Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất khác nhau ở Lương Sơn – Hòa Bình

Chia sẻ: Tri Lễ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm xác định được đặc trưng cấu trúc lớp thảm thực vật, chế độ thủy văn của khu vực nghiên cứu, độ ẩm đất thực tế, độ xốp đất bình quân (tầng mặt) của các mô hình; xác định được đặc trưng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất cụ thể; xác định được mối liên hệ giữa một số chỉ tiêu đặc trưng thấm nước với các nhân tố độ dốc, độ ẩm đất và độ xốp đất bình quân; đề xuất được một số biện pháp nâng cao khả năng thấm nước của đất cho khu vực nghiên cứu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học lâm nghiệp: Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất khác nhau ở Lương Sơn – Hòa Bình

-1- ĐẶT VẤN ĐỀ Dòng chảy mặt và xói mòn đất đang là vấn đề hết sức nghiêm trọng, một bài toán khó giải cho các nhà hoạch định chính sách, quy hoạch và sử dụng nguồn tài nguyên đất, nước. Tác động của xói mòn đã ảnh hưởng trực tiếp không chỉ tới hoạt động sản xuất nông lâm nghiệp tại chỗ, mà còn ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và cuộc sống của cộng đồng người dân vùng hạ lưu bởi đất bị thoái hóa nhanh chóng về mọi phương diện như: hóa học, lý học và sinh học. Đây là nguyên nhân cơ bản làm giảm độ phì nhiêu đất và tính bền vững của việc sử dụng đất dốc. Do vậy, việc hạn chế tối đa dòng chảy mặt và xói mòn đất là giải pháp trước tiên cần giải quyết để bảo vệ đất dốc và canh tác nông lâm nghiệp bền vững. Dòng chảy mặt và xói mòn đất liên quan mật thiết tới khả năng thấm nước của đất. Vì vậy, nghiên cứu khả năng thấm nước của đất có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động quản lý rừng và phát triển nông lâm nghiệp. Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất là một trong những lĩnh vực có ý nghĩa, tầm quan trọng đặc biệt trong quản lý lưu vực và phát triển nông lâm nghiệp bền vững, bởi nắm được những đặc điểm này, các nhà hoạch định chính sách có những biện pháp thích hợp nâng cao được chức năng bảo vệ nguồn nước và duy trì dòng nước ngầm trong lòng đất. Tuy nhiên, cho đến nay những nghiên cứu về khả năng thấm nước của đất ở nhiều nước nhiệt đới nói chung và nước ta nói riêng còn rất hạn chế. Kết quả của phần lớn các nghiên cứu đó mới chỉ giúp nhận thức một cách định tính về những đặc trưng thấm nước của đất, mà chưa làm sáng tỏ quan hệ định lượng của chúng. Nếu có, cũng chỉ là những thông tin ít ỏi đối với một số khu rừng cụ thể chưa đủ để khái quát hóa thành quy luật về khả năng thấm nước của đất. Hạn chế này đã dẫn đến sự can thiệp thiếu căn cứ của con người đối với thiên nhiên,
-2- nhiều thảm thực vật rừng đã trở thành đất trống đồi trọc, nhiều khu rừng phòng hộ xung yếu và rất xung yếu hiện nay chỉ trơ lại trảng cỏ, và hậu quả là những trận bão dữ dội, những cơn giông nguy hiểm, những vùng đất bị xói mòn trơ sỏi đá, những đợt mưa lớn gây lũ lụt và những thời kỳ khô hạn kéo dài do thiếu nước. Với mong muốn làm rõ mối quan hệ định lượng giữa khả năng thấm nước của đất với các nhân tố như độ xốp đất, độ ẩm đất, độ dốc, trạng thái loài cây… chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất khác nhau ở Lương Sơn – Hòa Bình”
-3- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Ngoài nước Tuần hoàn thuỷ văn rừng được mô tả theo một trình tự nhất định, bắt đầu từ khi nước mưa đi vào hệ sinh thái, đến quá trình nước mưa bị giữ lại trên tán rừng, nước mưa lọt qua tán, nước mưa chảy men thân cây, nước mưa chảy tràn trên bề mặt đất, đến quá trình nước thấm xuống đất, bốc hơi nước vật lý từ đất, từ thảm mục, thoát hơi nước của thực vật để trở về khí quyển (Douglas, 1977). Nhìn chung, các quá trình trên chịu ảnh hưởng rõ nét của cấu trúc lớp thảm thực vật rừng, chế độ mưa, địa hình, đất. Quá trình thấm nước của đất là một trong những vấn đề được nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực thủy văn học. Theo lý luận phát sinh dòng chảy mặt, sự thấm nước của đất là chỉ thị