Tài liệu ứng dụng công nghệ gis và viễn thám đánh giá xói mòn đất trên địa bàn huyện phú lương, tỉnh thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TRẦN HUYỀN TRANG Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LƯƠNG, TỈNH THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Thái Nguyên, 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TRẦN HUYỀN TRANG Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ XÓI MÒN ĐẤT TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN PHÚ LƯƠNG, TỈNH THÁI NGUYÊN Ngành Mã số ngành : Khoa học môi trường : 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Hải Thái Nguyên, 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Trần Huyền Trang LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Người hướng dẫn khoa học - TS. Nguyễn Thanh Hải đã tận tính hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái nguyên và các quý Thầy, Cô giáo, cán bộ, viên chức trong phòng đào tạo Sau đại học và khoa Khoa học Môi trường của trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và quan tâm, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các đồng chí lãnh đạo, cán bộ phòng TN&MT huyện Phú Lương đã tạo điều kiện hỗ trợ cho tôi cả về vật chất cũng như tinh thần. Xin chân thành cảm ơn các đồng chí lãnh đạo UBND huyện Phú Lương, Phòng Thống kê; cán bộ và nhân dân các xã trên địa bàn huyện Phú Lương đã giúp đỡ tôi trong quá trình điều tra và thu thập số liệu thực hiện đề tài. Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo, quý vị và bạn bè để luận văn này được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 19 tháng 9 năm 2016 Tác giả luận văn Trần Huyền Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................................. 2 1.2.1. Mục tiêu tổng quát ..............................................................................................2 1.2.2. Mục tiêu cụ thể ...................................................................................................2 1.3. Ý nghĩa của đề tài.................................................................................................................... 3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 4 1.1. Cơ sở khoa học ..................................................................................................................... 4 1.1.1. Xói mòn đất ........................................................................................................4 1.1.2. Một số phương pháp đánh giá xói mòn đất ......................................................13 1.1.3. Mô hình USLE .................................................................................................20 1.2. Cơ sở thực tiễn .................................................................................................................... 22 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới ...................................................................................22 1.2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam..................................................................................26 Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 29 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 29 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................29 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................29 2.2. Địa điểm và thời gian tiến hành..............................................................................29 2.2.1. Địa điểm nghiên cứu..........................................................................................29 2.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................... 29 2.4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................................... 29 2.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu ..............................................................29 2.4.2. Phương pháp kế thừa ........................................................................................30 2.4.3. Phương pháp tổng hợp, xử lý dữ liệu ...............................................................30 2.4.4. Phương pháp xây dựng bản đồ .........................................................................35 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................... 