Giáo trình phân tích về hệ thống môi trường nông nghiệp phần 10

Chia sẻ: Than Con | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

51
lượt xem 11
download

Giáo trình phân tích về hệ thống môi trường nông nghiệp phần 10

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thực chất của quá trình này là xác định quá trình thích hợp nhất bằng cách liệt kê tất cả các biến trạng thái theo một ma trận 2 chiều mà tất cả cá biến được sắp xếp đối diện nhau giữa chiều ngang và chiều dọc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình phân tích về hệ thống môi trường nông nghiệp phần 10

7. 2. 2. Xác ñ nh ma tr n li n k Th c ch t c a quá trình này là xác ñ nh quá trình thích h p nh t b ng cách li t kê t t c các bi n tr ng thái theo m t ma tr n 2 chi u mà t t c các bi n ñư c s p x p ñ i di n nhau gi a chi u ngang và chi u d c. S 1 bi u th m i liên h tr c ti p gi a 2 bi n có th x y ra và s 0 bi u th 2 bi n không có m i liên h nào c . Ma tr n dư i ñây là ví d c a ma tr n li n k c a mô hình vòng tu n hoàn Nitơ trong h sinh thái dư i nư c (B ng 5-2). B ng 5-2. Ma tr n li n k c a mô hình vòng tu n hoàn Nitơ trong h sinh thái thu vc N ñ. V t NO3 NH4 N t.v t N cá N ch t N C n vn NO3 - 1 0 0 0 0 0 NH4 0 - 0 1 0 1 1 N t.v t 1 1 - 0 0 0 0 N ñ. V t 0 0 1 - 0 0 0 N cá 0 0 0 1 - 0 0 N ch t v n 0 0 1 1 1 - 0 NC n 0 0 1 0 0 1 - 7. 2. 3. Thi t l p bi u ñ lý thuy t ðây là bư c quan tr ng ñ cho ngư i xây d ng mô hình nhìn nh n và xác ñ nh ñư c cơ ch ho t ñ ng c a mô hình, ñ ng th i cũng giúp ngư i s d ng mô hình hi u ñư c cơ ch ho t ñ ng c a mô hình. Bi u ñ lý thuy t c a mô hình thư ng ñư c thi t l p d ng bi u ñ Forrester (Forrester, 1961). Trong ñó có các thành ph n và các m i quan h c a chúng trong h th ng mà nhìn vào ta có th hi u ñư c h th ng g m nh ng gì, m i liên h c a các h p ph n ra sao, t c ñ phát tri n và các y u t nh hư ng ñ n các quá trình phát tri n c a các bi n tr ng thái như th nào. Nhu c u CO2 không khí bài ti t, hô h p Ch t, Hươu (g C) C (g C) CO2 không khí, CO2 cây hút Ch t th i r n và l ng 1 2 3 Hình 5-6. Bi u ñ Forrester cho mô hình h sinh thái hươu-c (theo h th ng hình 5- 5). Các ñư ng li n bi u th ñư ng bi n ñ i C. ðư ng ch m bi u th m i quan h gi a các c p và t c ñ ñ u vào và ñ u ra (ý nghĩa c a t ng bi u tư ng có th xem hình 5-3). D a vào bi u ñ lý thuy t c a mô hình, chúng ta nên cân nh c và xác ñ nh nh ng s li u nào c n thi t cho xây d ng mô hình. Ví d ñ mô ph ng ñư c quá trình hút dinh dư ng c a cây tr ng thì c n ph i có các s li u v phát tri n sinh trư ng c a cây, hàm lư ng dinh dư ng trong ñ t, lư ng phân bón và th i gian bón. Chi ti t hơn n a chúng ta có th mô ph ng các quá trình con như quá trình b c hơi ñ m, nitrat hóa, ñ nitrat hóa. T t nhiên nh ng quá trình này còn ph thu c vào các y u t như mưa, nhi t ñ , pH v.v… 133
7. 2. 4. Thi t l p công th c toán Có r t nhi u nghiên c u cơ b n v các quá trình chuy n hóa trong h th ng ñã ñư c ñ nh lư ng hóa theo các bi n môi trư ng mà chúng ta có th ti p nh n ñ thi t l p các cơ ch cho mô hình. Ví d s cân b ng nư c trong ñ t ñư c tính b ng phương trình sau: FR = R + IR – ET – D – Q (1) Trong ñó FR là lư ng nư c trong ñ t, R nư c mưa, IR nư c tư i, ET nư c b c thoát hơi, D nư c tiêu và th m sâu và Q là nư c ch y tràn b m t. Ho c quá trình th m nư c gi a các t ng ñ t ñư c mô t theo ñ nh lu t Darcy D = -k*dh/dz (2) Trong ñó D là t c ñ th m nư c (mm/ngày), k ch s d n nư c c a ñ t (mm/ngày), dh/dz là chênh l ch th y tĩnh gi a 2 t ng ñ t. Ho c quá trình chuy n hóa nitrat ñư c Chowdary và c ng s (2004) mô t như sau: UNO3=UNH4(1−exp(−Knt)) (3) Trong ñó UNO3 là lư ng NO3 ñư c sinh ra trong quá trình nitrat hóa, NH4 a môn trong ñ t Kn h s nitrat hóa và t là th i gian sau khi bón phân 7. 2. 5. Chuy n t i vào máy tính và ki m tra ñ chính xác T mô hình lý thuy t, bi u ñ bi u th h th ng và các s li u ño ñ m, tham kh o k t h p s k t n i c a ki n th c chuyên gia. Toàn b mô ph ng v cơ ch ho t ñ ng c a h th ng ñư c chuy n vào máy tính theo d ng các hàm toán h c và các quá trình liên quan theo nh ng trình t th i gian và không gian nh t ñ nh. Tuy nhiên mô hình ph i ñư c th m ñ nh nhi u l n b ng c các phép tính toán trên máy tính cũng như b ng tay ñ ñ m b o ñ chính xác, ñúng công th c, phương trình toán h c. M t vi c r t quan tr ng n a là ki m tra l i toàn b h th ng ñơn v ño lư ng. ðây là l i thư ng g p và ñem l i nh ng sai s l n nh t trong quá trình xây d ng mô hình c a h u h t nh ng ngư i xây d ng mô hình. Th t c a các quá trình, ph n ng c a các ch t cũng ph i ñư c s p x p theo logic vì nh hư ng ñ n ñ u vào, ñ u ra c a quá trình và cũng là ñ n k t qu chung c a c mô hình. 7. 