Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu mô hình quản lý nước trong hệ thống canh tác tổng hợp vùng ngập lũ ĐBSCL để thích ứng với biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ ……o0o…… NGUY N V N TUY N NGHI N CỨU H NH QUẢN NƢỚC TRONG H THỐNG C NH TÁC TỔNG H P V NG NGẬP ĐỒNG ẰNG S NG CỬU ONG Đ TH CH ỨNG VỚI I N ĐỔI H HẬU LUẬN ÁN TI N SỸ NGÀNH I TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC Cần Thơ, 2017 HO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ I TRƢỜNG VÀ TÀI NGUY N THI N NHI N ……o0o…… NGUY N V N TUY N NGHI N CỨU H NH QUẢN NƢỚC TRONG H THỐNG C NH TÁC TỔNG H P V NG NGẬP ĐỒNG ẰNG S NG CỬU ONG Đ TH CH ỨNG VỚI I N ĐỔI H HẬU LUẬN ÁN TI N SỸ NGÀNH I TRƢỜNG ĐẤT VÀ NƢỚC CÁN Ộ HƢỚNG DẪN PGS.TS V N PHẠ TS PHẠ HO HỌC Đ NG TR V N TOÀN Cần Thơ, 2017 T TẮT Mục tiêu nghiên cứu đánh giá hiệu sử dụng nước để biết mơ hình canh tác trồng đem lại hiệu kinh tế cao điều kiện thiếu nước tưới Nghiên cứu thực thời gian năm (từ năm 2012 đến 2016) huyện Châu Phú, tỉnh An Giang Các nội dung nghiên cứu bao gồm: (1) Đánh giá tiềm đất đai tỉnh An Giang; (2) Đánh giá hiệu sử dụng nước cho màu đất lúa mơ hình thực nghiệm x V nh Thạnh Trung, huyện Châu Phú, tỉnh An Giang; và, (3) Xác định qui trình đánh giá hiệu sử dụng nước cho trồng khác tỉnh An Giang Để đánh giá đất đai tỉnh An Giang, nghiên cứu sử dụng phư ng pháp thu thập số liệu thứ cấp sở Tài nguyên Môi trường tỉnh An Giang (bản đồ đất, đồ ngập, đồ khả tưới/tiêu, đồ hành chính) sau xử lý số liệu phần mềm GIS (MapInfo - phiên 12.0) Nghiên cứu sử dụng phư ng pháp vấn nông hộ, để đánh giá hiệu sử dụng đất nông nghiệp dựa số tiêu tài bao gồm: lợi nhuận/chi phí (PCR) thu nhập/chi phí (BCR) Ngồi ra, phư ng pháp bố trí thí nghiệm ngồi thực địa thực để thu thập số liệu đất - nước - trồng phục vụ cho công tác hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tính tốn nước - trồng (AquaCrop - phiên 4.0) Phư ng pháp đánh giá hiệu sử dụng nước sử dụng theo công thức: Lợi nhuận/m3 nước sử dụng Xác định qui trình đánh giá hiệu sử dụng nước cho trồng khác tiến hành theo bước: (1) Xác định mục đích, phạm vi, điều kiện áp dụng qui trình; (2) Xây dựng lưu đồ thực công việc qui trình; và, (3) Mơ tả qui trình Kết đánh giá tiềm đất đai tỉnh An Giang cho thấy diện tích mức độ thích nghi cao (S1) kiểu sử dụng đất màu - màu với tổng diện tích 3.956 (chiếm 0,58%) Mức độ thích nghi S2 (mức thích nghi trung bình) cho kiểu sử dụng lúa - màu với tổng diện tích 306.305 ha, diện tích đất phù hợp cho sản xuất vụ màu 302.348 (chiếm 88,69 %) Kết khảo sát mơ hình canh tác vụ Đông - Xuân H - Thu năm 2012 cho thấy lợi nhuận nơng hộ mơ hình canh tác ớt vụ/năm có lợi nhuận cao (61,8 triệu đồng/ha/vụ), canh tác b p vụ/năm có lợi nhuận 21,9 triệu đồng/ha/vụ, canh tác lúa vụ/năm có lợi nhuận 18,4 triệu đồng/ha/vụ, canh tác lúa vụ/năm có lợi nhuận 14,5 triệu đồng/ha/vụ Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình canh tác vụ màu tiết kiệm 2.006 m3 nước/ha/năm, mơ hình canh tác vụ lúa - vụ màu tiết kiệm 1.036 m3 nước/ha/năm so với mơ hình canh tác vụ lúa Mơ hình canh tác vụ màu i đem lại hiệu kinh tế 12.896 đồng/m3 nước sử dụng, mơ hình canh tác vụ lúa – vụ màu đem lại hiệu kinh tế 3.958 đồng/m3 