Sử dụng tư liệu ảnh MODIS và mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng

Xin chân thành cảm ơn dự án: “Nghiên cứu biến động sử dụng đất dưới tác động của hoạt động kinh tế - xã hội và của biến đổi khí hậu toàn cầu nghiên cứu trường hợp tại đồng bằng sông Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Văn Trọng

SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC

LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Văn Trọng

SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC

CANH TÁC LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Chuyên nghành: Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin địa lý

Mã số: 60 44 02 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS TS Phạm Văn Cự PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Hà nội, 2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS TS Phạm Văn Cự, là người trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình chỉ bảo cho tôi ngay từ những bước đi đầu tiên trên sự nghiệp nghiên cứu mà trước tiên là hoàn thành luận văn này Không những thế, thầy còn là người luôn động viên, khuyến khích tôi trong những lúc khó khăn cả về tinh thần và sự nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và nâng cao những kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Địa lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội Đặc biệt là sự giúp đỡ của các thầy

cô tại bộ môn Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý

Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị của lớp cao học K13-Bản đồ Viễn thám và GIS đã luôn ủng hộ và tạo không khí vui vẻ, thoải mái trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tôi làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn dự án: “Nghiên cứu biến động sử dụng đất dưới tác động của hoạt động kinh tế - xã hội và của biến đổi khí hậu toàn cầu (nghiên cứu trường hợp tại đồng bằng sông Hồng và vùng núi Tây Bắc Việt Nam” đề tài nghị định thư Việt – Bỉ đã cung cấp nguồn dữ liệu để tôi thực hiện được luận văn này

Lời cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, ủng hộ về tinh thần của bố mẹ tôi, anh chị tôi Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp vì những trao đổi kinh nghiệm và hỗ trợ để tôi hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2016

Học viên cao học

Phan Văn Trọng

1

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 6

Tính cấp thiết 6

Mục tiêu nghiên cứu 8

Nhiệm vụ nghiên cứu 8

Phương pháp nghiên cứu 8

Phạm vi nghiên cứu 9

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 9

Cấu trúc của luận văn 9

CHƯƠNG 1 10

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC 10

1.1 Phát thải Methane từ canh tác lúa nước 10

1.1.1 Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa 11

1.1.2 Cơ chế hình thành và phát thải mêtan 18

1.2 Tách chiết lúa từ ảnh MODIS 19

1.3 Các mô hình phát thải khí nhà kính 25

CHƯƠNG 2 28

2

TÍNH TOÁN PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA THEO MÔ HÌNH DNDC Ở

ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 28

2.1 Khu vực nghiên cứu 29

2.1.1 Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên 29

2.1.2 Đặc điểm về kinh tế xã hội 32

2.1.3 Tình hình sản xuất lúa và đặc điểm mùa vụ lúa đồng bằng sông Hồng 34

2.2 Sử dụng tư liệu MODIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 36

2.2.1 Cơ sở dữ liệu nghiên cứu 36

2.2.2 Phân loại đa thời gian và thành lập bản đồ vùng trồng lúa 47

2.2.3 Ứng dụng mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 58

CHƯƠNG 3 66

PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC Ở ĐÔNG BẰNG SÔNG HỒNG 66

3.1 Kết quả phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 66

3.2 Kiểm chứng kết quả 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC 88

3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 13

Bảng 2.1: Nông lịch cấy lúa ở Đồng bằng sông Hồng 35

Bảng 2.2: Bảy kênh phổ đầu tiên của MODIS 37

Bảng 2.3: Tên các loại đất trên đồng bằng sông Hồng theo hệ phân loại Việt Nam 40

