Ảnh hưởng của vật liệu che phủ đến quá trình phát sinh dòng chảy và lượng đất xói mòn trong quy mô thí nghiệm

Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường 29TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3 2015 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU CHE PHỦ ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÁT SINH DÒNG CHẢY VÀ LƯỢNG ĐẤT XÓI MÒN TRONG QUY MÔ THÍ NGHIỆM[.]

Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU CHE PHỦ ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÁT SINH DỊNG CHẢY VÀ LƯỢNG ĐẤT XĨI MỊN TRONG QUY MƠ THÍ NGHIỆM Bùi Xuân Dũng1, Tạ Thị Diệu Linh2, Lê Thái Sơn3、 TS Trường Đại học Lâm nghiệp KS Trường Đại học Lâm nghiệp 2,3 TÓM TẮT Nhằm đánh giá ảnh hưởng vật liệu che phủ mặt đất đến phát sinh dòng chảy lượng đất xói mịn, chúng tơi tiến hành kiểm tra đối tượng khác Giá thể đất trống, giá thể hai đất có lưới cước che bề mặt, giá thể ba đất có thảm khơ che phủ 100% bề mặt, giá che phủ thảm cỏ.Các giá thể thiết kế từ ngày 29/1/2015 đến ngày 25/2/2015 với loại đất đặt độ dốc 10o Các trận mưa nhân tạo tạo thời gian từ ngày 10/3/2015 đến ngày 4/5/2015 nhằm xác định phát sinh dịng chảy lượng đất xói mịn từ đối tượng nghiên cứu Số trận mưa nhân tạo thí nghiệm thời gian 18 với lượng mưa dao động từ 6.35 mm tới 31.75 mm Số liệu dịng chảy, lượng đất xói mịn sau thu thập, phân tích phịng thí nghiệm phân tích phần mềm R excel nhằm tìm quy luật ảnh hưởng vật liệu che phủ tới phát sinh dịng chảy xói mịn Kết nghiên cứu rằng: (1) Dòng chảy mặt tỷ lệ thuận với lượng mưa đối tượng nghiên cứu Tuy nhiên hệ số dòng chảy mặt tìm thấy lớn đất trống (74%), sau đất có lưới che phủ (71%), thảm khô (31%) thảm cỏ (21%); (2) Thời gian xuất dòng chảy mặt hay thời gian dòng chảy mặt bắt đầu xuất sau trận mưa tỷ lệ nghịch với lượng mưa hệ số mưa trước ngày (API2) Lưới che có thời gian xuất dòng chảy mặt sớm (36 giây sau mưa), sau đến đất trống (44 giây sau mưa), đất có thảm khơ (68 giây sau mưa) chậm Thảm cỏ (81 giây sau mưa); (3) Lượng đất xói mịn tỷ lệ thuận với lượng mưa dịng chảy mặt Lượng đất xói mịn đất trống lớn (4.5 g/trận mưa), sau đến lưới che (1.5g/trận mưa), thảm khô (1 g/trận mưa) thảm cỏ (0.9 g/trận mưa); (4) Kết nghiên cứu việc sử dụng vật liệu che phủ bề mặt khác biện pháp quan trọng nhằm điều tiết phát sinh dòng chảy mặt bảo vệ đất chống xói mịn Từ khóa: Dịng chảy mặt, lượng mưa trước ngày (API2), quy mơ thí nghiệm, vật liệu che phủ, xói mịn bề mặt I ĐẶT VẤN ĐỀ loại hình sử dụng đất Xói mịn Xói mịn tượng bào mòn lớp đất bề lưu vực che phủ nông nghiệp mặt tác động nước gió (Hudson, rừng Vĩnh Phúc dao động từ 16.3 tới 172.2 1981) Theo nghiên cứu FAO – UNEP g/m2/năm (Mai cộng 2013), (2005) hàng năm có từ – triệu đất Hịa Bình, xói mịn từ 14-150 g/m2/năm (Hà khả sản xuất xói mịn đất Mayers cộng sự, 2012) Podwojewski cộng (1993) đồng thời lượng đất (2008) lại tìm xói mịn lên tới hàng năm xói mịn trái đất lên 1305 g/m2/năm Hịa Bình, xói mịn tới 75 tỉ Xói mịn thường xảy mạnh từ đất trồng sắn Sơn La đạt 1700 Châu Á, Châu Phi Nam Mỹ với lượng đất g/m2/năm (Tuấn cộng sự, 2014) Xói mịn xói mòn hàng năm từ 30-40 tấn/ha/năm đồng thời làm lớp mùn chất dinh (Barrow, 1991) Ở Việt Nam, lượng đất dưỡng đất Nitơ, photpho, kali, gây ảnh xói mịn khác biệt vùng hưởng lớn tới đời sống người làm giảm thu nhập, an ninh lượng thực đói TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 29 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường nghèo (Lal, 1998; Teramage cộng sự., 2013; ràng vật liệu che phủ đến phát sinh Quỳnh cộng sự, 2014) Theo FAO (1983- dịng chảy khơng đồng nhân 2000) lượng chất dinh dưỡng hàng tố khác thực ngồi thực địa Nhằm năm xói mịn gây Châu Phi tới khắc phục hạn chế trên, 22 kg Nitơ/ ha; 2.2 kg photpho/ha 15 kg thực đề tài nghiên cứu: “Ảnh hưởng Kali/ha Lượng tiền việc chất vật liệu che phủ đến q trình phát sinh dịng dinh dưỡng đất ước tính tương chảy lượng đất xói mịn quy mơ thí đương với tỉ USD nghiệm” Kết nghiên cứu đề tài Thơng thường xói mịn xảy cường độ sở khoa học quan trọng phục vụ cho việc mưa lớn tốc độ thấm đất làm xuất xây dựng giải pháp nhằm điều tiết nước bảo dịng chảy mặt theo lớp đất bề mặt.Vì vệ tài nguyên đất phát sinh dòng chảy mặt xem II NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU nhân tố quan trọng định mức độ xói 2.1 Thiết kế thí nghiệm mịn Để bảo vệ đất chống xói mịn cần có biện pháp nhằm giảm thiểu nguy xuất dòng chảy mặt Một biện pháp để giảm thiểu tăng độ che phủ mặt đất nhằm giảm tác động bắn phá trực tiếp từ hạt mưa (pha bắn phá) giảm thiểu tác động trơi dịng chảy (pha trơi) Che phủ mặt đất sử dụng thảm thực vật thảm cỏ, vật liệu hữu thảm khô, vật liệu nhân tạo lưới cước Tuy nhiên hiệu điều tiết dòng chảy bảo vệ đất chống xói mịn vật liệu che phủ đến đâu lại có nghiên cứu Một số nghiên cứu xác định ảnh hưởng thảm thực vật rừng, nông nghiệp, thảm cỏ đến xói mịn (Quỳnh cộng 2014), xong kết thu lại thực điều kiện thực địa có khác biệt lớn đặc điểm đất, độ dốc, dạng địa hình lượng mưa Vì kết chưa thể làm rõ ảnh hưởng rõ 30 Sử dụng thùng xốp có kích thước dài 43cm, rộng 30 cm, cao 15 cm làm giá thể đựng đất vật liệu che phủ Chọn đất vườn bị xáo trộn bề mặt làm mẫu đất thí nghiệm cho vào thùng xốp với độ dày tầng đất cm Ở bề rộng thùng xốp cắt từ sát mặt đất thùng để đảm bảo dòng chảy mặt lượng đất xói mịn khơng bị cản lại cạnh thùng xốp Gắn ống nhựa sát thùng xốp ngang với bề mặt đất thùng với đường kính cm, chiều dài 32 cm, cắt ống nhựa làm đôi theo chiều dọc để tạo thành máng dẫn nước, đất xói mịn Gắn bình chứa với dung lượng 1.5 lít vào đầu máng để hứng lượng nước dòng chảy mặt lượng đất xói mịn sau trận mưa Trên thùng xốp gắn che phía để hạn chế nước mưa rơi vào máng làm sai lệch lượng nước