CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1.2. Tổng quan tình hình ứng dụng CLUE-S và GIS
Khung tích hợp mô hình CLUE và GIS đƣợc phát triển ban đầu bởi Veldkamp and Fresco (1996), nhằm mô phỏng sự thay đổi sử dụng đất bằng các bản đồ trong môi trường GIS. Mô hình này được áp dụng và phát triển ở hơn 30 quốc gia tại Trung Mỹ, Ecuador, Trung Quốc, Indonesia.. Mô hình CLUE sau đó đƣợc Peter Verburg cùng các đồng nghiệp tại Bộ môn Khoa học Môi trường ở Đại học Wageningen, Hà Lan điều chỉnh và đƣợc gọi là CLUE-S (Convertion of Land-Use and its Effects at Small regional extent) (Verburg et al., 2002). Các phát triển sau đó cũng tại chính bộ môn này, ví dụ nhƣ Dyna-CLUE (phiên bản khác đƣợc Verburg and Overmars, 2009) và CLUE-Scanner (Perez et al., 2010). Đó là mô hình cho phép cài đặt các lựa chọn tổ hợp các phương pháp (phương pháp lai) như: Phân tích thống kê, Luật ra quyết định.
1.2.1. Tình hình nghiên cứu, áp dụng trên thế giới
Qua gần 20 năm xây dựng và phát triển với các phiên bản CLUE khác nhau, CLUE nói chung và CLUE-S nói riêng đƣợc dùng rất nhiều nơi trên thế giới, với nhiều loại cảnh quan, sinh thái khác nhau. CLUE đƣợc ứng dụng trong mô phỏng thay đổi sử dụng đất, phục vụ hoạch định chính sách ở nhiều khu vực, từ vùng nhiệt đới (châu Á, Nam Mỹ, Trung Phi) đến vùng ôn đới (châu Âu, Hoa Kỳ) hay từ vùng nhiệt đới gió mùa ở Đông Nam Á đến vùng sa mạc ở Nội Mông, Trung Quốc.
Mô hình CLUE (bao gồm các phiên bản CLUE-S và Dyna-CLUE) đƣợc sử dụng nhiều nơi trên thế giới. Mô hình đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp, đô thị hóa…
Các phiên bản của mô hình đã áp dụng ở: Sibuyan Island – Philippines 2001, Selangor River – Malaysia 2002, Arcterhoek – Hà Lan 2007, Taips County – Trung Quốc 2007, Pennsylvania County – USA 2009, miền Bắc Thái Lan 2010, Sangong Watersheld – Trung Quốc 2010, Kenya, các nước Trung Mỹ…
Hình 1.2 – Các quốc gia, khu vực trên thế giới đã ứng dụng mô hình CLUE Hầu hết các khu vực mà mô hình áp dụng đều dùng phương pháp hồi quy logistic để tìm mối tương quan của từng loại hình sử dụng đất (LUT) với các lớp nhân tố phát động có liên quan. Mục đích của việc làm đó là để thiết lập nên các bản đồ thích nghi vị trí (bản đồ xác suất) cho từng loại hình sử dụng đất. Sau đó, các kết
quả từ mô hình hồi quy được đánh giá bằng phương pháp ROC (Relative Operating Characteristic) để lựa chọn hay loại bỏ các lớp nhân tố ảnh hưởng đến từng loại hình sử dụng đất. (Pontius and Schneider (2001) [49].
- Tại Sibuyan Island – Philipines (2001)[39], Soepboer áp dụng mô hình CLUE-S để mô phỏng sự thay đổi sử dụng đất. Khu vực nghiên cứu cần thể hiện có tổng diện tích tự nhiên xấp xỉ 45.600 ha với các loại hình sử dụng đất là đất nông nghiệp, đất khai thác mỏ và đất thổ cƣ. Khu vực khảo sát có đặc điểm địa hình đồi núi, độ dốc dốc, đƣợc bao phủ bởi tán rừng. Mô hình đƣợc sử dụng để biết đƣợc sự thay đổi sử dụng đất giai đoạn từ 1997-2012, với độ phân giải của pixels ở mức 250m*250m (=6,25 ha). Tất cả các phân tích không gian đƣợc xử lý trong môi trường GIS với phần mềm ArcGIS 9.3. Trong mô hình này sử dụng 13 lớp nhân tố ảnh hưởng đã được phân loại thành 3 nhóm:
(a) Nhóm các nhân tố địa lý: Khoảng cách từ biển, đường, thành phố và các nguồn nước.