Bảng 2.4 : Ký hiệu và một vài tính chất lý - hóa học của đất tại Hà Nội 41

Bảng 2.4: Lịch gieo trồng của một số tỉnh trên đồng bằng sông Hồng 45

Bảng 2.5: Lượng phân bón theo điều tra phỏng vấn của một số tỉnh [6] 46

Bảng 2.6 Ma trận đánh giá sai số giữa thực tế và kết quả từ MODIS [1] 55

Bảng 2.7: Tổng hợp dữ liệu và nguồn dữ liệu cho vùng đồng bằng sông Hồng 61

Bảng 2.8: File biên tập dữ liệu khí tượng cho từng trạm khí tượng 64

Bảng 3.1: Lượng phát thải CH4 trung bình trên đồng bằng sông Hồng 66

Bảng 3.2: Lượng phát thải CH4 trung bình theo từng tỉnh 69

Bảng 3.3: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm 73

Bảng 3.4: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm 75

4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp 11

Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường 14

Hình 1.3 Quan sát vùng lũ và lúa mới cấy sử dụng dữ liệu VGT tổ hợp 10 ngày 23

Hình 1.4 Sự biến động của các chỉ số thực vật (NDVI, EVI) và chỉ số nước bề mặt (LSWI) trong 1 pixel đất trồng lúa chọn làm mẫu ở Indonesia 25

Hình 2.1: Sơ đồ khối tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 28

Hình 2.2: Vị trí các tỉnh đồng bằng sông Hồng trong Việt Nam 30

Hình 2.3: Diện tích trồng lúa trên đồng bằng sông Hồng từ 1995 – 2014 [2] 35

Hình 2.4: Bản đồ đất đồng bằng sông Hồng 39

Hình 2.5: Nhiệt độ và lượng mưa hàng ngày các trạm khí tượng năm 2010 43

Hình 2.6: Minh họa mô phỏng lớp nước mặt ruộng (chế độ ngập nước thường xuyên) 44

Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp tách chiết lúa từ ảnh MODIS 50

Hình 2.8: Tính toán các chỉ số LSWI, NDVI, EVI 51

Hình 2.9: Đồ thị phổ theo mùa của các giá trị LSWI, NDVI, EVI theo mùa của khu vực Đồng bằng sông Hồng 53

Hình 2.10: Sơ đồ tuyến thực địa kiểm chứng trên Đồng bằng sông Hồng [1] 54

Hình 2.11: Các điểm mẫu lúa thu thập trên ĐBSH 54

Hình 2.12: Bản đồ lúa vụ Đông Xuân trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 56

Hình 2.13: Bản đồ lúa vụ Hè Thu trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 57

Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mô hình DNDC 59

Hình 2.15: Sơ đồ kết hợp cấu trúc dữ liệu để chạy mô hình DNDC ở qui mô vùng áp dụng cho đồng bằng sông Hồng 63

Hình 3.1: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Đông Xuân 67

Hình 3.2: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Hè Thu 68

Hình 3.3: Phát thải CH4 trung bình từng tỉnh trên đồng bằng sông Hồng 70

Hình 3.4: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi lượng phát thải giữa 2 mùa vụ 71

Hình 3.5: Cường độ khí CH4 phát thải (mgC/m2/giờ) trên ruộng lúa vụ Mùa [6] 74

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

6

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết

Trên thế giới, cây lúa được 250 triệu nông dân trồng, đây là nguồn lương thực chính của 1,3 tỉ người nghèo nhất trên thế giới, chiếm tới trên 11% diện tích cây trồng trên toàn thế giới , là sinh kế chủ yếu của người nông dân Ở Việt Nam, lúa gạo cũng là nguồn lương thực chính của 100% người dân Từ các cánh đồng lúa ở vùng đồng bằng cho đến những thửa ruộng bậc thang vùng miền núi, việc trồng lúa nước từ lâu đã là một đặc trưng cơ bản của nền nông nghiệp Việt Nam (Castella and Erout 2002), mà cụ thể là ở đồng bằng sông Hồng Vì vậy tìm hiểu sự phân bố không gian của các cánh đồng lúa là vấn đề rất quan trọng để đánh giá sản lượng lúa hàng năm, chế độ nước tưới, nguồn nước, và quản lí sử dụng đất Thêm vào đó các nghiên cứu còn chỉ ra rằng lúa đóng góp một phần quan trọng trong việc phát thải khí nhà kính mà đặc biệt là khí Methane (CH4)

