Đánh giá tình trạng canh tác đất nông nghiệp trong mùa khô phục vụ định hướng phát triển thủy lợi tỉnh Bình Thuận bằng tư liệu ảnh Landsat

1. MỞ ĐẦU

Cộng đồng nghiên cứu khoa học đã nhận định “biến động sử dụng đất và độ che phủ (LULC) là một vấn đề lớn của sự thay đổi môi trường toàn cầu” tại Hội nghị Stockholm về Môi trường con người năm 1972. Điều này lại được khẳng định một lần nữa trong Hội nghị quốc tế về Môi trường và Phát triển (UNCED) năm 1992. Các chương trình Địa quyển và Sinh quyển quốc tế (IGBP), Chương trình Quốc tế (IHDP) cũng đã lập các nhóm nghiên cứu LULC. Việc định lượng hóa vị trí, mức độ và xu hướng thay đổi sử dụng đất là một nhiệm vụ quan trọng của khoa học. Ngày nay hệ thống vệ tinh là phương tiện duy nhất cung cấp thường xuyên dữ liệu để kiểm kê đất đai và theo dõi biến động đất đai, một cách kịp thời. Quan sát lâu dài có hệ thống sử dụng đất là rất cần thiết cho phép các nhà khoa học lập hồ sơ dữ liệu để phục vụ cho các mục tiêu quan trọng trong định hướng phát triển (NASA, 2014).

Ảnh vệ tinh về lớp phủ thực vật, sử dụng đất và những thay đổi của nó là một chìa khóa cho nhiều ứng dụng khác nhau trong môi trường, lâm nghiệp, thủy văn, nông nghiệp, địa chất. Sự hợp lý trong quản lý tài nguyên thiên nhiên, lập kế hoạch và giám sát các chương trình phụ thuộc vào sự chính xác và tính cập nhật của các thông tin được cung cấp trong khu vực. Phương pháp giám sát sự thay đổi thảm thực vật từ dữ liệu viễn thám đã được chứng minh là hữu ích và hiệu quả với chi phí thấp.

Bình Thuận là một tỉnh thuộc vùng Nam Trung bộ, giới hạn trong hệ tọa độ từ 10º 33’ 42’’  đến 11º 33’ 18’’  vĩ độ bắc; và từ 107º 23’ 41’’ đến 108º 52’ 42’’ kinh độ đông. Diện tích đất tự nhiên là 781.282 ha, trong đó đất sản xuất nông nghiệp chiếm 40,06%, đất lâm nghiệp có rừng chiếm 46,10%, đất phi nông nghiệp chiếm 10,08%, còn lại là đất khác  (Cục Thống kê Bình Thuận, 2014). Tuy nhiên, trong thực tế diện tích đất sản xuất nông nghiệp được canh tác trong mùa khô chỉ chiếm một phần nhỏ, do tình trạng bị thiếu nước. Đối với những khu vực này, nguy cơ đất bị thoái hóa và hoang mạc hóa là rất cao. Bởi vậy cần phải được giám sát và có biện pháp thích hợp để sử dụng hiệu quả và bảo vệ tài nguyên đất.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU

2.1. Tư liệu ảnh vệ tinh

Phân tích hình ảnh vệ tinh cho phép tổng quan nhanh chóng và chính xác thảm thực vật và đặc tính cơ bản của đất. Hình ảnh vệ tinh cho phép quan sát trực tiếp của bề mặt đất trong khoảng thời gian lặp đi lặp lại và do đó cho phép lập bản đồ về mức độ và giám sát, đánh giá sự thay đổi theo thời gian và không gian. Vệ tinh Landsat chụp ảnh đa phổ phủ toàn thế giới với độ phân giải mặt đất 30mx30m có thể đáp ứng cho lập bản đồ ở tỷ lệ lớn và trung bình. Cơ sở dữ liệu ảnh lưu trữ từ năm 1972 đến nay và hiện được cung cấp miễn phí bởi Cục Khảo sát địa chất Hoa Kỳ (U.S. Geological Survey) thích hợp cho các nghiên cứu và theo dõi sử dụng đất/ lớp phủ đất và biến động về chúng. Trong nghiên cứu này các dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat khu vực nghiên cứu tỉnh Bình Thuận trong  Bảng 1 được download từ cơ sở dữ liệu của USGS (USGS, 2014).

