CHƢƠNG 2 MÔ TẢ SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.2 Giới thiệu mô hình AquaCrop
AquaCrop là một mô hình tăng trƣởng cây trồng đƣợc phát triển bởi Bộ phận Đất và Nƣớc của FAO để giải quyết vấn đề an ninh lƣơng thực và để đánh giá hiệu quả của môi trƣờng và quản lý đối với sản xuất cây trồng. AquaCrop mô phỏng phản ứng năng suất với nƣớc của cây trồng thân thảo, và đặc biệt phù hợp với điều kiện giải quyết trong đó nƣớc là yếu tố hạn chế chính trong sản xuất cây trồng. Khi thiết kế mô hình, một sự cân bằng tối ƣu giữa sự đơn giản, chính xác và mạnh mẽ đã đƣợc theo đuổi. Để đƣợc áp dụng rộng rãi, AquaCrop chỉ sử dụng một số lƣợng nhỏ các tham số rõ ràng và các biến đầu vào chủ yếu trực quan đòi hỏi các phƣơng thức đơn giản để xác định. Mặt khác, các quy trình tính toán dựa trên các quy trình sinh lý cơ bản và thƣờng phức tạp để đảm bảo mô phỏng chính xác phản ứng của cây trồng trong hệ thống đất-cây. (Vƣơng Tuấn Huy 2013)
giữa năng suất cây trồng và áp lực nƣớc nghĩa là việc cung cấp nƣớc không đủ trong thời kỳ sinh trƣởng do lƣợng mƣa hoặc điều kiện thủy lợi. Trong FAO Thủy lợi và Thoát nƣớc (Doorenbos và Kassam, 1979) đã xây dựng một hàm để khẳng định khả năng đáp ứng nƣớc với năng suất:
(1)
Trong đó: Yx và Y là năng suất tối đa và năng suất thực tế (1 - ) là năng suất suy giảm tƣơng đối
ET và là mức độ thoát nƣớc tối đa và thực tế
là áp lực nƣớc
Ky là hệ số tỷ lệ giữa năng suất giảm và giảm lƣợng nƣớc bốc hơi
AquaCrop (Steduto et al., 2007; Raes et al., 2007; Hsiao et al., 2007) phát triển từ phƣơng pháp Ky bằng cách tách (i) sự thoát hơi nƣớc thực tế (ET) thành sự thoát hơi nƣớc của đất (E) và thoát hơi nƣớc cây trồng (Tr)); (ii) năng suất cuối cùng (Y) thành sinh khối (B) và chỉ số thu hoạch (HI):
ET = E +Tr (2) Y = HI . B
Việc tách ET thành lƣợng thoát hơi nƣớc của đất và thoát hơi nƣớc của cây trồng sẽ tránh đƣợc tác động gây nhiễu bởi việc tiêu hao khi sử dụng nƣớc sản xuất (bốc hơi đất). Điều này đặc biệt quan trọng khi lớp phủ mặt đất không đầy đủ vào đầu mùa hoặc là kết quả của việc trồng thƣa thớt. Việc phân chia năng suất thành sinh khối và chỉ số thu hoạch cho phép phân vùng các mối quan hệ chức năng tƣơng ứng để đáp ứng với điều kiện môi trƣờng. Những phản ứng này về cơ bản là khác nhau và sự tách biệt của chúng tránh đƣợc những tác động gây nhiễu của áp lực nƣớc đối với B và HI trên. Những thay đổi đƣợc mô tả theo phƣơng trình sau đây chính là việc cốt lõi của việc phát triển mô hình AquaCrop:
B = WP . ΣTr (3) Trong đó: Tr là sự thoát hơi nƣớc của cây trồng (mm)
WP là thông số năng suất nƣớc (kg sinh khối/m2
thoát hơi trong thời gian mà sinh khối đƣợc tạo thành)
Điều đáng chú ý của các phƣơng trình trên là đều có nƣớc là động lực cho sự tăng trƣởng. Để đƣợc thực hiện phƣơng trình (3) cần có các thành phần bổ sung đầy đủ bao gồm: đất, sự cân bằng nƣớc; cây trồng, các quá trình phát triển, tăng trƣởng và năng suất; khí quyển, chế độ nhiệt, lƣợng mƣa, nhu cầu bay hơi và nồng độ carbon dioxide. Ngoài ra, một số khía cạnh quản lý đƣợc xem xét rõ ràng (ví dụ: tƣới tiêu, bón phân, mùn, cỏ dại, v.v.), vì chúng sẽ ảnh hƣởng đến cân bằng nƣớc trong đất, phát triển cây trồng và do đó sẽ cho năng suất cuối cùng. AquaCrop cũng có thể mô phỏng sự tăng trƣởng của cây trồng theo các kịch bản biến đổi khí hậu (sự nóng lên toàn cầu và nồng độ carbon dioxide tăng cao) trong khi sâu bệnh không đƣợc xem xét.