2. 6. Phân tích ñ nh y cho t ng mô hình con Mô hình xây d ng trên cơ s c a nh ng s li u ñ u vào, nh ng h s ñã ñư c xác ñ nh và nh ng y u t môi trư ng. M i y u t ñ u có nh ng ph m vi và m c ñ nh hư ng khác nhau ñ n ñ u ra c a t ng mô hình con và c a mô hình nói chung. Vi c phân tích ñ nh y ñư c xác ñ nh các ph m vi thay ñ i lên và xu ng c a các h s ñ u vào ñ n ki u thay ñ i, ph m vi thay ñ i c a ñ u ra. Vi c xác ñ nh này trư c h t ñư c ti n hành trên t ng mô hình con ñ ñánh giá ñ chính xác c a các quá trình riêng r . Hình 5-7 là m t ví d c a vi c phân tích ñ nh y c a m t mô hình mô ph ng v s bi n ñ i hàm lư ng ñ m trong ñ t theo th i gian. Khi thay ñ i các giá tr hàm lư ng ñ m ban ñ u thì ta nh n ñư c các k t qu khác nhau c a ñ u ra (hàm lư ng ñ m trong ñ t). Ki u 134
thay ñ i c a ñ u ra (tăng hay gi m, nhi u hay ít) hoàn toàn ph thu c vào các phương trình mô ph ng trong nó. Các h s N ban ñ u Th i gian (ngày) Hình 5-7. Ví d v phân tích ñ nh y s nh hư ng c a các hàm lư ng ñ m ban ñ u ñ n s thay ñ i hàm lư ng ñ m trong ñ t theo th i gian. 7. 2. 7. Phân tích ñ nh y cho mô hình l n Sau khi ñã hoàn toàn tin tư ng vào s ho t ñ ng chính xác c a các mô hình con thì ta có th ki m tra ñ nh y c a mô hình l n, ñó là s k t h p gi a nhi u mô hình con v i nhi u h s ñ u vào khác nhau. Quá trình phân tích ph i ñư c ti n hành v i nhi u phép ño ñ m và ch y mô hình v i t n s cao. S nh hư ng c a các h s ñ u vào ñ n ñ u ra c a mô hình c n ñư c ghi chép c n th n ñ làm cơ s cho vi c gi i thích và hi u ch nh mô hình sau này. 7. 2. 8. Hi u ch nh mô hình Cho dù mô hình ñư c xây d ng chính xác, c n th n và chi ti t ñ n ñâu thì công ño n hi u ch nh mô hình cũng là c n thi t không th tránh kh i. Hi u ch nh là vi c ñưa mô hình vào ho t ñ ng theo quy lu t phát tri n h th ng mà mình ñang quan tâm ñ làm cơ s cho vi c mô ph ng các quá trình ti p theo ph c v tính toán c a nghiên c u và s n xu t. M t ví d ñơn gi n khi m t k thu t viên mu n ño pH, EC c a 1 dãy 100 m u nư c. Vi c ñ u tiên là ph i hi u ch nh máy ño v ñúng v i các m u tiêu chu n (pH=4, pH=7, EC nư c c t) và ghi l i nhi t ñ t i th i ñi m ño. K t qu ño ch chính xác khi ñã hi u ch nh chính xác s ñ c trên máy ño v i các m u chu n ñ ñưa máy v trình tr ng ho t ñ ng bình thư ng, ñúng quy lu t và thu c ph m vi cho phép. 135
120 Hµm l- î ng ® trong ® t (mg/kg) TÝ to¸ n nh §o® m Õ 100 Ê 80 ¹m 60 40 20 0 28-06-03 14-01-04 1-08-04 17-02-05 5-09-05 24-03-06 Ngµy, th¸ ng, n¨ m Hình 5-8. K t qu hi u ch nh c a mô hình mô ph ng hàm lư ng ñ m trong ñ t tr ng b p c i (k t qu tính toán r t kh p v i hàm lư ng ñ m ño trong ñ t). Hình 5-8 là m t ví d ñi n hình c a k t qu hi u ch nh mô hình mô ph ng di n bi n hàm lư ng ñ m trong ñ t tr ng b p c i, sai khác gi a k t qu tính toán và giá tr ño trong phòng thí nghi m là r t nh , th hi n s mô ph ng chính xác c a mô hình. V i mô hình máy tính, quá trình hi u ch nh thư ng ti n hành b ng vi c so sánh k t qu ch y mô hình v i các giá tr ño ñ m ngoài th c ñ a. Trong quá trình hi u ch nh, mô hình có th ch y nhi u l n v i s thay ñ i các h s ñ u vào ñ ñi u ch nh cho ñ u ra kh p v i giá tr ño th c t ñ n m c sai s th p nh t có th . Thư ng d a trên giá tr chênh l ch (g n gi ng v i ñ bi n ñ ng chu n) theo công th c sau [(∑ ( χ )] − χ m ) 2 / χ m,a ) / n 1/ 2 Y= (4) c Trong ñó χ c là giá tr tính toán c a bi n tr ng thái, χ m là giá tr ño ñ m th c, χ m ,a là giá tr ño ñ m trung bình và n là s m u ño và tính toán. Mô hình ph i ñư c hi u ch nh làm sao ñ chênh l ch Y ñ t ñư c giá tr nh nh t. 7. 2. 9. Áp d ng mô hình ra di n r ng Sau khi ñã hi u ch nh, chúng ta có th tin tư ng vào s ho t ñ ng c a mô hình là mô ph ng ñúng các quá trình x y ra trong h th ng mà chúng ta ñang quan tâm. Các h s ñ u vào ñã ñư c hi u ch nh có th ñư c ti p t c s d ng cho vi c mô ph ng r ng rãi c a h th ng ñó theo m t không gian và th i gian r ng hơn. B ng vi c này chúng ta có th có nh ng k t qu ñ nh lư ng chính xác v các quá trình x y ra trong h th ng k c ng n h n và dài h n, v i nhi u k t h p khác nhau c a các y u t môi trư ng mà không th ño ñ m ñư c. Ví d mô hình mô ph ng quá trình th m nitrat t ñ t xu ng nư c ng m t i Vân H i, Tam Dương, Vĩnh Phúc, sau khi dùng các s ño trong năm 2004, 2005 ñ hi u ch nh mô hình (hình 5-8), ta có th tính toán lư ng nitrat làm ô nhi m nư c ng m theo t ng th i v khác nhau, trên các lo i ñ t khác nhau v i th i gian dài t 1 năm ñ n 5 năm, th m chí 50- 100 năm. 7. 2. 10. ðánh giá mô hình 136