cho khả năng của tầng điều tiết quan trọng trong tuần hoàn thủy văn rừng, sau khi nước mưa đi qua bầu khí quyển và lớp thảm thực vật che phủ. Sự thấm nước của đất có tác dụng rất quan trọng trong việc hình thành cơ chế phát sinh dòng chảy. Trên thế giới, công trình đầu tiên nghiên cứu về đặc trưng thấm nước của đất là của nhà bác học Darcy vào năm 1856 (Micheal Kasenov, 2001), ông đã đưa ra định luật có tên Định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất theo phương trình: Q = K.S.T.h/l Trong đó: Q là lượng nước thấm (cm3), K là hệ số thấm (cm3), T là thời gian thấm (phút), h là độ chênh lệch áp lực cột nước ở đầu trên và đầu dưới của cột thấm, l là chiều dài đoạn đường thấm (cm). Đồng thời định luật còn được biểu thị bằng phương trình tốc độ thấm:
-4- V = K.I Trong đó: v là tốc độ thấm (mm/giây, cm/phút, hoặc m/ngày đêm); I = h/l Trong định luật này ông đã khẳng định hệ số thấm phụ thuộc vào tính chất đất đồng thời phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng (nước) – tức độ nhớt của chúng. Mặt khác, độ nhớt nước lại phụ thuộc nhiệt độ và mức độ khoáng hóa. Như vậy, khi nhiệt độ giảm thì độ nhớt sẽ tăng dẫn đến giảm tốc độ thấm và ngược lại. Sau này, người ta nhận thấy rằng khi xác định tính thấm của đất trong những điều kiện nhiệt độ thay đổi thì không thể so sánh được. Do vậy, người ta quy về điều kiện chuẩn ở 100C bằng cách sử dụng “hệ số điều chỉnh nhiệt độ” của Hazen là (0,7 + 0,03 t) khi tính hệ số thấm. Hệ số thấm theo nhiệt độ điều chỉnh được tính theo công thức sau: K10 = Kt / (0,7+0,03t) Trong đó: K10 là hệ số thấm ở điều kiện 100C, Kt là hệ số thấm thời điểm t, t là nhiệt độ nước sử dụng khi xác định. Đến năm 1937, Vusoski (Nguyễn Thị Bích Ngọc, 2005) nhà bác học Nga đã xây dựng công thức tính lượng nước thấm xuống mặt đất: W = P0 – (E0 + T + S) Trong đó: W là lượng nước thấm xuống, P0 là nước mưa trung bình năm tại khu vực nghiên cứu, E0 là lượng nước bốc hơi lấy từ trạm khí tượng, T là lượng nước thoát hơi của thực vật, S là lượng nước chảy trên mặt đất.
-5- Có rất nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm, có thể liệt kê các mô hình thấm nước đã được xây dựng như: STT Mô hình Năm STT Mô hình Năm 1 Green and Ampt 1911 11 Smith 1972 2 Kostiakov 1932 12 Dooge 1973 3 Horton 1933 13 Morel – Seytoux and Khanji 1975 4 Philip 1957 14 Partange 1971 5 Holtan 1961 15 Collis – George 1977 6 Overton 1964 16 Smith and Parlange 1978 Hydrograph model (Dunin, 7 1969 17 Zhao 1981 1969) 8 Modified Kostiakov - 18 HEC 1981 9 Mein and Larson 1971 19 Simgh and Yu 1990 10 Snyder 1971 20 Mishra and Singh 2002 (American Society of Engineers, 1996) Đáng chú ý là mô hình thấm của Green – Ampt, Horton, Philip, Smith, Smith and Parlange. Mô hình Green – Ampt (William A. Jury and Robert Horton, 2004) được xây dựng trên cơ sở của định luật Darcy. Tác giả xây dựng công thức tính tỷ lệ thấm: f= K (change in potential)/ (distance) hoặc f = f = K(d + Lf + Ψ)/Lf Trong đó: f là tốc độ thấm, f biến đổi theo thời gian khi mà front nước thấm tiến sâu dần vào trong đất. K là độ dẫn thủy của phần đất đã được thấm nước trong phẫu diện đất Lf là độ sâu của front nước thấm
-6- Ψ là áp suất thủy đầu (áp suất làm ướt khả năng làm ướt, sức làm ướt) tại đầu của front nước thấm d là độ sâu lớp nước trên bề mặt Horton (1933) (Surendra Kumar Mishra and Vijay P.Singh, 2003) lại dựa vào tốc độ thấm khởi đầu, ổn định xây dựng mô hình thấm nước. Công thức: f = fc + (f0 – fc)e-kt Trong đó: f là tốc độ thấm tại thời điểm t, fc là tốc độ thấm ổn định, f0 là tốc độ thấm ban đầu, k là hằng số, t là thời gian (phút). Philip (1957) (American Society of Engineers, 1996) lại sử dụng tỷ lệ hút nước và tốc độ thấm nước ổn định rồi thiết lập mô hình thấm nước: i = 0,5. S.t-1/2 + A hoặc i = St1/2 + At Trong đó: i là tốc độ thấm tại thời điểm t (m/s), t (giây), S là tỷ lệ hút nước, A hệ số dẫn thủy bão hòa (m/s) – thường là ước tính. Smith (1972) (American Society of Engineers, 1996) đã xây dựng công thức tính tốc độ thấm: f = fc + A (t – to)- α f là tốc độ thấm nước tại thời điểm t; fc là tốc độ thấm nước ổn định; A, t0 và α là những chỉ số kinh nghiệm, nó phụ thuộc vào từng loại đất và lượng mưa. Năm 1978, Smith và Parlange (American Society of Engineers, 1996) thiết lập mô hình thấm cải tiến: f = K [C0/KF] Trong đó: f là tốc độ thấm tại thời điểm t (cm/h); F là tổng lượng thấm (cm); K là hệ số dẫn thủy (cm/h). Những mô hình này đã đạt được những thành công khá lớn. Đã mô phỏng
