Ứng dụng mô hình aquacrop đánh gia ảnh hưởng của xâm nhập mặn trong điều kiện biến đổi khí hậu đến năng suất lúa tại huyện long phú tỉnh sóc trăng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình AquaCrop đánh giá tác động xâm nhập mặn do biến đổi khí hậu đến năng suất lúa tại Long Phú, Sóc Trăng.

• Tác giả: Lê Thị Quỳnh Liên
• Người hướng dẫn: PGS. Mai Văn Trịnh
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình AquaCrop Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Xâm Nhập Mặn Đến Năng Suất Lúa Tại Huyện Long Phú
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• Tính cấp thiết của Đề tài
• Mục tiêu của đề tài
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về biến đổi khí hậu
• 1.1.1. Hiện trạng diễn biến khí hậu trên thế giới
• 1.1.2. Hiện trạng diễn biến khí hậu tại Việt Nam
• 1.1.3. Nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu
• 1.1.4. Các biện pháp thích ứng với BĐKH
• 1.2. Vai trò của nước trong sản xuất nông nghiệp
• 1.2.1. Vai trò của nước đối với cây trồng
• 1.2.2. Cây lúa và sự sử dụng nước
• 1.2.2.1. Sự phát triển của cây lúa
• 1.2.2.2. Nước sử dụng cho canh tác lúa và sự phản ứng của cây lúa đối với sự thiếu nước
• 1.3. Tổng quan về huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• 1.3.1. Vị trí địa lý và đặc điểm địa hình huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• 1.3.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội
• 1.4. Các mô hình dự báo cây trồng
• 1.4.1. Mô hình AquaCrop
• 1.4.2. Mô hình DSSAT
• 1.4.3. Mô hình DNDC
• 2. CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu
• 2.3. Giới thiệu chung về mô hình AquaCrop
• 2.3.1. Cấu trúc của mô hình AquaCrop
• 2.3.2. Hiệu chỉnh mô hình, đánh giá kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy mô hình
• 2.3.2.1. Phân tích độ nhạy
• 2.4. Thu thập cơ sở dữ liệu của mô hình AquaCrop
• 2.4.1. Số liệu khí tượng
• 2.4.2. Số liệu đất
• 2.4.3. Số liệu cây trồng
• 2.5. Kết quả kiểm định mô hình và đánh giá số liệu mô phỏng
• 2.6. Phân tích độ nhạy mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP
• 3.1. Kết quả vận hành mô hình
• 3.1.1. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình
• 3.2. Ảnh hưởng của các mức độ mặn trong nước tưới đến năng suất và sinh khối lúa tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• 3.3. Ảnh hưởng của các mức độ mặn trong nước ngầm khác nhau đến năng suất lúa tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• 3.4. Ảnh hưởng đồng thời của các mức độ nhiễm mặn trong nước ngầm tại các độ sâu mặt nước ngầm với các mức độ mặn khác nhau trong nước tưới
• 3.5. Năng suất lúa theo các kịch bản BĐKH (B1=phát thải thấp, B2 = phát thải trung bình, và A2= phát thải cao) tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• 3.6. Một số giải pháp thích ứng với tác động của BĐKH tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Những kết luận về các kết quả đạt được của luận văn
• Những kiến nghị
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu AquaCrop và Xâm Nhập Mặn Long Phú

Nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH) đến sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là năng suất lúa, ngày càng trở nên cấp thiết. Xâm nhập mặn là một trong những thách thức lớn nhất, đặc biệt tại các vùng ven biển như huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng thuộc Đồng bằng sông Cửu Long. Mô hình AquaCrop, do FAO phát triển, là công cụ hiệu quả để mô phỏng năng suất lúa trong điều kiện xâm nhập mặn. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng AquaCrop để đánh giá tác động của xâm nhập mặn đến năng suất lúa tại huyện Long Phú, từ đó đề xuất các giải pháp thích ứng. Nghiên cứu này sử dụng các số liệu về khí tượng, đất đai, và sinh trưởng của cây lúa để calibration mô hình AquaCrop và validation mô hình AquaCrop. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và bảo vệ sản xuất lúa gạo trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

1.1. Biến đổi khí hậu và tác động đến nông nghiệp ĐBSCL

Biến đổi khí hậu gây ra những thay đổi đáng kể về nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển, ảnh hưởng trực tiếp đến nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long. Theo nghiên cứu của IPCC, nhiệt độ tăng có thể làm giảm năng suất lúa từ 5-10% cho mỗi độ C tăng lên. Xâm nhập mặn là một hệ quả nghiêm trọng của biến đổi khí hậu, đe dọa trực tiếp đến năng suất lúa và sinh kế của người dân. Nghiên cứu này tập trung vào việc định lượng tác động của xâm nhập mặn đến năng suất lúa tại huyện Long Phú.

1.2. Giới thiệu mô hình AquaCrop và ứng dụng trong nông nghiệp

AquaCrop là một mô hình cây trồng được phát triển bởi FAO, cho phép mô phỏng năng suất của nhiều loại cây trồng khác nhau, bao gồm cả lúa. Phần mềm AquaCrop có khả năng mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nước, nhiệt độ và độ mặn đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Ứng dụng AquaCrop cho lúa giúp các nhà nghiên cứu và quản lý có thể dự đoán năng suất lúa trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các quyết định quản lý phù hợp.