Mô hình cũng c n ñư c ñánh giá v ñ chính xác, tính d s d ng, tính kh thi trong th c t và ph m vi ng d ng cũng như ho t ñ ng. Vi c ñánh giá có th d a vào k t qu áp d ng chúng vào các nhiên c u, ng d ng trên m i h th ng có liên quan. Vi c ñánh giá chính xác nh t là d a vào k t qu th m ñ nh c a các h i ñ ng khoa h c uy tín, các bài báo khoa h c ho c k t qu ñánh giá c a các d án có s d ng mô hình ñ mô ph ng. VIII. M t s mô hình c th . Trong th gi i hi n ñ i ñang di n ra r t nhi u ho t ñ ng s ng c a con ngư i mang tính tích c c ñ có m t th gi i hi n ñ i và văn minh, tuy nhiên cũng có r t nhi u ho t ñ ng làm ô nhi m môi trư ng, ñe d a ñ n s c kh e con ngư i mà r t nhi u qu c gia, nhà khoa h c ñang tìm cách ñ h n ch nó. Ô nhi m môi trư ng bao g m 6 lo i chính là: ô nhi m không khí (s gia tăng hàm lư ng, xáo tr n thành ph n không khí), ô nhi m nư c (suy gi m ch t lư ng nư c), ô nhi m ti ng n (gia tăng v ñ l n và t n su t ti ng n), ô nhi m ñ t (tích lũy quá gi i h n ch t th i r n và ch t ñ c h i trong ñ t), ô nhi m ch t phóng x (rò r và lan r ng các ch t phóng x , nguyên t có h i ñ n ho t ñ ng s ng) và ô nhi m nhi t (hi n tư ng nóng lên toàn c u). Có r t nhi u mô hình ñ mô ph ng và tính toán các quá trình ho t ñ ng trong môi trư ng xung quanh. Chúng ñư c ñánh giá có tác ñ ng m nh m ñ n giai ño n nghiên c u ñ nh lư ng, ti t ki m nhi u th i gian và v t ch t mà l i ñem l i ñ chính xác cao. Trong môi trư ng nông nghi p, môi trư ng ñư c coi là có ngu n ô nhi m không xác ñ nh l n gây nh hư ng ñ n môi trư ng s ng. ð i di n cho nh ng ngu n ô nhi m này là ô nhi m ngu n nư c m t do các quá trình xói mòn b m t t nh ng ngu n phân bón và hóa ch t bón ho c th i vào ñ t, ô nhi m ngu n nư c ng m do các quá trình th m sâu c a các hóa ch t nông nghi p trên nh ng vùng ñ t có ñ d n nư c cao, m c nư c ng m nông. ð mô ph ng vi c ñ nh lư ng hóa các quá trình ô nhi m này, m t s mô hình tiêu bi u ñư c xây d ng và ñư c ng d ng r t r ng rãi. 8. 1. Mô hình xói mòn ñ t do nư c Xói mòn ñ t là k t qu c a hi n tư ng mưa l n v i cư ng ñ cao trên nh ng vùng ñ t có ñ d c l n, ñ che ph th c v t nh và ñ t b xáo tr n nhi u do các h at ñ ng canh tác nông nghi p. Tác h i c a xói mòn là hàng năm b m t ñi lư ng l n ñ t canh tác màu m (lên t i hàng trăm t n/ha/năm), m t theo r t nhi u ch t dinh dư ng cây tr ng như mùn, ñ m, lân, kali, canxi và magiê (ð u Cao L c và c ng s , 1998; Thái Phiên và c ng s , 2001; ðào Châu Thu và c ng s , 1997; Tr n ð c Toàn và c ng s , 1998). Do m t ñi l p ñ t m t tơi x p, ñ t tr nên chai c ng và nghèo dinh dư ng d n ñ n năng su t cây tr ng gi m. V nh hư ng r ng thì các v t li u xói mòn như ñ t, bùn s l p ñ y các dòng sông, h ch a gây nh hư ng ñ n tư i tiêu và ñi u hòa môi trư ng. Các ch t h u cơ, ñ m lân s tích lũy trong các sông ngòi, h ch a làm gia tăng các quá trình phân rã gây ô nhi m môi trư ng nư c và không khí. Các quá trình phú dư ng hóa cũng tăng nhanh làm suy gi m ch t lư ng nư c u ng và gây các b nh ngư i và gia súc. Có r t nhi u mô hình xói mòn ñ t ñư c xây d ng theo các ph m vi và t l khác nhau trong ñó có các mô hình mô ph ng xói mòn trên b m t như GUEST (Yu et al., 1997), USLE (Wischmeier and Smith, 1978), WEPP (Flanagan et al., 2001). Nh ng mô hình này mô ph ng xói mòn ñ t t i b m t c a sư n d c, do v y xói mòn ch y u là xói mòn b m t và rãnh nh v i t c ñ xói mòn l n. Nh ng mô hình quy mô ñ a hình l n 137