-7- được sự vận động của nước trong đất nông nghiệp và thủy văn lưu vực đất nông nghiệp (American Society of Engineers, 1996). Tuy nhiên, khi ứng dụng trong lưu vực rừng lại gây ra những thách thức nghiêm trọng. Vì rằng, khi nước thấm vào trong đất, vận động của nước chịu sự khống chế của trọng lực do lực hấp dẫn địa cầu sinh ra và lực mao quản do sự tiếp xúc giữa nước và hạt đất (Baver, 1937), do sự biến đổi của kết cấu đất và thành phần cơ giới đất, dẫn đến sự rối loạn đan chéo vào nhau trong con đường vận động của nước trong đất. Như vậy, việc ứng dụng định luật Darcy cho sự vận động của nước trong đất rừng để nghiên cứu định lượng và dự báo, sẽ dẫn đến những sai lệch tương đối lớn so với tình hình thực tế, bởi phạm vi sử dụng của định luật Darcy chỉ cho sự vận động của dòng chảy trong một tầng đất. Từ góc độ ảnh hưởng của rừng đối với tuần hoàn thủy văn mà xét, do trong hoàn cảnh của rừng có sự phân giải liên tục của thảm mục, hoạt động của rễ cây, hoạt động phong phú của động vật, dẫn đến vận động của dòng chảy theo đường ống trong các lỗ hổng tương đối lớn (Zakharop, 1981). Theo Dunne (1978a), đất rừng có tốc độ thấm nước lớn hơn nhiều lần so với đất dưới các dạng thảm thực vật khác, tốc độ thấm nước ổn định của rừng có thể đạt 80mm/giờ trở lên. Tốc độ thấm ổn định của một số loại đất (Thomas Dunne, Luna B Leopold, 1978b) Loại đất Đất trống Đất hoa màu Đất trồng cỏ nghèo Đất trồng cỏ tốt Đất rừng Kết cấu thô 8 13 15 25 76 vừa, cát, sỏi Kết cấu mịn 1 2 2 5 6 tới rất mịn Kết quả nghiên cứu của Diêu Hoa Hạ (1989), Thẩm Băng và Nông Tấn (1992) và Trần Huệ Tuyền (1994) cho thấy đất rừng có độ hổng mao quản lớn thì tốc độ thấm nước sẽ tăng lên và có thể mô phỏng quá trình thấm nước xuống
-8- đất rừng theo mô hình Phillip. Cũng theo quan điểm này, nghiên cứu của Douglass (1977), Pritchett (1979) cũng khẳng định đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước cao và ít khi xuất hiện dòng chảy mặt. Ở Trung Quốc, các nhà khoa học thường dùng lượng nước bão hòa các lỗ hổng ngoài mao quản trong đất rừng để tính toán lượng nước thấm xuống đất. Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên (2001) cho rằng tốc độ thấm cùng với hàm lượng mùn, độ dày tầng đất, độ xốp, cấu tượng đất quyết định tới lượng giữ nước của đất rừng. Theo kết quả nghiên cứu này, mỗi hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641 - 679 tấn/năm. Hisskink (1990) nghiên cứu tính thấm của đất có chứa nhiều nguyên tố Natri, cho rằng, có thể do sự trao đổi Bazơ đã làm thay đổi tính thấm nước và sự có mặt trong đất các loại muối dễ tan với số lượng lớn đã làm cho tính thấm đất bị ảnh hưởng. Hiskink còn cho rằng sự trao đổi Bazơ và sự thay đổi tính thấm có quan hệ với nhau, vì Natri đã thay thế các Bazơ trao đổi vốn có trong đất (chủ yếu là Ca++) (Nguyễn Thị Bích Ngọc, 2005). Nghiên cứu của Derness (1976) (Nguyễn Thị Bích Ngọc, 2005) cho rằng khả năng thấm nước của đất rừng luôn chịu ảnh hưởng lớn của lửa rừng. Lửa đốt trụi lớp thảm thực vật trên bề mặt đất, tạo ra một lớp tro lớn gây vít các khe hở, lỗ hổng, tạo ra lớp đất khó thấm nước. Theo kết quả nghiên cứu này, đốt lửa làm cho lớp đất mặt từ 2,5 – 30 cm giảm rõ rệt độ thấm nước và làm tăng sự bay hơi bề mặt, lớp đất mặt trở nên khô, độ xốp của đất giảm còn kết cấu của đất bị phá vỡ. Hibbert A R, (1967) đã dựa vào những quan trắc thực nghiệm và chỉ ra rằng trong hoàn cảnh rừng tự nhiên thành thục, cường độ mưa rất ít khi lớn hơn tốc độ thấm nước tiềm tàng của đất (Bonell M, 1993).