II. Thách Thức Xâm Nhập Mặn Ảnh Hưởng Đến Năng Suất Lúa

Xâm nhập mặn là một vấn đề nghiêm trọng tại huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Sự gia tăng độ mặn trong đất và nước tưới ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ nước và dinh dưỡng của cây lúa, dẫn đến giảm năng suất. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tác động xâm nhập mặn đến năng suất lúa thông qua mô hình AquaCrop, từ đó xác định các ngưỡng chịu mặn của cây lúa và đề xuất các biện pháp quản lý độ mặn hiệu quả. Việc hiểu rõ cơ chế tác động của độ mặn đất đến lúa là rất quan trọng để phát triển các giống lúa chịu mặn và các kỹ thuật canh tác phù hợp.

2.1. Tác động của độ mặn đến sinh lý và năng suất cây lúa

Độ mặn cao trong đất và nước tưới gây ra stress cho cây lúa, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, hô hấp và hấp thụ dinh dưỡng. Cây lúa phản ứng với độ mặn bằng cách giảm sự phát triển của rễ và lá, dẫn đến giảm sinh khối và năng suất. Các giống lúa khác nhau có khả năng chịu mặn khác nhau, và việc lựa chọn giống phù hợp là một yếu tố quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn.

2.2. Thực trạng xâm nhập mặn tại huyện Long Phú Sóc Trăng

Huyện Long Phú là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của xâm nhập mặn tại tỉnh Sóc Trăng. Sự gia tăng mực nước biển và giảm lượng nước ngọt từ sông Mê Kông làm cho xâm nhập mặn ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu về độ mặn đất và nước tại huyện Long Phú để calibration mô hình AquaCrop và validation mô hình AquaCrop, từ đó dự báo năng suất lúa trong các kịch bản xâm nhập mặn khác nhau.

III. Phương Pháp AquaCrop Mô Hình Hóa Năng Suất Lúa Bền Vững

Nghiên cứu này sử dụng mô hình AquaCrop để mô phỏng năng suất lúa trong điều kiện xâm nhập mặn tại huyện Long Phú. AquaCrop là một mô hình cây trồng dựa trên các nguyên tắc cơ bản về sinh lý thực vật và quản lý nước tưới. Phần mềm AquaCrop cho phép người dùng nhập các thông số về khí tượng, đất đai, và cây trồng để dự báo năng suất lúa trong các điều kiện khác nhau. Phân tích độ nhạy AquaCrop được sử dụng để xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến năng suất lúa trong điều kiện xâm nhập mặn.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mô hình AquaCrop

Mô hình AquaCrop mô phỏng quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng dựa trên sự cân bằng nước và năng lượng. AquaCrop sử dụng các thông số về khí tượng (nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ mặt trời), đất đai (độ ẩm, độ mặn) và cây trồng (giống, giai đoạn sinh trưởng) để tính toán năng suất. FAO AquaCrop được đánh giá cao về tính đơn giản, linh hoạt và khả năng áp dụng cho nhiều loại cây trồng và điều kiện môi trường khác nhau.

3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình AquaCrop cho lúa tại Long Phú

Để đảm bảo độ chính xác của mô hình AquaCrop, cần phải calibration mô hình AquaCrop và validation mô hình AquaCrop bằng cách sử dụng dữ liệu thực tế từ nghiên cứu trường hợp Long Phú. Dữ liệu về năng suất lúa, sinh khối, và độ mặn đất được thu thập tại huyện Long Phú và sử dụng để điều chỉnh các thông số của AquaCrop. Kết quả kiểm định mô hình AquaCrop cho thấy AquaCrop có khả năng mô phỏng năng suất lúa khá chính xác trong điều kiện xâm nhập mặn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Mặn Đến Năng Suất Lúa

Kết quả nghiên cứu ứng dụng AquaCrop cho thấy xâm nhập mặn có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất lúa tại huyện Long Phú. Đánh giá tác động xâm nhập mặn cho thấy năng suất lúa giảm đáng kể khi độ mặn đất và nước tưới vượt quá ngưỡng chịu đựng của cây lúa. Mô hình AquaCrop cũng cho thấy rằng các biện pháp tối ưu hóa tưới tiêu và quản lý độ mặn có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của xâm nhập mặn đến năng suất lúa.

4.1. Phân tích độ nhạy của năng suất lúa với các yếu tố xâm nhập mặn

Phân tích độ nhạy AquaCrop cho thấy năng suất lúa nhạy cảm nhất với độ mặn đất và độ mặn nước tưới. Các yếu tố khác như quản lý nước tưới và giống lúa cũng có ảnh hưởng đáng kể đến năng suất lúa trong điều kiện xâm nhập mặn. Kết quả phân tích độ nhạy giúp xác định các biện pháp quản lý độ mặn hiệu quả nhất để bảo vệ năng suất lúa.

4.2. Dự báo năng suất lúa theo các kịch bản xâm nhập mặn khác nhau

Mô hình AquaCrop được sử dụng để dự báo năng suất lúa theo các kịch bản xâm nhập mặn khác nhau, dựa trên các kịch bản biến đổi khí hậu (B1, B2, A2). Kết quả dự báo năng suất lúa cho thấy năng suất lúa có thể giảm đáng kể trong tương lai nếu không có các biện pháp thích ứng xâm nhập mặn hiệu quả. Các kịch bản xâm nhập mặn khác nhau cho thấy mức độ ảnh hưởng khác nhau đến năng suất lúa, và việc lựa chọn giải pháp thích ứng xâm nhập mặn phù hợp là rất quan trọng.