nước sử dụng, mơ hình canh tác vụ lúa đem lại hiệu kinh tế có 2.933 đồng/m3 nước sử dụng Về loại màu, canh tác b p tiết kiệm 1.033 m3 nước/ha/vụ, canh tác ớt tiết kiệm 764 m3 nước/ha/vụ so với canh tác lúa Canh tác b p đem lại hiệu kinh tế 4.785 đồng/m3 nước sử dụng, canh tác ớt đem lại hiệu kinh tế 19.284 đồng/m3 nước sử dụng, canh tác lúa đem lại hiệu kinh tế có 3.223 đồng/m3 nước sử dụng Ngồi ra, nghiên cứu đ xây dựng qui trình đánh giá hiệu sử dụng nước cho số màu khác Qui trình giúp h trợ định nhanh xác định loại trồng sử dụng nước đem lại hiệu kinh tế cao Để có c sở khoa học xác định nhóm màu khác có nhu cầu tưới mà mang lại hiệu kinh tế sản xuất nông nghiệp cao nên tiến hành nghiên cứu với nhóm màu khác (đậu xanh, đậu nành, m ) Nghiên cứu giải pháp hạn chế giảm thất thoát nước bốc h i thấm lậu cần thiết điều kiện thiếu nước tưới Tìm biện pháp k thuật trì suất màu áp dụng phư ng pháp tưới tiết kiệm nước Từ khóa: Hiệu sử dụng nước, iệu in t , ệ t ii ng can tác ABSTRACT This reasearch was aimed to evaluate water use efficiency for farming systems and crops may bring high economic efficiency in agriculture production with the context of irrigation water shortage in the future This study, carried out over a 5-year period (from 2012 to 2016) the in Chau Phu district, An Giang province The research includes: (1) To evaluate the potential suitability of land resources in the An Giang Province; (2) To evaluate water use efficiency for rice-based upland crop production systems on an experimental base at the Vinh Thanh Trung commune, Chau Phu district, An Giang province; and, (3) To determine an analytical framework to evaluate water use efficiency for different crops in An Giang To evaluate the potential suitability of land resources in An Giang province, existing data collected from the Department of Natural Resources and Environment, An Giang province (landuse planning, flood maps, maps of irrigation infrastructure, and administrative boundaries) were digitized using a GIS software (MapInfo version 12.0) Survey data were obtained from household interviews to assess agricultural land use efficiency based on financial indicators, including: Profit/Costs Ratios (PCR) and Benefit/Cost Ratios (BCR) Beside, field experiments were then conducted to collect data on soil, water and plant properties in order to calibrate and validate an applied numerical crop-water model (AquaCrop version 4.0) To evaluate the water use efficiency, the indicator of financial profit achieved per m3 of water use was applied The process of evaluation water use efficiency for different upland-crops is achieved by three steps, including: (1) Identifying the purpose, scope and conditions of application process; (2) Constructing work flowchart performed in the process; and, (3) Describing the identified flowchart The evaluation of potential suitability of land resources in the An Giang province showed that high suitability level (S1) for double upland - crops was about 3,956 (0,58%) The suitability level S2 (average suitability) for rotational rice - upland crop and for double upland - crops was approximately about 306,305 and 302,348 ha, respectively, corresponding to 