Methane (CH4) là một trong ba loại khí nhà kính (Methane, nitơ oxit N2O và carbon dioxide CO2) đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide CH4 có lượng phát thải đáng kể bắt nguồn từ hệ sinh thái nông nghiệp Do đó, nông nghiệp là một trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính Khí

CH4 được phát thải qua quá trình biến đổi sinh học trong môi trường yếm khí như ờ đẩm lầy, đất ngập nước Sự phát thải Methane chủ yếu là từ canh tác lúa nước, chăn nuôi gia súc, các vùng đất ngập nước và các ngành công nghiệp than đá, khí Trong đó, canh tác lúa nước đóng góp phần lớn vào sự tăng lên của CH4 trong khí quyển suốt thế

kỷ qua (IPCC, 2007)

Vì vậy việc tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước và đánh giá khả năng giảm thiểu lượng khí CH4 thông qua quản lý nguồn nước tưới, chế

độ canh tác và đề xuất một chế độ canh tác khoa học nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi

7

trường (giảm Methane phát thải) cho từng vùng đất trồng lúa là rất có ý nghĩa và cần thiết

Ở Việt Nam, dữ liệu về lúa được cung cấp qua 2 nguồn: thống kê nông nghiệp hàng năm từ Tổng cục thống kê vàkiểm kê sử dụng đất năm năm một lần Chính vì thế rất khó để có thể kịp thời có được thông tin về thống kê và không gian của cây lúa trong 1 khoảng thời gian nhất định, mặc dù lúa gạo có vai trò to lớn trong an ninh lương thực Những năm qua, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang có nhiều nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đa thời gian trong theo dõi mùa màng nói chung

và mùa vụ lúa nói riêng Tùy vào yêu cầu về mức độ chi tiết của nghiên cứu mà dữ liệu viễn thám với độ phân giải không gian khác nhau có thể được lựa chọn Các tư liệu viễn thám quang học độ phân giải cao như Landsat, SPOT và siêu cao như IKONOS và Quickbird có thể sử dụng để theo dõi chi tiết từng thửa ruộng Tuy nhiên với giá thành cao và phần lớn thời gian mà mùa vụ lúa trồng ở miền nhiệt đới là vào mùa mưa, thời gian mà hiếm khi có được ảnh quang học không bị mây che phủ nên tư liệu viễn thám

độ phân giải cao hiện thường được sử dụng cho khu vực nông nghiệp quy mô nhỏ Đối với việc giám sát vùng trồng lúa rộng lớn, thì những tư liệu viễn thám có độ phân giải không gian trung bình hoặc thấp (250 – 1000 m) và chu kỳ lặp lại nhanh (hàng ngày) như ảnh NOAA/AVHRR hoặc MODIS thường được sử dụng cho việc theo dõi sự tăng trưởng của mùa vụ lúa

Từ những nhận định trên khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có mối quan hệ như thế nào? và Ảnh hưởng của chế độ tưới tiêu, phân bón, đất, tới lượng phát thải CH4 trên đồng bằng sông Hồng

ra sao? với mục đích nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi trường (giảm Methane phát thải) cho từng vùng đất trồng lúa có ý nghĩa như thế nào Để trả lời các câu hỏi trên học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng dữ liệu MODIS và mô hình DNDC tính toán

lượng phát thải CH 4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng”

8

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá phát thải khí Methane CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thu thập, phân tích, đánh giá hiện trạng canh tác lúa trên đồng bằng sông Hồng, phân tích những nét đặc trưng riêng của vùng

- Thu thập lịch thời vụ, lịch gieo trồng, số liệu khí tượng, thống kê số liệu về việc trồng và sản xuất lúa

- Thu thập số liệu tính toán phát thải từ các đề tài, báo cáo trước nhằm mục đích kiểm chứng độ chính xác của mô hình

- Đánh giá phân bố không gian của các vùng trồng lúa trên Đồng bằng sông Hồng theo mùa vụ dựa vào phân tích dữ lệu MODIS

