Tác động của sử dụng đất, khí hậu thời tiết đến dòng chảy và xói mòn tại lưu vực đồng cao

97 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 TÁC ĐỘNG CỦA SỬ DỤNG ĐẤT, KHÍ HẬU THỜI TIẾT ĐẾN DÒNG CHẢY VÀ XÓI MÒN TẠI LƯU VỰC ĐỒNG CAO Phạm Đình Rĩnh1, Trần Đức Toàn1, Nguyễn Duy Phương1, Đỗ Duy Phái1, Didier Orange2, Jean Luc Meaght3, Olivier Ribolzi3, C. Valentin3 TÓM TẮT Thay đổi sử dụng đất trong hoạt động sản xuất nông nghiệp và lượng mưa bất thường là nguyên nhân làm tăng/ giảm hệ số dòng chảy mặt và xói mòn đất trên đất dốc. Mục tiêu của nghiên cứu này đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất và biến đổi khí hậu đến dòng chảy mặt và xói mòn trên quy mô lưu vực (50 ha) trong thời gian liên tục (từ 2001 đến 2017). Kết quả cho thấy thay đổi sử dụng đất từ sắn thuần đến cỏ Brachacia, trồng rừng và bỏ hóa lâu năm đã ảnh hưởng đến hệ số dòng chảy theo hướng giảm dần từ 68% đến 30% xuống còn 20% và làm giảm lượng xói mòn từ 9,14 tấn/ha/năm (sắn) đến 4 tấn/ha/năm (cỏ Brachacia) và còn khoảng 2 tấn/ha/năm khi sử dụng đất của lưu vực là rừng trồng và rừng tái sinh. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của những trận mưa bất thường đến xói mòn là rất nghiêm trọng khi mà lượng xói mòn của một trận mưa bất thường bằng hơn 1 nửa tổng lượng đất xói mòn của năm nghiên cứu. Từ khóa : Xói mòn đất, thay đổi sử dụng đất, nông lâm kết hợp, lưu vực, đất dốc, lượng mưa 1 Viện Thổ nhưỡng Nông hóa ; 2 Sinh thái và Đất- Viện Nghiên cứu Phát triển, Pháp 3 Đơn vị nghiên cứu sinh thái môi trường Paris- Viện Nghiên cứu Phát triển, Pháp I. ĐẶT VẤN ĐỀ Những thay đổi nhanh chóng về canh tác nông nghiệp trên đất dốc ở vùng Đông Nam Á nhằm đáp ứng nhu cầu lương thực do áp lực gia tăng dân số đã làm cho đất ngày càng trở lên thoái hóa (Fox and Vogler, 2005 ; Bruijnzeel, L.A., 2004). Nghiên cứu ở dạng ô thửa nhỏ ở vùng Đông Nam Á, một số tác giả chỉ ra mức độ xói mòn ở vùng Thái Lan, Lào và Việt Nam là rất mạnh bởi vùng này có lượng mưa tập trung, cường độ lớn (Sidle Ro. C et al., 2016  ; Hai An Phan Ha et al., 2012). Sự thay đổi về khí hậu ngày càng rõ rệt biểu hiện xuất hiện những trận mưa bất thường với lượng mưa lớn và cường độ mưa cao ngày càng nhiều (Phạm Đình Rĩnh và ctv., 2014). Đã có nhiều nghiên cứu về xói mòn đất trên đất dốc ở dạng ô thửa nhỏ, kết quả đất xói mòn này được tính toán trên diện tích lớn là không đại diện và chính xác vì đặc điểm của xói mòn là quá trình phân bố đất trên bề mặt (Phạm Đình Rĩnh và ctv., 2014). Nghiên cứu này nhằm chỉ ra được sự thay đổi sử dụng đất trong lưu vực và biến đổi khí hậu ảnh hưởng đên dòng chảy và xói mòn. Mục tiêu thu thập bộ số liệu quan trắc dài hạn liên tục về khí hậu, sử dụng đất, dòng chảy và xói mòn trên quy mô lưu vực. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu đất, quản lý sử dụng đất, và những nhà làm chính sách trong việc xây dựng chính sách quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất dốc theo hướng bền vững. II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng củasử dụng đất và biến đổi khí hậu đến hệ số dòng chảy mặt và xói mòn đất trong các giai đoạn sử dụng đất trên quy mô lưu vực. 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện tại lưu vực Đồng Cao, xã Tiến Xuân, huyện Thạch Thất, Hà nội, diện tích nghiên cứu của lưu vực là 50 ha được chia thành 4 tiểu lưu vực (TLV) và lưu vực chính (LVC), độ dốc trung bình của lưu vực dao động từ 15% - 45% (Hình 1). 