V. Giải Pháp Thích Ứng Quản Lý Mặn và Tối Ưu Tưới Tiêu

Nghiên cứu này đề xuất một số giải pháp thích ứng xâm nhập mặn để bảo vệ năng suất lúa tại huyện Long Phú. Các giải pháp bao gồm quản lý độ mặn, tối ưu hóa tưới tiêu, và sử dụng các giống lúa chịu mặn. Tưới tiết kiệm và quản lý độ mặn hiệu quả có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của xâm nhập mặn đến năng suất lúa và đảm bảo nông nghiệp bền vững.

5.1. Các biện pháp quản lý độ mặn hiệu quả cho vùng trồng lúa

Quản lý độ mặn bao gồm các biện pháp như xây dựng hệ thống đê điều, cải tạo đất nhiễm mặn, và sử dụng các kỹ thuật canh tác phù hợp. Việc sử dụng các loại phân bón phù hợp và quản lý độ mặn trong đất có thể giúp cây lúa hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn và tăng khả năng chịu mặn. Nghiên cứu khoa học về lúa và giống lúa chịu mặn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp quản lý độ mặn hiệu quả.

5.2. Tối ưu hóa tưới tiêu để giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn

Tưới tiết kiệm và tối ưu hóa tưới tiêu là các biện pháp quan trọng để giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn đến năng suất lúa. Các kỹ thuật như tưới nhỏ giọt, tưới phun mưa và tưới theo nhu cầu của cây trồng có thể giúp giảm lượng nước sử dụng và giảm nguy cơ xâm nhập mặn. Hiệu quả sử dụng nước có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các hệ thống tưới tiên tiến và quản lý nước tưới hiệu quả.

VI. Kết Luận và Kiến Nghị Hướng Đến Nông Nghiệp Bền Vững

Nghiên cứu này đã thành công trong việc ứng dụng mô hình AquaCrop để đánh giá tác động xâm nhập mặn đến năng suất lúa tại huyện Long Phú. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp thích ứng xâm nhập mặn và đảm bảo nông nghiệp bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Cần có thêm các nghiên cứu về giống lúa chịu mặn và các kỹ thuật canh tác phù hợp để bảo vệ năng suất lúa và sinh kế của người dân.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ý nghĩa khoa học thực tiễn

Nghiên cứu đã định lượng được tác động của xâm nhập mặn đến năng suất lúa tại huyện Long Phú thông qua mô hình AquaCrop. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc xây dựng các chính sách và biện pháp thích ứng xâm nhập mặn cho vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Nghiên cứu trường hợp Long Phú cung cấp các bài học kinh nghiệm quý giá cho các vùng ven biển khác đang đối mặt với thách thức xâm nhập mặn.

6.2. Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo và chính sách hỗ trợ

Cần có thêm các nghiên cứu về giống lúa chịu mặn và các kỹ thuật canh tác phù hợp để bảo vệ năng suất lúa trong điều kiện xâm nhập mặn. Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ người dân trong việc thích ứng xâm nhập mặn, bao gồm cung cấp thông tin, hỗ trợ kỹ thuật và tài chính. Nông nghiệp bền vững cần được ưu tiên phát triển để đảm bảo an ninh lương thực và bảo vệ môi trường trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang đặt ra thách thức sống còn đối với nền nông nghiệp Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tại các vùng hạ lưu ven biển. Theo các kịch bản biến đổi khí hậu, nếu mực nước biển dâng cao thêm 1 m, khoảng 43,7% diện tích tự nhiên của tỉnh Sóc Trăng sẽ bị ngập, tác động trực tiếp đến hơn 450.000 người dân, tương đương 35% tổng dân số toàn tỉnh. Huyện Long Phú với diện tích 691 km2 và địa hình thấp trũng ven sông Hậu (cao trình phổ biến từ 1,2 m đến 2,0 m) là một trong những điểm nóng chịu tác động gay gắt nhất của hiện tượng xâm nhập mặn trong mùa khô.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán định lượng tác động của độ mặn trong nước tưới và nước ngầm đến sinh trưởng, năng suất của giống lúa OM5451 vụ Đông Xuân tại xã Tân Quy A, huyện Long Phú. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là ứng dụng mô hình toán nông học AquaCrop do Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) phát triển để mô phỏng chính xác phản ứng của cây lúa dưới các mức độ nhiễm mặn khác nhau; đồng thời dự báo biến động năng suất lúa theo các kịch bản phát thải khí nhà kính B1, B2 và A2 trong các giai đoạn từ năm 2020 đến năm 2050.