-9- Nhà khoa học Đức Volni tiến hành nghiên cứu những nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất đã khẳng định: đặc điểm thấm, lượng mưa, đặc điểm cấu trúc của lớp phủ thực vật, đặc điểm giữ nước cùng với đặc điểm địa hình quyết định tới sự hình thành dòng chảy bề mặt. Tuy nhiên, những kết luận phần lớn là định tính, chưa khái quát thành quy luật (Hudson, 1981). Joseph R. Williams (1998) đã chỉ ra rằng tỷ lệ nước thấm vào đất phụ thuộc vào các yếu tố lượng mưa, thời gian mưa, tính chất vật lý đất, độ dốc, trạng thái bề mặt (thảm thực vật, mức độ ghồ ghề của bề mặt...). Tuy nhiên, tác giả chưa xây dựng phương trình tương quan thể hiện mối liên hệ giữa các yếu tố này tới lượng nước thấm. Cũng theo tác giả, tỷ lệ nước thâm nhập vào đất lúc đầu rất cao và nhanh chóng giảm, cuối cùng đạt giá trị đều đều. Để đại diện giá trị cuối cùng tác giả dùng thuật ngữ hệ số dẫn thủy bão hòa Ks. Bằng nhiều nghiên cứu, bộ nông nghiệp Hoa Kỳ đã xác định được một số nhân tố ảnh hưởng tới khả năng thấm nước. Kết cấu của đất ảnh hưởng rõ nét tới khả năng thâm nhập của nước. Nghiên cứu trên 3 loại kết cấu thịt, sét, cát cho thấy khả năng thâm nhập bề mặt của đất cát cao hơn 2 loại đất còn lại. Ngoài kết cấu, nghiên cứu cũng xác định được vai trò của lớp vỏ trái đất, lớp không thấm nước của vỏ trái đất, lượng nước, nhiệt độ đất, lớp hữu cơ tới khả năng thâm nhập của nước vào đất. Tuy vậy, các kết luận này mới dừng lại ở định tính chưa được lượng hóa một cách cụ thể (USDA Natural Resouces Conservation Service, 1998). Về phương pháp nghiên cứu, Geering (1995), có thể dùng các thiết bị đĩa đo độ thấm (disc permeameter), lỗ khoan đo độ thấm (borehole permeameter), vòng đôi đo thấm (Daniel B. Stephens, 1995) Lee Macdonal (1999) cho rằng, để nghiên cứu khả năng thấm nước của đất nên áp dụng 2 phương pháp: sử dụng vòng đo thấm và thí nghiệm mưa nhân tạo trong ô thí nghiệm (rainfall simulator).
- 10 - Meyer (1960), sự xuất hiện của thiết bị gây mưa nhân tạo đã mở ra triển vọng phát triển mới trong nghiên cứu thủy văn rừng, rút ngắn thời gian nghiên cứu, đồng thời nâng cao độ chính xác của kết quả. Thời gian sau này, thiết bị gây mưa nhân tạo là dụng cụ được dùng khá phổ biến trong nghiên cứu thủy văn rừng. Tuy nhiên, theo N. Hudson (1981), mặc dù phương pháp gây mưa nhân tạo tỏ ra có nhiều ưu điểm, song lại yêu cầu rất nghiêm ngặt về trang thiết bị nghiên cứu cũng như việc thiết kế và sử dụng những trang thiết bị ấy trong quá trình thí nghiệm, kết quả nghiên cứu phụ thuộc và nhiều yếu tố chủ quan của nhà nghiên cứu như trình độ, kinh nghiệm.....(Phùng Văn Khoa, 1998) Nghiên cứu thấm trên cơ sở gây mưa nhân tạo, có bản chất: biết chính xác lượng mưa đầu vào, dòng chảy mặt từ đó tính lượng thấm. Phương pháp này có một số ưu điểm: điều chỉnh được tổng lượng mưa, cường độ mưa; kết quả nghiên cứu là tương đối chính xác vì gây mưa nhân tạo cũng tương đối giống điều kiện mưa thực tế. Tuy nhiên, phương pháp này lại còn một số tồn tại một vài khó khăn khi thực hiện như việc cung cấp một lượng nước vô cùng lớn (có khi vài m3 cho một ô thí nghiệm), công việc này càng không dễ khi thực hiện ở những nơi có địa hình phức tạp. Trong một số trường hợp, khi tiến hành thí nghiệm theo kiểu này lại là nguyên nhân gây ra những biến đối không mong muốn như xói mòn đất,..... Nhìn chung, thí nghiệm mưa nhân tạo không hề đơn giản. Điều này thể hiện trong việc lựa chọn kích thước cũng như tốc độ của hạt mưa nhân tạo sao cho giống hạt mưa tự nhiên. Nếu lựa chọn hai chỉ tiêu trên không hợp lý sẽ ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm rất lớn bởi lẽ chúng chi phối tới áp lực của hạt mưa vào đất. Đối với phương pháp sử dụng vòng đo thấm, có thể áp dụng 2 cách: dùng vòng đơn (simple ring) hoặc vòng đôi (douple ring). Đơn giản, dễ dàng và rẻ tiền