2.2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Vật liệu nghiên cứu - Đất: Đất đỏ vàng biến đổi trên đá phiến thạch sét tại thôn Đồng Cao, xã Tiến Xuân, huyện Thạch Thất, Hà Nội. - Cây trồng: TLV1: Trồng sắn đến năm 2001, trồng keo (2002 - 2007) sau đó bỏ hóa. TLV2: Trước năm 2003 trồng sắn; giai đoạn 2003 - 2005 trồng cỏ chăn nuôi (Bracaria Juzisiensis) kết hợp trồng xen cây rừng trám, táu. Từ năm 2006 tiếp tục trồng rừng (trám, táu, keo). TLV3: Năm 2001 - 2002 sắn thuần. Từ năm 2003 keo xen sắn (nông lâm kết hợp). TLV4: Rừng tự nhiên xen cây bụi (hoàn toàn ở trạng thái tự nhiên). Thiết bị quan trắc: Mỗi tiểu lưu vực và lưu vực chính đều được xây dựng một đập quan trắc, trên mỗi đập quan trắc đều có các thiết bị quan trắc như máy ghi mực nước, máy lấy mẫu tự động (Hình 2). 98 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 Hình 2. Thiết bị nghiên cứu a) Đập hứng xói mòn; b) Máy ghi mực nước; c) Máy lấy mẫu tự động; d) Trạm khí tượng Hình 1. Sơ đồ vị trí TLV và LVC a b c d 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các thông số khí hậu thời tiết: Lượng mưa, cường độ mưa, nhiệt độ, độ ẩm không khí, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, được đo bằng trạm khí tượng tự động đặt tại lưu vực nghiên cứu (Phần d Hình 2). - Nghiên cứu dòng chảy: Mỗi LVC và TLV được lắp bộ quan trắc mực nước phấn (b) hình 2. Thiết bị sẽ tự động ghi lại mực nước chảy qua đập hứng thông qua kích thước và của đập hứng để tính toán được tổng lượng nước ra của lưu vực. - Định lượng xói mòn: Được xác định thông qua quan trắc trực tiếp (đất trôi và huyền phù): Các đập hứng được xây dựng để quan trắc đo đếm lưu lượng nước và để hứng toàn bộ lượng đất trôi và lượng huyền phù qua từng lưu vực. Lượng đất trôi đọng lại tại đập hứng được cân đong đo đếm theo phương pháp cân trọng lượng đất trôi từng xô đất đối với những trận mưa có lượng đất trôi ít, đối với những trận mưa có lượng đất trôi nhiều được tính toán lượng đất trên một m3 và xác định cho toàn đập hứng. Lượng đất trôi được cân đo cho từng trận mưa và lấy mẫu xác định độ ẩm để xác định trọng lượng đất khô bị mất. Lượng huyền phù được xác định thông qua hệ thống lấy mẫu nước tự động theo mực nước (Phạm Đình Rĩnh và ctv., 2014). 2.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện từ năm 2001 đến 2017 tại lưu vực Đồng Cao, xã Tiến Xuân, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu điều kiện khí hậu và cây trồng trong lưu vực 3.1.1. Điều kiện khí hậu Kết quả quan trắc lượng mưa và cường độ mưa (Bảng 1) cho thấy lượng mưa thấp nhất là 1.052 mm 99 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 (năm 2002), lượng mưa cao nhất là 2.510 (năm 2001) và trung bình là 1.618 mm. Những năm lượng mưa có cường độ mưa cao đạt trên 75 mm/giờ là năm 2003; 2005; 2008, 2011; 2012, 2013, 2014 và 2017. Những năm lượng mưa có cường độ nhỏ hơn 25 mm/giờ tập trung nhiều và năm 2004; 2006; 2007 2009, 2015, 2016. Sự khác nhau này là nguyên nhân dẫn đến thay đổi về lượng nước chảy tràn và đất mất trong lưu vực (Bảng 1). Bảng 1. Lượng mưa phân theo cường độ mưa trong lưu vực nghiên cứu Năm Lượng mưa (mm) Cường độ mưa (mm/h) < 25 mm/h* (25 - 50) mm/h (< 50 - 75) mm/h > 75 mm/h 2001 2.510 --- --- --- --- 2002 1.052 257 248 202 345 2003 1.584 291 386 274 633 2004 1.353 518 594 188 54 2005 1.842 372 232 566 673 2006 1.242 295 189 291 467 2007 1.220 323 387 219 292 2008 1.842 372 232 566 673 2009 1.335 509 279 183 365 2010 1.263 160 241 617 245 2011 1.977 438 410 450 679 2012 1.570 460 350 280 480 2013 1.946 367 673 466 441 2014 1.519 370 282 349 519 2015 1.743 648 354 387 355 2016 1.392 459 357 352 224 2017 2.126 620 476 466 564 TB 1.618 410 355 372 425 Ghi chú: ---: không có số liệu; * < 25 mm/ giờ: cường độ xói mòn yếu; 25 - 50 mm/giờ: cường độ xói mòn yếu đến trung bình; 50 – 70 m/giờ: cường độ xói mòn mạnh; >75 mm/giờ: cường độ xói mòn rất mạnh (Norman Hudson, 1981). 3.1.2. Sử dụng đất trong lưu vực Cây trồng trong lưu vực thay đổi theo từng giai đoạn khác nhau và được chia ra thành 4 giai đoạn chính: Giai đoạn năm 2001 đến năm 2002 cây trồng chủ yếu là sắn thuần chiếm trên 50% tổng diện tích lưu vực (Hình 3), Giai đoạn thứ 2 (năm 2003 đến năm 2006) là giai đoạn diện tích sắn trong lưu vực bị giảm chỉ còn 7% diện tích lưu vực toàn bộ diện tích trồng sắn chuyển sanh trồng cỏ và và sắn xen keo. Giai đoạn thứ 3 từ năm 2007 đến năm 2011 diện tích trồng cỏ chuyển thành bỏ hóa và sắn xen keo cũng chuyển thành chuyên keo, diện tích cây hàng năm trồng cây ngô chỉ còn 3% và giai đoạn từ năm 2012 đến nay trong lưu vực chủ yếu là rừng trồng và bỏ hóa lâu năm (Hình 3). 3.2. Ảnh hưởng sử dụng đất và khí hậu đến xói mòn đất tại lưu vực Đồng cao 3.2.1 Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất, lượng mưa đến xói mòn tại các tiểu lưu vực Thí nghiệm nghiên cứu dài hạn cho xu hướng xói mòn phụ thuộc chủ yếu vào sử dụng đất và lượng mưa theo cường độ mưa (Hình 4). Ảnh hưởng rõ nhất là ở giai đoạn đầu 2001 - 2003 khi cây trồng trong lưu vực chiếm phần trăm lớn là sắn đại diện là tiểu lưu vực 1, TLV2 và TLV3 toàn bộ diện tích là trồng sắn, lượng xói mòn đất quan trắc được hơn 11 tấn/ha/năm. Năm 2002 mặc dù lượng mưa rất thấp (1200 mm) so với năm 2001 (2510 mm) nhưng lượng đất xói mòn thu được vẫn cao (6 tấn/ha/năm). Giai đoạn sau đó từ năm 2003 đến năm 2006 diện tích sắn chuyển đổi sang trồng cỏ, lượng đất xói mòn đã giảm xuống còn còn từ 2 - 4 tấn/ha/năm ngoại trừ năm 2003 có trận mưa bất thường vào đúng thời điểm người dân làm đất canh trồng cỏ lượng đất xói mòn thu được là 6 tấn/ha/năm. Giai đoạn tiếp theo từ năm 2007 đến năm 2011 diện tích trồng cỏ chuyển của lưu vực sang trồng rừng, xói mòn giảm xuống còn khoảng 2 tấn/ha/năm và giai đoạn tiếp từ năm 2012 đến năm 2017 cây trồng trong lưu vực ổn định rừng trồng phát triển và một diện tích bỏ hóa, những năm này lượng đất xói mòn ảnh hưởng lớn bởi lượng mưa và những trận mưa bất thường với lượng đất thu được từ 2 tấn/ha/năm đến 3 tấn/ha/ năm (Hình 4). Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đã làm giảm đáng kể xói mòn từ 12 tấn/ha/năm đến 2 tấn/ha/năm, khi thay đổi từ canh tác sắn sang trồng cỏ, rồi bỏ hóa lâu dài và trồng rừng, kết quả nghiên cứu tương đồng với nghiên cứu của (Nguyễn văn Dung và ctv., 2005) về ảnh hưởng của mưa và một số phương thức sử dụng đất đến xói mòn tại Đà Bắc Hòa Bình qua các thí nghiệm về sử dụng đất sắn, lúa nương, bỏ hóa và trồng rừng khi kết luận trồng rừng và bỏ hóa là hai hình thức làm giảm dòng chảy và xói mòn so với sắn và lúa nương, như vậy có thể kết luận ảnh hưởng của sử dụng đất đến xói mòn là rất đáng kể qua các hình thức sử dụng đất. 100 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 Hình 3. Cây trồng trong các giai đoạn nghiên cứu Hình 4. Ảnh hưởng của sử dung đất và lượng mưa đến xói mòn ở các tiểu lưu vực 101 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 3.2.2. Ảnh hưởng của những trận mưa bất thường với cường độ lớn đến xói mòn đất tại lưu vực Đồng Cao Kết quả nghiên cứu chứng minh cho thấy rằng, các trận mưa bất thường trong giai đoạn nghiên cứu đã ảnh hưởng rất lớn đến lượng đất mất thu được tại đập hứng xói mòn và lượng đất mất theo nước (huyền phù). Cường độ càng mạnh, lượng đất xói mòn càng lớn đặc biệt là lượng đất mất ở dạng huyền phù. Năm 2003 xuất hiện trận mưa lượng mưa kéo dài trong 2 ngày cường độ mưa là (220 mm/giờ) lượng đất huyền phù thu được hơn 4 tấn/ha/trận mưa và đất trôi thu được 0,5 tấn/ha/trận mưa trong khi tổng đất xói mòn của cả năm đạt 6 tấn/ha/năm. Năm 2008 có trận mưa với cường độ 125/mm/giờ, đất trôi thu được 0,2 tấn/ha/trận mưa và huyền phù thu được 0,9 tấn/ha/trận mưa, trong đó tổng lượng đất xói mòn của cả năm là 2,8 tấn/ha/năm và tương tự những trận mưa bất thường năm 2011, năm 2014 và 2017 cho thấy ảnh hưởng của nó là rất mạnh (Hình 5). Cũng nghiên cứu về xói mòn với những trận mưa bất thường, tác giả (Martinez Casasnovas. J et al., 2002) đã nghiên cứu trên ô thửa nhỏ, hình thức sử dụng đất là cây ngô. Tác giả kết luận là lượng đất xói mòn thu được là 207 tấn/ha/trận mưa có lượng mưa 190 mm và cường độ 170 mm/giờ. Điều này càng chứng minh xói mòn phụ thuộc chặt vào cường độ mưa và ảnh hưởng của nó là rất lớn, nghiêm trọng nó là tiền đề của việc gây sạt lở đất ở những vùng có độ dốc lớn. Hình 5. Mối quan hệ cường độ mưa đến đất trôi, huyền phù và xói mòn của các trận mưa bất thường 3.3. Ảnh hưởng sử dụng đất và khí hậu đến xói mòn và dòng chảy mặt trên toàn lưu vực Ảnh hưởng của sử dụng đất và khí hậu đến hệ số dòng chảy mặt và xói mòn cho thấy tác động rất rõ rệt của trồng sắn đến dòng chảy và xói mòn. Những năm đầu khi lưu vực được che phủ bởi cây sắn, hệ số dòng chảy mặt so với lượng mưa vào lưu vực là 68%, đất xói mòn là > 9 tấn/ha/năm (năm 2001). Lượng mưa năm 2002 thấp nhất trong các năm nghiên cứu (1.052 mm) nhưng hệ số dòng chảy và xói mòn vẫn tương đối cao (45% và 3,5 tấn/ha/năm tương ứng). Năm 2003 do ảnh hưởng của trận mưa bất thường với lượng mưa 362 mm và cường độ là 210 mm/giờ hệ số dòng chảy mặt và lượng đất xói mòn tăng lên so với năm 2002 (Hình 5). Những năm tiếp theo từ năm 2004 đến năm 2006 diện tích cây sắn giảm xuống và thay thế bởi các trồng cỏ bracachia và rừng, hệ số dòng chảy mặt giảm dần xuống 20 - 30% và lượng đất xói mòn cũng giảm đáng kể hẳn, dao động khoảng 2 - 3 tấn/ha/năm. Từ năm 2007 đến năm 2011 diện tích trồng cỏ không còn và thay thế bởi trồng rừng và bỏ hóa, hệ số dòng chảy và lượng đất xói mmonfcos chiều hướng giảm.Từ năm 2011 đến nay t trong lưu vực không còn canh táccây hàng năm thì hệ số dòng chảy giảm xuống dưới 10%/ha/ năm và xói mòn cũng giảm dần còn 1 - 2 tấn/ha/ năm. Kết quả nghiên cứu liên tục trong thời gian dài đã chứng minh sự thay đổi sử dụng đất trong lưu vực đã làm giảm đáng kể hệ sô dòng chảy và lượng đất xói mòn. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy, ngay cả khi hệ số che phủ là rừng và bỏ hóa lâu năm (hệ số che phủ cao) nhưng với sự thay đổi về khí hậu xuất hiện ngày càng nhiều những trận mưa bất thường có lượng mưa và cường độ mưa lớn thì hệ số dòng chảy và lượng đất xói mòn vẫn rất lớn, nó là tiền đề của việc sạt lở đất ở vùng đất dốc. 210 125 145 220 180 102 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 IV. KẾT LUẬN - Sự thay đổi sử dụng đất trong lưu vực đã ảnh hưởng mạnh đến dòng chảy mặt và xói mòn đất hơn là sự thay đổi lượng mưa, đặc biệt là sự thay đổi từ trồng sắn thuần sang trồng cỏ và rừng và bỏ hóa. - Sự thay đổi của khí hậu khi xuất hiện ngày càng nhiều những trận mưa bất thường có cường độ, lượng mưa lớn ảnh hưởng rất mạnh đến dòng chảy mặt và xói mòn trong lưu vực. Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù độ che phủ đất tăng lên khi lưu nhưng lượng đất xói mòn thu được trong trận mưa bất thường vẫn rất cao, và lượng đất xói mòn của trận mưa này chiếm hơn một nửa tổng lượng đất xói mòn thu được của năm nghiên cứu (năm 2003, năm 2008, năm 2011, năm 2014 năm 2017). LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin cảm ơn các tổ chức, đơn vị đã giúp đỡ kinh phí thực hiện nghiên cứu qua các giai đoạn: Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) từ 2001 đến 2003, Viện Nghiên cứu Nước Quốc tế (IWMI) từ 2004 đến 2010; Viện Nghiên cứu Phát triển Pháp (IRD) từ 2011 đến 2017. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Dung, Trần Đức Viên, Nguyễn Thanh Lâm, 2005. Ảnh hưởng của mưa và một số phương thức sử dụng đất đến xói mòn và thu nhập của người dân ở vùng đất dốc Tân Minh-Đà Bắc-Hoà Bình. Tạp chí Nông nghiệp và PTNT; Kỳ I Tháng 12, số 73; 36-38. Phạm Đình Rĩnh, Trần Đức Toàn, Nguyễn Duy Phương, Đỗ Duy Phái, Didier Organe, Christain Valentin, 2014. Ảnh hưởng của sự thay đổi phương thức canh tác đất trên đất dốc đến xói mòn đất và mất dinh dưỡng trên quy mô lưu vực. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam. ISSN 1859- 1558. No.4(43). Bruijnzeel, L.A., 2004. Hydrological functions of tropical forests: not seeing the soil for the trees? Agriculture, Ecosystems and Environment, Vol. 104, pp 185-228. Fox, J., & Vogler, J., 2005. Land- use and land-cover change in montane mainland Southeast Asia. Environmental Management, Vol. 36, pp. 394-403. Hai An Phan Ha, Huon S., Henry des Tureaux T., Orange D., Jouquet P., Valentin C., De Rouw A., Toan Tran Duc, 2012. Impact of fodder cover on runoff and soil erosion at plot scale in a cultivated catchment of North Vietnam. Geoderma, Vol. 16, pp 177-178. Martinez Casasnovas J; Ramos M; Ribes Dasi M 2002. Soil erosion caused by extreme rainfall events: mapping and quantification in agricultural plots from very detailed digital elevation models. Geoderma.Vol 105(1-2), pp 125-140. Norman Hudson, 1981. Effect of rainfall intensity on soil erosion level at different scale, using rainfall simulation in Brasil. Hydrology, Vol.18 pp 92-95. Sidle Ro.C and Alan D.Ziegle 2016. The canopy interception-landslide initiation conundrum: from a tropical secondary forest in Northern ThaiLand. Hydrology and Earth system sciences. Vol. 21, pp. 651-667. Hình 6. Ảnh hường của sử dụng đất và lượng mưa đến dòng chảy, xói mòn