thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ xói mòn đất ở quy mô cấp tiểu lưu vực và lưu vực sông.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo trong các lĩnh vực Thủy văn, Kỹ thuật Tài nguyên nước, Thổ nhưỡng và Quản lý Đất đai:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc hiệu chỉnh mô hình xói mòn quốc tế cho điều kiện địa phương; tài liệu tra cứu các bảng hệ số $K$ của các loại đất đồi núi Việt Nam, toán đồ $LS$, bảng phân loại hệ số $P$ và các công thức tính $R$. Các phụ lục tính toán chi tiết (Phụ lục 1 đến Phụ lục 8) cung cấp nguồn số liệu thực nghiệm để đối sánh mô hình.
  • Đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Giúp các cơ quan thuộc ngành Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Tài nguyên và Môi trường có công cụ định lượng để đánh giá tác động xói mòn khi chuyển đổi cơ cấu cây trồng trên đất dốc, từ đó xây dựng các quy hoạch sử dụng đất bền vững và thiết kế các biện pháp bảo vệ đất nông nghiệp miền núi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ số cây trồng ($C$) trong mô hình USLE nguyên bản không thể áp dụng trực tiếp tại vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam?
Trả lời: Mô hình USLE và hệ số $C$ ban đầu được phát triển tại Hoa Kỳ trong điều kiện khí hậu ôn đới với phương thức độc canh và lịch thời vụ đặc thù. Tại vùng đồi núi phía Bắc Việt Nam, khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa, lượng mưa tập trung cao độ vào mùa hè (tháng 5 – tháng 8). Đồng thời, tập quán canh tác của nông dân rất đa dạng (trồng xen, luân canh, gối vụ nhiều loại cây ngắn ngày), khiến độ che phủ mặt đất thay đổi liên tục theo tháng. Nếu dùng hệ số $C$ cố định từ các bảng tra quốc tế sẽ dẫn đến sai số lớn trong dự báo lượng đất mất.

2. Hệ số xói mòn do mưa ($R$) trong luận án được tính toán theo công thức nào?
Trả lời: Hệ số xói mòn do mưa $R$ được tính theo phương trình hồi quy thực nghiệm do PGS.TS. Nguyễn Trọng Hà (1996) thiết lập cho khu vực phía Bắc Việt Nam: $$R = 0,548257 \times P - 59,5$$ Trong đó $P$ là lượng mưa trung bình năm (tính bằng mm), $R$ là chỉ số xói mòn do mưa ($J/m^2$). Công thức này có sai số dưới 5% so với công thức của E. Roose áp dụng cho vùng nhiệt đới.

3. Chỉ số tính xói mòn của đất ($K$) tại vùng đồi núi Việt Nam biến thiên trong khoảng nào?
Trả lời: Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm được trích dẫn (Nguyễn Trọng Hà, 1996), chỉ số tính xói mòn đất $K$ của các nhóm đất đồi núi chính tại Việt Nam dao động trong khoảng từ $0,09$ đến $0,31$. Theo phân loại của FAO - UNESCO và Anthony Young, hầu hết đất dốc tại Việt Nam có tính xói mòn từ mức trung bình đến hơi cao.

4. Nghiên cứu thực nghiệm tại lưu vực Đồng Cao (Hòa Bình) cho thấy sự khác biệt về mất đất giữa đất trồng sắn và đất trồng cỏ/rừng như thế nào?
Trả lời: Kết quả hợp tác nghiên cứu giữa SFRI và Viện IRD (Pháp) tại Đồng Cao giai đoạn 2001 – 2014 cho thấy: Canh tác sắn làm đất bị phá vỡ kết cấu nghiêm trọng do làm cỏ và xới xáo, gây mất đất trung bình 700 g/m²/năm (cao nhất lên tới 1.305 g/m²/năm). Trong khi đó, diện tích trồng cỏ chăn nuôi kết hợp che phủ cây keo, trẩu chỉ mất 30 g/m²/năm, và sau ba năm bỏ hóa tỷ lệ mất đất chỉ còn 10 g/m²/năm (giảm tốc độ bào mòn lớp đất mặt 1 mm/năm so với nương sắn).

5. Cơ chế dự báo xói mòn của mô hình Morgan – Morgan – Finney (MMF) khác với mô hình USLE ở điểm nào?
Trả lời: Mô hình USLE là phương trình hồi quy nhân tử thực nghiệm tính toán trực tiếp lượng đất mất qua tích của 6 hệ số ($R \times K \times LS \times C \times P$). Trong khi đó, mô hình MMF tiếp cận theo cơ chế vật lý bán thực nghiệm chia làm hai pha: pha thủy văn xác định dòng chảy mặt và pha bùn cát tách riêng lượng đất tách rời do hạt mưa ($J$) và khả năng vận chuyển bùn cát của dòng chảy mặt ($G$). Lượng đất mất dự báo cuối cùng của MMF được xác định bằng giá trị nhỏ hơn giữa $J$ và $G$ ($A = \min(J, G)$).

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Minh Chính đã giải quyết vấn đề khoa học về định lượng xói mòn đất trên đất dốc thông qua việc hiệu chỉnh hệ số cây trồng $C$ thành $C_h$ kết hợp với hệ số kỹ thuật canh tác $D$ cho điều kiện miền núi phía Bắc Việt Nam. Kết quả kiểm định thực tế tại 5 điểm quan trắc (Hòa Bình, Vĩnh Phúc, Hà Nội, Sơn La) chứng minh mô hình USLE hiệu chỉnh và mô hình MMF có độ chính xác cao hơn so với việc áp dụng các thông số chuẩn quốc tế chưa hiệu chỉnh. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán tin cậy phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất, thiết kế hệ thống cây trồng xen canh và các biện pháp bảo vệ đất dốc phát triển nông nghiệp bền vững.