(b) Nhóm các nhân tố lý-sinh: loại đất, độ dốc, tầng dày, góc chiếu, xói mòn, đá điôrrit, phù sa…
(c) Nhóm các nhân tố thuộc về nhân khẩu: mật độ phân bố dân cƣ.
Kết quả cho thấy mô hình CLUE-S có khả năng hỗ trợ việc ra quyết định trong quy hoạch sử dụng đất và quản lý tài nguyên thiên nhiên.
- Tại vùng lưu vực sông Selangor, Malaysia (2002) [40], Englesman cũng áp dụng mô hình CLUE-S để nghiên cứu sự lan rộng của vùng đô thị hóa. Vùng nghiên cứu có tổng diện tích bề mặt tự nhiên là 161.700 ha với mật độ dân số cao và nhiều loại hình cảnh quan. Mục tiêu là dự báo sự thay đổi sử dụng đất trong 15 năm, giai đoạn từ 1999-2014. Trong nghiên cứu này, 15 nhân tố ảnh hưởng được chia làm 3 nhóm sau:
(1) Nhóm các nhân tố tự nhiên có 9 nhân tố: cao độ, 4 loại kết cấu đất, 4 loại cho các lớp thích nghi đất đai.
(2) Nhóm các nhân tố địa lý: Khoảng cách đến đường giao thông, thủy văn, khu dân cƣ, vùng giữa rừng.
(3) Nhóm các nhân tố nhân khẩu: mật độ dân số và lực lƣợng lao động nông nghiệp.
Các phân tích xử lý không gian thực hiện trong môi trường GIS với độ phân giải không gian là 750m*750m (=56,25 ha).
- Tại Achterhoek, Hà Lan (2007) [41]: Năm 2007, Verburg và Overmars đã dùng mô hình CLUE-S để mô phỏng thay đổi sử dụng đất trong khu vực. Khu vực nghiên cứu có diện tích bề mặt tự nhiên là 42000 ha, loại hình sử dụng đất đặc trƣng của vùng này là chăn nuôi bò sữa. Mô hình đƣợc dùng nhằm mục đích so sánh 2 kich bản: (i) kịch bản thứ nhất là diễn tả sự thay đổi sử dụng đất mà không áp dụng các chính sách ràng buộc về không gian, (ii) kịch bản thứ 2 là có áp dụng các chính sách ràng buộc về không gian sinh thái nhằm ngăn chặn sự thay đổi sử dụng đất trong các vùng đó. Khoảng thời gian mô phỏng là 18 năm, giai đoạn từ 2000 – 2018. Trong mô hình này sử dụng độ phân giải không gian rất cao 50m* 50m (=0,25 ha). Trong môi trường GIS, tiến hành phân tích không gian, xử lý 2 nhóm nhân tố đƣợc lựa chọn để áp dụng trong mô hình nhƣ sau:
(1) Nhóm nhân tố về địa lý : khoảng cách đến đường cao tốc, tỉnh lộ, thành phố, nguồn nước.
(2) Nhóm nhân tố về điều kiện tự nhiên : độ dốc, độ cao, thổ nhưỡng, mực nước ngầm.
Họ kết luận rằng CLUE-S là công cụ tốt để đánh giá, thảo luận và điều chỉnh các chính sách trong quy hoạch sử dụng đất và hơn thế nữa, họ khuyến nghị sử dụng mô hình cho các nghiên cứu so sánh trong tương lai.
- Tại quận Taips, vùng Nội Mông (Inner Mongolia) – Trung Quốc (2007) [42], Jinyan và các cộng sự đã sử dụng CLUE-S để lập mô hình thay đổi sử dụng đất tại quận Taips, Trung Quốc. Khu vực nghiên cứu có diện tích tự nhiên là 341.500 ha, loại hình sử dụng đất chính ở đây là canh tác nông nghiệp và chăn thả gia súc. Độ phân giải không gian đề xuất là 100m*100m (=1 ha). Có 3 nhóm nhân tố đƣợc sử dụng trong mô hình sử dụng đất ở vùng nghiên cứu này là:
(1) Nhóm nhân tố điều khiển: độ cao địa hình, độ dốc, góc chiếu, thổ nhƣỡng.