- 11 - là ưu điểm của phương pháp này. Mặc dầu vậy, thí nghiệm kiểu này lại khác xa nhiều so với mưa tự nhiên, do không có động năng của hạt mưa. Tuy nhiên, đối với những vùng có điều kiện tốt về thảm thực vật – nơi mà sức công phá của hạt mưa không đáng kể thì có thể áp dụng phương pháp này. Đây chính là phương pháp mà luận văn tiếp cận. Geeves G (1995) đã sử dụng phương pháp dùng vòng đôi để nghiên cứu khả năng thấm của đất. Ông đưa ra công thức tính lượng nước thấm vào đất như sau: IR (infiltration rate) = độ sâu (mm) x 10 Nếu tốc độ thấm lớn hơn 1cm/6 phút thì công thức tính IR = 600/time (trong đó thời gian tính bằng phút). Trên cơ sở tốc độ thấm nước trong 1 giờ (mm/h), Geeves đã phân chia thành các loại kết cấu đất theo bảng sau: Mức thấm (mm/h) Kết cấu đất 0 – 10 Rất kém 10 - 30 Kém 30 – 70 Vừa phải > 70 Rất tốt Theo hướng sử dụng vòng đo thấm, Lee Macdolnald (2009 – trao đổi trực tiếp) đã đưa ra một vài kết luận: (1) kết quả nghiên cứu chịu ảnh hưởng của hiệu ứng bờ, tức là nước bị thấm ra cả ngoài phạm vi của vòng thấm; (2) kích thước của vòng thấm ảnh hưởng tới khả năng thấm. Nghiên cứu khả năng thấm nước ở hầu hết các loại đất với độ cao của đinh sắt 5cm, tác giả đã xây dựng bảng đánh giá ảnh hưởng của kích thước vòng thấm tới hệ số dẫn thủy như sau: Đường kính vòng sắt (cm) Hệ số dẫn thủy Ks (cm/h) 10 2,7 20 2.2 40 1.8 80 1.5 120 1.3 Bằng nhiều nghiên cứu Bouwer (1986) đã rút ra kết luận: sử dụng vòng đôi
- 12 - không phải là biện pháp để giảm thiểu đến mức thấp nhất ảnh hưởng của hiệu ứng bờ đối với thí nghiệm thấm. Có sự sai khác rất nhỏ về khả năng thấm của vòng trong và vòng ngoài. Tăng kích thước của vòng thấm là cách duy nhất để làm giảm ảnh hưởng của hiệu ứng bờ. Vì vậy, luận văn đã lựa chọn hướng sử dụng vòng đơn để nghiên cứu về khả năng thấm của đất. Lee MacDonald (2003), loại đất có ảnh hưởng tới hệ số dẫn thủy. Tác giả đã thiết lập bảng đánh giá ảnh hưởng của các loại đất tới hệ số dẫn thủy: Loại đất Hệ số dẫn thủy Ks (cm/h) Đất cát, sỏi 1,3 Đất nông nghiệp 1,6 Bùn, đất sét 2,3 Đất đã bị chai cứng 5,7 Lee MacDonald (2003), hệ số dẫn thủy của đất phụ thuộc vào chiều cao của cột nước ở trong vòng đo thấm. Tức là phụ thuộc vào chiều cao của đinh sắt. Hệ số dẫn thủy tăng dần khi chiều cao của đinh sắt tăng. Tác giả sử dụng đinh sắt ở 4 chiều cao khác nhau 5, 10, 20, 40 cm; hệ số dẫn thủy tương ứng thu được là 1.6, 1.8, 2.3, 3.2 (cm/giờ). 1.2. Ở trong nước Ở Việt Nam, những nghiên cứu về khả năng thấm nước của đất thường đi kèm với nghiên cứu thủy văn rừng, xói mòn đất, dòng chảy mặt. Cho tới nay, chưa có nhiều công trình nghiên cứu một cách chi tiết về khả năng thấm nước của đất. Phần lớn các đề tài chỉ nghiên cứu tốc độ thấm trên khía cạnh là yếu tố ảnh hưởng tới xói mòn và dòng chảy mặt. Một số ít các nghiên cứu tốc độ thấm và ảnh hưởng của một số nhân tố như lượng mưa, cường độ mưa, độ xốp đất, độ ẩm, độ dốc tới tốc độ thấm. Những nghiên cứu về dòng chảy mặt và xói mòn đất của Bùi Ngạnh