hơn như lưu v c, ví d AGNPS (Young et al., 1989), ANSWERS (Beasley and Huggins, 1982), CREAMS/GLEAMS (Knisel, 1991) và LISEM (De Roo et al., 1996a; De Roo et al., 1996b). 8. 1. 1. Mô hình AGNPS Mô hình Ngu n ô nhi m nông nghi p không xác ñ nh (AGNPS) ñư c xây d ng do các nhà khoa h c nông nghi p M xây d ng nh m d ñoán xói mòn và s di chuy n các ch t dinh dư ng, hóa ch t t nh ng lưu v c nông nghi p. Mô hình s ch y cho t ng tr n mưa ñơn l . Lưu v c ñư c chia ra thành nh ng ti u lưu v c và lư i ô vuông có kích thư c b ng nhau. Mô hình bao g m 3 mô hình con, ñó là: Mô hình xói mòn d a trên phương trình tính toán xói mòn m t ñ t ph d ng USLE. - Mô hình nư c d a trên k thu t thi t k các ñư ng th y toán (SCS) mà m i giá tr - ñ i di n cho m t ch ñ ñ t, cây tr ng, h s d n nư c, h s dòng ch y khác nhau. Quá trình v n chuy n các ch t dinh dư ng ñ t và hóa ch t ñư c mô hình hóa d a - trên các ñ c tính c a ñ t, lư ng các ch t bón vào ñ t và kh năng v n chuy n c a dòng ch y. Hình 5-9. Mô hình AGNPS ch y k t h p v i ph n m m GIS mô ph ng các quá trình nư c và di chuy n c a hóa ch t. 138
S li u ñ u vào cho mô hình g m 22 ch tiêu v ñ c tính v ñ d c, hư ng d c, ñ c tính lý hóa ñ t, cây tr ng và lư ng các ch t hóa h c bón vào ñ t c a lưu v c, c a t ng ô ñơn v , lư ng mưa và ki u mưa S li u ñ u ra c a mô hình g m 13 ch tiêu v nư c như t c ñ dòng ch y, ñ nh lũ, t ng lư ng dòng ch y, hàm lư ng c n, kh i lư ng ñ t b xói mòn. Ti p theo là 11 ch tiêu v dinh dư ng và hóa ch t như lư ng ñ m, lân, và thu c sâu m t ñi trong c n ñ t và trong nư c ch y tràn b m t. Mô hình mô ph ng v không gian nên luôn c n s h tr c a các ph n m m GIS (ví d hình 5-9) ñ tính toán các y u t ñ a hình và phân b không gian c a các ñơn v ñ t ñai. Ngày nay mô hình ñư c phát tri n lên hi n ñ i hơn v i mô hình m i là Annual AGNPS, cơ b n d a trên mô hình AGNPS k t h p v i ph n m m GIS AcrView. Mô hình không nh ng mô ph ng cho t ng tr n mưa ñơn l mà còn mô ph ng theo năm có tính ñ n các y u t cân b ng nư c bao g m: mưa, b c thoát hơi nư c, cây hút, ch y tràn và th m sâu. Vì th ñ ng thái bi n ñ i c a ñ m ñ t là y u t quan tr ng nh hư ng ñ n kh năng sinh dòng ch y cho m i tr n mưa ñư c tính toán m t cách khoa h c. 8. 1. 2. Mô hình xói mòn LISEM Là mô hình xói mòn vi t trong môi trư ng GIS cho vi c mô ph ng xói mòn c a lưu v c có kích thư c v a và nh . Mô hình mô ph ng cho t ng tr n mưa riêng l v i các ñ phân gi i không gian và th i gian khác nhau. Cơ ch làm vi c và các quá trình xói mòn x y ra ñư c mô t như trong hình 10 Mưa dòng nư c ch y dòng ñ t trôi ð NG TÁN CÂY ñư ng ñi u khi n LAI, PER s li u ñ u vào Ksat, theta TH M SÂU ð NG TRONG XÓI MÒN B PER, CH, AGGRSTAB RR L Pð T MT MT AGGSTAB: ñoàn l p b n LAI: ch s di n tích lá PER: ñ che ph COH Ldd XÓI MÒN DÒNG CH Y Ksat: ñ d n nư c bão hòa DÒNG CH Y TRÀN theta: ñ m ñ t bão hòa n, slope RR: ñ gh gh m t ñ t ldd: hư ng dòng ch y R A TRÔI, L NG ð NG n: h s nhám Manning D50 slope: ñ d c CH: chi u cao cây COH: ñ d o dính T ng lư ng T ng lư ng D50: trung bình kích thư c ñ t trôi dòng ch y ht Hình 5-10. Bi u ñ bi u di n cơ ch xói mòn c a LISEM (Hessel et al., 2002) ð u vào c a mô hình bao g m 7 ñư ng chính: 139
a. S li u v mưa theo th i gian, kho ng cách 1-5 phút (d ng file text); b. Thông tin v lưu v c (b n ñ lư i ô vuông ch a các ô vuông có di n tích b ng nhau), bao g m: b n ñ chung ch a các ô, b n ñ ñ d c, b n ñ vùng mưa và b n ñ ch c a c a lưu v c; c. Thông tin v cây tr ng hay b n ñ hi n tr ng s d ng ñ t, ñư c k t n i v i b ng thu c tính ch a các thông tin v ch s di n tích lá, ñ che ph và chi u cao cây c a các lo i hình s d ng ñ t khác nhau; d. Thông tin v l p ñ t m t, là các b n ñ ch a các thông tin như: h s nhám Manning’s n, ñ gh gh m t ñ t, lư ng ñá trên m t, k n t, ñư ng sá; e. Thông tin v kh năng th m c a ñ t: là b n ñ ñơn v ñ t k t n i v i b ng thu c tính c a ñ t như: h s d n nư c và ñ m c a ñ t tr ng thái bão hòa, ñ m hi n tr ng c a ñ t, ñ sâu t ng ñ t; f. Thông tin v xói mòn và l ng ñ ng: là b n ñ ñơn v ñ t k t n i v i b ng thu c tính ch a các thông tin v : ñ b n c a h t ñ t, ñ d o dính và trung bình kích thư c h t ñ t; g. Thông tin v sông su i (kênh) như hư ng dòng ch y, ñ nhám lòng su i, chi u r ng c a su i và ñ d c c a lòng, sư n su i; h. Thông tin v hàm lư ng ñ m nitrat, amôn và lân trong ñ t. Dòng ch y m t Dòng ch y ngang Dòng ch y sông su i Hình 5-11. Mô ph ng hư ng dòng ch y trong mô hình xói mòn lưu v c ð u ra c a mô hình bao g m: i. Thông tin t i c a c a lưu v c theo th i gian (tùy theo ngư i s d ng, ví d sau kho ng cách 5 phút) g m: t c ñ dòng ch y, th tích dòng ch y, hàm lư ng c n trong huy n phù và lư ng ñ t m t do xói mòn; 140