Với mục đích xác định ra các khu vực đất sản xuất nông nghiệp được canh tác hoặc không được canh tác, hoặc canh tác không ổn định trong mùa khô, chúng tôi lựa chọn thời điểm của ảnh trong khoảng từ tháng 1 đến tháng 4 là các tháng mùa khô ở tỉnh Bình Thuận. Và thời điểm năm của ảnh là năm: 1996; 2001; 2005; 2010 và 2014. Năm 1996 là năm xa nhất có đủ tư liệu ảnh đảm bảo chất lượng; năm 2005 và 2010 là các mốc quan trọng trong định hướng và quy hoạch phát triển của quốc gia, và năm 2014 là thời điểm hiện tại.
 

Bảng 1. Tư liệu ảnh vệ tinh Landsat khu vực tỉnh Bình Thuận từ năm 1996-2014

 

2.2. Phương pháp phân loại có kiểm định và phát hiện thay đổi

Thuật toán sử dụng trong phân loại có kiểm định là phân loại theo xác suất cực đại (maximum likelihood). Việc lựa chọn tập mẫu được tiến hành thông qua đồ thị kết hợp với lấy mẫu ngoài thực địa cho các loại hình sử dụng đất: đất sản xuất nông nghiệp đang được canh tác; đất sản xuất nông nghiệp không được canh tác; rừng thường xanh; rừng rụng lá; rừng thưa; cây bụi; đất ở; đất trống; mặt nước. Xét về đặc điểm phản xạ và cấp độ xám trên tư liệu ảnh Landsat, đối tượng đất nông nghiệp được nhận biết rất khó, đối với vùng đất được canh tác rất dễ lẫn với rừng thưa, cây bụi; đối với vùng đất không được canh tác (ko có thực vật che phủ) và đất khô thì gần giống với đất trống. Bởi vậy cần phải được trợ giúp bằng khảo sát thực địa và bản đồ hiện trạng sử dụng đất.

Để theo dõi biến động của một đối tượng, bài viết này sử dụng phương pháp phát hiện thay đổi (change detection methods) từ các cặp ảnh đã được phân loại độc lập (Mas, J. F., 1999). Quy trình xử lý tư liệu ảnh Landsat theo dõi biến động canh tác đất nông nghiệp cụ thể được trình bày trong sơ đồ Hình 1. Ảnh Landsat được hiệu chỉnh, tăng cường chất lượng và phân loại độc lập, sau đó được sử dụng theo từng cặp để phát hiện thay đổi trong từng giai đoạn gồm: 1996-2001; 2001-2005; 2005-2010; và 2010-2014. Việc sử dụng tư liệu ảnh theo nhiều thời điểm sẽ cho thấy rõ hơn xu thế biến động, hơn nữa với khoảng thời gian theo dõi dài và liên tục có thể rõ ràng khoanh vi được các vùng đất sản xuất nông nghiệp thường xuyên không được canh tác; được canh tác không ổn định và được canh tác ổn định, là cơ sở thông tin chính xác cung cấp cho định hướng sử dụng tài nguyên hợp lý và phát triển thủy lợi sau này. 

Hình 1. Sơ đồ xử lý tư liệu ảnh Landsat đánh giá biến động đất sản xuất nông nghiệp

Đánh giá độ chính xác kết quả phân loại theo hệ số Kappa: Hệ số Kappa được sử dụng để đánh giá độ chính xác của kết quả phân loại theo phương pháp hoàn toàn ngẫu nhiên (Congalton, R. 1991):

Kappa =  A/B

Trong đó:

A = số pixel phân loại đúng - số pixel phân loại sai.
B = tổng số pixel được phân loại.
Khi Kappa = 1: độ chính xác phân loại là tuyệt đối.