(2) Nhóm nhân tố thay đổi theo mùa: nhiệt độ không khí, lƣợng mƣa.
(3) Nhóm nhân tố về kinh tế - xã hội
Kết quả của nghiên cứu cho thấy có sự tương quan đáng kể giữa những thay đổi sử dụng đất và các nhân tố đưa vào mô hình. Qua đó, cho phép người ta lựa chọn phương án phát triển bền vững cho vùng Taips.
- Tại quận Centre, Pennsylvania – Hoa Kỳ (2009)[43]: Batisati và Yarnal đã áp dụng mô hình CLUE-S để nghiên cứu sự chuyển đổi sử dụng đất từ nông nghiệp sang đô thị. Diện tích tự nhiên của quận Centre là 288.700 ha. Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng kết hợp 3 phương pháp: (i) lập bảng hai chiều để xác định các chuyển đổi sử dụng đất phi ngẫu nhiên, (ii) phân tích hồi quy logistic để xác định các nhân tố ảnh hương và (iii) mô phỏng các chuyển đổi đó bằng mô hình CLUE-S. Các nhân tố đƣợc chọn để đƣa vào mô phỏng là: địa hình, thổ nhƣỡng và mật dộ dân số. Độ phân giải không gian áp dụng là 100m*100m (=1 ha). Nhìn chung trong nghiên cứu này, các tác giả nhận định đây là phương pháp phân tích hữu ích bổ sung thêm các công cụ phục vụ cho các nhà hoạch định chính sách trong việc thể hiện sự đô thị hóa ở cấp độ quận, huyện.
- Tại miền Bắc Thái Lan (2010)[44]: Nạn phá rừng diễn ra liên tục trong các thập niên trước và hiện nay vẫn còn đang tiếp diễn. Y. Trisurat, R. Alkemake, P.H.
Verburg đã nghiên cứu sự thay đổi sử dụng đất do nạn phá rừng ở vùng Bắc Thái Lan trong bối cảnh chính phủ nước này thực hiện các chính sách nhằm duy trì độ che phủ của rừng đạt từ 50% trở lên, nhƣng vẫn thúc đẩy các phát triển kinh tế từ nông nghiệp, lâm nghiệp và phát triểu du lịch trong vùng. Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích những tác động có thể có từ các hướng phát triển kinh tế đã nêu. 03 mục tiêu cụ thể của nghiên cứu này là (i) dự báo thay đổi sử dụng đất trong vùng theo 03 kịch bản, (ii) phân tích các tác động ảnh hưởng đến đa dạng sinh học, (iii) xác định các khu vực nhạy cảm nhất ảnh hưởng bởi nạn phá rừng và mất đa dạng sinh học. Để thực hiện các mục tiêu đó, trong nghiên cứu này đã kết hợp mô hình thay đỏi sử dụng đất ở dạng động (Dyna-CLUE) và một mô hình đánh giá đa dạng sinh học (GLOBIO3). Trong đó:
- Mô hình Dyna-CLUE dùng để xác định các vùng không gian xảy ra thay đổi sử dụng đất trong khu vực. Các thông số đƣợc sử dụng để xây dựng mô hình
là: thời gian nghiên cứu thay đổi sử dụng đất từ 2002-2050, độ phân giải không gian 500m*500m (=25 ha). Các nhà nghiên cứu sử dụng 13 nhân tố ảnh hưởng để phân tích cho các LUTs được chia làm 3 nhóm nhân tố sau:
(1) Nhóm nhân tố tự nhiên: lƣợng mƣa hằng năm, thổ nhƣỡng, độ cao, độ dốc và góc chiếu.
(2) Nhóm nhân tố về địa lý: Khoảng cách đến hồ, sông, suối, đường giao thông, cụm dân cƣ, đô thị.
(3) Nhóm nhân tố về kinh tế - xã hội: mật độ dân số, thu nhập.
- Mô hình GLOBIO3 dùng để ƣớc lƣợng mức độ tác động đến đa dạng sinh học (GLOBIO3) thông qua chỉ số mean species abundance (MSA).