j. B n ñ phân b xói mòn và l ng ñ ng ñ t theo th i gian và toàn tr n mưa; k. Hàm lư ng dinh dư ng trong ñ t và trong dòng ch y ra kh i lưu v c. 8. 2. Mô hình lan truy n th m sâu ch t hóa h c LEACHM LEACHM (Leaching Estimation And CHemistry Model) mô ph ng tr ng thái c a nư c và mô ph ng quá trình v n chuy n c a ch t l ng trong ñ t không bão hoà ho c bão hòa 1 ph n, t i ñ sâu 2 m. Mô hình LEACHM mô ph ng nhi u lo i hóa ch t khác nhau: LEACHN mô ph ng s chuy n hóa và v n chuy n c a ñ m (N) và lân (P); LEACHP mô ph ng s phân rã và lan truy n c a thu c tr sâu; LEACHC mô ph ng s lan truy n c a các ion vô cơ, và LEACHB mô ph ng ñ ng thái c a vi sinh v t trong s có m t c a 1 lo i ch t dinh dư ng cho s phát tri n c a chúng. Nh ng mô hình này có th áp d ng cho c trong phòng thí nghi m và ngoài th c ñ a, mô hình cũng bao g m c các mô hình con v hút nư c và ch t dinh dư ng c a r cây. Thoát hơi Ch t hóa B c hơi nư c Nư c mưa, hc Nư c tư i Cây phát tri n Dòng ch y mt Cây hút Dòng lưu thông nư c Ch t hóa h c, tương V n chuy n các ch t tác vi sinh v t Th m sâu Nư c Ch t hóa h c Hình 5-12. Các h p ph n chính và ñư ng phát tri n c a LEACHM (Hutson, 2003). Các thông s c th c a mô hình. Thông s chung c a thí nghi m như th i ti t, ñ c tính lý h c ñ t, r cây t i vùng - nghiên c u. Thông s v ñ t g m có: hàm lư ng mùn trong ñ t, hàm lư ng nitrat và a môn ban - ñ u, hàm lư ng ñ m trong ch t tàn dư th c v t, hàm lư ng cacbon và ñ m trong tàn dư th c v t. Thông s v phân bón g m có: Lư ng phân ñ m (Urea, a môn, nitrat), phân lân, - hàm lư ng ñ m và lân trong tàn dư th c v t và trong phân chu ng. Thông s ñ u ra c a mô hình g m có: Lư ng amôn, nitrat và lân do cây hút, lư ng - amôn b c hơi, ñ m m t trong quá trình nitrat hóa, và lư ng amôn, nitrat và lân m t do th m sâu. 8. 3. Mô hình ñơn gi n v lan truy n hóa ch t trong ñ t. Ví d : Xem xét m t lo i ñ t có ch a 1 l p phân bón (ví d phân ñ m, N, ñư c bón ñ sâu 20 cm). ð ñơn gi n hòa cho vi c tính toán, gi s ñ t bão hòa nư c, ñ t có ñ r ng a (m3 m-3, thư ng dao ñ ng t 0.35 - 0.75 và ch a không khí và nư c). Nư c mưa gây ra 1 dòng di 141
x (x-x1)= -H x1 (x-x1)= +H x C(i+1) C(i-1) C(i) F(i) FL(i+1) Tcmass=H/V Hình 5-13. Bi u ñ bi u di n s lan truy n ch t hóa h c trong ñ t chuy n v i t c ñ v’ và nư c di chuy n trong các k h ñ t v i t c ñ v = v’/a. Hàm lư ng c a N trong nư c t i 1 ñi m x và th i gian t là C(x,t) ð mô ph ng quá trình di chuy n c a N trong ñ t, ph u di n ñ t ñư c chia thành các t ng ñ t có các ñ c ñi m khác nhau (thành ph n v t lý như ñ r ng, ñ d n nư c, thành ph n cơ gi i v.v…) và ñư c bi u di n như hình 5-13. Bi u ñ này s giúp ta vi t các phương trình di chuy n c a N trong ph u di n ñ t như sau: Phương trình dòng ch y c a N di chuy n t i t ng ñ t th i s là: ; là dòng N ñi vào t ng i FL(i) = V. C(i-1) (5) ; là dòng N ñi ra kh i t ng i, và ñi vào t ng i+1 FL(i+1) = V. C(i) (6) Gi s N phân tán ñ u trong m i t ng v i n ng ñ ñ ng nh t C(i). V y N ñi vào m t t ng là tích c a t c ñ dòng nư c ch y vào và n ng ñ N trong nư c ch y ñ n t t ng trư c ñó. H dòng ch y c a N cho t ng ñ t i là hi u c a dòng ch y vào và ra kh i t ng i NFL(i) = FL(i) – FL(i+1) ho c (7) NFL(i) = V. (C(i) – C(i+1)) (8) Ta có th tích c a t ng ñ t là VOL = AREA. H [di n tích b m t (x) chi u cao]. N u ph u di n là ñ ng nh t và ñư c chia làm các t ng có ñ dày như nhau và b ng H, s thay ñ i n ng ñ c a N trong t ng ñ t s ñư c tính b ng NFL(i)/H và t c ñ thay ñ i n ng ñ c a N ñư c vi t dư i d ng phương trình 9. Bi n ñ ng hàm lư ng c a N trong ñ t ñư c bi u di n như trong hình 5-14. dC(i) NFL(i) V = = (C(i − 1) − C(i)) (9) dt H TCOM 142
