Tổng quan nghiên cứu

Huyện Thạch An là địa bàn miền núi nằm ở phía Đông Nam tỉnh Cao Bằng với tổng diện tích tự nhiên 690,97 km² (tương đương 69.097,00 ha), trải dài trên 16 đơn vị hành chính cấp xã gồm 15 xã và 01 thị trấn. Địa hình toàn huyện phân hóa phức tạp và dốc nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam, tạo thành 3 vùng đặc thù gồm vùng núi đá, núi đất và các thung lũng hẹp với độ cao chênh lệch sâu từ 200 m tại Bản Luồng thuộc xã Thụy Hùng đến 1.009 m tại đỉnh núi Khuổi Moọng thuộc xã Quang Trọng. Tài nguyên rừng và đất lâm nghiệp chiếm vị trí áp đảo với 59.808,21 ha, tương đương trên 86,5% diện tích tự nhiên, song hiệu quả kinh tế nông lâm nghiệp vẫn còn nhiều hạn chế, sinh khối rừng chưa cao và sản xuất canh tác còn phụ thuộc phần lớn vào điều kiện tự nhiên.

Vấn đề cấp thiết đặt ra cho địa phương là tình trạng đất đai đồi núi dốc đối mặt với nguy cơ rửa trôi xói mòn mạnh mẽ, trong khi việc bố trí cơ cấu cây trồng chưa thực sự bám sát các đặc tính thổ nhưỡng lý hóa. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là ứng dụng công nghệ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) kết hợp quy chuẩn đánh giá đất đai của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) để xây dựng bản đồ đơn vị đất đai (LMU) tỷ lệ 1:50.000 và phân hạng mức độ thích hợp cho các loại hình sử dụng đất chính (LUT). Nghiên cứu được triển khai thực hiện trên toàn bộ phạm vi không gian huyện Thạch An trong mốc thời gian 2017 - 2018 dựa trên bộ cơ sở dữ liệu kiểm kê hiện trạng đất đai năm 2014 và số liệu thống kê cập nhật năm 2017.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc tạo lập cơ sở dữ liệu số hóa tin cậy, làm luận cứ vững chắc để chính quyền địa phương tái cơ cấu ngành nông nghiệp, hỗ trợ nâng cao giá trị sản xuất trồng trọt từ mức 32 triệu đồng/ha/năm lên các chỉ tiêu cao hơn và đóng góp duy trì tốc độ tăng trưởng kinh tế huyện đạt trên 13,0%/năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa hai nền tảng lý thuyết chủ đạo: khung đánh giá đất đai của FAO (1976, 1983, 1996) và lý thuyết quản trị dữ liệu không gian trong Hệ thống thông tin địa lý (GIS). Khung đánh giá đất FAO dựa trên nguyên tắc so sánh đối chiếu đa chiều giữa các đặc tính đất đai (Land Quality - LQ), tính chất đất đai (Land Characteristic - LC) với các yêu cầu sử dụng đất (Land Use Requirements - LUR) của từng cây trồng. Đồng thời, nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 8409:2012 về quy trình đánh giá đất đai phục vụ sản xuất nông nghiệp của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Các khái niệm cốt lõi được vận dụng bao gồm:

  • Đơn vị bản đồ đất đai (LMU): Vạt đất đồng nhất về các yếu tố tự nhiên và có sự phân biệt rõ ràng với các vùng lân cận.
  • Loại hình sử dụng đất (LUT): Phương thức khai thác đất đai cụ thể với các yêu cầu sinh thái và kỹ thuật canh tác xác định.
  • Hệ thống sử dụng đất (LUS): Sự kết hợp giữa một loại hình sử dụng đất với một đơn vị đất đai cụ thể.
  • Phân hạng thích hợp đất đai: Xác định 4 cấp độ thích hợp gồm S1 (Rất thích hợp), S2 (Thích hợp), S3 (Ít thích hợp) và N (Không thích hợp).