bình chứa (Hình 1) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường (a) (b) (c) (d) Hình Đặc điểm thiết kế thí nghiệm a- Đất trống; b- Đất che phủ lưới cước; c- Đất che phủ thảm khô; d- Đất che phủ thảm cỏ Các đối tượng nghiên cứu thiết kế thùng xốp sau: Thùng 1: đất trống (Hình 1- a); thùng 2: đất có lưới cước (độ rộng mắt lưới 0,5x0,2 mm) che phủ (Hình 1- b.); thùng 3: đất có thảm khơ (Hình 1- c); thùng 4: đất có thảm cỏ (hình 1- d) Sau thiết kế xong, đặt thùng xốp khu vực có độ dốc 10O có điều kiện để đảm bảo tính xác thí nghiệm (Hình 2) Dùng vòi phun nước để làm mưa nhân tạo với công suất 0,018 m3/ phút, chiều cao phun(1,55 m – 1,60 m) Sử dụng ống đo mưa Mỹ để xác định lượng mưa sau trận Hình Cách bố trí thí nghiệm để quan sát dịng chảy xói mịn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 31 Quản lý tài nguyên rừng & Mơi trường 2.2 Nghiên cứu đặc điểm phát sinh dịng chảy mặt đối tượng có vật liệu che phủ khác Các tiêu dùng để đánh giá q trình phát sinh dịng chảy bao gồm thời gian xuất dịng chảy mặt lượng nước hình thành dòng chảy mặt Số liệu lượng nước dòng chảy mặt xác định thông qua lượng nước thu bình chứa đối tượng nghiên cứu sau trận mưa Sử dụng đồng hồ bấm để xác định thời gian xuất dòng chảy mặt đối tượng nghiên cứu Số liệu thu thập qua 18 trận mưa nhân tạo với lượng mưa dao động từ 6,35 mm đến 31,75 mm Các trận mưa thực với điều kiện thời tiết ngày trước khác là: nắng, mưa dầm, trận mưa to trận mưa to Việc thu thập số liệu trận mưa có lượng mưa khác điều kiện ngày trước mưa khác nhằm tìm mối quan hệ dịng chảy mặt với lượng mưa, số mưa ngày trước (API2) Ngồi ra, từ lượng nước dịng chảy mặt thời gian xuất dòng chảy mặt đối tượng nghiên cứu biết loại (a) (b) vật liệu có khả thấm giữ nước tốt làm giảm dòng chảy mặt 2.3 Xác định lượng đất xói mịn đối tượng nghiên cứu Lượng đất xói mịn đại lượng phản ánh rõ khả bảo vệ đất loại vật liệu che phủ khác Lượng đất xói mịn thu thập cách lấy bình chứa đối tượng sau trận mưa, đất lắng đọng lại sau chắt bớt nước đổ vào chai khác, chai ghi rõ đối tượng trận mưa Sau thu thập đủ đất xói mịn 18 trận mưa mang lên phịng thí nghiệm tiến hành lọc đất sấy đất (Hình 3) Sấy đất nhiệt độ 105O 24 để đảm bảo đất khô kiệt Sau sấy xong, đem đất cân loại cân phân tích có sai số khơng lớn 0,001 gam (Hình 3-b) Số liệu thu thập dùng để đánh giá khả bảo vệ đất đối tượng nghiên cứu Lượng đất xói mịn đối tượng ảnh hưởng điều kiện lượng mưa thay đổi dòng chảy mặt đối tượng khác để tìm mối quan hệ chúng (c) Hình Quy trình xác định lượng đất xói mịn phịng thí nghiệm a- Lọc đất; b- Sấy đất; d- Cân đất III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm phát sinh dòng chảy mặt từ đối tượng có vật liệu che phủ khác 32 Kết phân tích 18 trận mưa (Biểu đồ 01) cho thấy, dịng chảy mặt từ loại hình che phủ bề phản ứng nhanh với trận mưa Với trận mưa lớn dịng