Ứng dụng mô hình PCPF-1@SWAT mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền thuốc trừ cỏ lưu vực sông Sakura, Nhật Bản và tiềm năng ứng dụng ở Việt Nam

Mô hình PCPF-1@SWAT được tạo lập từ mô hình PCPF-1 - một mô hình phạm vi thửa ruộng có chức năng mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền của thuốc trừ cỏ và được tích hợp vào trong mô hình phạm vi lưu vực có chức năng mô phỏng lan truyền nước và chất ô nhiễm có tên là Công cụ Đánh giá Đất và Nước (SWAT).

Mô hình PCPF-1@SWAT đã được sử dụng để mô phỏng lan truyền thuốc trừ cỏ mefenacet (MF) trên lưu vực sông Sakura (thuộc tỉnh Ibaraki, Nhật Bản) với việc sử dụng các kết quả đo đạc nồng độ mefenacet trong suốt vụ lúa năm 2008. Các thiết lập của mô hình đối với việc mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền thuốc trừ cỏ được tiến hành bằng cách cung cấp các thông số mô hình liên quan đến khí tượng, thủy văn, sử dụng đất, thuốc trừ cỏ và các biện pháp quản lý. Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng mô hình PCPF-1@SWAT để mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền của 4 loại hoạt chất trừ cỏ cho lúa có tên lần lượt là Mefenacet (MF), Bensulfuron-Methyl (BSM), Imazosulfuron (IMS) và Pretilachlor (PTC) trên lưu vực sông Sakura, Nhật Bản. Từ đó phân tích tiềm năng áp dụng mô hình này vào điều kiện thực tế của Việt Nam.

1. MỞ ĐẦU

Tổng diện tích đất nông nghiệp của Nhật Bản khoảng 4,61 triệu ha, trong đó, diện tích đất trồng lúa là 2,51 triệu ha (MAFF, 2010). Quy mô diện tích trung bình mỗi thửa ruộng lúa là khoảng 1 ha. Thuốc bảo vệ thực vật sử dụng trong nông nghiệp đóng một vai trò quan trọng trong việc gia tăng sản lượng nông sản. Lượng thuốc sử dụng để diệt cỏ dại, sâu bệnh bảo vệ cây lúa được báo cáo là chiếm khoảng 40% tổng lượng thuốc trừ sâu sử dụng trong 1 năm (theo Hiệp hội Bảo vệ thực vật Nhật Bản, 2010). Việc thất thoát thuốc trừ sâu trong quá trình sử dụng ra ngoài môi trường cũng đã khiến nguồn nước, đất bị ô nhiễm và gây ra thiệt hại lớn tới hệ sinh thái cũng như ảnh hưởng tới con người. Nguồn ô nhiễm này được coi là nguồn ô nhiễm phân tán, khác với các nguồn điểm xả thải tập trung khác từ các công trình xử lý nước thải tập trung hay từ các khu công nghiệp. Ở Nhật Bản, nguồn ô nhiễm thuốc trừ sâu phân tán này là một vấn đề khá nghiêm trọng trước đây. Nhưng sau đó, thuốc trừ sâu được quản lý chặt chẽ hơn bằng cách gắn thuốc trừ sâu vào các tiêu chuẩn chất lượng nước uống và các tiêu chuẩn môi trường đã được thực hiện (Hatakeyama, 2006). Tuy nhiên, việc canh tác lúa nước dưới tác động của các điều kiện khí hậu và thực hành quản lý nước mặt ruộng vẫn có thể gây ra lượng thất thoát lớn thuốc trừ sâu ra ngoài môi trường (Kondo và đồng nghiệp, 2012).