Mô hình nghiên cứu kết hợp chặt chẽ việc quản trị cơ sở dữ liệu dạng Vector và Raster trên nền tảng số, cho phép liên kết ma trận thuộc tính phi không gian với các đối tượng không gian địa lý chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Về nguồn dữ liệu và phạm vi mẫu, nghiên cứu kế thừa và xử lý toàn diện nguồn dữ liệu thứ cấp bao gồm: bản đồ đất huyện Thạch An tỷ lệ 1:50.000 năm 2009, bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2014, chuỗi số liệu quan trắc khí tượng với nhiệt độ trung bình năm 21,1°C - 22,5°C, lượng mưa trung bình năm 1.648,9 mm, độ ẩm không khí 81% - 84% và báo cáo thống kê kinh tế - xã hội năm 2017 của 16 xã, thị trấn.

Phương pháp chọn mẫu và khảo sát thực địa được tiến hành có trọng điểm tại các tiểu vùng sinh thái đại diện (núi đá vôi, núi đất và vùng thung lũng dốc tụ) để kiểm chứng ranh giới khoanh đất và đối chiếu hiện trạng canh tác. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích không gian bằng phần mềm chuyên dụng ArcGIS Desktop (ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox) là nhờ năng lực xử lý vượt trội, tự động hóa quá trình chồng xếp bản đồ đa lớp, chuyển đổi định dạng và giảm thiểu tối đa sai số cơ học so với phương pháp thủ công.

Quy trình kỹ thuật GIS thực hiện chuẩn hóa dữ liệu trên hệ tọa độ quốc gia VN-2000, tiến hành trích xuất và số hóa 05 lớp bản đồ đơn tính:

  1. Bản đồ loại đất: Phân loại các nhóm đất chính như đất phù sa ngòi suối, đất thung lũng dốc tụ, đất đỏ vàng trên đá sét, đất nâu vàng trên đá vôi, đất vàng nhạt trên đá cát.
  2. Bản đồ độ dốc: Phân chia 4 cấp độ dốc phù hợp điều kiện địa hình miền núi.
  3. Bản đồ độ dày tầng đất: Phân 3 cấp gồm trên 100 cm, 50 - 100 cm và dưới 50 cm.
  4. Bản đồ độ phì nhiêu: Đánh giá theo 3 cấp độ cao, trung bình và thấp dựa trên hàm lượng mùn, lân tổng số và phản ứng chua pH.
  5. Bản đồ chế độ tưới: Xác định 3 cấp độ gồm chủ động, bán chủ động và hoàn toàn nhờ nước trời.

Toàn bộ quá trình nghiên cứu, xử lý số liệu và biên tập bản đồ được hoàn thành trong khoảng thời gian từ tháng 03/2017 đến tháng 05/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã thành lập thành công bản đồ đơn vị đất đai huyện Thạch An tỷ lệ 1:50.000 thông qua thuật toán chồng xếp 05 lớp thông tin đơn tính trên ArcGIS, trích xuất được hệ thống các đơn vị đất đai mang đầy đủ thuộc tính thổ nhưỡng, địa hình và điều kiện thủy lợi.

Cơ cấu tài nguyên đất đai và kết quả phân hạng thích hợp cho các loại hình sử dụng đất chính phản ánh rõ nét đặc thù vùng núi:

  • Loại hình đất chuyên trồng lúa: Mức độ rất thích hợp (S1) và thích hợp (S2) chiếm tỷ lệ khoảng 4,5% diện tích tự nhiên, phân bố tập trung tại các vùng đất thung lũng dốc tụ và đất phù sa ngòi suối dọc lưu vực suối Minh Khai, suối Bản Cầu, suối Nà Ngườm, nơi có độ dày tầng đất trên 50 cm, độ dốc dưới 8° và hệ thống tưới chủ động.
  • Loại hình trồng rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày: Tổng diện tích thích hợp (S1, S2) chiếm khoảng 7,8% diện tích, phân bố trên các dải đất biến đổi do trồng lúa và đất nâu vàng trên đá vôi có độ dốc từ 3° đến 15°.
  • Loại hình trồng cây lâu năm và cây ăn quả: Diện tích thích hợp đạt trên 18,5% diện tích đất nông nghiệp, thích hợp nhất trên nhóm đất đỏ vàng biến đổi và đất feralit có tầng dày trên 50 cm, độ dốc dao động từ 8° đến 25°.
  • Loại hình nông lâm kết hợp và đất lâm nghiệp: Chiếm quỹ đất thích hợp vượt trội với hơn 59.808,21 ha, đạt trên 86,5% diện tích toàn huyện, tạo hành lang sinh thái bảo vệ nguồn nước và phát triển các loài cây lâm sản, lấy gỗ bản địa.