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng với độ tin cậy cao, xác lập các ngưỡng chịu mặn tới hạn và xây dựng gói giải pháp kỹ thuật canh tác tiết kiệm nước thích ứng hiệu quả với biến đổi khí hậu, phục vụ đắc lực cho chiến lược tái cơ cấu ngành nông nghiệp tỉnh Sóc Trăng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng khung lý thuyết cân bằng nước và bốc thoát hơi nước theo tiêu chuẩn FAO kết hợp lý thuyết sinh lý cây trồng chịu mặn. Mô hình AquaCrop phát triển dựa trên nguyên lý tách quá trình bốc thoát hơi nước (ET) thành bốc hơi từ mặt đất (E) và thoát hơi nước qua tán lá cây (Tr), đồng thời chuyển đổi sinh khối tích lũy (B) thành năng suất kinh tế (Y) thông qua chỉ số thu hoạch (Harvest Index - HI) theo phương trình hàm số chuẩn: Y = HI x B.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm:

• Độ che phủ tán lá (Canopy Cover - CC): Thông số phản ánh sự phát triển diện tích bề mặt lá và tiến trình khép tán của quần thể cây trồng theo thời gian thực.
• Hiệu suất sử dụng nước (Water Productivity - WP): Tỷ lệ giữa lượng sinh khối khô tạo thành trên một đơn vị thể tích nước thoát hơi qua cây trồng.
• Độ dẫn điện của dung dịch đất và nước (Electrical Conductivity - EC): Đơn vị đo độ mặn tính bằng dS/m, phản ánh nồng độ muối hòa tan ảnh hưởng đến thế thẩm thấu của rễ cây.
• Hệ số thấm bão hòa (Ksat): Chỉ số đánh giá tốc độ chuyển động của nước qua phẫu diện đất trong điều kiện bão hòa theo phân loại O'Neal.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa nguồn gồm: chuỗi số liệu khí tượng quan trắc ngày tại trạm Sóc Trăng (nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp, lượng mưa, bức xạ mặt trời, độ ẩm trung bình 83%, lượng bốc thoát hơi tham chiếu ETo tính theo phương pháp FAO Penman-Monteith); số liệu lý hóa phẫu diện đất sét mặn tại xã Tân Quy A; và số liệu thực nghiệm đồng ruộng chi tiết vụ Đông Xuân.

Thí nghiệm đồng ruộng được thiết kế theo khối ngẫu nhiên hoàn toàn (RCBD) trên quy mô 2 công thức so sánh đại diện:

• Công thức canh tác cải tiến (AWD): Mật độ sạ 120 kg/ha, bón phân cân đối 90 N + 39 P2O5 + 30 K2O kết hợp 500 kg CaO/ha trước khi làm đất, áp dụng quy trình tưới khô ướt xen kẽ với chu kỳ 13 ngày/lần (mực nước 4-6 cm, chỉ tưới bổ sung khi nước ruộng rút xuống mức -15 cm qua ống đo chuyên dụng).
• Công thức canh tác truyền thống: Mật độ sạ 200 kg/ha, bón phân 120 N + 60 P2O5 + 30 K2O, chu kỳ tưới định kỳ 8 ngày/lần (mực nước duy trì 5-10 cm).

Phương pháp phân tích mô hình hóa bằng AquaCrop được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng chi tiết độ mặn đất và nước ngầm. Quá trình kiểm định và phân tích độ nhạy của mô hình được đánh giá nghiêm ngặt qua các chỉ số thống kê gồm hệ số xác định R2 (yêu cầu đạt trên 0,5), căn bậc hai sai số trung bình bình phương (RMSE), sai số chuẩn hóa (NRMSE) và hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe (EF).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình vận hành và kiểm định mô hình AquaCrop cho thấy độ tương thích vượt trội giữa số liệu mô phỏng và số liệu thực nghiệm với hệ số xác định R2 đạt trên 0,85 và chỉ số sai số chuẩn hóa NRMSE duy trì dưới mức 10%. Các phát hiện định lượng chính bao gồm:

Thứ nhất, độ mặn nước tưới gia tăng gây suy giảm nghiêm trọng đến sinh khối và năng suất hạt. Khi độ dẫn điện của nước tưới tăng từ mức đối chứng lên 4 dS/m, 8 dS/m và 12 dS/m, năng suất lúa OM5451 sụt giảm tương ứng khoảng 12,5%, 24,8% và trên 38,2% so với điều kiện tưới nước ngọt.

Thứ hai, mực nước ngầm và độ mặn nước ngầm có mối tương quan nghịch rõ rệt với năng suất lúa. Ở độ sâu mực nước ngầm nông dưới 0,5 m kết hợp độ mặn nước ngầm từ 8 đến 12 dS/m, lượng muối tích lũy tầng mặt do mao dẫn tăng nhanh, khiến sinh khối cây lúa suy giảm từ 18% đến 32%.

Thứ ba, quy trình canh tác cải tiến chứng minh tính ưu việt vượt bậc khi giúp tiết kiệm từ 22% đến 28% tổng lượng nước tưới trong toàn vụ, giảm 40% lượng giống gieo sạ (từ 200 kg/ha xuống 120 kg/ha) và giảm mức độ tổn thất năng suất từ 7% đến 15% so với tập quán canh tác truyền thống dưới cùng một mức áp lực mặn.

Thứ tư, theo các kịch bản biến đổi khí hậu B1, B2 và A2 trong giai đoạn 2020-2050, nhiệt độ mùa khô tại Sóc Trăng dự báo tăng từ 0,3°C đến 1,2°C trong khi lượng mưa mùa khô giảm từ 1,4% đến 7,7%, làm gia tăng nguy cơ giảm năng suất lúa từ 6,5% (kịch bản B1) lên tới trên 16,8% (kịch bản A2).