37 3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên................... 37 3.1.1. Điều kiện tự nhiên của huyện Phú Lương, Thái Nguyên .................................37 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội của huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên ...............43 3.1.3. Đánh giá những thuận lợi và khó khăn của huyện Phú Lương ...........................47 3.2. Xây dựng bản đồ xói mòn đất huyện Phú Lương giai đoạn năm 2010 và 2015.......... 48 3.2.1. Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu bản đồ. ......................................................................48 3.2.2. Xây dựng bản đồ hệ số xói mòn do mưa (R) ...................................................49 3.2.3. Thành lập bản đồ hệ số kháng xói của đất (K) .................................................51 3.2.4. Thành lập bản đồ hệ số địa hình (LS) ..............................................................53 3.2.5. Thành lập bản đồ hệ số lớp phủ thực vật (C) ...................................................56 3.2.6. Bản đồ hệ số canh tác (P) .................................................................................59 3.2.7. Bản đồ xói mòn huyện Phú Lương...................................................................60 3.3. Ảnh hưởng của lượng mưa và lớp phủ thực vật tới xói mòn đất huyện Phú Lương ... 67 3.3.1. Tác động của lượng mưa đối với xói mòn đất huyện Phú Lương giai đoạn 2010-2015 67 3.3.2. Tác động của biến động lớp phủ thực vật tới xói mòn, sạt lở đất .......................67 3.4. Dự báo xói mòn đất dưới sự tác động của biến động sử dụng đất và biến đổi khí hậu giai đoạn 2015 -2020.................................................................................................................... 70 3.4.1. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2015 -2020 theo bản đồ quy hoạch sử dụng đất .....70 3.4.2. Biến đổi các yếu tố khi hậu dựa theo kịch bản khí hậu giai đoạn 2015 -2020 71 3.4.3. Xây dựng bản đồ dự báo xói mòn đất giai đoạn 2015 -2020 ...........................72 3.5. Đề xuất một số giải pháp ................................................................................................... 75 3.5.1. Mô hình canh tác chuyên màu và cây công nghiệp ngắn ngày ........................76 3.5.2. Canh tác trồng cây ăn quả dài ngày trồng xen với các loại cây ăn quả ngắn ngày - cây hoa màu ........................................................................................................76 3.5.3. Mô hình nông lâm kết hợp ...............................................................................77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 79 1. Kết luận .....................................................................................................................79 2. Kiến nghị ...................................................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 81 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất .......................................................11 Bảng 2.1: Hệ số xói mòn đất của một số loại đất ở Việt Nam ......................................31 Bảng 2.2. Bảng tra hệ số P theo hội khoa học đất quốc tế ............................................35 Bảng 3.1: Độ dốc trên các loại đất của huyện ...............................................................38 Bảng 3.2: Một số thông tin về chế độ khí hậu huyện Phú Lương - Thái Nguyên ........39 Bảng 3.3: Các loại đất chính của huyện Phú Lương .....................................................41 Bảng 3.4: Tình tình sử dụng đất của huyện Phú Lương giai đoạn 2010 – 2015 ...........42 Bảng 3.5: Cơ cấu kinh tế các ngành của huyện Phủ Lương (2010- 2015)....................45 Bảng 3.6: Kết quả tính hệ số R cho các trạm đo mưa huyện Phú Lương .....................49 Bảng 3.7: Hệ số kháng xói các loại đất huyện Phú Lương ..........................................51 Bảng 3.8: Diện tích các cấp độ dốc huyện Phú Lương .................................................54 Bảng 3.9: Kết quả tính toán hệ số LS ............................................................................56 Bảng 3.10: Bảng tính toán hệ số P huyện Phú Lương,Thái Nguyên năm 2010 và 2015 ..... 