Mô hình AquaCrop dựa trên mối quan hệ giữa năng suất cây trồng đối với nƣớc và sự cân bằng nƣớc trong đất. Tuy nhiên, mô hình này không mô phỏng ảnh hƣởng của các yếu tố dinh dƣỡng đến năng suất cây ngô, bản chất của mô hình là việcmô phỏng sự phát triển của cây trồng và sự cân bằng nƣớc trong đất, giúp dự đoán năng suất cây trồng.
Dữ liệu đầu vào và mô phỏng tính toán trong mô hình
Dữ liệu đầu vào mà mô hình AquaCrop yêu cầu bao gồm: dữ liệu về đất (bao gồm: sa cấu đất, độ ẩm đất tại điểm bão héo, bão hòa, thủy dung, và hệ số thấm bão hòa), dữ liệu về cây trồng (bao gồm:mật độ cây trồng, độ sâu mọc rễ tối đa, độ bao phủ của tán cây ở một số giai đoạn của cây trồng, ngày gieo sạ, hệ số đáp ứng nƣớc của cây trồng, ngày đạt độ bao phủ tối đa, ngày trổ bông và ngày thu hoạch), số liệu khí tƣợng (bao gồm: nhiệt độ tối cao và tối thấp, lƣợng mƣa, bốc hơi, nồng độ CO2 trong không khí) và dữ liệu quản lý cây trồng (nhƣ thời điểm và lƣợng nƣớc tƣới cây trồng, độ mặt của nƣớc tƣới, chiều cao bờ bao) (Vƣơng Tuấn Huy 2013). Nhƣ chúng ta biết các dữ liệu đầu vào này đóng các vai trò quan trọng ảnh hƣởng đến sự phát triển sinh trƣởng và năng suất của cây trồng, nhƣ ảnh hƣởng đến sinh trƣởng cây Ngô nhƣ đã nêu ở mục 1.4.2 ở Chƣơng I của Luận văn.
AquaCrop mô phỏng năng suất cây trồng cuối cùng theo bốn bƣớc (chạy theo chuỗi trong mỗi lần tăng thời gian hàng ngày), nhƣ đƣợc mô tả dƣới đây. Bốn bƣớc rất dễ hiểu, do đó đảm bảo tính minh bạch trong phƣơng pháp mô hình hóa.
-Phát triển độ che phủ của tán cây xanh: trong AquaCrop, sự phát triển của tán lá đƣợc thể hiện thông qua độ che phủ của tán cây xanh (CC) thay vì chỉ số diện tích lá. CC là một phần của bề mặt đất đƣợc che phủ bởi tán cây; nó dao động từ 0 khi gieo hạt (tức là 0 phần trăm bề mặt đất đƣợc che phủ bởi tán cây) đến giá trị tối đa vào giữa mùa cao tới 1 nếu đạt đến độ che phủ toàn tán (tức là 100 phần trăm bề mặt đất đƣợc che phủ bởi tán ). Bằng cách điều chỉnh hàm lƣợng nƣớc trong hồ sơ đất mỗi ngày, AquaCrop theo dõi các căng thẳng có thể phát triển trong vùng rễ. Căng thẳng đất-nƣớc có thể ảnh hƣởng đến lá và do đó mở rộng tán; nếu nghiêm trọng nó có thể kích hoạt sự lão hóa tán sớm.
-Sự thoát hơi nƣớc của cây trồng: trong điều kiện đƣợc tƣới nƣớc tốt, sự thoát hơi nƣớc của cây trồng (Tr) đƣợc tính bằng cách nhân lƣợng thoát hơi nƣớc tham chiếu (ETo) với hệ số cây trồng (Kc). Hệ số cây trồng tỷ lệ thuận với CC và do đó thay đổi trong suốt vòng đời của cây trồng theo độ che phủ mô phỏng. Không chỉ căng thẳng nƣớc có thể ảnh hƣởng đến sự phát triển tán, nó cũng có thể gây ra đóng cửa khí khổng và do đó ảnh hƣởng trực tiếp đến sự thoát hơi nƣớc của cây trồng.
-Sinh khối trên mặt đất: số lƣợng sinh khối trên mặt đất (B) đƣợc sản xuất tỷ lệ thuận với lƣợng tích lũy của sự thoát hơi nƣớc của cây trồng (ΣTr); yếu tố tỷ lệ đƣợc gọi là năng suất nƣớc sinh khối (WP). Trong AquaCrop, WP đƣợc chuẩn hóa theo hiệu ứng của điều kiện khí hậu, làm cho năng suất nƣớc sinh khối đƣợc chuẩn hóa (WP *) có hiệu lực đối với các địa điểm, mùa và nồng độ carbon dioxide khác nhau.
-Năng suất cây trồng: sinh khối mô phỏng trên mặt đất tích hợp tất cả các sản phẩm quang hợp đƣợc đồng hóa bởi một loại cây trồng trong mùa. Năng suất cây trồng (Y) thu đƣợc từ B bằng cách sử dụng chỉ số thu hoạch (HI) - là
phần của B là sản phẩm có thể thu hoạch. HI thực tế thu đƣợc trong quá trình mô phỏng bằng cách điều chỉnh chỉ số thu hoạch tham chiếu (HIo) với hệ số điều chỉnh cho các hiệu ứng ứng suất.
Ứng dụng thực tế
AquaCrop có thể đƣợc sử dụng nhƣ một công cụ lập kế hoạch và để hỗ trợ các quyết định quản lý trong cả nông nghiệp tƣới tiêu và tƣới mƣa. AquaCrop đặc biệt hữu ích cho:
- Hiểu các phản ứng của cây trồng đối với sự thay đổi môi trƣờng (nghĩa là một công cụ giáo dục) so sánh năng suất đạt đƣợc và thực tế trong các lĩnh vực, trang trại và khu vực
- Xác định các hạn chế đối với sản xuất cây trồng và năng suất nƣớc (ví dụ nhƣ một công cụ đo điểm chuẩn)
- Xây dựng lịch trình tƣới tiêu để sản xuất tối đa (ví dụ: chiến lƣợc theo mùa và ra quyết định vận hành và cho các kịch bản khí hậu)
- Xây dựng chiến lƣợc trong điều kiện thiếu nƣớc để tối đa hóa năng suất nƣớc thông qua: Chiến lƣợc tƣới tiêu (ví dụ tƣới thiếu hụt) trồng trọt và quản lý (ví dụ: điều chỉnh ngày trồng, chọn giống, quản lý bón phân, sử dụng màng phủ và thu hoạch nƣớc mƣa)
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất thực phẩm (ví dụ bằng cách vận hành AquaCrop với cả điều kiện thời tiết lịch sử và tƣơng lai)
- Phân tích các kịch bản hữu ích cho các nhà quản lý và quản lý nƣớc, nhà kinh tế, nhà phân tích chính sách và nhà khoa học (tức là mục đích lập kế hoạch) hỗ trợ ra quyết định về phân bổ nƣớc và các chính sách nƣớc khác.báo
2.2.3 Phương pháp đánh giá tác động của BĐKH đến năng suất cây ngô tỉnh Tuyên Quang
Hình 2.1 Sơ đồ tính toán nhu cầu nước cho cây trồng bằng mô hình Aquacrop
Các bƣớc thực hiện:
Bƣớc 1 : Tính toán số liệu đầu vào cho mô hình AquaCrop
- Số liệu khí tƣợng
Tính toán lượng bốc hơi tiềm năng
Lƣợng bốc thoát hơi tiềm năng đƣợc tính toán sử dụng công thức kinh nghiệm của Thornthwaite với số liệu đầu vào là nhiệt độ không khí trung bình tại các trạm khí tƣợng.
Công thức Thornthwaite tính lƣợng bốc thoát hơi tiềm năng chủ yếu dựa vào yếu tố nhiệt độ, có dạng:
̅̅̅̅ a
Trong đó : - PE: Lƣợng bốc thoát hơi tiềm năng (mm/tháng); - m: Các tháng từ 1 đến 12;
- : Hệ số hiệu chỉnh theo tháng liên quan đến số ngày trong tháng đƣợc tính bằng số ngày trong tháng chia 30;
- T : Nhiệt độ trung bình tháng (0C);
Số liệu nhiệt độ
Số liệu
mƣa Thông số cây trồng Nồng độ CO2
Bốc thoát hơi tiềm năng
Lƣợng mƣa hiệu quả
Tính toán năng suất cây ngô tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản BĐKH
- I: Chỉ số nhiệt theo năm
̅̅̅̅)1.5
- a = 6.7*10-7*I3 - 7.7*10-5*I2 + 1.8*10-2*I + 0.49
Yêu cầu số liệu: Số liệu nhiệt độ không khí trung bình tại các trạm khí tƣợng thời kì nền và các kịch bản BĐKH trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang.
Tính toán lượng mưa hiệu quả
Lƣợng mƣa dùng để tính toán nhu cầu nƣớc cho cây trồng đƣợc lấy theo mƣa mùa vụ với tần suất thiết kế 85%.
Sử dụng phƣơng pháp tần suất để xác định lƣợng mƣa mùa vụ tần suất 85%, sau đó thu phóng theo phân bố mƣa của năm điển hình để xác định phân bố của mƣa mùa vụ tần suất 85%.
Lƣợng mƣa hiệu quả đƣợc tính theo công thức kinh nghiệm của FAO:
Trong đó:
- là lƣợng mƣa hiệu quả ứng với tần suất 85% (mm); - là lƣợng mƣa thực tế ứng với tần suất 85% (mm).
Từ số liệu mƣa trung bình thời kỳ nền (1986-2005) và số liệu mƣa theo các kịch bản BĐKH RCP4.5 và RCP8.5, sử dụng phƣơng pháp tần suất và thu phóng mƣa theo năm điển hình, sẽ xác định đƣợc lƣợng mƣa mùa vụ ứng với tần suất 85% tại tất cả các trạm khí tƣợng trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang. Sau khi tính đƣợc số liệu mƣa tần suất 85% trung bình thời kỳ nền (1986-2005) và số liệu mƣa tần suất 85% trung bình theo các kịch bản BĐKH RCP4.5 và RCP8.5, thay vào công thức (4), sẽ tính toán đƣợc lƣợng mƣa hiệu quả thời kỳ nền và lƣợng mƣa hiệu quả theo các kịch bản BĐKH tại các trạm khí tƣợng Chiêm Hóa, Hàm Yên, Tuyên Quang và trạm Bắc Mê của tỉnh Tuyên Quang.
Xác định thông số Ngô ở các vụ tỉnh Tuyên Quang
Để tính toán năng suất cho cây Ngô tỉnh Tuyên Quang, luận văn sẽ sử dụng mô hình Aquacrop để tính toán năng suất cho cây Ngô tỉnh Tuyên Quang
vì vậy cần tính toán thông số cây trồng, hệ số cây trồng (Kc)
Hệ số cây trồng (Kc) tích hợp các đặc điểm nhằm phân biệt cây trồng cụ thể. Kc chịu ảnh hƣởng chủ yếu bởi loại cây trồng và một phạm vi nhỏ của khí hậu và bốc hơi từ đất. Kc cho một vụ mùa thay đổi theo các giai đoạn phát triển của cây trồng.
Xác định các thông số cây ngô ở các vụ:
Đối với vụ ngô đông xuân, thời gian gieo - nảy mầm từ ngày 11 tháng 02 đến ngày 01 tháng 3, thời gian cây ngô phát triển từ ngày 02 tháng 3 đến ngày 02 tháng 4, thời kỳ cây ngô nở hoa từ ngày 03 tháng 4 đến ngày10 tháng 5, thời kỳ chín từ ngày 11 tháng 4 đến ngày 10 tháng 6.
Đối với vụ ngô hè thu, thời gian gieo - nảy mầm từ ngày 20 tháng 05 đến ngày 8 tháng 6, thời gian cây ngô phát triển từ ngày 9 tháng 6 đến ngày 10 tháng 7, thời kỳ cây ngô nở hoa từ ngày 11 tháng 7 đến ngày 17 tháng 8, thời kỳ chín từ ngày 18 tháng 8 đến ngày 16 tháng 9.
Xác định thông số đất
Để xác định thông số đất cho cây ngô tỉnh Tuyên Quang, luận văn đã sử dụng loại đất riêng cho từng cây trồng theo tiêu chuẩn của FAO
Ngoài ra mô hình Aquacrop còn yêu cầu một số thông số cây trồng khác nhƣ năng suất thực tế của cây Ngô, phƣơng thức tƣới, mật độ cây (số cây trên một m2), hiệu suất sử dụng nƣớc, năng suất sinh khối (WP) (gram/m2), chỉ số thu hoạch HI, bốc thoát hơi nƣớc cây trồng (Tr), độ mở rộng tán lá, độ bao phủ tán lá ban đầu (CCo), Hệ số rút nƣớc vùng rễ (P), Hệ số giảm tán lá (CDC)…
Bƣớc 2. Tính toán năng suất cây Ngô tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản
Sau khi tính toán đƣợc các số liệu đầu vào (bao gồm nhiệt độ lớn nhất, nhiệt độ nhỏ nhất, lƣơng mƣa, bốc thoát hơi tiềm năng, nồng độ CO2, thông số cây trồng và thông số của đất…), sử dụng mô hình Aquacrop tính toán năng suất cho cây trồng (lúa, ngô, mía) theo kịch bản nền (1986-2005) và dự kiến đến 2100 theo hai kịch bản BĐKH RCP4.5 và RCP8.5 cho các huyện, thành phố thuộc tỉnh Tuyên Quang. Để đƣa ra đƣợc các kết quả tính toán