- 13 - (1977), Nguyễn Ngọc Lung và Võ Đại Hải (1997) cho thấy rừng càng dày rậm tự nhiên thì lượng nước thấm vào đất và chuyển thành dòng chảy ngầm càng nhiều, khả năng làm giảm xói mòn càng lớn. Nguyễn Ngọc Lung và cộng sự (1995), mức độ thấm nước được coi là nhân tố ảnh hưởng rất lớn tới xói mòn và dòng chảy. Tác giả đã đã phân cấp mức độ thấm sau đó cho điểm từ đó đánh giá vai trò của nhân tố đất ảnh hưởng tới xói mòn và dòng chảy. Trong nghiên cứu về độ thấm, các tác giả Trần Kông Tấu, Ngô Văn Phụ và Hoàng Văn Huây (1986) đã tiến hành thí nghiệm trên 3 loại đất khác nhau: đất phù sa nước ngọt Sông Hậu (Cần Thơ), đất phèn Châu Đốc (An Giang) và đất mặn phèn thuộc nông trường Đông Hải – Bạc Liêu. Kết quả cho thấy tốc độ thấm của đất phèn là lớn nhất với K = 485mm/h, sau đó là đất phù sa nước ngọt Sông Hậu với K = 95mm/h, cuối cùng là đất phèn Ninh Hải chỉ đạt gần 14mm/h. Đất phèn Châu Đốc có tính thấm cao như vậy vì đất tơi xốp, đặc biệt hàm lượng mùn khá cao. Đối với đất mặn phèn có hệ số thấm thấp do tính “trương” của đất mặn quá mạnh. Sau khi thiết lập cột nước trên bề mặt thấm, nước thâm nhập vào trong đất đồng thời các hạt đất trương nở ra, choán hết các khoảng hổng không khí không cho nước thấm vào. Vậy có thể khẳng định đất càng có cấu trúc, có nhiều đoàn lạp bên trong nước sẽ có tính thấm tốt và chất lượng hơn. Các đặc tính thấm của nước phụ thuộc vào thành phần cơ giới, thành phần hóa học, cấu trúc, độ xốp, độ chặt, độ ẩm đất. Hà Quang Khải (2002), giai đoạn đầu của sự thấm nước vào Đất, các loại nước hấp phụ và nước mao quản được hình thành. Tốc độ thấm ở giai đoạn này nhỏ. Sau khi các loại nước hấp phụ và nước mao quản đã được hình thành, nước thấm vào Đất do trọng lực của nó – giai đoạn 2. Giai đoạn này tốc độ lớn hơn ở giai đoạn 1. Tốc độ thấm hoàn toàn phụ thuộc vào giai đoạn 1 hay tốc độ thấm ở
- 14 - giai đoạn 1 quyết định tốc độ thấm của cả quá trình. Căn cứ vào tốc độ thấm nước ở giai đoạn 1 tác giả chia tốc độ thấm nước của đất ra thành 3 loại: (1) Khả năng thấm nước cao: nếu tốc độ thấm Vt > 1,5cm/giờ; (2) Khả năng thấm nước trung bình: nếu tốc độ thấm 0,5 – 1,5 cm/giờ; (3) Khả năng thấm kém: nếu tốc độ thấm < 0,5cm/giờ. Khả năng thấm nước của Đất ngoài sự phụ thuộc vào tính chất Đất, còn phụ thuộc vào cường độ mưa, địa hình, hình dạng bề mặt đất. Nếu tốc độ thấm của Đất bằng hoặc lớn hơn cường độ mưa sẽ không gây ra dòng chảy bề mặt và ngược lại. Một số công trình khác cũng đề cập đến ảnh hưởng của kiểu thảm thực vật với khả năng thấm nước của đất rừng như Nguyễn Viết Phổ (1992), Phạm Ngọc Dũng (1993). Các tác giả khẳng định, ở nước ta cây rừng có khả năng tiêu thụ một lượng nước rất lớn. Đồng thời còn khẳng định đất rừng cũng là một nhân tố ảnh hưởng rất rõ nét đến vận tốc thấm. Sự khác nhau về tính chất đất, chủ yếu là tính chất vật lý của các loại đất sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thấm nước của đất. Nguyễn Ngọc Lung (1992) đã dựa vào mức độ thấm, thoát hơi và sự thoái hóa của các loại đất để cho điểm và đánh giá vai trò ảnh hưởng của nhân tố đất đến tính thấm. Thí nghiệm trên 3 loại đất (đất thịt nhẹ, đất thịt và đất thịt nặng, Hà Học Ngô (1998) đã kết luận: (1) thời gian thấm hút thay đổi từ 0,22 – 0,35 giờ. (2) Thời gian làm bão hòa tầng đất thay đổi từ 5,66 – 8,93 giờ. (3) Giá trị độ ẩm đất trước khi đo giá trị độ ẩm bão hòa thay đổi phụ thuộc vào thời gian đo và từng loại đất, trong cùng một loại đất sự thay đổi này không lớn. Tác giả đã vận dụng kết luận này trong việc đề xuất thời gian tưới cho cây trồng: với cây trồng cạn trên đất thịt nhẹ, thời gian tưới nước trên đồng ruộng không kéo dài quá 5 giờ, nếu không đất sẽ bão hòa nước, gây lãng phí nước do nước thấm sâu xuống.