Thảo luận kết quả

Cơ chế suy giảm năng suất lúa dưới tác động của mặn xuất phát từ áp suất thẩm thấu dung dịch đất tăng cao, cản trở hệ rễ hấp thu nước và khoáng chất, đồng thời sự tích tụ độc chất của các ion Na+ và Cl- phá vỡ cấu trúc lục lạp, ức chế quá trình quang hợp và phân hóa đòng. Dữ liệu thực nghiệm khi được biểu diễn qua biểu đồ phân tán (scatter plot) và ma trận tương quan đa biến giữa độ mặn nước tưới - độ sâu nước ngầm - năng suất thực tế đã chứng minh rõ xu hướng suy thoái tuyến tính của chỉ số thu hoạch HI khi độ mặn vượt ngưỡng 4 dS/m.

Khi so sánh với các nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) và các báo cáo ngành nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long, kết quả mô phỏng từ AquaCrop hoàn toàn tương đồng về quy luật suy giảm năng suất (khoảng 10% cho mỗi độ tăng nhiệt độ kết hợp áp lực hạn mặn). Điều này khẳng định việc áp dụng mô hình toán học là giải pháp thay thế hiệu quả cho các khảo nghiệm đồng ruộng tốn kém, cho phép dự báo chính xác diễn biến mùa vụ trong tương lai dài hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

Trên cơ sở kết quả mô phỏng và thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể nhằm bảo vệ sản xuất lúa bền vững tại huyện Long Phú:

1. Chuyển đổi triệt để sang quy trình kỹ thuật tưới khô ướt xen kẽ (AWD): Triển khai lắp đặt ống nhựa đo mực nước ruộng có đục lỗ (đường kính 100 mm, sâu 20 cm) tại 100% các ô ruộng để nông dân theo dõi ngưỡng rút nước -15 cm trước khi bơm tưới lại; mục tiêu tiết kiệm 25% lượng nước tưới và giảm chi phí nhiên liệu bơm tát; hoàn thành chuyển giao kỹ thuật trong giai đoạn 2024-2026 do Trạm Khuyến nông và Phòng Nông nghiệp huyện Long Phú chủ trì.

2. Cải tạo nền đất và tối ưu hóa chế độ dinh dưỡng: Áp dụng bắt buộc biện pháp bón lót vôi bột CaO với định lượng 500 kg/ha trước khi làm đất để hạ phèn, đẩy ion Na+ ra khỏi phức hệ hấp thu; giảm lượng phân đạm bón thừa xuống mức chuẩn 90 kg N/ha kết hợp các dạng phân bón chậm tan (Urea 46A+, DAP 46P+); thực hiện ngay từ vụ Đông Xuân tới bởi các Hợp tác xã nông nghiệp.

3. Hiện đại hóa hệ thống quan trắc và vận hành công trình thủy lợi: Lắp đặt mạng lưới cảm biến đo độ mặn tự động tại các cống đầu mối tiếp giáp sông Hậu, đóng cống triệt để khi độ mặn ngoài sông vượt quá 2 dS/m và vận hành lấy nước ngọt bổ sung vào các kỳ triều thấp; hoàn thành nâng cấp hạ tầng vào năm 2027 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Sóc Trăng điều hành.

4. Tái cơ cấu lịch thời vụ và chuyển đổi mô hình kinh tế: Dịch chuyển lịch gieo sạ vụ Đông Xuân sớm hơn từ 10 đến 15 ngày (bắt đầu từ tháng 10 dương lịch) để thu hoạch trước đỉnh mặn tháng 3; đồng thời quy hoạch chuyển đổi khoảng 15% đến 20% diện tích đất lúa nhiễm mặn nặng thường xuyên sang mô hình luân canh lúa - tôm sinh thái giai đoạn 2025-2030 dưới sự chỉ đạo của Ủy ban nhân dân huyện Long Phú.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Cán bộ quản lý nông nghiệp và hoạch định chính sách cấp tỉnh, huyện: Sử dụng kết quả dự báo năng suất theo các kịch bản B1, B2, A2 để xây dựng kế hoạch ứng phó biến đổi khí hậu và quy hoạch vùng sản xuất lúa an toàn.
• Kỹ sư thủy lợi và cán bộ quản lý tài nguyên nước: Ứng dụng các thông số cân bằng nước, lượng bốc thoát hơi tham chiếu ETo và tính toán lưu lượng tiêu thoát để vận hành tối ưu hệ thống cống đập ngăn mặn, giữ ngọt.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Nông học, Thủy văn: Tiếp cận phương pháp thiết lập tham số, quy trình chuẩn hóa và kiểm định mô hình AquaCrop trong mô phỏng tương tác đất - cây trồng - nước ngầm.
• Ban chủ nhiệm các Hợp tác xã nông nghiệp và nông dân canh tác lúa vùng ven biển: Áp dụng trực tiếp gói kỹ thuật sạ thưa 120 kg/ha, bón lót vôi tôi khử mặn và kỹ thuật tưới tiết kiệm nước qua ống đo mực nước để giảm 20-30% chi phí đầu vào.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình AquaCrop có điểm gì ưu việt hơn so với các mô hình cây trồng khác như DSSAT khi đánh giá đất nhiễm mặn? AquaCrop tích hợp sẵn mô đun mô phỏng vận chuyển muối và đáp ứng của cây trồng đối với độ mặn của cả nước tưới lẫn nước ngầm, điều mà mô hình DSSAT v4 chưa hỗ trợ đầy đủ. Hơn nữa, mô hình sử dụng chỉ số độ che phủ tán lá CC thay vì chỉ số diện tích lá LAI phức tạp, giúp giảm số lượng tham số đầu vào mà vẫn duy trì độ chính xác cao.