Năm 2017, giá trị sản xuất ngành nông - lâm - thủy sản của huyện đạt 521,12 tỷ đồng (gấp 1,94 lần so với mức 268,23 tỷ đồng năm 2010), sản lượng lương thực đạt 14.442 tấn với mức bình quân 464 kg/người/năm, khẳng định vai trò sống còn của việc sử dụng đất hợp lý.

Thảo luận kết quả

Sự phân bố các đơn vị đất đai thích hợp tại Thạch An chịu sự chi phối mạnh mẽ bởi địa hình dốc đứng và nguồn nước tưới tự nhiên. Khu vực có độ dốc trên 25° và tầng đất mỏng dưới 50 cm chiếm tỷ lệ cao tại các xã vùng cao như Quang Trọng, Minh Khai, trở thành yếu tố hạn chế nghiêm trọng nhất (mức N - Không thích hợp) đối với cây lương thực hàng năm nhưng lại là tiềm năng lớn cho phát triển rừng phòng hộ và nông lâm kết hợp.

Trong báo cáo phân tích không gian, toàn bộ nguồn dữ liệu được hệ thống hóa qua hệ thống bảng tổng hợp diện tích thích hợp của từng LMU đối với từng LUT và được trực quan hóa thông qua biểu đồ cơ cấu thích hợp đất đai dạng thanh ngang (Bar Chart) và biểu đồ phân bố tỷ lệ % diện tích S1, S2, S3, N. Cùng với đó, các sơ đồ phân vùng không gian trên ArcGIS cung cấp cái nhìn trực quan, giúp các nhà hoạch định chính sách nhận diện chính xác ranh giới từng vạt đất có tiềm năng chuyển đổi.

Khi so sánh với các nghiên cứu đánh giá đất tại huyện Võ Nhai và huyện Đồng Hỷ (tỉnh Thái Nguyên), kết quả tại Thạch An cho thấy sự tương đồng cao về phương pháp tích hợp chỉ tiêu đơn tính, nhưng nổi bật hơn nhờ việc phân cấp gộp chỉ tiêu độ dốc và tầng dày đất bám sát thực tiễn canh tác miền núi cao Cao Bằng, từ đó nâng cao độ chính xác trong phân vùng quy hoạch cây trồng đặc sản.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả xây dựng bản đồ đơn vị đất đai và phân hạng thích hợp, đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng đất tại huyện Thạch An:

Thứ nhất, chuyển đổi cơ cấu cây trồng theo bản đồ thích hợp đất đai: Ủy ban nhân dân huyện Thạch An và Phòng Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cần chủ trì rà soát, chuyển đổi khoảng 1.500 ha đến 2.000 ha đất trồng màu kém hiệu quả và đất nương rẫy độ dốc cao sang trồng cây ăn quả đặc sản, cây công nghiệp lâu năm và cây dược liệu dưới tán rừng trong giai đoạn 2018 - 2025. Mục tiêu nâng giá trị sản xuất bình quân trên 1 ha đất canh tác từ 32 triệu đồng/ha/năm lên đạt ngưỡng 50 - 60 triệu đồng/ha/năm.