Hàm lư ng N (mg kg-1) Chi u sâu ph u di n (m) Hình 5-14. Phân b hàm lư ng ñ m trong ñ t theo chi u sâu lúc ban ñ u, sau 40, 80 và 100 ngày. M t s lưu ý: Trên ñây là chương trình mô ph ng c a ñơn ch t trong môi trư ng ñ ng nh t và ch có 1 ñ u vào. Trong th c t ch t hóa h c trong ñ t bi n ñ i theo s chi ph i c a nhi u y u t môi trư ng như trình bày trong ph n m m LEACHM. T i m i c p quan tâm khác nhau chúng ta có quy mô c a mô hình l n hay nh . Mô hình càng ñư c mô t chi ti t thì cho ñ chính xác càng cao (g n v i h th ng th c), tuy nhiên sai s cũng s r t l n n u phương trình tính toán và s li u ñ u vào b sai. Vì th ngư i xây d ng cũng như ngư i s d ng mô hình ph i luôn ñ m b o nguyên t c c n th n trong t ng chi ti t tính toán, vi t phương trình, hi u ch nh cũng như áp d ng ra th c t . N u mô hình ñư c xây d ng t t thì s ñem l i r t nhi u l i ích cho th c t , b ng không nó s làm cho ngư i s d ng v n d ng sai các thành t u khoa h c và không tr l i ñư c các câu h i c a th c t ñ t ra. 143
Tài li u ñ c thêm ð u Cao L c, Thái Phiên, Nguy n T Siêm, và Tr n ð c Toàn, 1998. nh hư ng c a các phương th c canh tác ñ t d c Hòa Bình. Trong: Thái Phiên và Nguy n T Siêm (ch biên), Canh tác b n v ng trên ñ t d c Vi t nam, Nhà xu t b n Nông nghi p, Nà N i. tr: 23-44. Thái Phiên, Mai Văn Tr nh, Nguy n Công Vinh, Hoang Fagerstrom, M.H. và Nellson, I., 2001. Xói mòn ñ t và cân b ng dinh dư ng dư i các hình th c du canh b hóa ng n, Khoa h c ñ t s 14. tr: 38-47. ðào Châu Thu, Quy n ðình Hà và ð Nguyên H i, 1997. ðánh giá hi u qu c a các mô hình nông lâm k t h p áp d ng c i t o vùng ñ i tr c Tam Quan, huy n Tam ð o, t nh Vĩnh Phú. Khoa h c ñ t s 8. tr: 88-92. Tr n ð c Toàn, Hoàng ð c Nhân, Nguy n T Siêm và Thái Phiên, 1998. Các bi n pháp t ng h p cho vi c s n xu t nông nghi p hi u qu và s d ng t t ñ t ñ i tr c Tam ð o, Vĩnh Phú, Trong: Thái Phiên và Nguy n T Siêm (ch biên), Canh tác b n v ng trên ñ t d c Vi t nam, Nhà xu t b n Nông nghi p, Nà N i. tr: 80-88 TÓM T T Chương này mô t l ch s hình thành các lý thuy t v mô hình hoá và các khái ni m cơ b n v mô hình. Con ngư i xây d ng mô hình nh m khái quát hoá các hi n tư ng trong t nhiên, ho t ñ ng kinh t , xã h i và trong s n xu t nông nghi p nh m d tính, d báo các chi u hư ng s x y ra trong môi trư ng, ñ ng th i ñ xu t các bi n pháp h p lý nh m qu n lý s n xu t nông nghi p h n ch ô nhi m và suy thoái ñ t. Tuy nhiên, mô hình hoá hi n nay còn r t nhi u b t c p do các nhân t môi trư ng thay ñ i r t ph c t p và nh ng thay ñ i ngoài th c t khác r t nhi u so v i thay ñ i trong các tình hu ng ñã có s ki m soát c a con ngư i. Con ngư i ñã xây d ng r t nhi u mô hình ñ mô ph ng, phân tích các quá trình thay ñ i c a h th ng môi trư ng. Trong chương này t p trung vào mô t các mô hình xói mòn ñ t, mô hình lan truy n hoá ch t trong môi trư ng ñ t, môi trư ng nư c, v.v. Câu h i ôn t p Mô hình hoá nh m m c ñích gì? 1. Anh (ch ) hãy li t kê các ưu và như c ñi m c a mô hình hoá? 2. Phương pháp xây d ng mô hình? 3. Ý nghĩa c a mô hình hoá trong phân tích h th ng môi trư ng nông nghi p? 4. Các mô hình tính toán lư ng ñ t b xói mòn? Ưu và như c ñi m c a t ng mô hình? 5. Anh (ch ) hi u như th nào v mô hình th m sâu ch t hoá h c (LEACHM)? 6. Mô hình Ngu n ô nhi m nông nghi p không xác ñ nh (AGNPS)? 7. 144
GI I THÍCH THU T NG Biên gi i c a h th ng: “ðư ng” phân bi t gi a các ph n t c a h th ng v i môi trư ng. Cây tr ng: Là t t c các lo i cây ñư c tr ng và qu n lý trong m t vùng hay m t nông tr i nh m m c tiêu tho mãn nhu c u c a con ngư i. C u trúc c a h th ng: là hình th c c u t o bên trong c a h th ng bao g m: (i) S s p x p v trí gi a các ph n t ; (ii) Các m i quan h gi a các ph n t . Ch c năng c a h th ng: là kh năng ñư c qui ñ nh cho h th ng, làm cho h th ng có th thay ñ i tr ng thái và t ng bư c ñ t t i m c tiêu ñã ñ nh. Cơ c u cây tr ng: Là thành ph n và các lo i cây tr ng ñư c b trí theo không gian và th i gian trong m t nông tr i hay m t vùng s n xu t( thư ng xác ñ nh trong m t năm). Cơ ch c a h th ng: là phương th c ho t ñ ng h p v i qui lu t khách quan v n có c a h th ng. Công th c luân canh: là vi c b trí cây tr ng m t cách thích h p theo trình t th i gian trong năm trên m t không gian nh t ñ nh (có th là m nh ru ng, có th cánh ñ ng ho c m t vùng...). Dòng dinh dư ng n i lưu: Dòng dinh dư ng chuy n d ch bên trong h th ng xác ñ nh. ð u vào tiêu chu n (Target input): là dòng các ch t dinh dư ng d ng phân bón, thu c tr sâu, nư c tư i, nư c tr i, vv cung c p cho ñ ng ru ng trong ñ u ho c su t mùa v canh tác nh m ñ t năng su t ch tiêu (TY). ð u vào: là các tác ñ ng c a môi trư ng ñ n h th ng b ng các dòng dinh dư ng, v t ch t ho c thông tin. Ví d : r