chảy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường mặt đạt lớn, ngược lại với trận mưa nhỏ dịng chảy mặt thu nhỏ (Biểu 1-b) Cụ thể với lượng mưa lớn 31,75 mm/trận nhỏ 6,35 mm/trận (Biểu đồ 01a) đối tượng đất trống lượng nước dòng chảy mặt tương ứng 30,04 mm 3,98 mm (Biểu đồ 01b) Tương tự đối tượng đất có lưới che, đất có thảm khơ đất có thảm cỏ có cặp giá trị tương ứng với trận mưa có lượng mưa lớn nhỏ là: (29,61 mm; 2,8 mm), (15,3 mm; 0,87 mm), (13,06 mm; 0,37 mm) Hệ số dòng chảy mặt đất trống dao động từ 29 -100%, trung bình 74%, đất có lưới che phủ 44-93%, trung bình 71% Trong hệ số dịng chảy mặt đất có thảm khơ che phủ dao động từ 14-51%, trung bình 31% Hệ số dịng chảy mặt từ đất có thảm cỏ nhỏ nhất, dao động từ 6-42%, trung bình 21% (Biểu đồ 1-c) Sự khác biệt dòng chảy hệ số dòng chảy mặt loại hình che phủ chủ yếu liên quan đến khả thấm đất khả làm giảm tác động công phá hạt mưa loại che phủ khác Lượng mưa (mm/trận) 10 15 20 25 30 (a) Dòng chảy mặt (mm) 35 35 30 25 Lưới che Đất trống Thảm Khô Thảm cỏ (b) 20 15 10 Hệ số dòng chảy mặt (%) 100 (c) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Trận mưa 80 60 40 20 Biểu đồ 01 Đặc điểm trận mưa (a) dòng chảy bề mặt (b) hệ số dòng chảy bề mặt (c) từ vật liệu che phủ khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 33 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường Mặc dù điều kiện che phủ bề mặt khác gây tác động khác đến phát sinh dịng chảy mặt Tuy nhiên, dịng chảy mặt có xu hướng phụ thuộc chặt chẽ vào lượng mưa tất loại hình che phủ Cụ thể, dòng chảy mặt tỷ lệ thuận với lượng mưa Khi lượng mưa lớn dịng chảy mặt lớn ngược lại Hai đại lượng có mối quan hệ chặt với thể qua hệ số quan hệ (r) dao động khoảng 0,83 đến 0,92 (Biểu đồ 02a) Ngồi ra, 18 trận mưa có trận mưa có lượng mưa dịng 35 chảy mặt đối tượng lại khác Điều liên quan đến điều kiện thời tiết ngày trước (API2) Nếu API2 lớn thưởng phản ảnh độ ẩm đất lớn ngược lại Dựa vào kết phân tích excel, kết cho thấy dịng chảy mặt số API2 có mối quan hệ tỷ lệ thuận Chỉ số API2 lớn dịng chảy mặt lớn Hai đại lượng có mối quan hệ vừa với hệ số quan hệ chúng dao động khoảng 0,36 đến 0,4 (Biểu đồ 2b) Như dịng chảy mặt khơng phụ thuộc nhiều vào số API2 (a) Lưới che (r = 0.92) Đất trống (r = 0.90) 30 35 30 25 Lưới che 20 Thảm khơ Đất trống 10 Dịng chảy mặt (mm) Dòng chảy mặt (mm) 25 15 (b) Đất trống (r = 0.38) Thảm Khô (r = 0.36) Thảm Khô (r = 0.85) Thảm cỏ (r = 0.83) Lưới che (r = 0.38) Thảm cỏ (r = 0.40) Lưới che 20 Đất trống 15 Thảm khô 10 Thảm cỏ 30 35 Thảm cỏ 10 15 20 25 Lượng mưa (mm/ trận) 10 15 20 25 API2 (mm) 30 35 40 45 Biểu đồ 02 (a) Mối quan hệ dòng chảy mặt lượng mưa (b) Mối quan hệ dòng chảy mặt lượng mưa trước ngày (API2) (*) Thời gian xuất dòng chảy mặt đối tượng nghiên cứu Kết nghiên cứu sau 18 trận mưa cho thấy, thời gian xuất dòng chảy mặt (Tx) có xu hướng giảm