88,69% of the total area Survey results for both Winter - Spring and Summer - Autumn cropping seasons in 2012 showed that the double - chilli pepper crops model is the greatest in terms of profits (61.8 million/ha/crop) while the double maize crops, double - rice crops and triple - rice crops got financial profits of 21.9 million/ha/crop, 18.4 million/ha/crop, and 14.5 million/ha/crop, respectively iii Double upland crops (maize and chilli cropping) save 2,006 m3/ha/year and rotational rice and maize or chilli cropping save 1,036 m3/ha/year in comparision to double rice crops The farming system of combining maize with chilli per year and rotation of rice and maize or chilli farming system got a financial profit of about 12,896 VND/m3 and 3,958 VND/m3, respectively, while double rice crops got a financial profit about only 2,933 VND/m3 On each upland crop, maize cultivation save 1,033 m3/ha/crop and chilli cultivation save 764 m3/ha/crop in comparison to rice cultivation Maize and chilli cultivation got financial profit of about 4,785 VND/m3 and 19,284 VND/m3 respectively, while rice cultivation got profit about only 3,223 VND/m3 In addition, the research has developed an analytical framework to evaluate water use efficiency for different upland - crops in An Giang Water use efficiency calculations supports decision making to determine which crops needs least water but still bringing high water use efficiency In order to have a scientific basis for identifying the specific uplandcrop needs the least irrigation water demand but still bringing high economic efficiency in agricultural production Further research should be done for different upland-crops (e.g green bean, soybean, and sesame) Studying on solutions to limit and reduce water losses from evaporation and seepage is essential in the context of irrigation water shortage Studying on technical methods to maintain crop yields while applying water saving irrigation is also needed Keywords: Water use efficiency, economic efficiency, farming system iv LỜI CẢM TẠ Tôi xin trân trọng tỏ lòng biết n sâu s c đến PGS.TS Văn Phạm Đăng Trí TS Phạm Văn Tồn đ tận tình hướng dẫn khoa học, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành luận án Xin gửi lời cảm n sâu s c đến hai thầy hướng dẫn chuyên đề PGS.TS Nguyễn H u Chiếm PGS.TS Nguyễn Văn Công Xin gửi lời cảm n đến hai thầy PGS TS Lê Anh Tuấn TS Đ ng Kiều Nhân góp ý kiến sâu s c cho Luận án Xin chân thành cám n đến quý Thầy Cô ngồi Hội đồng đánh giá chuyên đề Hội đồng c sở, quý Thầy Cô Khoa Môi trường TNTN đ truyền đạt nh ng kiến thức quý báu thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm n đến Ban Giám đốc Sở Nông nghiệp PTNT tỉnh An Giang; Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Môi trường TNTN, Khoa Sau Đại học, Phòng Quản lý Khoa học trường Đại học Cần Th , Ban chủ nhiệm Bộ môn K thuật môi trường đồng nghiệp đ tạo điều kiện cho hồn thành chư ng trình nghiên cứu sinh Xin cảm n Ban chủ nhiệm dự án “ g i n c u v p át tri n t u t can tác n ng ng iệp t c ng với i n i u (Jircas)” đề tài nghiên cứu cấp trường “Nghiên cứu khả tr nước tưới cho trồng cạn mùa khô thông qua sử dụng mơ hình Aquacrop” trường Đại học Cần Th đ h