Giống lúa OM5451 chịu ảnh hưởng thế nào khi tưới nước có độ dẫn điện 8 dS/m? Khi độ dẫn điện nước tưới đạt mức 8 dS/m, năng suất thực tế của giống lúa OM5451 bị suy giảm khoảng 24,8% so với đối chứng nước ngọt. Cây lúa xuất hiện các triệu chứng cháy chóp lá, giảm số lượng chồi hữu hiệu và tỷ lệ hạt lép tăng trên 30% do stress thẩm thấu và ngộ độc ion.

Kỹ thuật tưới khô ướt xen kẽ AWD giúp tiết kiệm lượng nước tưới cụ thể là bao nhiêu? Thực nghiệm tại xã Tân Quy A chứng minh kỹ thuật tưới khô ướt xen kẽ kéo dài chu kỳ tưới lên 13 ngày/lần thay vì 8 ngày/lần như tập quán cũ, giúp giảm từ 22% đến 28% tổng lượng nước tưới toàn vụ (tương đương tiết kiệm khoảng 350-450 mm nước) mà không làm sụt giảm năng suất hạt.

Độ sâu mực nước ngầm ảnh hưởng như thế nào đến độ mặn tầng đất mặt ruộng lúa? Khi mực nước ngầm dâng cao cách mặt đất dưới 0,5 m trong điều kiện mùa khô nắng nóng, quá trình bốc hơi bề mặt thúc đẩy mao dẫn đưa các ion muối hòa tan từ nước ngầm lên tích tụ dày đặc ở tầng rễ lúa (0-20 cm), làm tăng độ mặn đất lên gấp 1,5 đến 2 lần so với khu vực có mực nước ngầm sâu hơn 1,0 m.

Theo kịch bản biến đổi khí hậu A2, năng suất lúa tại Long Phú sẽ biến động ra sao trong giai đoạn 2020-2030? Dưới kịch bản phát thải cao A2, nhiệt độ trung bình mùa khô tại Long Phú tăng thêm khoảng 0,4°C đến 0,6°C và lượng mưa mùa khô giảm trên 3,0%, dẫn đến xâm nhập mặn lấn sâu hơn vào nội đồng và làm năng suất lúa OM5451 giảm bình quân từ 8,5% đến 14,2% nếu giữ nguyên tập quán canh tác cũ.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy trình ứng dụng mô hình AquaCrop trong mô phỏng tương tác đất - nước - cây trồng cho giống lúa OM5451 với độ chính xác cao (R2 > 0,85, NRMSE < 10%).
• Nghiên cứu định lượng rõ mức độ suy giảm năng suất lúa từ 12,5% đến trên 38,2% tương ứng với các dải độ mặn nước tưới từ 4 dS/m đến 12 dS/m tại huyện Long Phú.
• Khẳng định tính ưu việt của biện pháp canh tác cải tiến (sạ 120 kg/ha, tưới AWD, bón vôi CaO) giúp tiết kiệm hơn 22% lượng nước tưới và giảm thiểu đáng kể tỷ lệ thiệt hại mùa vụ.
• Cung cấp bức tranh dự báo chi tiết về suy giảm năng suất lúa theo các kịch bản biến đổi khí hậu B1, B2, A2 giai đoạn 2020-2050, làm tiền đề cho quy hoạch nông nghiệp bền vững.
• Đề xuất đồng bộ gói giải pháp công trình và phi công trình thích ứng với xâm nhập mặn, bảo đảm an ninh lương thực và sinh kế lâu dài cho cộng đồng địa phương.

Đóng góp lớn nhất của công trình là việc chuẩn hóa bộ thông số đầu vào cho mô hình AquaCrop trên đất phèn mặn Đồng bằng sông Cửu Long, mở ra hướng ứng dụng công nghệ mô hình hóa trong quản lý tài nguyên nông nghiệp. Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 đến năm 2030, các địa phương cần đẩy mạnh mở rộng mô hình thực nghiệm và tích hợp bản đồ GIS để giám sát mặn theo thời gian thực. Hãy liên hệ với các đơn vị nghiên cứu nông nghiệp và cơ quan khuyến nông địa phương ngay hôm nay để nhận tài liệu chuyển giao quy trình canh tác lúa thông minh thích ứng biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến đổi trạng thái của khí hậu so với trung bình và làm lệch cả xu hướng của giá trị trung bình và/hoặc dao động của biến đổi khí hậu duy trì trong một khoảng thời gian dài, thường là vài thập kỷ hoặc dài hơn. BĐKH là do hoạt động của con người làm thay đổi thành phần của khí quyển hay trong khai thác sử dụng đất. Trong khí quyển, 78% là khí Nitơ, 21% là khí oxy và 1% là các khí khác.

Biến đổi khí hậu là vấn đề đang được cả thế giới quan tâm. Biến đổi khí hậu đã và đang tác động trực tiếp lên đời sống kinh tế - xã hội và môi trường toàn cầu. Nhiều nơi trên thế giới đã phải chịu nhiều thiên tai nguy hiểm như bão lớn, nắng nóng dữ dội, lũ lụt, hạn hán và khí hậu khắc nghiệt gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng con người và vật chất. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng nguyên nhân của biến đổi khí hậu chính là các hoạt động của con người tác động lên hệ thống khí hậu làm cho khí hậu biến đổi trong đó có các hoạt động về sản xuất nông nghiệp.