59 Bảng 3.11: Phân cấp mức độ xói mòn đất theo TCVN 5299 - 1995.............................61 Bảng 3.12: Diện tích xói mòn theo các cấp độ huyện Phú Lương giai đoạn 2010-2015 .....64 Bảng 3.13: Phân cấp xói mòn huyện Phú Lương giai đoạn 2010- 2015 .......................66 Bảng 3.14: Tương quan biến đổi khí hậu và cường độ xói mòn ...................................67 Bảng 3.15.Mối quan hệ diện tích xói mòn với độ che phủ rừn giai đoạn 2010 - 2015 .71 Bảng 3.16: Biến động sử dụng đất giai đoạn 2015 – 2020 theo báo cáo quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 huyện Phú Lương ....................................................................70 Bảng 3.17: Hệ số lớp phủ C huyện Phú Lương năm 2020 ............................................71 Bảng 3.18: Một số thông tin về chế độ khí hậu huyện Phú Lương, Thái Nguyên theo kịch bản biến đổi khí hậu trong tương lai ......................................................................71 Bảng 3.19: Phân cấp xói mòn tiêm năng huyện Phú Lương năm 2020 theo đơn vị hành chính75 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ quy trình xây dựng bản đồ hệ số LS ...................................................33 Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực hiện luận văn ...............................................................36 Hình 3.1: Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu....................................................................37 Hình 3.2: Sơ đồ các bước tính toán hệ số R trong GIS .................................................50 Hình 3.4: Bản đồ hệ số xói mòn do mưa huyện Phú Lương năm 2015 ........................50 Hình 3.3: Bản đồ hệ số xói mòn do mưa huyện Phú Lương năm 2010 ........................50 Hình 3.5: Bản đồ hệ số xói mòn của đất –K năm 2010 và 2015 huyện Phú Lương .....52 Hình 3.6: Sơ đồ quy trình xây dựng lớp bản đồ hệ số độ dốc và chiều dài sườn dốc (LS) 53 Hình 3.8: Bản đồ độ dốc năm 2010 và 2015 huyện Phú Lương ...................................54 Hình 3.7: Mô hình số độ cao DEM huyện Phú Lương .................................................54 Hình 3.9: Bản đồ hệ số LS năm 2010 và 2015 huyện Phú Lương ................................55 Hình 3.10: Bản đồ chỉ số khác biệt thực vật NDVI huyện Phú Lương năm 2010 ........58 Hình 3.11: Bản đồ chỉ số khác biệt thực vật NDVI huyện Phú Lương năm 2015 ........58 Hình 3.12: Bản đồ hệ số lớp phủ và quản lý đất –C huyện Phú Lương năm 2010 .......58 Hình 3.13: Bản đồ hệ số lớp phủ và quản lý đất –C huyện Phú Lương năm 2015 .......58 Hình 3.14: Bản đồ hệ số xói mòn do biện pháp canh tác P huyện Phú Lương năm 2010 và 2015 .................................................................................................................60 Hình 3.15: Bản đồ phân cấp xói mòn đất huyện phú lương năm 2010 .........................62 Hình 3.16: Bản đồ phân cấp xói mòn đất huyện phú lương năm 2015 .........................63 Hình 3.17: Biểu đồ cơ cấu diện tích phân cấp xói mòn huyện Phú Lương năm 2020 ..72 Hình 3.18: Bản đồ dự báo xói mòn đất huyện Phú Lương năm 2020 ...........................74 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt EUROSEM FAO GIS IDW KT-XH NDVI RS RUSLE/MUSLE SALT SWAT TCVN USLE VAC Giải nghĩa The European Soil Erosion Model Mô hình xói mòn đất châu Âu Food and Agriculture Organization of the United Nations Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý Invert Distance Weighted Phép nội suy trị trung bình trọng số nghịch Kinh tế - xã hội Normalized Difference Vegetation Index Chỉ số khác biệt thực vật Remote sensing Viễn thám Revised/Modified Universal Soil Loss Equation Phương trình mất đất phổ dụng biến đổi Sloping Agricultural Land Technology Mô hình canh tác nông nghiệp bền vững trên đất dốc Soil and Water Assessment Tool Công cụ đánh giá nước và đất Tiêu chuẩn Việt Nam Universal Soil Loss Equation Phương trình mất đất toàn cầu Vườn-Ao-Chuồng VACR Vườn-Ao-Chuồng-Rừng WEPP Water Erosion Prediction Project Mô hình dự án dự báo xói mòn đất do nước MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Xói mòn đất, mất đất là một mối đe dọa lớn về môi trường cho phát triển bền vững và năng lực sản xuất của các ngành. Đây được coi là một trong những hiểm họa của vùng đất dốc Việt Nam, gây ra sự