- Dự đoán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước tại vùng đồng bằng sông Hồng bằng việc áp dụng mô hình tính toán lượng phát thải kết hợp với viễn thám và GIS

- Tìm hiểu thông tin về: chế độ canh tác, nông lịch, chế độ tưới tiêu, phân bón, các đặc tính của đất…

- Đánh giá ảnh hưởng của đất, chế độ canh tác, chế độ tưới tiêu, lượng phân bón đến lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước từ đó đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu lượng phát thải

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu MODIS

Phương pháp phân tích thống kê

Phương pháp bản đồ: thể hiện bản đồ phân bố lượng phát thải CH4, và bản đồ phân bố lúa qua các thời kỳ, mùa vụ

Phương pháp phân tích không gian (GIS)

Phương pháp viễn thám

9

Phương pháp điều tra thực địa: điều tra, phỏng vấn

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi không gian: Khu vực Đồng bằng sông Hồng

Phạm vi thời gian: Tính toán, phân tích lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 sử dụng tư liệu MODIS

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đã chỉ ra được việc kết hợp giữa tư liệu viễn thám và mô hình nhằm tính toán được lượng phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp

mà cụ thể là tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu viễn thám MODIS

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đã tính toán được lượng phát thải CH4 từ lúa từ

đó làm cơ sở cho việc đánh giá hiện trạng, dự báo và tìm ra các giải pháp nhằm giảm thiểu lượng CH4 phát thải thông qua các biện pháp canh tác thích hợp

Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Dưới đây là tiêu đề các chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu mô hình tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước

Chương 2: Tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa theo mô hình DNDC ở đồng bằng sông Hồng

Chương 3: Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng

10

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

1.1 Phát thải Methane từ canh tác lúa nước

Trong những năm gần đây, hàm lượng Methane CH4 trong khí quyển tăng lên rất nhanh, gấp 3 lần kể từ thời kỳ tiền công nghiệp trong đó con người đóng góp 1/5, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu Mật độ trung bình CH4 trên bề mặt trái đất là 1745 ppb Gần đây, nồng độ phát thải Methane tăng chứng tỏ tỷ lệ phát thải Methane từ bề mặt Trái đất gần cân bằng với tỷ lệ phân hủy Methane trong khí quyển Tuy nhiên, kể từ đầu năm 2007, sự cân bằng này bị phá vỡ dẫn đến có thêm hàng triệu tấn Methane thải vào khí quyển Nguồn phát thải Methane (CH4) là các vùng đất ngập nước, vựa lúa, gia súc và các ngành công nghiệp than đá và khí Sự gia tăng phát thải Methane ở bán cầu Bắc do thời tiết ấm lên nhiều theo quan trắc ở Sibêri năm 2007, sẽ

làm cho vi khuẩn ở các vùng đất ngập nước thải ra nhiều khí Methane hơn [6]

Methane là khí thải nhà kính quan trọng và đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide Tiềm năng làm ấm toàn cầu của Methane là 75 (tính trung bình qua 20 năm) hay 25 (tính trung bình qua 100 năm) Chúng ta phải sử dụng các biện pháp giảm thải Methane Đất ngập nước trong đó có đất lúa nước được coi là một trong những nguồn phát thải Methane chính, góp tới 10% tổng lượng thải của bề mặt trái đất mặc dù loại đất này chỉ chiếm 0,3% diện tích bề mặt Vì là một dạng khí nhà kính tiềm năng nên việc giảm Methane có một tác động đến biến đổi khí hậu to lớn hơn là giảm carbon dioxide Ngoài ra, Methane có thời gian tồn lưu tương

đối ngắn, khoảng 12 năm so với carbon dioxide- 120 năm [5, 6]

Methane, nitơ oxit cũng như carbon dioxide là nguồn khí thải đang được sự chú ý

và quan tâm thông qua các tác động của chúng trên bức xạ hóa học và bức xạ của khí quyển dẫn đến sự nóng lên toàn cầu Hơn nữa, cả ba loại khí nhà kính quan trọng nhất