ng, có ñ u vào là dinh dư ng, nư c, không khí; Nông h có ñ u vào là ti n v n, lao ñ ng. ð u ra: là tác ñ ng tr l i c a h th ng v i môi trư ng. ð u ra có th là dòng năng lư ng, thông tin, ti n t , dinh dư ng (nông s n và ch t th i). ð phì bão hoà (Saturated Soil Fertility): ð phì c a ñ t ñ t ñ n ngư ng t i ña trong ñi u ki n các y u t hình thành ñ t (khí h u, ñá m , ñ a hình, sinh v t) ít có s bi n ñ ng. ð phì tiêu chu n (Target Soil Fertility): ð phì tiêu chu n c a ñ t là ñ phì s n có trong t nhiên ho c ñã ñư c con ngư i ñi u ch nh ñ năng su t cây tr ng ñ t hi u qu kinh t cao nh t, không làm t n h i ñ n môi trư ng. H sinh thái nông nghi p (HSTNN): là h th ng bao g m các sinh v t và c nh quan ñư c s d ng cho m c ñích s n xu t nông nghi p. H sinh thái nông nghi p v n là các h sinh thái t nhiên ñư c con ngư i bi n ñ i ph c v nhu c u v lương th c, th c ph m c a con ngư i. Hành vi c a h th ng: là t p h p các ñ u ra Y c a h th ng. H th ng chăn nuôi: là h th ng s n xu t b ng v t nuôi trong nông h /trang tr i/doanh nghi p ho c c ng ñ ng. H th ng dinh dư ng cây tr ng t ng h p (IPNS): là h th ng duy trì ho c ñi u ch nh ñ phì c a ñ t và dinh dư ng cây tr ng m c ñ h p lý nh t cho năng su t c a cây tr ng thông qua h p lý hoá các l i ích t t t c các ngu n hi n có c a dinh dư ng cây tr ng trong m t th th ng nh t. 145
H th ng kinh t xã h i: là s qu n lý c a nông dân và h th ng chính sách, các t ch c văn hoá xã h i ñư c k t h p l i cùng thúc ñ y h th ng canh tác ho t ñ ng t t ñ t m c tiêu c a h th ng nông nghi p. H th ng ngành ngh -ch bi n (h th ng phi nông nghi p): là d ng s n xu t mang tính ch t ti u th công nghi p cùng góp ph n làm tăng thu nh p cho nông dân. H th ng nông h : Có th nói là ñơn v cu i cùng c a h th ng nông nghi p có ph m vi, biên gi i rõ ràng và có ch th c a h th ng riêng. Ch th c a h th ng chính là h nông dân, ngư i luôn suy nghĩ ñ ra m i quy t ñ nh cho các ho t ñ ng c a h th ng nông h m t cách h p lý nh t. H nông dân cung c p các ñ u vào cho h th ng nông h như: l c lư ng lao ñ ng, ti n v n, cũng là ngư i tìm môi trư ng cho ñ u ra c a h th ng nông h , là ngư i cân ñ i m i ho t ñ ng c a h th ng. H th ng nông nghi p trư c h t là m t phương th c khai thác môi trư ng ñư c hình thành và phát tri n trong l ch s , m t h th ng s n xu t thích ng v i các ñi u ki n sinh thái, khí h u c a m t không gian nh t ñ nh, ñáp ng v i các ñi u ki n và nhu c u c a th i ñi m y. H th ng canh tác là hình th c t p h p c a m t t h p ñ c thù c a các tài nguyên trong nông tr i m t môi trư ng nh t ñ nh b ng nh ng phương pháp công ngh s n xu t ra các s n ph m nông nghi p sơ c p. H th ng cây tr ng (Cropping Systems): Là t p h p t t c các lo i cây có quan h v i môi trư ng t nhiên, kinh t , xã h i c a nông tr i hay vùng ñ cùng t o ra s n ph m nông nghi p v i hi u qu kinh t cao. H th ng nuôi tr ng thu s n: là d ng canh tác trong ñi u ki n môi trư ng nư c ñ nuôi tr ng các lo i giáp xác, ñ ng v t thu sinh trong ñi u ki n sinh thái nh t ñ nh ñ tho mãn nhu c u con ngư i. H p ph n k thu t (Component Technogy): là t t c các bi n pháp k thu t ñư c tác ñ ng vào s n xu t ñ cho hi u qu kinh t cao nh t. (Gi ng- làm ñ t, bón phân- tư i nư c- làm c -phòng tr sâu b nh- thu ho ch...) Labile Pool bao g m t t c các dinh dư ng có kh năng linh ñ ng trong ñ t: d ng hoà tan trong dung d ch ñ t, d ng trao ñ i trên b m t keo sét, d ng h p th không ch t. Mô hình hay hình m u (hi u thông thư ng) là m t cái m u hay hình th c a m t v t ñ tham kh o. Mô hình là s tr u tư ng hoá hay ñơn gi n hoá h th ng, nhưng các ñ c tính cơ b n c a h th ng ph i ñư c gi nguyên. Mô hình nông nghi p là mô hình mô t các ho t ñ ng c a h th ng nông nghi p. Nh nó mà ta có th bi t ñư c các ho t ñ ng c a h th ng nông nghi p như th nào, trong m i h th ng có bao nhiêu h ph , các m i liên h c a chúng ra sao, môi trư ng c a chúng là gì, hi u qu ho t ñ ng c a h th ng cao hay th p. Trong nông nghi p, mô hình ñư c s d ng ph bi n trong công tác khuy n nông và ñào t o. Môi trư ng: Theo nghĩa r ng môi trư ng là t p h p t t c các ñi u ki n bên ngoài có nh hư ng ñ n m t v t th hay m t s ki n. M c tiêu c a h th ng: là cái ñích mà h th ng c n ñ t t i. Năng su t ch tiêu (Target yield): là năng su t con ngư i c g ng ñ t t i trong các ñi u ki n nh t ñ nh. Nghiên c u h th ng canh tác (FSR): Phương th c ti p c n ñ nghiên c u và phát tri n nông nghi p d a trên quan ñi m toàn b h th ng canh tác trang tr i/nông h là m t h 146
th ng th ng nh t và nó t p trung vào m i ràng bu c gi a các thành ph n trong h th ng dư i s ki m soát và qu n lý c a các nông h . Nh ng thành ph n c a h th ng tương tác v i các nhân t v t lý, sinh h c và kinh t - xã h i n m ngoài s ki m soát c a nông h . Ngu n dinh dư ng t n t i d ng ỳ, ít linh ñ ng (Inert Pool) bao g m các ch t dinh dư ng ñư c b c r t ch c ch n bên trong các keo sét ho c các tinh th khoáng ch t, axit không th công phá ñư c trong ñi u ki n bình thư ng hay còn g i là trơ, ỳ trư c các tác ñ ng. Nhi t ñ cao ho c l c cơ h c có th làm cho s b o v c a các keo sét ho c ch t khoáng b phá hu b phá hu , gi i phóng các ch t dinh dư ng trơ lỳ. Ngu n dinh dư ng t n t i d ng h p ch t tương ñ i b n (Stable Pool) bao g m các ch t ñư c h p thu ch t trên keo sét, nhưng n u b công phá b i axit m nh thì các ch t dinh dư ng ñó có th b tách ra kh i keo sét vào dung d ch chi t xu t. Ngư ng ñ phì c a ñ t là ngư ng các ñ c tính sinh, lý, hoá c a ñ t ñ t m c t i ña. N u hàm lư ng, s lư ng hay n ng ñ các ñ c tính này vư t quá ngư ng này thì chúng s t b ñào th i ho c làm cho h th ng b thay ñ i v ch c năng (ô nhi m). Ví d : trong ñi u ki n môi trư ng khoáng hoá m nh vùng nhi t ñ i, hàm lư ng các ch t h u cơ trong ña s trư ng h p ñ t nhi t ñ i th p hơn so v i hàm lư ng ch t h u cơ trong ñ t ôn ñ i. Nông nghi p là m t lo i ho t ñ ng c a con ngư i, ti n hành trư c h t là ñ s n xu t ra lương th c, s i, c i ñ t cũng như các v t li u khác, b ng s cân nh c k lư ng và s d ng có hi u qu cây tr ng và v t nuôi. Phân tích cân b ng dinh dư ng là phương pháp phân tích và ñánh giá qu dinh dư ng c a h th ng thông qua t t c các dòng dinh dư ng cung c p cho h th ng và ra kh i h th ng nh m tìm hi u môi trư ng dinh dư ng c a h th ng s n xu t nông nghi p hay h sinh thái nông nghi p. N u cân b ng dinh dư ng âm (ð u vào < ð u ra), ch c năng c a h th ng có nguy cơ b phá v n u không có bi n pháp ngăn ch n k p th i. N u cân b ng dinh dư ng dương (ð u vào > ð u ra), ch t lư ng nông s n có nguy cơ b nh hư ng b i các ch t vư t quá m c ñ cho phép và có th x y ra hi n tư ng phú dư ng ngu n nư c. N u cân b ng dinh dư ng trung tính (ð u vào = ð u ra), h th ng có kh năng duy trì ch c năng và tính b n v ng c a nó n u như các h p ph n (các dòng dinh dư ng) c a h th ng không vư t quá m c cho phép. Phân tích tính b n v ng c a h th ng nông nghi p: ðánh giá tính b n v ng c a h th ng, kh năng duy trì ch c năng c a h th ng trư c nh ng tác ñ ng t bên ngoài và xu hư ng phát tri n h th ng. Phân tích h th ng môi trư ng là nh m tìm hi u ch c năng c a h th ng ñư c th c hi n như th nào và nó có tác ñ ng như th nào ñ i v i môi trư ng xung quanh. K t qu nghiên c u s ñư c s d ng trong quá trình ra quy t ñ nh ho c quy ho ch cho phát tri n b n v ng các c p ñ qu c gia, c ng ñ ng, t ch c và cá nhân. Phân tích h sinh thái nông nghi p ñư c Conway (1985) ñ xu t và nó ñư c ng d ng hi u qu trong các trư ng ð i h c thu c m ng lư i ðông Nam Á (SUAN) vào nh ng năm 1980. M c ñích c a phân tích h sinh thái nông nghi p là phát hi n và tìm ra các h n ch và ti m năng c a HSTNN t ñó ñưa ra các gi i pháp c th nh m c i thi n các ñ c tính và môi trư ng c a h th ng. Nó là các lu n ch ng cơ s ñ ñưa ra các bi n pháp ñi u khi n h th ng thông qua các bi n pháp khuy n nông, chính sách và các bi n pháp k thu t. Phép bi n ñ i c a h th ng: là kh năng th c t khách quan c a h th ng trong vi c bi n ñ u vào thành ñ u ra. 147
Quy trình k thu t (Package Technique): Là các phương pháp c th ñ th c hi n các h p ph n k thu t ñư c t t (bi n pháp làm ñ t, bi n pháp bón phân, cách tư i nư c). Tr ng thái c a h th ng: Là kh năng k t h p các ñ u vào c a h th ng t i m t th i ñi m nào ñ y. Ti p c n dư i lên quan tâm vi c tìm hi u Logic ho t ñ ng c a h nông dân ñ hi u ñư c cách ra quy t ñ nh c a h thì nhà nghiên c u m i có th ñ xu t ra các gi i pháp tác ñ ng phù h p v i ñi u ki n và ý th c c a nông dân ñ h ti p thu và áp d ng ñư c. Tăng v : Là canh tác hơn m t v trong năm trên m t m nh ñ t hay trong cùng m t ñi u ki n sinh thái nông nghi p. 148