suy thoái đất, mất đất và đó cũng là nguyên nhân gây ra suy thoái môi trường. Xói mòn, sạt lở gây ra những tổn thất đến sản xuất nông nghiệp, cơ sở hạ tầng và chất lượng nước. Những nguyên nhân tiềm năng cho sự xói mòn đất tăng lên có thể do sự gia tăng nhiệt độ, lượng mưa thay đổi, và sự biến đổi sử dụng đất, chế độ canh tác dẫn đến sự thay đổi về lớp phủ thực vật. Biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng tới sự xói mòn đất dựa trên một loạt các yếu tố như lượng mưa tác động đến độ ẩm của đất và khả năng sinh trưởng của thực vật, và các tác dụng do việc làm dụng phân bón hóa học gây ảnh hưởng đến chất lượng đất cũng như sự phát triển của cây trồng tự nhiên. Lượng mưa là nguyên nhân chính ảnh hưởng đến sự cân bằng năng lượng của quá trình xói mòn đất, sức mạnh ăn mòn của nước mưa có một tác động trực tiếp đến việc xói mòn, sạt lở đất. Biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng tới sự xói mòn đất dựa trên nhiều yếu tố, bao gồm cường độ và lượng mưa, tác động nhiệt độ đến độ ẩm của đất và tăng trưởng thực vật Sử dụng đất hay thảm thực vật được định nghĩa là các lớp quan sát vật lý bao gồm cả thảm thực vật tự nhiên, rừng trồng và công trình xây dựng của con người. Việc giảm độ che phủ của thảm thực vật có thể làm tăng xói mòn đất. Mối quan hệ này là lý do tại sao thảm thực vật và sử dụng đất đã được đưa rộng rãi trong nghiên cứu xói mòn đất. Ngày nay với sự phát triển khoa học và công nghệ, sự ra đời của công nghệ viễn thám và GIS là một sự thay thế về công nghệ và phương pháp hữu hiệu trong đời sống, đặc biệt là trong quản lý tài nguyên và môi trường. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu chứng minh về tính ưu thế của công nghệ này. GIS có thể tích hợp bổ xung những hạn chế của các mô hình tính toán đã có, từ đó có thể mô hình hóa, không gian hóa đối với mục đích yêu cứu. Viễn thám đã được chứng minh là một công cụ hữu ích, không tốn kém và hiệu quả trong lập bản đồ và phát hiện thay đổi biến đổi sử dụng đất hay thảm thực vật. Nó có thể cung cấp các dữ liệu cần thiết cho mô hình xói mòn trong GIS. Do tính chất phức tạp của quá trình xói mòn, và những thách thức của việc định lượng các 1 quá trình này, sự tích hợp viễn thám, GIS và mô hình hóa dựa trên cách tiếp cận là rất quan trọng cho việc đánh giá thành công của các tác động của thay đổi sử dụng đất đối với tài nguyên đất. Phú Lương là một huyện thuộc tỉnh Thái Nguyên có địa hình chủ yếu là đồi núi thấp, thuận lợi cho phát triển nông, lâm nghiệp và xây dựng các công trình công nghiệp. Tuy nhiên, bên cạnh những thuận lợi cho phát triển kinh tế, còn có những khó khăn do tai biến thiên nhiên gây ra như: lũ quét, lũ bùn đá, trượt lở đất, xói mòn đất… Các hiện tượng đó không chỉ để lại những hậu quả môi trường nặng nề, mà còn ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển kinh tế - xã hội, cũng như đời sống của nhân dân trong khu vực. nguyên nhân hình thành các tai biến không chỉ xuất phát từ thiên nhiên mà còn do các hoạt động sinh sống và sản xuất của con người gây ra biểu hiện chính là quá trình biến đổi sử dụng đất. Trong những năm gần đây, từ năm 2009 trở lại đây, trên địa bàn hay xảy ra mưa lớn, lũ quét diễn ra nhiều hơn với cường độ lớn hơn, các hiện tượng xói mòn, sạt lở diễn ra nhiều hơn và xảy ra bất ngờ gây ra thiệt hại lớn về người và của cho người dân trên địa bàn. Tuy nhiên cho đến thời điểm này chưa có nghiên cứu nào về xói mòn, sạt lở trên địa bàn này. Xuất phát từ thực tiễn trên, nghiên cứu: “Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám đánh giá xói mòn đất trên địa bàn huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên” là bài toán cấp thiết và có ý nghĩa to lớn trong việc cảnh báo và dự báo hiện tượng xói mòn đất nhằm giảm thiệt hại, giúp các nhà quản lý chủ động hơn trong công tác phòng chống hiện tượng thiên tai. 1.2. Mục tiêu của đề tài 1.2.1. Mục tiêu tổng quát Ứng dụng công nghệ GIS, dữ liệu viễn thám đánh giá quá trình xói mòn đất trên địa bàn huyện Phú Lương từ đó đề xuất một số biện pháp hạn chế xói mòn cho địa phương. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể - Xây dựng bản đồ xói mòn đất, và đánh giá mối quan hệ tác động giữa lớp phủ và các yếu tố lượng mưa đến cường độ xói mòn đất trên địa bàn nghiên cứu giai đoạn 2010- 2015. - Kết hợp dữ liệu kịch bản Biến đổi khí hậu và báo cáo quy hoạch sử dụng đất dự 2 báo tiềm năng xói mòn đến năm 2020. - Đề xuất một số biện pháp hạn chế xói mòn cho đia bàn nghiên cứu 1.3. Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học Tổng hợp khái quát hóa các cơ sở lý thuyết và thực tiễn các thông tin liên chuyên ngành về biến đổi khí hậu, đất đai, quá trình xói mòn, sạt lở đất, và các cơ sở trong ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS. Ý nghĩa thực tiễn: Đánh giá thực trạng xói mòn đất huyện Phú Lương, từ đó xây dựng bản đồ xói mòn đất khu vực nghiên cứu làm cơ sở đề xuất một số giải pháp hạn chế xói mòn đất 3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cơ sở khoa học 1.1.1. Xói mòn đất a) Khái niệm Chúng ta có nhiều khái niệm khác nhau về xói mòn đất như: Xói mòn là một cụm từ Latinh “erosion” thể hiện sự ăn mòn dần. Theo định nghĩa của Từ điển Bách khoa Toàn thư Việt Nam [20] thì xói mòn đất được hiểu là “Quá trình các tác nhân khí hậu (mưa, gió), đôi khi cả con người (các hoạt động chặt phá rừng để lấy đất canh tác, phát triển cơ sở hạ tầng như xây nhà, làm đường, v.v.) tác động lên mặt đất làm cho lớp mặt của đất, keo mùn, những tầng đất tơi xốp, các vụn đất và đá sét bị mất đi hoặc trôi theo sườn dốc”. Ellison (1944) [24]: “Xói mòn là hiện tượng di chuyển đất bởi nước mưa, bởi gió dưới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất. Xói mòn đất được xem như là một hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lượng mưa và cường độ mưa”. Theo FAO (1994) [28]: “Xói mòn là hiện tượng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề mặt đất bị bào mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nước.” Viện sĩ L. I. Paraxolop (dẫn theo Zakharov, 1981) [17] cho rằng “Xói mòn đất cần phải hiểu là những hiện tượng phá hủy và cuốn trôi theo đất cũng như các quặng xốp bằng dòng nước và gió thể hiện dưới nhiều hình thức và rất phổ biến”. Husdson (1981) [11] coi xói mòn là quá trình san bằng, trong đó các hạt đất hay đá cứng bị nhào lộn, rửa trôi và di chuyển dưới tác dụng của trọng lực, gió và nước là động lực chính của quá trình này. Nguyễn Quang Mỹ cho rằng [9]: Xói mòn đất là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng (bao gồm phá hủy các thành phần cơ, lý, hóa, chất dinh dưỡng v.v... của đất) dưới tác động của các nhân tố tự nhiên và nhân sinh, làm giảm độ phì của đất, gây ra bạc mầu, thoái hóa đất, laterit hóa, trơ sỏi đá v.v... ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống và phát triển của thảm thực vật rừng, thảm cây trồng khác.. 4 Tóm lại, xói mòn đất là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng bề mặt dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội, làm mất đất, giảm chất lượng đất và ảnh hưởng đến môi trường, kinh tế xã hội. b) Phân loại xói mòn Trong quá trình nghiên cứu xói mòn đất, người ta đi đến một số khái niệm sau: - Xói mòn đất tự nhiên (xói mòn địa chất): Xảy ra do tác động của lực tự nhiên lên mặt đất. - Xói mòn gia tốc: Hoạt động sản xuất nông nghiệp và một số hoạt động của con người đã làm mất cân bằng tự nhiên (giữa đất, thảm thực vật và các yếu tố khí hậu). Khi sự cân bằng tự nhiên bị phá vỡ thì sẽ xảy ra xói mòn mặt đất với tốc độ rất nhanh, nhanh hơn quá trình hình thành đất. Loại xói mòn này gọi là xói mòn gia tốc. Xói mòn gia tốc làm bề mặt đất bị bào mòn nghiêm trọng và làm giảm sút độ phì của đất. Căn cứ vào tác nhân gây ra xói mòn, người ta phân ra xói mòn đất thành 5 dạng: xói mòn do nước, do gió, do trọng lực, do tuyết tan và do dòng bùn đá. (a)Xói mòn do nước: Xói mòn này được phân thành xói mòn bề mặt và xói mòn dạng tuyến tạo thành rãnh xói. Sự rửa trôi đất là do mưa khi rơi xuống tạo mạng lưới dòng chảy ở các liên sườn nghiêng. Tuy nhiên dạng dòng chảy này chỉ mang tính tạm thời. Lượng dòng chảy mặt và lượng xói mòn được xác định bằng cách kết hợp nhiều nhân tố tự nhiên và xã hội. Lượng dòng chảy mặt vừa là tác nhân gây xói mòn, vừa là động lực chính vận chuyển bùn cát trên bề mặt lưu vực và các rãnh xói. Trong quá trình chuyển tải bùn cát do mưa gây xói sẽ xuất hiện quá trình sa lắng các hạt đất khi mà lưu lượng bùn cát vượt quá sức tải của dòng nước trên bề mặt lưu vực và rãnh. Đây chính là quá trình cơ bản của xói mòn bề mặt lưu vực. Xói