- 15 - Trần Đức Toàn, Nguyễn Văn Thiết (2004) đã nghiên cứu khả năng thấm nước trên đất dốc dưới tác động của lượng mưa theo các phương thức sử dụng đất khác nhau. Tác giả lựa chọn và nghiên cứu bốn hình thức sử dụng đất: đất trồng Sắn, đất trồng cỏ Bracharia ruziziensis, đất rừng trồng Bạch đàn, đất bỏ hóa 04 năm. Kết quả nghiên cứu đã chỉ rõ khả năng thấm của đất có quan hệ chặt với lượng mưa, cường độ mưa và hoạt động canh tác của con người. Khi lượng mưa và cường độ mưa càng lớn thì khả năng thấm càng giảm, đồng nghĩa với việc xói mòn bề mặt xảy ra nhanh hơn. Trồng cỏ Bracharia đã làm tăng độ thấm của đất, giảm xói mòn bề mặt một cách rõ rệt và giảm được 94% lượng đất mặt ở dạng huyền phù so với công thức trồng sắn. Bỏ hóa để tạo ra rừng thứ sinh được coi là một biện pháp đơn giản mà hữu hiệu để phục hồi độ phì của đất sau một chu kỳ canh tác vì khả năng thấm nước và chống xói mòn tốt nhất. Phạm Văn Điển (2006), Phạm Văn Điển và Phạm Đức Tuấn (2008), trong nghiên cứu đặc trưng thấm nước của đất dưới một số trạng thái thảm thực vật ở vùng Hồ Thủy Điện – Hòa Bình đã xây dựng 45 OTC định vị (2001 – 2004), dưới 10 trạng thái thảm thực vật thuộc 4 nhóm (trảng cỏ, trảng cây bụi, rừng trồng và rừng tự nhiên). Bằng phương pháp thí nghiệm thấm nước ống vòng khuyên và các phép phân tích, tác giả đã xác định: tốc độ thấm nước ban đầu, tốc độ thấm nước và thời gian đạt tốc độ ổn định, quá trình thấm nước, lượng nước thấm và ảnh hưởng một số nhân tố quan trọng tới đặc trưng thấm nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy, đất dưới các trạng thái rừng ở địa bàn nghiên cứu có tốc độ thấm nước cao, tốc độ thấm nước ban đầu từ 6,7 – 15,2 mm/phút, tốc độ thấm nước ổn định từ 2,5 – 8,0mm/phút. Tốc độ thấm nước của đất có mối liên hệ chặt với độ xốp, độ dày, độ ẩm của đất. Tác giả đã mô phỏng quá trình thấm nước của đất rừng bằng mô hình Horton và mô hình Phillip, trong đó mô hình Phillip mô tả quá trình thấm nước tốt hơn.
- 16 - Nguyễn Hoàng Linh (2003), nghiên cứu khả năng thấm nước của đất ở 4 trạng thái thảm thực vật (rừng tự nhiên, rừng trồng keo tai tượng, rừng Luồng, trảng cây bụi và đất trống) ở vùng hồ Thủy Điện – Hòa Bình. Tốc độ thấm của 4 trạng thái trên lần lượt là 1,66cm/phút; 1,54cm/phút; 1,27 cm/phút; 1,37cm/phút; 1,22 cm/phút. Ngoài ra, Nguyễn Thị Bích Ngọc (2005), nghiên cứu tốc độ thấm nước của đất trên 8 trạng thái thảm thực vật (IIIB, IIIA2, IIIA1, IIB, IIA, IC, IA, rừng keo) tại Hòa Bình cho kết quả lần lượt là: 1,54cm/phút; 0,77cm/phút; 0,92cm/phút; 0,74cm/phút; 0,45cm/phút; 0,34cm/phút; 1,02cm/phút. Nếu so sánh tốc độ thấm của đất ở hai đề tài này với kết quả nghiên cứu của các tác giả khác thì khả năng thấm nước của đất ở khu vực nghiên cứu này cao gấp vài chục thậm chí hàng trăm lần! Nhìn chung, nghiên cứu về khả năng thấm nước của đất ở nước ta thực hiện theo ba hướng. Thứ nhất, sử dụng mưa tự nhiên, theo cách này một số tác giả đo đồng thời 3 yếu tố lượng mưa và dòng chảy mặt, bốc thoát hơi nước. Lượng thấm lúc này được tính là hiệu số giữa lượng mưa và dòng chảy mặt với bốc thoát hơi. Hướng tiếp theo là sử dụng mưa nhân tạo, lượng nước thấm lúc này cũng được tính bằng hiệu số giữa lượng nước cung cấp và lượng nước chảy bề mặt. Hướng thứ 3 chính là hướng sử dụng vòng đo thấm. Nghiên cứu theo hướng thứ nhất có ưu điểm là phản ánh đúng ảnh hưởng của lượng mưa tới lượng nước thấm của đất. Tuy nhiên, khi thực hiện gặp nhiều khó khăn. Bởi lẽ, nếu muốn kết quả chính xác thì số liệu phải được thu thập ngay sau khi mưa, mà điều này đôi khi không phải đơn giản. Hơn nữa, số liệu chỉ chính xác khi vũ kế hoặc vũ ký được đặt ngay tại điểm đo thấm, trong khi đó việc giữ gìn, bảo quản tại hiện trường các thiết bị này gặp không ít khó khăn. Mặt khác, bố trí thí nghiệm theo cách này khá bị động về thời gian. Khác với nhiều nước tiên tiến trên thế giới, ở Việt Nam việc sử dụng thiết