 

Các pixel được lựa chọn theo phương pháp Random, được kiểm tra theo bản đồ hiện trạng sử dụng đất và kiểm tra thực địa.

Kết quả đánh giá độ chính xác được trình bày trong Bảng 2.
 

Bảng 2. Đánh giá độ chính xác của kết quả phân loại ảnh theo hệ số Kappa

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Biến động canh tác đất sản xuất nông nghiệp giai đoạn 1996-2014

Bình Thuận là một tỉnh giành nhiều quỹ đất cho hoạt động nông nghiệp. Diện tích đất sản xuất nông nghiệp của Bình Thuận chiếm tới 88,71%, trong đó đất giành cho sản xuất nông nghiệp hàng năm chiếm 40,1% (Cục Thống kê Bình Thuận, 2014). Theo kết quả phân tích biến động sử dụng đất từ ảnh vệ tinh (Bảng 1) cho thấy diện tích đất giành cho sản xuất nông nghiệp (trồng cây hàng năm) có giảm đi nhưng không đáng kể, từ 43.5% (năm 1996) giảm dần qua các năm đến nay còn 40.1% (tháng 2 2014). Đất có xu hướng giảm đi do được chuyển sang các mục đích khác, thường là đất chuyên dùng (đất ở, đất công nghiệp, đất giao thông)

Tuy nhiên điều đáng quan tâm là diện tích đất được canh tác vào mùa khô chỉ chiếm một phần và hiện đang có xu hướng giảm đáng kể, hay nói cách khác diện tích đất nông nghiệp bị bỏ trống không canh tác được vào mùa khô có xu hướng gia tăng (đồ thị Hình 2), điều này phản ánh sự thay đổi của thời tiết có lẽ ngày càng khắc nghiệt hơn vào mùa khô và năng lực thủy lợi không đáp ứng được nhu cầu sản xuất.
 

+ Số liệu quan trắc khí tượng cho thấy có sự thay đổi về sự phân bố lượng mưa theo mùa trong khu vực, về mùa khô lượng mưa giảm đi và mùa hè tăng lên. Theo kịch bản biến đổi khí hậu và hạn hán, từ nay đến 2100 vùng hạn nghiêm trọng ở Bình Thuận sẽ mở rộng về phía bắc và phía đông chiếm trọn thành phố Phan Thiết, nửa phần phía nam các huyện Bắc Bình, Tuy Phong, Hàm Thuận Bắc và Hàm Thuận Nam (Hương P.T.T và nnk., 2010). Bởi vậy vấn đề thiếu nước tưới sẽ ngày càng khốc liệt ở các khu vực này.

+ Điều tra năng lực thủy lợi ở Bình Thuận cho thấy sự phát triển của hệ thống thủy lợi rất nhanh trong hơn 10 năm qua, nhiều hồ đập lớn được xây dựng, tuy nhiên hệ thống kênh dẫn nước còn hạn chế bởi vậy tuy hồ có nước mà cây trồng vẫn bị hạn. Trong Hình 3 cho thấy mối liên hệ giữa các khu vực đất không được canh tác và sự thiếu thốn hệ thống kênh dẫn nước.
 