mòn dạng tuyến tạo thành rãnh xói phát sinh bởi những dòng nước tập trung vào địa hình võng, trũng. Dòng chảy ở đây có tốc độ lớn, sức tàn phá mạnh do đó theo thời gian tạo thành hệ thống rãnh xói. + Theo Bennett (1993) [25] có 4 loại dạng xói mòn do nước như sau: - Xói mòn dạng phẳng: ở dạng xói mòn này quá trình rửa trôi các hạt đất xảy ra đồng đều trên bề mặt khu vực đất dốc. Để có thể rửa trôi các hạt đất lượng mưa cần phải có đủ để tạo dòng chảy bề mặt. Theo Bennett điều này rất khó xác định nhưng lại là dạng xói mòn xảy ra phổ biến nhất. 5 - Xói mòn dạng rãnh: dạng xói mòn này thực chất là giai đoạn tiếp theo của xói mòn dạng phẳng, lượng đất mất cũng lớn tương tự như xói mòn dạng phẳng, dạng xói mòn này rất dễ nhận ra do hình thái của bề mặt bị xói mòn. - Xói mòn dạng mương xói: Dạng xói mòn này gặp ở các khu vực tập trung dòng chảy bề mặt, tạo nên xói mòn dạng tuyến tính. - Xói mòn xảy ra do tác động va đập: Tác động của mưa gây ra xói mòn đối với đất gồm các tác động va đập phá vỡ, làm tách rời các hạt đất và sau đó vận chuyển các hạt đất bị phá hủy theo các dòng chảy tràn trên mặt đất. (b) Xói mòn do gió: Xói mòn này có thể xuất hiện ở bất cứ dạng địa hình nào. Gió mang sản phẩm xói mòn theo những hướng khác nhau. Tuy nhiên, mức độ phá hủy đất phụ thuộc vào địa hình khu vực và loại đất. (c) Xói mòn trọng lực: Xói mòn này xuất hiện do tác động kết hợp giữa trọng lực của đất đá trên sườn dốc và dòng chảy tràn. Mặc dù mang tính địa phương nhưng nó có thể mang đến thảm họa khủng khiếp. (d) Xói mòn dòng bùn đá: Là một loại lũ quét đi qua các vùng đất đá bở rời và địa hình thuận lợi cho việc tập trung nước và chất rắn. (e) Xói mòn do tuyết tan, băng tan: Xói mòn mạnh hay yếu là phụ thuộc vào yếu tố cường độ mưa và lượng mưa, độ dốc, chiều dài sườn, hướng phơi của địa hình, địa hình bề mặt, đặc điểm của lớp phủ thổ nhưỡng và thảm thực vật, tình trạng sử dụng đất, kỹ thuật trồng trọt, phương pháp tổ chức sản xuất và các yếu tố xã hội. c) Các quá trình xói mòn đất Các quá trình xói mòn gồm: Xói lở sông suối và xói mòn, rửa trôi bề mặt. Xói lở sông suối Quá trình xói lở sông suối được xác định theo công thức về động năng của dòng chảy [9]. F=vm2/2 Trong đó: F: là động năng của khối nước chảy m: là khối lượng nước chảy v: là vận tốc dòng chảy Như vậy động năng của dòng chảy tỉ lệ thuận với bình phương của tốc độ dòng chảy. Trong quá trình xói lở, dòng chảy tạo ra vật liệu, phù sa. Tùy theo kích thước 6 phù sa và tốc độ dòng chảy mà phù sa có thể vận chuyển xuôi theo chiều dòng chảy. Khi động năng của dòng chảy không đủ sức mang đi từng bộ phận vật chất, phù sa sẽ lắng đọng xuống dòng sông gọi là quá trình bồi tụ. Xói mòn và rửa trôi bề mặt Là quá trình xói mòn do dòng chảy tạm thời trên sườn lúc mưa hoặc tuyết tan và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên, trong đó yếu tố địa hình là quan trọng nhất. d) Các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất Zakharov (1981) [17] cho rằng, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành và mức độ xói mòn chia ra làm hai nhóm: 1) Nhóm các yếu tố lịch sử tự nhiên hay là nhóm các yếu tố thiên nhiên; 2) nhóm các yếu tố kinh tế - xã hội, liên quan đến quá trình hoạt động sản xuất của con người. Trong giai đoạn trước thời kỳ lịch sử thì sự phát triển của xói mòn chỉ được xác định bằng những yếu tố lịch sử tự nhiên. Cùng với mức độ gia tăng hoạt động sản xuất của con người và khai khẩn các lãnh thổ đất đai thì xói mòn đã tăng một cách đáng kể, đồng thời nó trở nên phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp sử dụng đất đai. Xói mòn hiện tại thường là do sự kết hợp của hai nhóm yếu tố gây ra. Các yếu tố thiên nhiên tạo ra các điều kiện cho xói mòn xuất hiện, còn hoạt động sản xuất một cách không khoa học của con người là nguyên nhân chính gây ra xói mòn. Các yếu tố lịch sử tự nhiên quan trọng nhất bao gồm: khí hậu, địa hình, đất đai, thực vật. Các nghiên cứu khác đều cho thấy sự phá hủy và vận chuyển đất mạnh hay yếu tùy thuộc vào ảnh hưởng của tập hợp các yếu tố; trong đó, chủ yếu là: khí hậu, thổ nhưỡng, địa hình, thực vật, các biện pháp canh tác và bảo vệ đất. Căn cứ theo kết quả nghiên cứu quá trình xói mòn của các nhà khoa học (Ellision 1944, Wishmeier và Smith 1978...) thì