Dựa trên các kết quả từ mô hình, các bản đồ mô phỏng với GIS, các nhà quy hoạch, hoạch định chính sách đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu các tác động từ nạn phá rừng và mất đa dạng sinh học trong vùng. Sau khi đánh giá các kết quả của nghiên cứu này, các tác giả cũng khuyến nghị cần bổ sung thêm các nhân tố ảnh hưởng vào nhóm kinh tế - xã hội vì nhận thấy rằng các nhân tố trong nhóm này ảnh hưởng rất lớn đến nạn phá rừng.
- Tại vùng lưu vực sông Sangong, Tân Cương, Trung Quốc (2010) [45]:
Luo và các cộng sự đã tích hợp mô hình CLUE-S và mô hình hệ thống mang tính động (System Dynamic – SD) để nghiên cứu sự thay đổi sử dụng đất ở nhiều tỉ lệ khác nhau. Các LUTs đƣợc phân loại gồm: trồng trọt, rừng sản xuất, đồng cỏ, khu dân cƣ, ao hồ,các loại đất khác. Trong 50 năm qua, trong khu vực thay đổi sử dụng đất diễn ra đáng kể khi khai hoang, trồng trọt thâm canh cũng nhƣ việc sử dụng phân bón quá mức. Các nhà nghiên cứu chỉ ra sự thay đổi sử dụng đất ảnh hưởng rất lớn từ các nguyên nhân chính như mật độ dân số, mật độ chăn nuôi, lượng nước tiêu thụ, thu hoạch mùa vụ…Kết quả cho thấy mô hình có khả năng bố trí nhu cầu sử dụng đất dựa theo thích nghi đất đai và khoanh vùng phân định ranh đất nông nghiệp.
- Tại huyện Bành Dương, thuộc khu tự trị Hồi Ninh Hạ, Trung Quốc [46]:
Đây là khu vực mà phần lớn diện tích nằm trên cao nguyên Hoàng Thổ (Loess Plateau), đƣợc hình thành từ các trầm tích đất bùn đọng lại từ các trận bão trên cao
nguyên trong quá khứ. Đất ở cao nguyên Hoàng Thổ dễ bị xói mòn do bị ảnh hưởng của gió và nước. Trên thực tế, đất đai ở vùng này được gọi là ―đất bị xói mòn nhiều nhất trên Trái Đất‖ [54]
. Năm 2008, Zhu và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu đánh giá sự thay đổi sử dụng đất và mối quan hệ giữa sử dụng đất đối với các nhân tố trên bề mặt địa hình đồi hoàng thổ bằng mô hình CLUE-S. Mục đích của nghiên cứu là đánh giá lại việc thực hiện chính sách ―Grain for Green Project‖ của chính phủ Trung Quốc tại địa bàn huyện Bành Dương (Pengyang County). Các tác giả đặt ra hai kịch bản sử dụng đất là: kịch bản 1 (kịch bản cơ sở) và kịch bản 2 (kịch bản thể hiện yêu cầu sử dụng đất thực tế) trong giai đoạn từ 2001-2005 với giả định rằng ảnh hưởng của các nhân tố là ổn định từ trong quá khứ. Sau đó họ sử dụng phương pháp phân tích Kappa để so sánh kết quả mô phỏng từ 2 kịch bản với thực tế sử dụng đất. Các tác giả đã kết luận rằng thay đổi sử dụng đất xảy ra trong khu vực do các nhân tố tổng hợp cả tự nhiên lẫn kinh tế-xã hội.
Kết luận về phần tổng quan nghiên cứu CLUE-S trên thế giới:
CLUE-S ứng dụng rất thành công trên thế giới, có thể tùy biến, phù hợp với nhiều vùng miền, khí hậu, đặc trƣng về sinh thái, cảnh quan rất khác biệt. Tuy nhiên, trong tất cả các nghiên cứu áp dụng ở trên, các biến nhân tố đầu vào ở các vùng nghiên cứu có thể khác nhau, cùng hoàn toàn giống nhau về cách thức diễn đạt các biến ấy theo 3 chủ đề sau: (i) khoảng cách địa lý đến nguồn nước, khu dân cư…(ii) các nhân tố điều kiện tự nhiên, (iii) các nhân tố về kinh tế-xã hội.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu, áp dụng ở Việt Nam
Trong phạm vi nước ta, mô hình CLUE, CLUE-S được ứng dụng nghiên cứu về thay đổi sử dụng đất ở 2 cấp độ: cấp quốc gia và cấp tỉnh (Bắc Kạn, Quảng Nam).