Thứ hai, nâng cấp hạ tầng thủy lợi và cải tạo đất dốc tụ: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Cao Bằng phối hợp cùng Ủy ban nhân dân huyện Thạch An bố trí nguồn vốn công kiên cố hóa 45 km kênh mương thủy lợi tại các thung lũng dọc suối Nà Ngườm và suối Nặm Nàng giai đoạn 2020 - 2024, nâng tỷ lệ đất lúa được cấp nước tưới chủ động từ mức 35% hiện tại lên trên 65%, bảo đảm an ninh lương thực đạt trên 15.000 tấn/năm.

Thứ ba, chuẩn hóa và số hóa cơ sở dữ liệu đất đai trên nền tảng GIS: Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Thạch An tiếp nhận, cập nhật định kỳ cơ sở dữ liệu bản đồ đơn vị đất đai tỷ lệ 1:50.000 theo chu kỳ 5 năm (giai đoạn 2020 - 2025), tích hợp dữ liệu số hóa vào hệ thống quản lý đất đai cấp tỉnh theo chuẩn tọa độ VN-2000 phục vụ công tác giao đất, cho thuê đất và lập quy hoạch sử dụng đất cấp huyện.

Thứ tư, đẩy mạnh giao khoán và phát triển kinh tế lâm nghiệp bền vững: Hạt Kiểm lâm huyện Thạch An cùng chính quyền 16 xã, thị trấn hoàn thành công tác giao khoán bảo vệ toàn bộ 59.808,21 ha đất lâm nghiệp cho các hộ gia đình và cộng đồng thôn bản trước năm 2025, kết hợp triển khai các biện pháp canh tác đất dốc bền vững (SALT) nhằm giữ vững độ che phủ rừng trên 86,5% và hạn chế tối đa xói mòn rửa trôi đất mặt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu sắc, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Cán bộ quản lý nhà nước tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Phòng Tài nguyên và Môi trường cấp huyện: Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn xác và bộ số liệu thực chứng để xây dựng quy hoạch sử dụng đất cấp huyện giai đoạn 2021 - 2030, lập kế hoạch chuyển đổi cơ cấu cây trồng nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu trên địa bàn 16 xã, thị trấn.

Các kỹ sư trắc địa, chuyên viên tư vấn quy hoạch bản đồ đất đai: Nắm bắt toàn diện quy trình kỹ thuật số hóa, trích xuất và chồng xếp 05 bản đồ đơn tính trên phần mềm ArcGIS Desktop, tạo tiền đề xây dựng các bản đồ đơn vị đất đai đạt chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 8409:2012 cho các dự án điều tra đất cấp tỉnh và huyện.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Quản lý đất đai, Khoa học đất, Nông nghiệp và Địa lý tài nguyên: Nguồn tài liệu tham khảo giá trị trong nghiên cứu học thuật về tích hợp GIS trong phân loại đất, mô hình hóa dữ liệu không gian và đánh giá thích ứng sinh thái của cây trồng tại vùng trung du miền núi phía Bắc.

Các doanh nghiệp nông nghiệp, hợp tác xã và nhà đầu tư trang trại: Khai thác bản đồ phân vùng thích hợp để đưa ra quyết định đầu tư chính xác vào các vùng trồng cây ăn quả, cây dược liệu và nông lâm kết hợp quy mô từ 20 ha đến 100 ha tại Cao Bằng nhằm tối ưu hóa chi phí cải tạo đất và tăng tỷ suất sinh lời.

Câu hỏi thường gặp

Ưu điểm nổi bật của việc ứng dụng công nghệ GIS trong xây dựng bản đồ đơn vị đất đai là gì? Công nghệ GIS cho phép tự động hóa quá trình chồng xếp 05 bản đồ đơn tính, loại bỏ hoàn toàn các sai số thủ công và liên kết dữ liệu không gian với bảng thuộc tính thổ nhưỡng chi tiết. Điều này giúp xử lý chính xác 69.097 ha diện tích tự nhiên của huyện Thạch An, rút ngắn trên 60% thời gian biên tập bản đồ và dễ dàng truy vấn, cập nhật dữ liệu định kỳ.