các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn đất gồm: mưa, địa hình, thổ nhưỡng, độ che phủ bề mặt, yếu tố con người (a) Yếu tố khí hậu- Yếu tố mưa (Rainfall Erosion Index) Theo Wischmeier và Smith (1958) [32], Hudson (1981) [11], trong các yếu tố khí hậu (gồm: mưa, độ ẩm, bức xạ mặt trời...) thì mưa (bao gồm cả tuyết) là yếu tố quan trọng hơn cả đối với xói mòn đất do nước. Mưa vừa là tác nhân phá hủy đất vừa là 7 nguồn tạo ra dòng chảy trên mặt lớn. Nói cách khác, mưa là nguyên nhân gây ra hai pha đầu của quá trình xói mòn đất. Tác động chủ yếu của các hạt mưa là sự phá vỡ kết cấu lớp đất mặt bằng động năng của mình chính điều này làm các hạt đất tách ra khỏi mặt đất. Đồng thời mưa còn tạo ra dòng chảy để vận chuyển các hạt đất đến vị trí bồi lắng. Giữa hạt mưa và dòng chảy do nó tạo ra có mối quan hệ với nhau. Chính sự va đập của mưa vào mặt đất làm cho đất hóa lầy và dòng chảy trên mặt tăng lên. Xói mòn chủ yếu do dòng chảy bề mặt gây ra, nhưng dòng chảy lại do các yếu tố quyết định đó là: Tổng lượng mưa và tính chất của mưa, thời gian và cường độ mưa. Thời gian mưa càng lớn, cường độ mưa càng cao thì quá trình xói mòn càng xảy ra mạnh. Sự xuất hiện của xói mòn phụ thuộc rất nhiều vào lớp nước trong một đợt mưa và lượng mưa trung bình tháng, năm. Lớp nước mặt trên diện tích trồng cà phê 3 năm tuổi là 754mm gây rửa trôi 44,0 tấn/ha, khi lớp nước mặt 2501mm gây rửa trôi 213 tấn/ha. Như vậy trong điều kiện như nhau, khi dòng chảy mặt tăng 4 lần sẽ làm tăng rửa trôi đất từ 5 lần [9]. Ngoài mưa ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn, các yếu tố khí hậu khác như gió, nhiệt độ, ẩm độ cũng có ảnh hưởng đến xói mòn đất, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không rõ ràng. Nước mưa giữ vai trò chủ yếu trong các yếu tố khí hậu tác động trực tiếp đến xói mòn. Nước mưa tạo ra dòng chảy trên bề mặt hoặc dòng chảy trên các sườn dốc. Các yếu tố khí hậu khác (nhiệt độ, độ ẩm không khí, gió) chỉ ảnh hưởng gián tiếp đến xói mòn. (b) Đặc tính, tính chất đất- Yếu tố thổ nhưỡng (Soil Erodibility Index) Theo Zakharov [17] những tính chất vật lý của đất bao gồm: kết cấu, thành phần cơ giới, hàm lượng chất hữu cơ, độ ẩm và cấu tạo địa chất đất đều có ảnh hưởng đến xói mòn đất; những đặc tính hóa học của đất cũng ảnh hưởng tới xói mòn đất ở một mức độ nhất định. - Thành phần cơ giới: Thành phần cơ giới đất giữ một vai trò to lớn trong các đặc tính của đất. Đất có thành phần cơ giới nặng (phần trăm tỷ lệ sét cao) và đất có hàm lượng hữu cơ cao thì xói mòn thấp. Hàm lượng sét càng cao thì tính kháng xói của đất càng lớn. Khả năng phân tán của đất càng giảm tức là tính bền vững của các 8 hạt kết càng cao nếu hàm lượng Các bon tổng số (C%) càng lớn hay tỷ lệ sét càng tăng. Để chống lại xói mòn tốt, đất cần có cấu trúc tốt, thành phần cơ giới nặng có độ kết dính cao. - Kết cấu của đất: Kết cấu của đất cũng là yếu tố quan trọng xác định các quá trình xói mòn; đất mà thành phần hạt của nó có kết cấu bền thì đất đó khó bị rửa trôi. Các cấu trúc lớn có độ bền cao được hình thành trong những đất có hàm lượng chất hữu cơ và hàm lượng các hạt bùn cao, trong thành phần hấp phụ của chúng chứa cation canxi; nếu trong thành phần hấp phụ, lượng canxi được tăng lên thì khả năng chống xói mòn của đất cũng gia tăng. Độ bền của kết cấu sẽ giảm đi rất nhiều và chúng dễ dàng bị nước phá hủy nếu như thành phần hấp phụ của đất chứa toàn natri. Đất càng bị chua thì khả năng bị xói mòn càng cao. - Chất mùn: Nhờ hợp chất hữu cơ mà những hạt kết đất được hình thành, tính liên kết giữa chúng cao nên tính bền vững trong nước tăng lên. Từ đó, chất mùn là một yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành và bảo vệ kết cấu bền của đất. - Độ ẩm: Độ ẩm của đất tăng thì sự rửa trôi cũng tăng nhưng ở mức độ yếu hơn so với sự gia tăng dòng chảy. Nghiên cứu của Zakharov và cộng sự (Zakharov,) [17] cho thấy: nếu độ ẩm của lớp đất 10 cm thay đổi từ 16,8 - 35,5%, mức độ mưa 2 mm/phút trên đất dốc nghiêng 100 (đất sét pha trung bình cacbonat) thì sự rửa trôi tăng 1,43 lần, còn dòng chảy tăng lên gấp 2 lần và chiếm 84,3% lượng nước mưa rơi xuống mặt dốc; nếu độ ẩm của đất là 16,8% thì lượng nước mưa chảy mất chỉ chiếm 41,8% tổng lượng nước mưa rơi. - Cấu tạo địa chất: Xói mòn nước xuất hiện trên những đất được hình