- 17 - bị mưa nhân tạo trong nghiên cứu về thủy văn rừng nói chung và nghiên cứu về tính thấm của đất nói riêng chưa thực sự phổ biến. Sử vòng đo thấm là cách phổ biến trong nghiên cứu khả năng thấm nước của đất ở Việt Nam. Tóm lại: Các kết quả nghiên cứu tổng quan có thể đi đến một số tồn tại chính trong nghiên cứu khả năng thấm nước của đất: Vì nhiều lí do khác nhau nên các công trình nghiên cứu về khả năng thấm nước mới chỉ đưa ra những kết quả rời rạc, chưa nghiên cứu một cách có hệ thống và đầy đủ về khả năng thấm nước của đất, mức độ định lượng các chỉ tiêu khả năng thấm vẫn còn dàn trải. Phương pháp nghiên cứu và thiết bị - công nghệ nghiên cứu chưa đầy đủ. Thiếu công trình nghiên cứu theo hướng phát hiện ra những quy luật và giải thích cơ chế thấm và định lượng bằng các công cụ toán học, tin học để vận dụng vào thực tế. Việc nghiên cứu khả năng thấm nước chưa mô tả quá trình thấm nước thực tế của đất theo thời gian mà áp dụng luôn mô hình thấm nước được nghiên cứu ở Châu Âu. Mỗi vùng có những đặc trưng về thảm thực thực vật, khí hậu, đất đai,... nên tất yếu quá trình thấm cũng mang những đặc trưng riêng. Mặt khác, việc áp dụng mô hình Horton hay Philip đòi hỏi phải ước lượng một số tham số, thực hiện điều này không hề đơn giản, phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người nghiên cứu. Các nghiên cứu quan tâm tới tốc độ trung bình/phút (mm/phút). Trong khi đó, để đưa ra biện pháp nâng cao khả năng thấm nước của đất thì biết được diễn biến thấm nước của đất rừng là có ý nghĩa hơn. Hơn nữa, thời gian đo tốc độ thấm của hầu hết các đề tài thường lớn hơn 5
- 18 - phút. Với khoảng thời gian sẽ thuận tiện cho việc thực hiện thí nghiệm, mặc dầu vậy nó lại là quá dài để thấy được xác định chính xác thời gian tốc độ thấm ổn định. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu đề tài này là cần thiết và cấp bách góp phần trực tiếp cung cấp cơ sở khoa học cho quá trình thiết lập các giải pháp nâng cao khả năng thấm nước của đất rừng, bảo vệ đất dốc cũng như canh tác nông lâm nghiệp một cách thích hợp và bền vững.
- 19 - CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, GIỚI HẠN, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mục tiêu nghiên cứu 2.1.1. Mục tiêu chung Cung cấp cơ sở khoa học cho việc đề xuất những giải pháp nâng cao khả năng thấm nước của đất dưới tác động của các mô hình sử dụng đất khác nhau . 2.1.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định được đặc trưng cấu trúc lớp thảm thực vật, chế độ thủy văn của khu vực nghiên cứu, độ ẩm đất thực tế, độ xốp đất bình quân (tầng mặt) của các mô hình; - Xác định được đặc trưng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất cụ thể; - Xác định được mối liên hệ giữa một số chỉ tiêu đặc trưng thấm nước với các nhân tố độ dốc, độ ẩm đất và độ xốp đất bình quân. - Đề xuất được một số biện pháp nâng cao khả năng thấm nước của đất cho khu vực nghiên cứu. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Đề tài đã lựa chọn 3 mô hình sử dụng đất: rừng trồng Keo lai, rừng trồng Bạch đàn và nương rẫy. Mỗi mô hình bố trí 40 điểm đo thấm rải đều trên 4 cấp độ dốc (150 – 190; 200 – 240; 250 – 290; 300 – 350). Đây không chỉ là các mô hình sử dụng đất điển hình ở khu vực nghiên cứu mà còn điển hình ở vùng núi của Việt Nam.
- 20 - Địa điểm nghiên cứu được xác định thuộc khu vực thôn Kẽm – xã Lâm Sơn – Lương Sơn – Hòa Bình. Rừng trồng Keo lai: trồng năm 2003, mật độ trồng ban đầu 1660 cây/ha (hàng cách hàng 3m, cây cách cây 2m), bón lót 2 lạng NPK cho mỗi hố. Thực hiện chế độ chăm sóc theo quy phạm trồng rừng. Rừng trồng Bạch đàn: Rừng này được trồng năm 2003 , mật độ trồng ban đầu Nt = 1330 cây/ha (bón lót 2 lạng NPK/gốc), chăm sóc 3 năm đầu theo quy phạm trồng rừng. Nương rẫy: thực chất đây là diện tích đất trồng cây lâm nghiệp. Người dân tận dụng sản xuất cây lương thực, thực phẩm (ngô, sắn, đu đủ, khoai,….) trong 1 -2 năm đầu khi cây lâm nghiệp còn nhỏ. Tổng diện tích của khu vực nương rẫy khoảng 2,5 ha. Hiện tại, một số loài cây đang được trồng trên diện tích này như: sắn, ngô (2 loài chủ yếu), khoai sọ, đu đủ, bí,….. Vị trí bố trí thí nghiệm đo thấm trên mô hình nương rẫy được bố trí trọn vẹn trong khu vực trồng sắn. Sắn được trồng từ cuối tháng 3/2009. Trước và sau khi trồng hoàn toàn không thực hiện các biện pháp chăm sóc. 2.3. Phạm vi và giới hạn của đề tài - Giới hạn không gian: đề tài chỉ nghiên cứu khả năng thấm nước của đất dưới một số mô hình sử dụng đất ở khu vực do Lâm trường Lương Sơn – Hoà Bình quản lý. - Giới hạn thời gian: số liệu được thu thập từ tháng 4/2009 – 10/2009. Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện, nên luận văn chỉ tập trung nghiên cứu lượng hoá và so sánh khả năng thấm nước của đất giữa các mô hình và mối liên hệ của các nhân tố ảnh hưởng như độ ẩm, độ xốp, độ dốc tới khả năng thấm nước của đất.