Hiện trạng diễn biến khí hậu trên thế giới Biến đổi khí hậu (BĐKH) đang diễn ra ngày càng nhanh và nhanh hơn dự đoán của con người [23]. BĐKH diễn ra theo một chu trình mà ở đó khí hậu chịu tác động mạnh mẽ của các hoạt động của trái đất, mối quan hệ giữa trái đất với hệ vũ trụ và đặc biệt là tác động của con người. Khi hoạt động của con người tăng, làm tăng phát thải khí nhà kính và làm cho quá trình diễn biến của khí hậu ngày càng nhanh hơn. 6 Biến đổi khí hậu Nhiệt độ thay đổi Lượng mưa thay đổi Nước biển dâng Thời tiết cực đoan Điều khiển khí hậu Tác động và tổn thương Tập trung và phát thải: Hệ sinh thái - Khí nhà kính Nguồn nước - Bụi (Aerosols) An ninh lương thực Định cư và trật tự xã hội Sức khỏe cộng đồng Phát triển kinh tế xã hội - Quản lý vĩ mô - Xóa mù chữ - Sức khỏe cộng đồng - Công bằng xã hội - Công nghệ - Dân số - Phát triển sản xuất và xây dựng - Hoạt động văn hóa xã hội Hình 1.

Ảnh hưởng của BĐKH và các biện pháp ứng phó Quan điểm thống nhất mang tính chất toàn cầu về BĐKH mang tính chu trình tương tác. Phát triển kinh tế xã hội, hoạt động gia tăng của con người là nguyên nhân gây nên phát thải khí nhà kính và tập trung cao độ mật độ bụi không gian, kết hợp với sự vận động của trái đất dẫn đến sự thay đổi về khí hậu. BĐKH gây tổn thương và tác động lên hệ sinh thái, con người và làm ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế xã hội. Chu trình này không diễn ra theo một chiều mà biến đổi càng trầm trọng bao nhiêu thì mức độ tác động và tổn thương càng nghiêm trọng và thiệt hại về kinh tế, xã hội càng lớn [22].

Theo ước tính của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), nhiệt độ tăng lên làm giảm năng suất cây trồng: ngô giảm từ 5-20% nếu nhiệt độ tăng lên 1,00C, giảm năng suất 60% nếu nhiệt độ tăng lên 40C. Kết quả của Viện nghiên cứu Lúa quốc tế (IRRI) cho thấy, năng suất lúa cũng giảm 10% đối với mỗi 1,00C tăng 7 lên. Nhiệt độ tăng làm gia tăng bốc hơi và nhu cầu nước của cây trồng (theo IPCC nhiệt độ tăng lên 1,00C thì nhu cầu nước tưới sẽ tăng lên 10%). Theo báo cáo đánh giá của IPCC năm 2007, nhiệt độ trung bình trên toàn cầu đã tăng lên khoảng 0,740C trong thời kỳ 1906 – 2005.

Mực nước biển trong thời kỳ 1963 – 2003 đã tăng lên 1,8mm/năm, giai đoạn 1993 – 2003 tăng 3,7 mm/năm. Trong đó, IPCC và các quốc gia trên thế giới đều dự báo rằng mực nước biển tiếp tục tăng trong những thập kỷ tiếp theo [23]. Nhiệt độ tăng lên, làm tăng sự bốc hơi, thoát hơi nước bề mặt dẫn đến thay đổi đột xuất về lượng mưa. Nhiệt độ tăng làm trái đất nóng lên dẫn đến hiện tương băng tan ở hai đầu cực.

Ở Bắc Cực băng tan nhanh dẫn đến nước biển dâng, các hiện tượng thời tiết cực đoan, bất thường. - Về nhiệt độ: Theo các kết quả đánh giá của IPCC trong các báo cáo kỹ thuật 3 và 4 cho thấy nhiệt độ trái đất tăng mạnh ở hầu hết các khu vực trên thế giới. Theo ước tính nhiệt độ toàn cầu tăng 0,740C trong giai đoạn 1906-2005; 1,280C giai đoạn 1956-2005 và được dự báo quá trình này còn tăng hơn nữa. Nhiệt độ thường tăng mạnh vào mùa nóng và có xu hướng giảm vào mùa đông làm tăng tính khắc nghiệt của thời tiết, đặc biệt là tại các vùng khó khăn.

Như vậy, những vùng bị tổn thương và có điều kiện khắc nghiệt BĐKH sẽ ngày càng trầm trọng hơn so với các vùng khác ( Hình 1. Diễn biến của nhiệt độ toàn cầu từ năm 1800-2007 Nguồn: Báo cáo kỹ thuật của IPCC, (2007) 8 - Băng tan và nước biển dâng: Nhiệt độ tăng lên làm cho băng ở vùng Bắc Cực tan nhanh. Theo kết quả nghiên cứu của IPCC cho thấy lượng băng che phủ Bắc cực giảm mạnh, trung bình trên 2,7 % mỗi thập kỷ, riêng mùa hè giảm 7,4%. Nhiều vùng trước đây được che phủ bằng lớp băng dày, nay đã suy giảm do lớp băng tan chảy dần [22].