Sau khi phun hoặc rải, thuốc trừ sâu được phân tán trong đất, trong tầng lá hoặc lan truyền từ ruộng lúa ra ngoài môi trường sông suối bằng nhiều con đường khác nhau như tháo nước khỏi ruộng lúa, thấm ngang qua bờ ruộng, thấm đứng vào tầng nước ngầm nông sâu, một phần lại thất thoát từ quá trình phun thuốc, lưu trữ, vận chuyển và xử lý, … phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giai đoạn sinh trưởng, kỹ thuật phun và điều kiện thời tiết, … Các nghiên cứu trước đây cho thấy, thuốc trừ sâu thất thoát từ ruộng lúa lên tới 50% lượng sử dụng phụ thuộc vào biện pháp quản lý nước. Vì vậy, việc sử dụng thuốc trừ sâu trong nông nghiệp không chỉ giúp tiêu diệt sâu bệnh có hại, bảo vệ cây trồng mà còn có ảnh hưởng rất lớn tới các loài sinh vật thủy sinh khác như tôm, cua, cá, … cũng như làm giảm chất lượng nguồn nước mặt, nước ngầm. Các nghiên cứu giám sát nồng độ thuốc trừ sâu ở lưu vực sông Sakura đã phát hiện ra 39 loại thuốc trừ sâu được áp dụng cho lúa và 11 chất biến thể của chúng. Các loại thuốc diệt cỏ được sử dụng một cách rộng rãi trong lưu vực sông Sakura theo một lịch cố định (theo quy định sử dụng), thời điểm phát hiện nồng độ lớn nhất của thuốc diệt cỏ có xu hướng lặp lại từng năm (Iwafune và đồng nghiệp, 2010). Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc định lượng sự thất thoát thuốc trừ sâu trong các hệ thống sông ở Nhật Bản (Boulange, 2013). Theo đó, nồng độ lớn nhất được báo cáo nằm trong khoảng từ 10 tới 100 μg/L đối với thuốc diệt cỏ và từ 1 tới 10 μg/L đối với thuốc diệt nấm và diệt côn trùng (Boulange, 2013).

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU MÔ HÌNH

2.1. Phương pháp mô phỏng

2.2. Dữ liệu mô hình

a. Dữ liệu bản đồ DEM

b. Dữ liệu bản đồ sử dụng đất và bản đồ loại đất

c. Dữ liệu khí hậu, thời tiết và lưu lượng dòng chảy

d. Dữ liệu thuốc diệt cỏ

e. Biện pháp quản lý

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

a. Kết quả tính toán dữ liệu thuốc diệt cỏ và thông số đầu vào mô hình

b. Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy

c. Kết quả mô phỏng nồng độ thuốc diệt cỏ trong nước sông lưu vực Sakura

Các hạn chế của mô hình:

4. KẾT LUẬN VÀ PHÂN TÍCH TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH PCPF-1@SWAT

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]        Iwafune T, Yokoyama A, Nagai T, Horio T. Evaluation of the risk of mixtures of paddy insecticides and their transformation products to aquatic organisms in the Sakura River, Japan. Environ Toxicol Chem 2011a; 30: 1834-1842.

[2]        Iwafune T, Inao K, Horio T, Iwasaki N, Yokoyama A, Nagai T. Behavior of paddy pesticides and major metabolites in the Sakura River, Ibaraki, Japan. J Pestic Sci 2010; 35: 114-123.

[3]        Julien, Boulange. Ph.D. Diss. Development and application of the PCPF-1@SWAT model for simulating the fate and transport of rice pesticides in watersheds containing paddy fields 2013.

[4]        Julien, Boulange, Watanabe, Hirozumi, Inao, Keiya, Iwafune, Takashi, Zhang, Minghua, Luo, Yuzhou, Arnold, Jeff. Development and validation of a basin scale model PCPF-1@SWAT for simulating fate and transport of rice pesticides J. Hydrol. 2014; 146-156.

[5]        MLIT. Digital national Land Information. Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Japan http://nlftp.mlit.go.jp/ksj-e/jpgis/jpgis_datalist.html, MLIT, Access 15 September 2015.

[6]        Neitsch SL, Arnold JG, Kiniry JR, Willams JR. Soil and water Assessment Tool, Theoretical Documentation, Version 2009. Texas Water Resources Institute, College Station, Temple, Texas. 2011,

[7]        Takagi K, Fajardo F, Ishizaka M, Phong T, Watanabe H, Boulange J. Fate and transport of bensulfuron-methyl and imazosulfuron in paddy fields: experiments and model simulation. Paddy Water Environ 2012; 139-151.

[8]     Wu W, Shibasaki R, Yang P, Tang H, Sugimoto K. Modeling changes in paddy rice sown areas in Asia. Sustainability Science 2010; 5: 29-38.