thành tại các khoáng sét có độ ngấm nước không cao lại dễ bị rửa trôi (như hoàng thổ). Trên các loại cát phong tích và bồi tích cổ có khả năng ngấm nước cao, xói mòn phát triển rất yếu. Về vấn đề này, N. I. Xuxo (dẫn theo Zakharov) [17] khẳng định: mặc dù địa hình là yếu tố chủ yếu gây xói mòn nhưng trong các loại trạng thái của nó, xói mòn cũng thể hiện sự tác động của cấu tạo địa chất khu vực. (c) Thực vật - Yếu tố che phủ bề mặt (Crop management factor) 9 Dưới tác động của mưa thì những vùng đất trống, có độ dốc lớn khả năng xói mòn sẽ rất cao. Nhưng khi đất có lớp thảm phủ thực vật, lớp thảm phủ thực vật sẽ có hai tác dụng chính: [8] - Thứ nhất hấp thu năng lượng tác động của hạt mưa, phân tán lực của mưa, nước có khả năng chảy xuống dọc theo thân cây xuống đất làm giảm đi lực tác động của hạt mưa đối cấu trúc đất. - Thứ hai vật rơi rụng của lớp thực phủ như lá, cành cây, tạo ra một lượng mùn làm cho đất tơi xốp, giữ đất, giữ nước, làm giảm lưu lượng dòng chảy tràn trên bề mặt Tóm lại, mỗi loài thực vật có một đặc trưng riêng nên thực vật có ảnh hưởng khác nhau đến quá trình xói mòn. Thực vật càng phát triển xanh tốt và mức độ che phủ của nó càng dày thì vai trò bảo vệ đất và giữ nước của nó càng lớn. Cây cối có ý nghĩa lớn trong việc bảo vệ đất khỏi xói mòn do gió, người ta xếp loại thực vật theo mức độ giảm dần chống xói mòn như sau: - Các băng bảo vệ có cây gỗ - bụi (tự nhiên và nhân tạo); - Cỏ tự nhiên - đồng cỏ; - Vườn cây ăn quả trồng theo hàng; - Cây nông nghiệp: Hỗn hợp đậu, cỏ, hòa thảo, cây ngũ cốc, cây họ đậu, cây màu nói chung. Một số nhà khoa học cho rằng cây màu trồng trên đất dốc có thể làm tăng mức độ xói mòn. Rừng và cây cỏ thường xuyên chịu sự tác động của con người, nếu như ta bảo vệ và phát triển nó lên thì có thể làm giảm hoặc chặn đứng hoàn toàn được xói mòn và ngược lại, nếu như ta phá hủy thực vật đi thì sẽ dẫn tới sự xuất hiện xói mòn. (d) Địa hình – Yếu tố địa hình (LS-factor) Địa hình cũng là nhân tố tự nhiên ảnh hưởng lớn đến xói mòn đất. Nếu xét trên diện rộng, địa hình có tác dụng làm thay đổi sự phân bố nhiệt và lượng mưa rơi xuống. Sự thay đổi về độ cao kéo theo sự thay đổi về nhiệt độ, mưa, ẩm. Các yếu tố địa hình như độ dốc, chiều dài sườn dốc, hình dạng (lồi, lõm, thẳng, bậc thang v.v...) mức độ chia cắt ngang của địa hình ảnh hưởng trực tiếp đến xói mòn đất. 10 Độ dốc của sườn là yếu tố địa hình có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình xói mòn. Độ dốc lớn làm tăng cường độ dòng chảy và do đó đẩy nhanh quá trình rửa trôi, xói mòn đất, gây nên xói mòn mạnh hơn. Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã đề xuất thang độ dốc trên lãnh thổ Việt Nam: 0 -30, 3-80, 8-150, 15-250, trên 250, tuy chưa được hoàn thiện nhưng đây cũng là bước thống nhất đầu tiên để sử dụng độ dốc ở nước ta [9]. Nguyễn Quang Mỹ đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất tại Tây Nguyên từ năm 1978 đến 1982 trên đất bazan, trồng Chè một tuổi, kết quả cho thấy: Bảng 1.1: Ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất Loại đất Cây trồng Độ dốc (00) Tổn thất về đất (T/ha/năm) Năm nghiên cứu, địa điếm NC Đất bazan Chè 1 tuổi 3 96 Đất bazan Chè 1 tuổi 8 211 Đất bazan Chè 1 tuổi 15 305 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 3 15 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 5 47 Vĩnh Phú 1982- Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 8 57 1986 Đất phù sa cổ Sắn 1 tuổi 22 147 Tây Nguyên 1978-1982 (Nguồn: Nguyễn Quang Mỹ, 2005) Chiều dài sườn dốc cũng là nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất. Chiều dài sườn càng tăng, khối lượng nước càng lớn, lớp nước càng dày, tốc độ và năng lượng dòng chảy càng lớn thì quá trình rửa trôi, xói mòn đất càng xảy ra mạnh. Nếu tăng chiều dài sườn dốc lên 2 lần thì xói mòn đất tăng từ 2 đến 7,5 lần [9] Việt Nam có trên 3/4 lãnh thổ là đồi núi, mạng lưới sông suối dày đặc, sông ngắn, dốc, lượng mưa lớn, 85-90% lượng mưa tập trung vào mùa mưa, do đó xói mòn có điều kiện xảy ra mạnh. (e) Yếu tố con người (Practice Human) Lịch sử canh tác cho thấy rằng, xói mòn hiện tại xuất hiện là do kết quả con người sử dụng đất đai một cách không khoa học. Bennet và Loudecmin (dẫn theo Zakharov [17] cho rằng, xói mòn đất cùng với tuổi canh tác, xói mòn bắt đầu khi mà 11