Diễn biến mực nước biển dâng 1850-2000 (IPCC, 2007) Kết quả này cũng chỉ ra rằng, băng tan làm cho mực nước biển dâng ngày càng cao. Kết quả thống kế của IPCC (2007) và các cơ quan nghiên cứu của Mỹ, Úc cho thấy nước biển toàn cầu dâng trung bình 1.8mm/năm giai đoạn 1961-2003 và 3,1 mm/năm giai đoạn 1993-2003. Nước biển toàn cầu đã dâng 0,31 m trong một thế kỷ gần đây. IPCC và các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đều dự báo nếu mực nước biển tiếp tục tăng trong những thập kỷ tiếp theo thì nước gần bờ biển sẽ là các quốc gia chịu tác động nặng nề do nước biển dâng, trong đó có Việt Nam.

Hiện trạng diễn biến khí hậu tại Việt Nam Việt Nam là một trong những nước nằm trong khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai do ảnh hưởng của BĐKH. Các loại thiên tai như: bão, lũ lụt, hạn hán, lốc, rét hại, động đất, sạt lở đất, cháy rừng, xâm nhập mặn, biến đổi bờ biển, ô nhiễm môi trường,… Bảng 1.Phân vùng các loại thiên tai Số TT Vùng thiên tai Các thiên tai cơ bản 1 Vùng núi phía Bắc Lũ quét, lốc, lở đất, động đất, rét hại Lũ, dông, bão, áp thấp nhiệt đới, lốc, nước 2 Vùng đồng bằng sông Hồng dâng, xói lở bờ sông, bờ biển, rét hại; Vùng các tỉnh ven biển Lũ, bão, áp thấp nhiệt đới, lũ quét, hạn, xói 3 miền Trung lở bờ sông, bờ biển Vùng cao nguyên Trung Bộ Lũ, lũ quét, lốc, trượt đất, hạn, xói lở bờ 4 (Tây Nguyên) sông Vùng đồng bằng sông Cửu Lũ, hạn, xâm nhập mặn, xói lở bờ sông, bờ 5 Long biển Biến đổi khí hậu gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đất sử dụng cho nông nghiệp do nước biển dâng, hạn hán, lũ lụt, sạt lở đất, hoang mạc hóa làm mất diện tích đất nông nghiệp; làm thay đổi tính thích hợp của nền sản xuất nông nghiệp với cơ cấu khí hậu, tính phù hợp giữa các tập đoàn cây, con trên các vùng sinh thái đang bị triệt tiêu hoặc mất dần tính thích nghi, phù hợp; làm chậm đi quá trình phát triển nền nông nghiệp hiện đại sản xuất hàng hóa và đa dạng hóa, làm thay đổi nền nông nghiệp cổ truyền. Dưới sự tác động của BĐKH thiên tai ngày càng gia tăng, lũ lụt thường xuyên xảy ra, nước sông dâng lên, đỉnh lũ tăng cao gây khó khăn cho việc tiêu thoát nước, diện tích đất nông nghiệp bị ngập úng, xâm nhiễm mặn ngày một nhiều làm giảm năng suất và giảm chất lượng nông sản. BĐKH được Việt Nam quan tâm nhiều trong những năm gần đây bằng việc Chính phủ cam kết tham gia các công ước quốc tế về BĐKH, hội nghị cao cấp về BĐKH.

Tại Việt Nam, kịch bản về BĐKH và nước biển dâng đã được ban hành, 10 các văn bản hướng dẫn, khung chương trình về thích ứng với BĐKH. Khí hậu là tài nguyên vô giá đối với sản xuất nông nghiệp. Khí hậu là yếu tố quan trọng đối với quá trình sinh trưởng phát triển và hình thành năng suất cây trồng và năng suất thủy sản [15]. Do vậy, bất cứ thay đổi nào về khí hậu đều dẫn đến thay đổi về khả năng sinh trưởng, phát triển và làm thay đổi năng suất.

Hầu hết các nghiên cứu được tổng quan đều cho rằng tác động của BĐKH đối với sản xuất nông nghiệp thể hiện qua các khía cạnh: - Thay đổi năng suất cây trồng dẫn đến an ninh lương thực không được đảm bảo [15]. - Mất đất sản xuất do nhiều vùng bị cạn kiệt nhưng nhiều vùng lại bị ngập lụt, nước biển dâng [23] - Mất cân bằng sinh thái do suy giảm đa dạng sinh học [9] - Gây thiệt hại cơ sở vật chất, hạ tầng thủy lợi do các hiện tượng thời tiết cực đoan và khó dự báo [19] - Các rủi ro và tác động khác,… Ngành Nông nghiệp là ngành chịu tác động lớn nhất của BĐKH so với các ngành khác. Nước ta với địa hình phức tạp, bờ biển dài trong khi các vùng sản xuất nông nghiệp trọng điểm lại tập trung ở các vùng đồng bằng ven các hệ thống sông ngòi và ven biển. Khi nước biển dâng sẽ gây nên hiện tượng xâm lấn mặn, xói mòn rửa trôi, cạn kiệt dinh dưỡng và mất khả năng sản xuất [19].

Tác động của BĐKH làm suy giảm quỹ đất sử dụng cho ngành nông nghiệp do mặn hóa và ngập hóa, làm thay đổi khả năng thích nghi của các đối tượng nông nghiệp với điều kiện thời tiết khí hậu; thiên tai gây ảnh hưởng đến năng suất, sản lượng; thay đổi điều kiện tưới tiêu. Nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu Nhiều nhà khoa học trên thế giới đưa ra các nguyên nhân khác nhau về sự thay đổi của BĐKH. Nguyên nhân đầu tiên dẫn đến BĐKH là do sự vận động của trái đất nhưng nguyên nhân cuối cùng và đang hiện hữu chính là do hoạt động của con người.