Năm chỉ tiêu đơn tính nào được lựa chọn để xây dựng bản đồ đơn vị đất đai tại huyện Thạch An? Nghiên cứu lựa chọn 05 chỉ tiêu then chốt gồm: loại đất thổ nhưỡng (phản ánh lý hóa tính), độ dốc địa hình (4 cấp), độ dày tầng đất (3 cấp: trên 100 cm, 50 - 100 cm, dưới 50 cm), độ phì nhiêu của đất (3 cấp: cao, trung bình, thấp) và chế độ nước tưới (3 cấp: chủ động, bán chủ động, nước trời). Đây là các yếu tố quyết định năng suất của 5 loại hình sử dụng đất chính.

Phương pháp đánh giá đất của FAO kết hợp TCVN 8409:2012 có điểm gì khác biệt so với cách đánh giá truyền thống? Khác với phương pháp truyền thống chỉ dựa trên năng suất thực tế hoặc độ phì tự nhiên, phương pháp FAO kết hợp TCVN 8409:2012 đối chiếu trực tiếp giữa yêu cầu sinh thái của cây trồng với chất lượng đất đai trong mối quan hệ bền vững về môi trường và hiệu quả kinh tế, phân định 4 cấp thích hợp định lượng từ rất thích hợp (S1) đến không thích hợp (N).

Loại đất nào tại huyện Thạch An có tiềm năng phát triển cây ăn quả và cây công nghiệp lâu năm nhất? Nhóm đất đỏ vàng biến đổi và đất feralit trên đá sét có tầng dày từ 50 cm đến trên 100 cm, phân bố tại các sườn đồi có độ dốc từ 8° đến 20° là vùng đất có tiềm năng cao nhất (cấp S1 và S2). Khu vực này có khả năng giữ ẩm tốt và độ phì trung bình, rất thuận lợi cho cây ăn quả đặc sản và cây lâm sản có giá trị kinh tế.

Kết quả đánh giá đất đai hỗ trợ như thế nào cho mục tiêu nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp của huyện? Dữ liệu phân hạng thích hợp đất đai chỉ ra chính xác các vạt đất nông nghiệp kém hiệu quả cần chuyển đổi và các tiểu vùng thung lũng cần ưu tiên kiên cố hóa thủy lợi. Việc bố trí đúng cây trồng trên đúng đơn vị đất đai thích hợp giúp tối ưu hóa chi phí phân bón, nâng giá trị thu hoạch từ 32 triệu đồng/ha lên trên 58,9 triệu đồng/ha đối với đất trồng trọt.

Kết luận

  • Xây dựng thành công cơ sở dữ liệu không gian số hóa và hệ thống 05 bản đồ đơn tính huyện Thạch An trên phần mềm ArcGIS Desktop theo hệ quy chiếu quốc gia VN-2000.
  • Thành lập bản đồ đơn vị đất đai tỷ lệ 1:50.000, phân định cụ thể các khoanh đất đồng nhất về thổ nhưỡng, địa hình và điều kiện cấp nước trên toàn bộ diện tích 690,97 km².
  • Đánh giá định lượng mức độ thích hợp cho 5 loại hình sử dụng đất chính (lúa nước, rau màu/công nghiệp ngắn ngày, cây lâu năm, nông lâm kết hợp, lâm nghiệp) theo chuẩn FAO và TCVN 8409:2012.
  • Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để bảo vệ và phát triển bền vững 59.808,21 ha đất lâm nghiệp, đồng thời chuyển đổi cơ cấu cây trồng nâng cao thu nhập cho người dân.
  • Hoàn thiện hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, hạ tầng thủy lợi và chính sách quản lý đất đai đồng bộ định hướng thực hiện trong giai đoạn 2018 - 2025.

Công trình là tài liệu khoa học thiết yếu phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất cấp huyện. Các nhà quản lý và chuyên gia quy hoạch hãy ứng dụng ngay bộ bản đồ đơn vị đất đai này để đưa ra những quyết sách phân vùng nông lâm nghiệp chính xác và bền vững nhất cho địa phương.