trợ kinh phí cho tơi nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lòng biết n sâu s c đến Ba Mẹ, người thân đ động viên, chia để tơi hồn thành luận án v vi ỤC ỤC CH NG 1: GI I THI U 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn nghiên cứu 1.5 ngh a khoa học ý ngh a thực tiễn luận án 1.5.1 ngh a khoa học 1.5.2 ngh a thực tiễn 1.6 Điểm luận án CH NG 2: T NG QUAN T I LI U 2.1 Tổng quan đánh giá đất đai 2.1.1 Định ngh a đất 2.1.2 Định ngh a đất đai 2.1.3 Hệ thống sử dụng đất đai 2.2 Tổng quan phư ng pháp đánh giá thích nghi đất đai 2.2.1 Phư ng pháp trước FAO (1976) 2.2.2 Phư ng pháp FAO (1976) 2.2.3 Các nghiên cứu đánh giá đất đai nước 2.2.4 Định lượng hiệu kinh tế phư ng pháp đánh giá thích nghi đất đai 2.3 Tổng quan hệ thống canh tác nông nghiệp ĐBSCL 13 2.3.1 Hiện trạng phân bố hệ thống canh tác 13 2.3.2 Hệ thống canh tác thích nghi triển vọng 17 2.4 Tổng quan trồng cạn lúa 18 2.4.1 Tình hình sản xuất màu lúa 18 2.4.2 Tổng hợp thông tin trồng cạn lúa 21 2.4.3 Hiệu kinh tế sản xuất màu lúa 22 2.5 Tác động Biến đổi khí hậu đến nơng nghiệp ĐBSCL giải pháp thích ứng 23 2.6 Canh tác tiết kiệm nước 24 2.7 Tổng quan cân nước 25 2.7.1 Cân nước ruộng lúa 26 2.7.2 Cân nước ruộng b p 26 2.8 Tổng quan nhu cầu nước trồng 27 2.9 Cách xác định lượng nhu cầu nước trồng 29 2.10 Giới thiệu mơ hình AQUACROP 30 2.11 Các nghiên cứu đ thực đánh giá hiệu kinh tế 31 2.12Tổng quan phư ng pháp đánh giá hiệu sử dụng nước 32 2.13Ứng dụng mơ hình Aquacrop mơ suất – nước cho trồng 33 2.13.1 Ngoài nước 33 2.13.2 Trong nước 35 2.13.3 Đánh giá ưu điểm khuyết điểm mơ hình Aquacrop 36 2.14 Tổng quan địa điểm nghiên cứu 36 2.14.1 Vị trí địa lý tỉnh An Giang 36 2.14.2 Vị trí địa lý huyện Châu Phú, tỉnh An Giang 37 vii 2.14.3 Điều kiện tự nhiên tỉnh An Giang 37 CH NG 3: PH NG TI N V PH NG PH P NGHI N CỨU 41 3.1 Tiến trình thực nghiên cứu chung luận án 41 3.2 Nội dung 1: Đánh giá tiềm đất đai tỉnh An Giang 42 3.2.1 Các bước thực nội dung 42 3.2.2 Phư ng pháp thu thập số liệu thứ cấp 43 3.2.3 Phư ng pháp đánh giá thích nghi đất đai tự nhiên 43 3.2.4 Phư ng pháp điều tra nông hộ 44 3.2.5 Phư ng pháp phân tích số liệu 45 3.2.6 Phư ng pháp phân tích SWOT 46 3.2.7 Phư ng pháp xử lý số liệu 48 3.3 Nội dung 2: Đánh giá hiệu sử dụng nước cho trồng cạn mơ hình thí nghiệm 48 3.3.1 Các bước thực nội dung 48 3.3.2 Thời gian địa điểm nghiên cứu 49 3.3.3 Bố trí thí nghiệm 49 3.3.4 Lấy mẫu phân tích đất 51 3.3.5 Tính tốn lượng nước tưới, thời điểm tưới, nguồn nước tưới 52 3.3.6 Công thức bón phân 53 3.3.7 Chỉ tiêu phư ng pháp xác định tiêu 54 3.3.8 Kiểm định đánh giá mơ hình Aquacrop 55 3.3.9 Phư ng pháp đánh giá hiệu sử dụng nước 55 3.3.10 Phư ng tiện nghiên cứu 58 3.3.11 Phư ng pháp xử lý số liệu 58 3.4 Nội dung 3: Xây dựng qui trình đánh giá hiệu sử dụng nước cho trồng khác 58 CH NG 4: K T QU V TH O LU N 59 4.1 Đánh giá đất đai tỉnh An Giang 59 4.2.1 Hiện trạng canh tác nông nghiệp tỉnh An Giang 59 4.2.2 Bản đồ đ n vị đất đai 61 4.2.3 Phân tích mơ tả kiểu sử dụng đất đai chọn lọc 63 4.2.4 Chất lượng đất đai yêu cầu sử dụng đất đai cho kiểu sử dụng đất đai tỉnh An Giang 64 4.2.5 Phân hạng khả thích nghi đất đai tỉnh An Giang 65 4.2.6 Phân vùng thích nghi đất đai tự nhiên tỉnh An Giang 65 4.2.7 Nhận xét lựa chọn kiểu sử dụng đất thích hợp cho tỉnh An Giang 70 4.2.8 Điều kiện tự nhiên kinh tế - x hội sản xuất nông nghiệp huyện Châu Phú tỉnh An Giang 71 4.2.9 Đánh giá thuận lợi khó khăn chuyển đổi canh tác từ lúa sang màu 78 4.2 Đánh giá hiệu sử dụng nước mơ hình thí nghiệm 80 4.2.1 Đ c điểm lý hóa khu đất thí nghiệm 80 4.2.2 Tính tốn nhu cầu tưới b p ớt 82 4.2.3 Kiểm định đánh giá mơ hình AQUACROP 85 4.2.4 Đánh giá hiệu sử dụng nước 91 4.3 Tìm qui trình đánh giá hiệu sử dụng nước cho trồng 94 viii Phụ lục 14: Liều lượng thời điểm bón phân cho loại Bảng 1: Liều lượng thời điển bón phân cho b p (1 công =1.000 m2) Ngày (sau sạ) Liều lượng (kg/công) Urê (46%N) DAP (18-46-0) KCl (60%K2O) 15 25-30 15 45-50 15 Tổng cộng 30 5 15 10 Nguồn: Thái Hà Đ ng Mai (2011) N=30x0,46+15x0,18=16,5 kg P=0,46x15=6,9 kg K=0,6x10=6,0 kg ∑ N: 16,5kg, ∑ P: 6,9kg , ∑ K: 6,0kg Cơng thức bón phân: 165 N + 69P2O5 + 60 K2O (kg/ha) Bảng 2: Liều lượng thời điển bón phân cho ớt (1 công =1.000 m2) Ngày (sau sạ) Liều lượng (kg/công) Urê (46%N) DAP (18-46-0) NPK(16-16-8) KCl (60%K2O) 20 10 25-30 10 55-60 10 80-85 10 100-110 10 Tổng cộng 20 50 20 20 (Nguồn: Thanh Huyển, 2016) N=20x0,46+20x0,18+50x0,16=20,8 kg P=0,46x20+50x0,16=17,2 kg K=50x0,08+0,6x20=16 kg ∑ N: 20,8kg, ∑ P: 17,2kg , ∑ K: 16kg Cơng thức bón phân: 208 N + 172 P2O5 + 160 K2O (kg/ha) 157 Bảng 3: Liều lượng thời điển bón phân cho lúa (1 công =1.000 m2) Ngày (sau sạ) Liều lượng (kg/công) Urê (46%N) DAP (18-46-0) KCl (60%K2O) 25 50 4 17 13 60 Tổng cộng (Nguồn: QCVN 01-55 : 2011/BNNPTNT) N=17x0,46+13x0,18=10,2 kg P=0,46x13=5,98 kg K=0,6x8=4,8 kg ∑ N: 9,9kg, ∑ P: 6kg , ∑ K: 4,8kg Cơng thức bón phân: 102N + 60 P2O5 + 48 K2O (1ha) 158 Phụ lục 15: Các thông số thống kê dùng cho đánh giá kết thẩm định mơ hình Thơng số Hệ số xác định Căn bậc sai số bình phư ng trung bình Căn bậc hai sai số trung bình bình phư ng chuẩn hóa Hệ số hiệu mơ hình Ký hiệu R Cơng thức  R    Khoảng giá trị Giá trị tối ưu  O  OP  P   O  O  P  P  i i 2 i i      P  O  RMSE NRMSE RMSE  NRMSE  O i i n  P  O  i i n  P  O   O  O 100 đến Gần 1(Moriasi et al., 2007) đến +∞ Gần (Jacovides and Kontoyiannis, 1995) đến 100% Xuất s c 30% (Raes et al., 2012a) -∞ đến EF gần 1: phù hợp hoàn hảo gi a giá trị mô thực tế; EF=0: mơ hình dự báo tốt giá trị trung bình d liệu quan sát h n d liệu quan sát riêng biệt (Nash and Sutcliffe, 1970) EF EF   i i i Trong đó: R2 hệ số xác định; Oi giá trị quan sát; Pi giá trị ước đoán; O giá trị trung bình quan sát; P giá trị trung bình ước đốn; n số quan sát 159 Phụ Lục 16: Bảng phân cấp yếu tố LUT (Mơ hình lúa - màu): Lúa Đơng Xn - Màu H - Thu Yêu cầu sử dụng đất đai Nguy hại ph n Nguy hại lũ Nguy hại hạn Khả gi nước m t Khả h u dụng nước Yếu tố chuẩn đoán Phân cấp yếu tố S1 S2 S3 N Độ sâu xuất tầng ph n (cm) Không ph n, >100 50 - 100 100 50 - 100 6 Cát pha Sét pha, thịt pha, thịt - - Khả tưới Tự chảy, Tự chảy-động lực Động lực - - Khả tiêu Tự chảy, Tự chảy-động lực Động lực - - Sa cấu 160 Phụ Lục 17: Bảng phân cấp yếu tố LUT (Mơ hình vụ màu): Màu Đơng Xn - Màu H Thu Yêu cầu sử dụng đất đai Yếu tố chuẩn đoán Phân cấp yếu tố S1 S2 S3 N Độ sâu xuất tầng ph n (cm) Không ph n, >100 50 - 100 100 50 - 100