- Cấp quốc gia: Nghiên cứu về ―Thay đổi sử dụng đất, an ninh lương thực và biến đổi khí hậu ở Việt Nam – Mô hình tiếp cận từ toàn cục đến cục bộ‖ đƣợc CDKN và Bộ Kinh tế hợp tác Hà Lan tài trợ nhằm giúp Việt Nam tối ƣu hóa chính sách sử dụng đất. Trong dự án này, họ kết hợp mô hình kinh tế MAGNET( đánh giá kinh tế-xã hội) và CLUE (mô hình bố trí không gian sử dụng đất) để mô phỏng 3 kịch bản phát triển từ năm 2008 – 2030 cho Việt Nam. Thay đổi sử dụng đất, an
ninh lương thực và biến đổi khí hậu tại Việt Nam: Tiếp cận lập mô hình từ toàn cầu tới cục bộ. (Van Dijk, M., H. Hilderink, W. Rooij, M. Rutten, R. Ashton, K.
Kartikasari and Vu Cong Lan, 2013) [19].
- Cấp tỉnh: Mô hình CLUE-S được áp dụng ở 3 địa phương là tỉnh Bắc Cạn, Quảng Nam.
+ Tỉnh Bắc Kạn – 2002 [55]: cô Louise Willemen, học viên cao học từ đại học Wageningen, Hà Lan đã thực hiện đề tài mô phỏng thay đổi sử dụng đất với mô hình CLUE-S, theo chương trình của văn phòng SAM-Regional ở Hà Nội. Trong đề tài này, Louise Willemen đã sử dụng CLUE-S nhƣ là công cụ để phân tích sự thay đổi sử dụng đất trong vùng theo 3 kịch bản phát triển khác nhau, từ đó tìm ra các khu vực ―nhạy cảm‖ về sử dụng đất theo các kịch bản để hỗ trợ ra các chính sách.
Trong đề tài này ngoài việc mô phỏng các thay đổi sử dụng đất trong tỉnh Bắc Kạn, Louise Willemen đã xem xét việc đối chiếu kết quả CLUE-S với kết quả của mô hình tối ƣu LUPAS trên cùng địa bàn. Nhƣng trong nghiên cứu này, sự so sánh đó không hoàn toàn tương đồng khi có sự khác biệt về dữ liệu đầu vào. Thêm vào đó, trong đề tài này, Louise Willemen có đề cập đến khái niệm multi- collinearity (đa cộng tuyến) khi xây dựng LRM, điều mà trước đây chưa có tài liệu hướng dẫn nào của CLUE-S đề cập tới. Louise Willemen đề xuất cách giải quyết bài toán bằng phương pháp backward stepwise để hạn chế multi-collinearity nhưng thực sự chƣa phải là giải pháp tối ƣu. Hiện nay, trong ngôn ngữ R cũng cấp các packages relaimpo (Relative Importance) với chỉ số LMG (Lindermann, Merenda, Gold) giải theo phương pháp bootstrap, giúp xây dựng mô hình thống kê tốt hơn khi ước tính tầm quan trọng của từng biến. Đây là một hướng mới trong thống kê, cần có thêm thời gian để nghiên cứu nhằm mục đích xây dựng nên LRM thật sự tốt theo nguyên lý parsimonious, tức là cần ít biến nhân tố nhƣng vẫn mô tả gần đúng với thực tế.
Trong đề tài nghiên cứu của Louise Willemen đã sử dụng các 42 lớp nhân tố để lập bản đồ đánh giá thích nghi sử dụng đất cho 8 LUTs, cụ thể nhƣ sau:
- Nhóm biến phụ thuộc (8 LUTs): Đất trồng lúa nước, ruộng bậc thang, Đất nương rẫy, rừng phòng hộ, rừng sản xuất, đồng cỏ, nông nghiệp khác, đất phi nông nghiệp.