lượng mưa tăng (Biểu đồ 3a) Cụ thể với trận mưa lớn 31,75 mm nhỏ 6,35 mm Tx đất trống 19,64 giây 91,79 giây Tương tự đất trống, cặp Tx lưới che, thảm khơ, thảm cỏ tương ứng với trận có lượng mưa lớn nhỏ là: (21,64 giây; 47,85 giây), (31,23 giây; 178,46 giây), (36,42 giây; 188,09 giây) Trong đối tượng trên, Tx thảm cỏ muộn sau đến thảm khơ, đất trống 34 lưới che Theo kết nghiên cứu dòng chảy mặt, tính thấm nước giữ nước tốt thảm cỏ sau đến thảm khơ, lưới che đất trống Vì Tx thảm cỏ muộn lượng nước thấm nhiều, dòng chảy mặt xuất nhất, sau đến Thảm khơ Mặc dù dịng chảy mặt đất trống nhiều lưới che, nhiên Tx lưới che xuất sớm với đất trống Điều có thể, lưới che làm cước, mắt lưới nhỏ nên mưa xuống hạt mưa tiếp xúc với mặt lưới nhiều bị trượt nhanh xuống máng, hình thành dịng chảy mặt sớm đất trống TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 Quản lý tài nguyên rừng & Môi trường 200 (a) Lưới che (r=0.39) 180 Đất trống (r=0.38) 160 Thảm khô (r=0.53) Thảm cỏ Thảm cỏ (r=0.56) 120 Lưới che (b) (r=0.46) Đất trống (r=0.61) 160 Thảm khô (r=0.46) 140 Thảm cỏ Dòng chảy mặt (mm) Thời gian xuất dòng chảy (Tx - mm) 200 120 (r=0.57) Thảm cỏ 100 Thảm khô 80 40 Đất trống 40 Đất trống Lưới che 10 Thảm khô 60 20 Lưới che 80 15 20 25 Lượng mưa (mm/ trận) 35 30 10 15 20 25 API2 (mm) 30 35 40 45 Biểu đồ 03 Phản ứng thời gian xuất dòng chảy mặt với trận mưa Thời gian xuất dòng chảy mặt tỷ lệ nghịch với lượng mưa (Biểu đồ 3a) Hệ số tương quan r Tx lượng mưa thể mối quan hệ vừa đất trống lưới che (r=0,38-0,39) mối quan hệ tương đối chặt thảm khô thảm cỏ (r=0,53-0,56) Trong 18 trận mưa có trận mưa có lượng mưa khác số API2 làm Tx đối tượng thay đổi Qua xử lý số liệu excel thấy Tx tỷ lệ nghịch với số API2 (Biểu đồ 3b) Dựa vào hệ số tương quan r ta thấy mối tương quan Tx số API2 đất trống, thảm cỏ tương đối chặt (r=0,57-0,61), mối quan hệ vừa xác định cho lưới che thảm khơ (r=0,46) 3.2 Lượng đất xói mịn từ đối tượng che phủ sau trận mưa Lượng mưa (mm/trận) 10 15 20 25 30 Lượng đất xói mịn (g) 35 16 14 Lưới che 12 Đất trống 10 Thảm khô Thảm cỏ 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Trận mưa Biểu đồ 04 Phản ứng lượng đất xói mịn với trận mưa điều kiện che phủ khác TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 3-2015 35 ... nước tốt làm giảm dòng chảy mặt 2.3 Xác định lượng đất xói mịn đối tượng nghiên cứu Lượng đất xói mịn đại lượng phản ánh rõ khả bảo vệ đất loại vật liệu che phủ khác Lượng đất xói mịn thu thập... dịng chảy (pha trơi) Che phủ mặt đất sử dụng thảm thực vật thảm cỏ, vật liệu hữu thảm khô, vật liệu nhân tạo lưới cước Tuy nhiên hiệu điều tiết dịng chảy bảo vệ đất chống xói mịn vật liệu che phủ. .. tượng có vật liệu che phủ khác Các tiêu dùng để đánh giá q trình phát sinh dịng chảy bao gồm thời gian xuất dòng chảy mặt lượng nước hình thành dịng chảy mặt Số liệu lượng nước dịng chảy mặt