Bảng 3. Biến động diện tích đất sản xuất nông nghiệp mùa khô giai đoạn 1996-2014

 

Hình 2. Biểu đồ biến động sử dụng đất giai đoạn 1996-2014 tỉnh Bình Thuận

3.2. Định hướng phát triển hệ thống thủy lợi

Định hướng phát triển hệ thống thủy lợi được đề xuất trên cơ sở kết hợp kết quả phân tích biến động và đánh giá năng lực hệ thống thủy lợi. Kết quả phân tích biến động thể hiện được tình trạng canh tác đất sản xuất nông nghiệp và tình trạng tưới của tỉnh Bình Thuận trong mùa khô, được phân ra các mức gồm: 1) Thường xuyên không có tưới; 2) Được tưới không ổn định; và 3) Nguồn tưới ổn định. Trên cơ sở đó đề xuất các mức nhu cầu phát triển hệ thống thủy lợi, vừa đảm bảo nguồn tưới phát triển trồng trọt vừa giữ độ ẩm cho đất hạn chế thoái hóa đất (hình 3). Cụ thể như sau:
 

+ Đất sản xuất nông nghiệp thường xuyên không được canh tác vào mùa khô (giai đoạn 1996-2014) vì không có nguồn tưới, tập trung ở các vùng đồng bằng chân núi của các huyện Bắc Bình; Hàm Thuận Bắc; Hàm Thuận Nam và Hàm Tân. Các vùng đất này thường bị bỏ trống vào mùa khô, đất khô cằn, có dấu hiệu thoái hóa. Khu vực này cần thiết phải được phát triển hệ thống thủy lợi để tăng cường độ ẩm cho đất trong mùa khô, giảm nguy cơ thoái hóa. Được đề xuất có nhu cầu phát triển hệ thống thủy lợi ở mức rất cao.

+ Đất sản xuất nông nghiệp có năm được canh tác, có năm không được canh tác vào mùa khô vì nguồn nước tưới không ổn định phân bố chủ yếu ở khu vực đồng bằng ven biển kéo dài từ Tuy Phong cho tới Hàm Tân. Đây là khu vực phân bố có diện tích đất cát chiếm phần lớn, với nhiều cồn cát lớn, nhiều nơi cát đang xâm lấn vào đồng ruộng. Được đề xuất có nhu cầu phát triển hệ thống thủy lợi ở mức cao, ngoài ra cần tăng cường hệ thống rừng phòng hộ chống sa mạc hóa.

+ Đất sản xuất nông nghiệp thường xuyên được canh tác nhờ ổn định được nguồn tưới tập trung ở khu vực Đức Linh, Tánh Linh; và một số khu vực ở Hàm Thuận Bắc và Bắc Bình. Được đề xuất có nhu cầu phát triển hệ thống thủy lợi ở mức trung bình.

Hình 3. Hiện trạng canh tác và định hướng phát triển hệ thống thủy lợi
 

4. KẾT LUẬN

Sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh Landsat có thể đáp ứng được nội dung quan trắc biến động sử dụng đất/ lớp phủ đất ở tỷ lệ lớn và trung bình, định vị được khu vực, định lượng được diện tích và xác định được sự thay đổi từ loại hình sử dụng đất này sang loại khác qua các năm một cách nhanh chóng, cập nhật và không tốn nhiều kinh phí.

Diện tích đất dành cho sản xuất nông ở Bình Thuận đến nay có giảm đi nhưng không đáng kể, từ 43.5% (năm 1996) giảm dần qua các năm hiện còn 40.1% (tháng 2, 2014). Nhưng diện tích đất được canh tác vào mùa khô chỉ chiếm một phần và hiện đang có xu hướng giảm đáng kể, đó là minh chứng cho sự thay đổi về thời tiết và hệ thống thủy lợi không đáp ứng được nhu cầu canh tác.

Kết hợp kết quả phân tích biến động sử dụng đất và đánh giá năng lực hệ thống thủy lợi có thể chỉ ra các khu vực với các đặc trưng sau: thường xuyên không được tưới; được tưới không ổn định; và nguồn tưới ổn định, làm cơ sở đề xuất nhu cầu phát triển hệ thống thủy lợi với các mức tương ứng: có nhu cầu rất cao; có nhu cầu cao và nhu cầu trung bình. Phục vụ nhu cầu sản xuất và bảo vệ nguồn tài nguyên đất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO