Nghiên cứu khả năng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng nhằm góp phần hạn chế xói mòn và dự báo lũ rừng cho huyện định hoá, tỉnh thái nguyên

Nghiên cứu khả thấm giữ nước tiềm tàng đất rừng nhằm góp phần hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng cho huyện Định Hoá, tỉnh Thái Nguyên Tổng quan 1.1 Cơ sở khoa học đề tài 1.1.1 Một số khái niệm liên quan - “Khả thấm nước đất” khả lưu giữ lại dòng chảy bề mặt biến chúng thành dòng chảy ngầm lòng đất (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009) [16] - “Tốc độ thấm đất ” biểu thị mm/phút tốc độ nước từ mặt đất vào đất Nếu mặt đất có lớp nước đọng, nước thấm xuống đất theo tốc độ thấm tiềm Tốc độ thấm đặc trưng quan trọng vận động nước đất môi trường lỗ hổng (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009) [16] - “ Tốc độ thấm nước ban đầu” (mm/phút) tiêu quan trọng phản ánh đặc trưng thấm nước đất rừng Tốc độ thấm nước khởi đầu tính giá trị trung bình tốc độ thấm trung bình phút (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009) [16] - “ Tốc độ thấm nước ổn định đất” (mm/phút) tốc độ thấm đất cung cấp đủ nước tầng đất mặt bão hòa nước Khi đất đạt đến tốc độ thấm ổn định tốc độ thấm nhỏ cường độ mưa, dòng chảy bề mặt tạo với việc trơi vật chất xói mịn (Vũ Thị Quỳnh Nga, 2009) [14] - “ Quá trình thấm nước ” trình nước từ mặt đất thâm nhập vào đất Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ thấm bao gồm điều kiện mặt đất lớp phủ thực vật, tính chất đất độ xốp, kết cấu đất, độ ẩm đất (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] - “ Phẫu diện đất” mặt cắt thẳng đứng từ bề mặt đất xuống tầng đá mẹ Các loại đất khác có độ dày đặc trưng phẫu diện khác Phẫu diện đất hình thái biểu bên ngồi phản ánh q trình hình thành, phát triển tính chất đất (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Một phẫu diện đất điển hình thường gồm tầng đất sau: Tầng thảm mục, tầng mùn (tầng rửa trơi), tầng tích tụ, tầng mẫu chất, tầng đá mẹ + Tầng thảm mục nằm mặt đất Tầng kí hiệu Ao (có sách kí hiệu O), chứa cành lá, xác thực vật rơi rụng Tầng chia nhỏ A 01, A02 A03 Tầng A01 chứa chất hữu chưa phân giải Tầng A 02 chứa chất hữu bị phân giải phần, A03 chứa chất hữu phân giải mạnh, phần thành mùn Tầng thảm mục xuất đất rừng, đồng cỏ, nơi mà chất hữu trả lại cho đất nhiều Mặt khác có mặt tầng liên quan tới điều kiện phân giải hợp chất hữu cơ, chất chất hữu Những nơi điều kiện phân giải hợp chất hữu thuận lợi, tầng không xuất hiện, mỏng, khơng điển hình (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] + Tầng mùn (tầng rửa trôi): ký hiệu A Tại đây, hợp chất mùn hình thành Đất thường màu đen, nâu đen Đất thường có kết cấu viên, tơi xốp, giầu dinh dưỡng.Tuy nhiên tác dụng nước tầng bị rửa trơi.Phần lớn loại vi sinh vật đất tập trung tầng Trong tầng A lại xuất tầng khác nhau: A1, A2, A3 ++ A1 tầng tích luỹ mùn nhiều nhất, màu đen Tại hợp chất hữu phân giải, tổng hợp để tạo nên hợp chất mùn đất Đất thường có kết cấu viên, tơi xốp, giàu dinh dưỡng ++ A2 tầng rửa trôi mạnh Tại chất dinh dưỡng hợp chất mùn bị phá huỷ rửa trôi xuống tầng sâu Bởi vậy, hàm lượng chất dinh dưỡng mùn thấp Thạch anh chiếm tỷ lệ lớn thành phần khống Nó thường có màu sáng so với tầng khác Tầng A đặc trưng cho đất Potdon miền khô, lạnh Tuy nhiên theo Fritland đất Việt nam thường có tầng A2 khơng điển hình (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] ++ Tầng A3 tầng chuyển tiếp đến tầng B + Tầng tích tụ: ký hiệu B Những chất bị rửa trôi từ tầng xuống, phần lớn tích luỹ đây, đặc biệt sét Bởi hàm lượng sét tầng cao hẳn so với tầng khác thường bị chặt, khó thấm nước Tầng B phát triển, chứng tỏ đất có tuổi cao Tầng B lại chia nhỏ thành B 1, B2, B3: + Tầng B1 phần tầng A chuyển tiếp đến tầng B + Tầng B2 tầng tích tụ điển hình + Tầng B3 phần chuyển tiếp tầng B đến tầng C Tầng A B phần điển hình đất, tạo nên độ dày đất Độ dày tầng đất tính từ mặt đất xuống đến hết tầng B + Tầng C gọi tầng mẫu chất, hình thành từ phong hố đá khoáng ban đầu +Cuối tầng đá mẹ ký hiệu D 1.1.2 Cơ sở khoa học 1.1.2.1 Khái niệm rừng cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng rừng Rừng quần xã sinh vật rừng thành phần chủ yếu Quần xã sinh vật phải có diện tích đủ lớn Giữa quần xã sinh vật môi trường, thành phần quần xã sinh vật phải có mối quan hệ mật thiết để đảm bảo khác biệt hoàn cảnh rừng hoàn cảnh khác (Phạm Văn Điển, 2009) [4] Ngay từ thở sơ khai, người có khái niệm rừng Rừng nơi cung cấp thứ phục vụ sống họ Lịch sử phát triển, khái niệm rừng tích lũy, hồn thiện thành học thuyết rừng a Ảnh hưởng rừng đến đến số lượng nước quy mô lâm phần Nghiên cứu khả giữ nước lâm phần rừng giới thu nhiều thành quả, đáng ý thành liên quan đến việc định hướng thành phần cân nước hệ sinh thái rừng xác định, dự báo xói mịn đất * Lượng nước mưa giữ lại tán rừng Lượng nước mưa giữ lại tán tiêu phản ánh khả giữ nước rừng Nhìn chung, cơng trình nghiên cứu đề cho thấy tỷ lệ lượng nước mưa giữ tán rừng kim ôn đới chiếm 20 - 40% (Lương Lễ Tiên Lý Á Quang, 1991) [21] Những nghiên cứu tỷ lệ lượng nước mưa ngăn tán rừng kiểu thảm thực vật rừng tương ứng với đới khí hậu khác Trung Quốc cho thấy, phạm vi biến động tỷ lệ lượng nước mưa bị ngăn giữ lại khoảng 11,4 - 34,3%, hệ số biến động 6,68 - 55,05%, tỷ lệ nước mưa giữ lại tán rừng kim thường xanh nhiệt đới, núi cao miền Tây lớn nhất, rừng hỗn giao rộng thường xanh với rộng rụng nhiệt đới, miền núi nhỏ (Vu Chí Dân, Christoph Peisert, Dư Tân Hiểu, 2001) [1] Lượng nước mưa giữ lại tán rừng phụ thuộc vào nhiều nhân tố, bao gồm lồi cây, tuổi rừng, mật độ lâm phần, cấu trúc tán rừng, tần suất mưa, cường độ mưa, thời gian mưa Cũng giống hệ sinh thái trình thủy văn, lượng nước mưa ngăn tán rừng biến động theo không gian thời gian * Lượng nước chảy men thân Nhiều cơng trình nghiên lượng nước chảy men thân giới cho kết chúng thường chiếm từ - 3% so với tổng lượng mưa Đây tỷ lệ thấp so với thành phần cân nước khác Nhiều nhà thủy văn rừng nhận xét rằng, khơng trường hợp lượng nước chảy men thân có đường kính lớn lại lượng nước chảy men thân có đường kính bé Điều khác cách phân cành lượng nước rơi từ tán tầng xuống tần không (Bruijnzeel L.A, 1990) [25] * Lượng nước hút giữ vật rơi rụng rừng Vật rơi rụng có khả giữ nước tương đối lớn, nên có tác dụng bổ sung nước cho đất cung cấp nước cho thực vật Ngồi ra, vật rơi rụng có lỗ hổng lớn nhiều so với đất, nên lượng nước ngăn giữ lại vật rơi rụng dễ dàng bốc (Vu Chí Dân, Vương Lễ Tiến, 2001) [2] * Lượng nước chảy bề mặt đất Nhìn chung, đất rừng tự nhiên có khả thấm nước cao xuất dịng chảy bề mặt Tuy nhiên, rừng bị chặt hạ trở nên thưa thớt độ dốc mặt đất lớn, tạo nhiều lượng nước chảy bề mặt (Phạm Văn Điển, 2009) [4] Thủy văn học truyền thống phát triển lý luận dòng chảy mặt đất Horton vào năm 30 40 kỷ 20 để nghiên cứu chế hình thành dịng chảy bề mặt đất Lý luận chiếm địa vị thống trị lĩnh vực thủy văn học công trình kéo dài suốt khoảng 30 năm dựa vào quan trắc thực nghiệm hồn cảnh rừng, cường độ mưa lớn tốc độ thấm nước tiềm tàng đất, nêu khung lý luận động thái hình thành dịng chảy mưa rào, sau triển khai nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm hiểu chế hình thành dịng chảy mưa gây ra, chủ yếu khu vực ôn đới ẩm ướt châu Âu Mỹ (Bonell M, 1993) [24] * Bốc thoát nước Bốc thoát nước trình trao đổi xạ, vận chuyển nước sinh trưởng thực vật tạo nên Phương pháp đo lường chuẩn xác sử dụng thiết bị đo bốc thoát nước Lysimeter, khả ứng dụng hạn chế Các phương pháp sử dụng rộng rãi để nghiên cứu bốc thoát nước rừng phương pháp thủy văn học phương pháp lý thực vật học (Phạm Văn Điển, 2009) [4] Phương pháp thủy văn học dựa vào phương trình cân lượng nước hệ thống, thông qua đo lường lượng mưa, lượng nước thấm xuống tầng đất sâu, lượng nước chảy mặt đất biến đổi động thái nước đất, để tính tốn lượng nước bốc thoát hệ thống (Dư Tân Hiểu, 1991) [8] Phương pháp sinh lý thực vật học chủ yếu xác định lượng nước thoát thực vật, bao gồm phương pháp xung nhiệt mạch dẫn (vận chuyển nhựa cây), phương pháp nguyên tố đồng vị phóng xạ, phương pháp kim châm khí khổng phương pháp buồng thơng gió, phương pháp cân nhanh Ivanov… Sử dụng phương pháp sinh lý thực vật học để xác định lượng nước thoát suy luận lượng nước tiêu hao lâm phần mấu chốt vấn đề bước then chốt để thiếp lập mối quan hệ sinh lý thực vật học với thủy văn rừng * Quá trình thấm giữ nước đất rừng Sự thấm nước đất vấn đề nghiên cứu sâu rộng lĩnh vực thủy văn học Từ lý luận phát sinh dòng chảy mặt, thấm nước đất thị cho khả tầng điều tiết quan trọng tuần hoàn thủy văn rừng, sau nước mưa qua bầu khơng khí, lớp thảm thực vật vật rơi rụng che phủ Sự thấm nước đất có tác dụng quan trọng việc hình thành chế phát sinh dịng chảy Có nhiều mơ hình thấm nước đất dựa vào việc đơn giản hóa q trình vật lý mơ hình kinh nghiệm, bao gồm mơ hình Green - Ampt (1911), mơ hình Horton (1933, 1945), mơ hình Philip (1957, 1969) mơ hình cải tiến mơ hình Smith R E - Parlange J Y, (1978),…(Phạm Văn Điển, 2009) [4] b/ Ảnh hưởng thảm thực vật rừng đến xói mịn đất Cơng trình nghiên cứu xói mịn dịng chảy thực nhà bác học Volni người Đức thời kỳ 1877 đến 1885 Những thí nghiệm sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng nhiều nhân tố thực bì, loại đất, độ dốc mặt đất, lượng mưa tới dịng chảy xói mịn đất Trong cơng trình Volni nghiên cứu ảnh hưởng loại đất độ dốc mặt đất tới dịng chảy xói mịn đất Tuy nhiên, phần lớn kết luận chưa định lượng cách rõ ràng (Phạm Văn Điển, 2009) [4] Bằng thí nghiệm phịng , Ellison thấy loại đất khác có biểu khác pha xói mịn đất nước Ellison người phát vai trò lớp phủ thực vật việc hạn chế xói mòn đất vai trò quan trọng hạt mưa rơi xói mịn Phát Ellison mở phương hướng nghiên cứu xói mịn đất, làm thay đổi quan điểm nghiên cứu xói mịn đất khẳng định khả bảo vệ đất lớp thảm thực vật Nó làm mở phương hướng sử dụng cấu trúc thảm thực vật biện pháp chống xói mịn nhằm bảo vệ độ phì đất (Phạm Văn Điển, 2009) [4] 1.1.2.2 Khái niệm xói mịn tác hại xói mịn đất a/ Khái niệm xói mịn đất tượng trơi phần tử đất dinh dưỡng từ nơi đến nơi khác Có loại xói mịn xói mịn bề mặt xói mịn theo phương thẳng đứng (theo chiều sâu) - Xói mịn bề mặt tượng di chuyển phần tử đất chất dinh dưỡng từ nơi sang nơi khác bề mặt đất Trong điều kiện địa hình dốc đất dinh dưỡng bị trôi từ nơi cao xuống thấp bồi đắp cho vùng trũng (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] - Xói mịn theo phương thẳng đứng tượng trôi chất tan phần tử đất theo chiều sâu trọng lực Người ta gọi tượng rửa trơi xói mịn theo trọng lực (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] b/ Tác hại xói mịn đất Tác hại xói mịn đất thể mặt sau * Về mặt sản xuất nông nghiệp Xói mịn ngun nhân làm cho đất bị thoái hoá, đất dốc Các nghiên cứu xói mịn từ trước đến đưa kết luận giống chỗ: Nếu mặt đất khơng che phủ tốt năm xói mịn bề mặt trơi từ 1,0 - 2,0 cm lớp đất mặt Như vậy, dung trọng đất xung quanh 1,5g/cm3 có 150 - 300 đất/ha bị trơi hàng năm Khi phân tích hàm lượng dinh dưỡng đất bị trôi thấy chứa khoảng 3,0 % mùn, 0,2 % N, 0,1 % P 2O5 0,60 % K2O, vậy, lượng dinh dưỡng bị hàng năm khoảng mùn, 400 kg N, 200 kg P 2O 1.200 kg K2O Rõ ràng lượng dinh dưỡng bị q lớn xói mịn xảy mạnh Theo tính tốn để bề dày tầng canh tác hình thành 1cm phải trải qua thời gian dài, hàng năm mặt đất dốc lại bị bào mịn trơng thấy Vì vùng đất dốc thiếu che phủ canh tác thiếu biện pháp phịng chống xói mịn dễ dẫn đến hình thành loại đất trơ sỏi đá (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Hiện tượng xói mịn bề mặt rửa trôi theo chiều sâu làm cho đất dốc canh tác nơng nghiệp trở nên thối hoá nghiêm trọng Theo nhiều kết nghiên cứu đất dốc cho thấy xói mịn mà suất trồng bị giảm nhanh chóng * Về mặt tài ngun rừng Xói mịn làm cho đất đai bị kiệt quệ, người dân khơng cịn đường khác tiếp tục nạn phá rừng, đốt nương làm rẫy để trì sống họ Họ di chuyển từ nơi sang nơi sau - vụ để lại sau họ vùng đất thoái hoá, nghèo dinh dưỡng Theo số liệu thống kê, năm 1990 độ che phủ rừng 27,8 %, vào năm 1943 có tỷ lệ che phủ rừng toàn quốc 43 % Rõ ràng xói mịn ngun nhân mặt kỹ thuật dẫn đến tài nguyên rừng nước ta bị cạn kiệt (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] * Về mặt thủy lợi Xói mịn đất nước Việt Nam xếp vào loại nhì giới Lượng đất bị xói mịn nâng cao lịng sơng hạ lưu (hiện số nơi hệ thống sơng Hồng có đáy sơng cao mặt đất đê) gây trở ngại lớn cho cơng trình thuỷ lợi (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Ngồi xói mòn gây nhiều thiệt hại khác sạt lở đất làm hư hại cơng trình giao thơng nhà cửa gây nguy hiểm đến tính mạng người Một tác hại xói mịn chiều thẳng đứng (rửa trôi) làm đất bị trôi sét, mùn, đất trở nên kết cấu Lượng dinh dưỡng bị trôi rửa trôi làm chế độ dinh dưỡng tầng mặt bị suy giảm Rửa trơi cịn nguyên nhân gây nên tượng kết von đá ong làm hư hại đất (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] c/ Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mịn Khi nghiên cứu ngun nhân gây xói mịn đất mưa người ta thấy chủ yếu tập trung vào yếu tố sau: * Mưa dòng chảy Những nơi mưa khơng tập trung vùng ơn đới xói mịn gió phổ biến Cịn vùng nhiệt đới mưa nhiều Việt Nam mưa ngun nhân gây nên xói mịn đất (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Do ảnh hưởng điều kiện nhiệt đới gió mùa, nên lượng mưa Việt Nam cao, trung bình từ 1.500 - 3.000 mm/năm tập trung tới 85% vào mùa mưa Ở miền Bắc mưa tập trung từ tháng đến tháng hàng năm Lịch sử khí hậu Việt Nam ghi lại có trận mưa đến 900 mm với cường độ lớn gây xói mịn nghiêm trọng (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Về chế mưa gây xói mịn bề mặt biểu thị hình 2.1 P2 P1 d R Hình 1.1 Sơ đồ phân bố lượng nước mưa Khi mưa xuống đất dốc, phần ngấm theo trọng lực (P 1), phần bốc (P2) lại tạo thành dòng chảy d, ta có: d = R - (P1+ P2) Trong thực tế, mưa P1 khơng đáng kể (vì ẩm độ khơng khí cao), d tỉ lệ nghịch với P2 tỉ lệ thuận với R Nghĩa mưa to tập trung, đất có khả thấm thấp dịng chảy mạnh Theo nghiên cứu có tính tốn cần trận mưa tập trung với lưu lượng lớn 10 mm gây dòng chảy bề mặt tất yếu gây xói mịn (tất nhiên cịn tuỳ thuộc vào yếu tố che phủ tính chất đất đai) (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Mặt khác, trận mưa thường mưa đất thấm mạnh sau tốc độ thấm giảm xói mịn sau mạnh cường độ mưa lớn Hạt mưa rơi vào đất bắn phá làm bắn tung phần tử đất màu mỡ lên (khi mặt đất khơng có che phủ) dịng chảy trôi Giọt mưa lớn, cường độ mưa lớn lượng đất bắn tung nhiều xói mịn lớn (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Ảnh hưởng đường kính hạt mưa, tốc độ cường độ mưa tới lượng đất bị bắn lên Tốc độ giọt mưa Cường độ mưa Lượng đất bị (m/s) Đường kính hạt mưa (mm) (cm/h) bắn tung (g) 4,0 3,5 12,2 67,0 5,5 3,5 12,2 223,0 5,5 5,1 12,2 446,0 5,5 5,2 20,6 690,0 (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Cho đến nghiên cứu xói mịn bề mặt đủ sở cho ta kết luận là: Việc giọt mưa bắn phá vào đất có tác động mạnh mẽ để gây xói mịn, thứ tốc độ dòng chảy bề mặt * Địa hình Địa hình yếu tố quan hệ chặt tới xói mịn bề mặt với địa hình dốc, dịng chảy dễ xảy ra, điều kiện đất phẳng xói mịn bề mặt mưa khơng đáng kể Địa hình dốc yếu tố “bảo thủ” khó khắc phục Cường độ xói mịn tỷ lệ thuận với độ dốc, theo định luật Ery độ dốc tăng lần, tốc độ dịng chảy tăng lần xói mịn tăng 64 lần (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] * Yếu tố che phủ đất Độ che phủ mặt đất tỷ lệ nghịch với xói mịn đất Đất che phủ bị xói mịn mạnh ngược lại Khi mặt đất bị che phủ kín hạn chế tối đa lực tác động hạt mưa bắn phá vào đất Mặt khác có thảm rập rạp mưa theo lá, cành chảy qua thân vào đất Bộ rễ ăn sâu chằng chịt tạo điều kiện tăng khả thấm Như xói mịn giảm tối đa (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] * Tính chất đất Yếu tố đất đai ảnh hưởng đến xói mịn sở tính chất là: thành phần giới, hàm lượng chất hữu cơ, kết cấu đất độ dày tầng đất Thành phần giới đất ảnh hưởng đến tốc độ thấm nước vào đất: Thành phần giới nhẹ, thơ thấm nước nhanh nặng Ngồi ra, phần tử mịn dễ bị trôi phần tử thơ, nên bị xói mịn mạnh Chất hữu đất nhiều hay ảnh hưởng đến xói mịn: Khi nhiều chất hữu nước thấm nhanh làm giảm xói mịn đất ngược lại nghèo hữu thấm chậm gây dịng chảy dẫn đến xói mịn mạnh Hàm lượng chất hữu mùn nhiều cho đất có kết cấu tốt hạn chế xói mịn (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Ảnh hưởng rõ rệt kết cấu đất Đất có kết cấu viên bền, tơi xốp khơng thấm nước nhanh mà chống chịu bắn phá động lực hạt mưa, hạn chế xói mịn ngược lại Đất dày mà có kết cấu tốt thấm nước nhiều, nhanh nên xói mịn đất mỏng khơng có kết cấu (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] * Con người Con người tác động đến xói mịn đất biểu thái cực: Nếu khơng có ý thức q trình sử dụng đất góp phần làm cho xói mịn đất trở nên nghiêm trọng, ngược lại ý bảo vệ, bồi dưỡng đất hạn chế xói mòn (Nguyễn Thế Đặng, 2006) [6] Khi người khai thác rừng, đốt nương, làm rẫy làm lớp phủ bảo vệ quan trọng, đồng thời làm huỷ hoại kết cấu đất, dẫn đến xói mịn xảy mạnh mẽ Trong trình trồng trọt làm đất thường người ý đến thời vụ trồng khơng quan tâm đến xói mịn đất nên đất bị xói mịn nghiêm trọng hơn: Như làm đất, xới xáo, làm cỏ trắng vào mùa mưa hay trồng theo luống dọc theo dốc Nếu người canh tác đất dốc biết áp dụng biện pháp chống xói mịn hạn chế xói mịn 1.2 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.2.1 Ở giới 1.2.1.1 Thành nghiên cứu 1.2.1.1.1 Khả thấm nước đất Tuần hoàn thủy văn rừng mơ tả theo trình tự định, nước mưa vào hệ sinh thái, đến trình nước mưa bị giữ lại tán rừng, nước mưa lọt qua tán, nước mưa chảy men thân cây, nước mưa chảy tràn bề mặt đất, đến trình nước thấm xuống đất, bốc nước vật lý từ đất từ thảm mục, thoát nước thực vật để trở khí Nhìn chung, trình chịu ảnh hưởng rõ nét cấu trúc lớp thảm thực vật rừng, chế độ mưa, địa hình, đất Quá trình thấm nước đất vấn đề nghiên cứu sâu rộng lĩnh vực thủy văn học Theo lý luận phát sinh dòng chảy bề mặt, thấm nước đất thị cho khả tầng điều tiết quan trọng tuần hoàn thủy văn rừng, sau nước mưa qua bầu khí lớp thảm thực vật che phủ Sự thấm nước đất có tác dụng quan trọng việc hình thành chế phát sinh dòng chảy Trên giới, cơng trình nghiên cứu đặc trưng thấm đất nhà bác học Darcy vào năm 1856, ơng đưa 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 lượng nước thấm (cm3); K hệ số thấm (cm3); T thời gian thấm (phút); H độ chênh lệch áp lực cột nước đầu đầu cột thấm; L chiều dài đoạn đường thấm (cm) Đồng thời định luật biểu thị phương trình tốc độ thấm V = K.I Trong đó: V tốc độ thấm đo (mm/giây,cm/phút, m/ngày.đêm); I = h/l Sau người ta nhận thấy xác định tính chất thấm đất điều kiện nhiệt độ thay đổi khơng thể so sánh Do vậy, người ta quy điều kiện chuẩn 10 0C cách sử dụng "hệ số điều chỉnh nhiệt độ" Hazen (0,7+0,03t) tính tốn hệ số thấm Hệ số thấm theo nhiệt độ điều chỉnh tính theo cơng thức sau: K10 = Kt / (0,7 + 0,03t) Trong đó: K10 hệ số thấm điều kiện 100C; Kt hệ số thấm thời điểm t; T nhiệt độ nước sử dụng xác định Đến năm 1937, Vusoski nhà bác học Nga xây dựng cơng thức tính lượng nước thấm xuống mặt đất: W = P0 - (E0 + T +S) Trong đó: W lượng nước thấm xuống; P0 nước mưa trung bình năm khu vực nghiên cứu; E0 lượng nước bốc hơi; T lượng nước thoát từ thực vật; S lượng nước chảy mặt đất Có nhiều mơ hình thấm nước đất dựa vào việc đơn giản hóa q trình vật lý mơ hình kinh nghiệm, liệt kê mơ hình thấm nước xây dựng như: Bảng 1.2 Các mơ hình thấm nước xây dựng STT Mơ hình Năm STT Mơ hình Năm Green and Ampt 1911 11 Smith 1972 Kostiakov 1932 12 Dooge 1973 Horton 1933 13 Morel-Seytoux and Khanli 1975 Philip 1957 14 Partange 1976 Holtan 1961 15 Collis - george 1977 Overton 1964 16 Smith and Parlange 1978 1969 17 Zhao 1981 Hudrograph model (Dunin,1969) Modified Kostiakov - 18 HEC 1981 Mein and Larson 1971 19 Simgh and Yu 1990 Katriski (1970) độ trũ ẩm cực đại lượng nước lớn mà đất giữ lại sau nước lưu vực rút chảy tượng dâng mao quản từ mạch nước ngấm lên (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] Bude Ko (1943) sáng lập phương pháp cân lượng thơng qua việc dựng lên phương trình cân lượng để xác định lượng lưu thông tiềm nhiệt dùng cho bốc nước, từ xác định lượng nước bốc (Nguyễn Thị Bích Ngọc, 2005)[17] Trên sở nghiên cứu nhiều năm, Kantrinski đưa độ trữ ẩm cực đại sau: Bảng 1.7 Đánh giá độ trữ ẩm cực đại đất Đất có thành phần giới nặng Đất có thành phần giới nhẹ Độ trữ ẩm so với đất khô Đánh giá < 25 Không đạt yêu cầu Đối với rừng thích nghi đất cát đất canh tác 25 - 30 Trung bình Đối với trồng thích nghi đất cát, độ trữ ẩm khơng nhỏ 10% 30 - 40 Tốt 40 - 50 Tốt Đất cát (đất trồng trọt) tầng cày có độ trữ ẩm cực đại từ 20 - 25% (Nguồn: Trần Kông Tấu cộng sự,1986) [20] Theo Rode AA lượng chứa nước hữu hiệu đất chia thành dạng sau: Bảng 1.8 lượng chứa nước hữu hiệu đất - Không tiêu (thực vật không sử dụng được) - Độ trữ ẩm từ không đến sức chứa ẩm phân tử cực đại - Rất khó sử dụng - Từ sức chứa ẩm phân tử cực đại đến độ ẩm héo - Khó sử dụng - Từ độ ẩm héo đến độ ẩm đứt mao mạch dẫn - Sử dụng trung bình - Từ độ ẩm đứt mao mạch dẫn đến sức chứa ẩm cực đại - Dễ sử dụng chuyển sang trạng thái thừa - Từ sức chứa ẩm cực đại sức chứa ẩm toàn phần (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] Các nhà khoa học Trung Quốc khẳng định vai trò quan trọng rừng việc bảo vệ đất nước lơn nhiều so với giá trị trực tiếp mà mang lại Theo Trần Huệ Tuyền nghiên cứu khả giữ nước rừng đầu nguồn hồ Tùng Hoa - Côn Minh (Trung Quốc) cho thấy với diện tích rừng đầu nguồn 60.000ha, độ tàn che 30%, hàng năm giữ nước khoảng 8,3 triệu m nước (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] Khi nghiên cứu bốc nước, Danton (1976) (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10], khẳng định, khả giữ nước đất phụ thuộc vào khả bốc nước bề mặt đất đưa phương trình sau: V = k.(F - f).760S/P Với V lượng nước thoát hơi; k hệ số khuếch tán; F áp lực nước bão hịa khoảng khơng gian xung quanh bề mặt bốc nhiệt độ cho; f áp lực nước môi trường xung quanh; P áp lực khơng khí; S diện tích bề mặt bốc Ngoài ra, vật rơi rụng có khả ngăn giữ dịng nước tương đối lớn, nên có tác dụng bổ sung nước cho đất cung cấp nước cho thực vật Những nghiên cứu Black & Kelliher năm 1989 cho thấy rằng: lượng nước bốc từ vật rơi rụng kiểu rừng khác chiếm khoảng - 21% tổng lượng nước bốc mặt đất rừng (Phạm Văn Điển, 2006)[3] Nhìn chung, nghiên cứu khả thấm, giữ nước đất rừng tác giả đa dạng có kết định áp dụng vào thực tiễn sản xuất nông nghiệp 1.2.1.1.3 Lượng nước bốc Bốc nước đất rừng nhân tố quan trọng tuần hoàn nước cân lượng hệ sinh thái rừng; biến đổi lượng nước sản sinh lưu vực biến đổi rừng gây có liên quan chặt chẽ với bốc nước rừng Người ta cho rằng: thảm thực vật rừng có lượng nước lớn loại thảm thực vật khác, cộng với ngăn giữ nước tầng tán rừng lớp thảm mục rừng nguyên nhân chủ yếu làm cho lượng nước sản sinh lưu vực tăng lên diện tích rừng giảm Vì việc đo lường tính tốn chuẩn xác biến đổi theo không gian thời gian bốc nước đất rừng có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá ảnh hưởng lý tuần hoàn thủy văn rừng mở mang khai thác mơ hình thủy văn lưu vực, việc định phương án quản lý kinh doanh rừng hợp lý, Tuy nhiên, có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến bốc rừng, tính khác biệt thời gian tính dị biệt không gian lớn, đem kết thí nghiệm với quy mơ tương đối nhỏ trường thực nghiệm mà quy tính áp dụng cho quy mô sườn dốc lưu vực tương đối lớn tất yếu ảnh hưởng đến độ chuẩn xác Bốc nước đất rừng trình trao đổi xạ, chuyển dịch (vận chuyển) nước sinh trưởng phát triển sinh vật tạo nên Phương pháp đo lường chuẩn xác sử dụng thiết bị đo bốc nước Lysimeter, tính hạn chế đem sử dụng thực tế đồng ruộng, nên chưa ứng dụng rộng rãi Các phương pháp sử dụng rộng rãi để nghiên cứu bốc nước rừng bao gồm: phương pháp thủy văn học, phương pháp khí tượng học, phương pháp thủy động lực học đất phương pháp sinh lý thực vật học Phương pháp thủy văn học phương pháp dựa vào phương trình cân lượng nước hệ thống, thơng qua đo lường lượng mưa, lượng nước thấm xuống tầng đất sâu, lượng dòng chảy mặt đất biến đổi động thái nước tích giữ đất, để tính tốn lượng bốc hệ thống Phương pháp vi khí tượng học lại chia làm phương pháp là: - Phương pháp động lực học khơng khí - Phương pháp cân lượng - Phương pháp tổng hợp - Phương pháp tương quan dòng xốy Phương pháp động lực học khơng khí dựa vào mối quan hệ lượng nước lưu thông theo chiều thẳng đứng với thang độ độ ẩm theo chiều thẳng đứng, thông qua tài liệu phân bố tốc độ gió theo chiều thẳng đứng để tính tốn hệ số trao đổi hỗn lưu nước sau tính lượng bốc Phương pháp cân lượng coi phương pháp phương pháp vi khí tượng học để xác định lượng bốc nước rừng chuẩn xác thực dụng (Phạm Văn Điển, 2008)[5] Người sáng lập phương pháp học giả Liên Xô cũ tiếng Budyko, ý tưởng phương pháp thơng qua việc dựng lên phương trình cân lượng để xác định lượng lưu thông tiềm nhiệt dùng cho bốc nước, từ mà tính lượng nước bốc Cũng giống với phương pháp cân lượng dễ sinh sai số lớn Phương pháp tổng hợp tổng hợp hai phương pháp nêu trên, tức kết hợp phương trình lưu thơng khơng khí với phương trình cân lượng lại với nhau, từ khơng cần phải xác định nước tán rừng, tốc độ gió, thang nhiệt độ (từ mặt đất lên đến tán rừng) tính tốn bốc nước đất rừng Penman sử dụng phương pháp động lực học khơng khí để tính tốn lượng lưu thông tiềm nhiệt dùng cho bốc nước, Monteith cải tiến thêm thành phương pháp tính tốn tỷ lệ phản xạ thảm thực vật, loại phương pháp sử dụng phương trình Penman - Monteith để tính tốn lượng bốc nước, việc xác định lực cản trở (trở lực) động lực học khơng khí lực cản trở (trở lực) tầng tán rừng có tầm quan trọng bậc Phương pháp thủy động lực học đất gọi phương pháp lượng lưu thông số 0, phương pháp lượng lưu thông bề mặt phương pháp lượng lưu thông định vị (Lơi Chí Đống v.v… 1998; Dư Thân Hiểu, 1993 - dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006)[3] Như đề cập, phương pháp lượng lưu thông trực tiếp sử dụng định luật Darcy - miêu tả di động nước theo hướng thẳng đứng phương trình giữ cân khối lượng để tính tốn lượng bốc nước, nên đem phương pháp ứng dụng cho lưu vực rừng độ tin cậy nước theo phương hai bên sườn dốc, khiến cho tính tốn lượng lưu thơng phải dùng đến phương trình dịng chảy theo khơng gian hai chiều thực Ở Trung Quốc bắt đầu công tác nghiên cứu bốc nước rừng vào đầu năm 60 (thế kỷ XX), phần lớn kết nghiên cứu cho thấy, lượng bốc hệ sinh thái rừng bao gồm tổn thất nước ngăn giữ tán rừng thảm mục… đại thể chiếm vào khoảng 40 - 80% lượng mưa nơi (Phạm Văn Điển, 2006)[3] Khang Văn Tinh sử dụng phương pháp khuếch tán hỗn lưu để tiến hành nghiên cứu quy luật bốc bình quân năm rừng Samu nhân tạo chiếm 82,2% tổng lượng nước rơi hàng năm, lượng bốc nước tán rừng chiếm khoảng 89,3% tổng lượng bốc nước rừng, cịn lượng bốc nước đất rưndg chiếm có 10,7%; Kết hồn tồn phù hợp với lượng bốc nước tính tốn theo phương pháp cân nước 1.2.1.2 Tồn nghiên cứu Mặc dù thu nhiều thành gần kỷ qua, việc nghiên cứu khả thấm giữ nước đất rừng giới tồn số bất cập như: - Thiếu mơ hình toán học đảm bảo độ tin cậy đơn giản để mơ q trình chảy tràn, đọng nước bề mặt… - Nghiên cứu đặc trưng thấm giữ nước đất rừng chưa nghiên cứu cách độc lập, nhánh nghiên cứu thủy văn rừng 1.2.2 Ở Việt Nam 1.2.2.1 Thành nghiên cứu 1.2.2.1.1 Khả thấm nước đất Ở việt Nam, nghiên cứu khả thấm nước đất thường kèm với nghiên cứu thủy văn rừng, xói mịn đất, dịng chảy mặt Cho tới nay, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu cách chi tiết khả thấm nước đất Phần lớn đề tài nghiên cứu tốc độ thấm khía cạnh yếu tố ảnh hưởng đến xói mịn dịng chảy mặt Một số nghiên cứu tốc độ thấm ảnh hưởng số nhân tố lượng mưa, cường độ mưa, độ xốp đất, độ ẩm, độ dốc tới tốc độ thấm Những nghiên cứu dịng chảy mặt xói mịn đất Bùi Ngạnh (1977), Nguyễn Ngọc Lung Võ Đại Hải (1997) cho thất rừng dày rậm tự nhiên lượng nước thấm vào đất chuyển thành dòng chảy ngầm nhiều, khả làm giảm xói mịn lớn Nguyễn Ngọc Lung cộng (1995)[14], mức độ thấm coi nhân tố ảnh hưởng lớn tới xói mịn dịng chảy Tác giả phân cấp mức độ thấm sau cho điểm từ đánh giá vai trò nhân tố đất ảnh hưởng tới xói mịn dịng chảy Một số cơng trình khác đề cập đến ảnh hưởng kiểu thảm thực vật với khả thấm nước đất rừng Nguyễn Viết Phổ (1992), Phạm Ngọc Dũng ( 1993) Các tác giả khẳng định, nước ta rừng có khả tiêu thụ lượng nước lớn Đồng thời khẳng định đất rừng nhân tố ảnh hưởng rõ nét đến vận tốc thấm Sự khác tính chất đất, chủ yếu tính chất vật lý loại đất ảnh hưởng trực tiếp đến trình thấm nước đất Nguyễn Ngọc Lung (1992) dựa vào mức độ thấm, thối hóa loại đất điểm đánh giá vai trò ảnh hưởng nhân tố đất đến tính thấm Phạm Văn Điển (2006), Phạm Văn Điển Phạm Đức Tuấn (2008), nghiên cứu đặc trưng thấm nước đất số trạng thái thảm thực vật vùng hồ thủy điện Hịa Bình xây dựng 45 OTC định vị (2001-2004), 10 trạng thái thảm thực vật thuộc nhóm (trảng bụi, trảng bụi, rừng trồng rừng tự nhiên) Bằng phương pháp thí nghiệm thấm nước ống vịng khun phép phân tích, tác giả xác định: tốc độ thấm ban đầu, tốc độ thấm nước thời gian đạt tốc độ thấm ổn định, trình thấm nước, lượng nước thấm ảnh hưởng số nhân tố quan trọng tới đặc trưng thấm nước Kết nghiên cứu cho thấy đất trạng thái rừng 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 - mm/phút Tốc độ thấm nước đất có liên quan chặt chẽ với độ xốp, độ dày độ ẩm tầng đất Tác giả mơ q trình thấm nước đất rừng mơ hình Horton mơ hình Phillip, mơ hình Phillip mơ tả q trình thấm nước tốt Nhìn chung, nghiên cứu khả thấm nước đất nước ta thực theo hướng Thứ nhất, sử dụng mưa tự nhiên, theo cách số tác giả đo đồng thời ba yếu tố lượng mưa, dòng chảy bề mặt bốc thoát nước Lượng nước thấm lúc tính hiệu số lượng mưa dịng chảy mặt với bốc thoát Hướng sử dụng mưa nhân tạo, lượng nước thấm lúc tính hiệu số lượng nước cung cấp lượng nước chảy bề mặt Hướng thứ ba sử dụng vòng đo thấm Nghiên cứu theo hướng thứ có ưu điểm phản ánh ảnh hưởng lượng mưa tới lượng nước thấm đất Tuy nhiên thực gặp nhiều khó khăn Bởi lẽ muốn kết xác số liệu phải thu thập sau mưa, mà điều không đơn giản Hơn nữa, số liệu xác vũ kế vũ kí đặt điểm đo thấm, việc giữ gìn, bảo quản trường thiết bị gặp khơng khó khăn Mặt khác, bố trí thí nghiệm theo cách bị động thời gian Khác với nước tiên tiến giới, Việt Nam việc sử dụng thiết bị mưa nhân tạo nghiên cứu thủy văn rừng nói chung nghiên cứu tính thấm đất nói riêng chưa thực phổ biến Sử dụng vòng đo thấm hay gọi ống vòng khuyên cách phổ biến nghiên cứu khả thấm nước đất Việt Nam 1.2.2.1.2 Khả giữ nước đất Nghiên cứu vai trò giữ nước nước ta bắt đầu vào năm 1970 đẩy mạnh vào đầu năm 1990, vấn đề mẻ chưa nghiên cứu nhiều Theo Hồng Văn Thế (1986) khả bốc vật lý khả bốc từ đất trần cịn gọi bốc khoảng trống, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình (Nguyễn Viết Phổ, 1992)[18] Một số cơng trình nghiên cứu đề cập đến vai trò điều tiết nước rừng, ảnh hưởng kiểu thảm thực vật rừng tới việc thay đổi chế độ dòng chảy mặt lưu vực ảnh hưởng đến lượng nước sông ngịi cơng trình vấn đề thủy văn rừng nhiệt đới (Nguyễn Viết Phổ, 1992)[18], vài nhận xét dòng chảy kiệt qua tài liệu nghiên cứu thực nghiệm sử dụng tài liệu thực nghiệm thủy văn để phân tích mơ hình hóa q trình dịng chảy Những nghiên cứu cho thấy vai trò điều tiết nước đặc biệt hữu hiệu thảm thực vật rừng, đặc biệt việc cung cấp nước cho sông suối vào mùa khô Nguyễn Ngọc Lung cộng dựa vào mật độ thấm, thoát nước thối hóa loại đất điểm đánh giá vai trò nhân tố ảnh hưởng tới xói mịn dịng chảy (Nguyễn Ngọc Lung cộng sự, 1996)[14] Cơng trình nghiên cứu Tứ Quận, Tun Quang mơn khí tượng thủy văn rừng (Phạm Văn Điển, 2006)[3] tập trung chủ yếu vào việc tìm hiểu lượng nước chảy bề mặt lượng đất xói mịn tán rừng bồ đề trồng lồi tuổi khoảng thời gian năm (1974 - 1976) Theo Hoàng Văn Thế (1986) khả bốc vật lý khả bốc từ đất trần gọi bốc từ đất trần gọi bốc khoảng trống, phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] Lê Đăng Giảng Nguyễn Thị Hoài Thu tổng kết kết nghiên cứu khả giữ nước, điều tiết dòng chảy rừng thứ sinh hỗn giao rộng núi Tiên, Hữu Lũng, Lạng Sơn (Nguyễn Thị Thúy Hường, 2009) [10] Theo Trần Kơng Tấu, Ngơ Văn Phụ, Hồng Văn Huầy khả giữ nước đất có quan hệ chặt chẽ với thành phần giới đất Đất có thành phần giới nặng khả giữ nước độ trữ ẩm cực đại lớn (Trần Kông Tấu cộng sự, 1986) [20] Theo thứ tự xếp loại khả giữ nước loại đất Việt Nam sau: Ferralsols > Acrisols (trên gơnai) > Acrisols (trên phù sa cổ) Sự vận động ẩm đất chưa bão hòa Phạm Thịnh Nguyễn Quang Kim mô phần mềm Reproduce Phần mềm mô biến đổi độ ẩm đất đất trồng theo phương thẳng đứng Kết đưa phương trình cân nước lớp đất: Qi.∆t - (E + Ti) = ∆θi - hi (i = 1) (qi-1 - qi) ∆t + Ti ∆t = θi - hi (i = 2N) Phần mềm kể đến nhiều yếu tố có ảnh hưởng quan trọng đến trình biến đổi độ ẩm đất đặc tính vật lý đất, loại trồng thời kỳ sinh trưởng, cường độ thoát nước chiều sâu mực nước ngầm (Nguyễn Thị Bích Ngọc, 2005) [17] Ngồi cơng trình nghiên cứu nhân tố ảnh hưởng đến khả thấm giữ nước đất rừng, cịn có số cơng trình nghiên cứu biện pháp nâng cao khả giữ nước đất rừng Năm 1997, kết nghiên cứu Phùng Văn Khoa đặc điểm thủy văn rừng thông qua đuôi ngựa (Pinus massaniana) núi Luốt, Xuân Mai - Hà Tây đến số nhận xét sau: (1) Lượng nước bốc từ mặt đất biến động từ 30 - 35%, phụ thuộc vào nhiệt độ độ ẩm khơng khí tán rừng (2) Lượng nước chảy bề mặt chiếm từ - 5% phụ thuộc chặt chẽ vào độ che phủ bụi thảm tươi (3) Lượng nước lại đất chiếm xấp xỉ 10 - 15% (Phùng Văn Khoa, 1997) [11] Một số nghiên cứu cho độ ẩm đất lớn bốc chủ yếu nước liên kết lỏng đất, lượng để bốc đơn vị thể tích nước xấp xỉ lượng bốc đơn vị thể tích mặt thống tự Ngược lại độ ẩm giảm lượng nước bốc giảm theo độ ẩm đất giảm đến trị số héo lượng bốc thực tế trở lên không đáng kể (thường mm/ngày) Dựa vào kết nghiên cứu người ta xây dựng công cụ để dự báo lượng nước bốc thực tế tương ứng với trị số ẩm khác đất Điều cho phép việc tính tốn chế độ tưới cho hoa màu công nghiệp Phạm Văn Điển sử dụng nhân tố nhiệt độ (T) độ ẩm khơng khí (V) làm nhân tố chủ đạo có ảnh hưởng tới bốc nước mặt đất, cho thấy nhiệt độ (T) độ ẩm (V) nhân tố chủ đạo ảnh hưởng tới bốc mặt đất Tác giả xây dựng phương trình tương quan để xác định lượng nước bốc vật lý từ đất thời kỳ, phương trình có dạng: E = 0,0576 + 7,18 (T/V)2 với hệ số tương quan cao (r = 0,908) Từ xây dựng phương trình tương quan để dự đoán lượng nước bốc vật lý từ đất thời kỳ (Phạm Văn Điển, 2006)[3] Điển hình công tác nghiên cứu đất cát Chi cục Thủy lợi Bình Thuận phối hợp với Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh (Vũ Văn Tuấn, 1997) năm khu vực Suối Tiên khu vực thơn Giếng Kết nói chung cho thấy nước mưa nguồn nước suối này, năm trung bình có 31,5mm nước mưa ngấm vào đất tạo thành nước ngầm, mà nước ngầm lượng nước tích giữ lại nhiều đất Nên để tăng lượng nước ngầm đất cần làm tăng nguồn nước mưa cho khu vực Các nhà khoa học phương hướng thiết lập cơng trình thu nước rộng khắp vùng thượng lưu suối Tiên cho kết thành công Kết khu vực sát lịng suối Tiên phía hạ lưu tăng mực nước ngầm từ - 6m (trong năm) - 7,5 m (sau 10 năm) Hay kết nghiên cứu khu vực hai thôn (Giếng Triền Hồng Phong) phương án bổ sung nguồn nước mưa toàn khu vực cụ thể xây dựng hệ thống liên hồ gồm 33 hồ trữ nước, dung tích 4500m3/hồ trồng 157km cỏ Vetiver (là loại trồng có nhiều ưu điểm, sinh trưởng loại đất có rễ mọc thẳng xuống mặt đất 3m, làm thành "Đường chắn ngầm sinh học ") làm giảm lượng nước mặt chảy tăng nguồn nước ngầm khu vực (dự kiến, sau năm mực nước ngầm vùng dâng cao thêm từ 3,5 - 8m) Gần nhất, Phạm Văn Điển nghiên cứu khả giữ nước số thảm thực vật rừng vùng phịng hộ hồ thủy điện Hịa Bình Kết nghiên cứu đề cập tới khả thấm giữ nước đất rừng (Phạm Văn Điển, 2006) [3] Đất trạng thái rừng 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 - 8,0 mm/phút Tốc độ thấm nước có liên hệ chặt với độ xốp, độ dày độ ẩm đất 1.2.2.2 Tồn nghiên cứu Vì lý khác mà nay, chưa có cơng trình khoa học nghiên cứu cách có hệ thống đồng đặc trưng thấm giữ nước đất rừng Việt Nam Phần lớn vấn đề thực mức độ định, thường gắn liền với nghiên cứu xói mịn đất tập trung nhiều rừng tự nhiên, mức độ định lượng chưa cao Một số tồn sau: - Thiếu cơng trình nghiên cứu theo hướng phát quy luật giải thích chế định lượng quy luật cơng cụ tốn học phù hợp - Phương pháp thiết bị nghiên cứu chưa cải tiến, lạc hậu so với nhiều nước giới (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006 [10]) Vì vậy, việc cải tiến phương pháp thiết bị nghiên cứu phù hợp khả thi điều kiện mưa nhiệt đới cần thiết Tính cấp thiết Trong những năm qua, việc quản lý và sử dụng bền vững đất canh tác đặc biệt là vùng đất dốc chưa được quan tâm đúng mức và vẫn là bài toán làm đau đầu các nhà quản lý Hàng trăm hecta rừng tự nhiên bị tàn phá hàng năm làm cho diện tích đất trống đồi núi trọc ngày càng tăng hoặc thay vào đó là những diện tích rừng trồng kém chất lượng, khả bảo vệ đất thấp Dịng chảy mặt xói mịn đất vấn đề nghiêm trọng, tốn khó giải cho nhà hoạch định sách, quy hoạch sử dụng nguồn tài nguyên đất nước Hiện tượng xói mòn xảy mạnh, mỗi năm hàng nghìn tấn đất mầu mỡ bị xói mòn rửa trôi chảy các sông suối và về hạ nguồn Thực trạng này làm cho đất bị mất dần khả canh tác Trong sản xuất Nông Lâm nghiệp, đất đai là công cụ sản xuất vô cùng quý giá và không thể thay thế, không chỉ mang lại cho người các sản phẩm trồng trọt chúng mà còn ảnh hưởng trực tiếp và có tính quyết định đến cuộc sống của người thông qua việc ảnh hưởng đến các yếu tố suất trồng, các hiện tượng thời tiết hạn hán, lũ lụt, sạt lở đất Huyện Định Hoá có tích rừng tự nhiên năm 2000 18.007 đến năm 2005 cịn 17.185 Diện tích rừng có xu hướng giảm mạnh Hậu năm 2008 vừa qua Huyện Định Hoá xảy trận lũ rừng lớn gây thiệt hại trầm trọng tài sản tính mạng người dân nghèo Việc nghiên cứu về khả thấm giữ nước đất rừng để nhằm hạn chế xói mòn dự báo lũ rừng chưa nghiên cứu Diện tích đất trống đồi núi trọc có xu hướng gia tăng, sản xuất nông nghiệp xuất thấp đất bị xói mịn trầm trọng Dưới góc độ thủy văn rừng, đất rừng kho tích giữ nước to lớn quan trọng Giữ nước đất tiền đề cho giữ đất chỗ Lượng nước giữ đất dù bị bốc vật lý hay thoát nước qua thực vật để hình thành sinh khối, lượng nước hữu ích Điều khẳng định rằng, khả thấm giữ nước đất rừng có tầm quan trọng đặc biệt lĩnh vực quản lý nguồn nước Mặt khác, địa điểm nghiên cứu cơng trình đất rừng huyện Định Hố khu vực ln tiềm ẩn nguy suy thối đất nước nghiêm trọng Vì vậy, việc bảo tồn phát triển rừng để cung cấp ổn định nguồn nước, ngăn cản q trình xói mịn, kiểm sốt mực nước Sông Chu, sông Công sông Đu quan trọng Do vậy, vấn đề thấm giữ nước đất lựa chọn làm đối tượng cơng trình nghiên cứu X́t phát từ thực tế đó, tiến hành nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu khả thấm giữ nước tiềm tàng đất rừng nhằm góp phần hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng cho huyện Định Hố, tỉnh Thái Nguyên" Mục tiêu 2.1.Mục tiêu chung Cung cấp sở khoa học cho việc đề xuất giải pháp nhằm cải thiện khả thấm, giữ nước đất rừng, góp phần nâng cao hiệu bảo vệ nguồn nước rừng nhằm hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng 2.2 Mục tiêu cụ thể +Xác định khả thấm, nước đất rừng; + Xác định nhân tố ảnh hưởng đến khả giữ nước đất số trạng thái thảm thực vật rừng khác nhau; + Đề xuất số giải pháp kĩ thuật nhằm cải thiện khả thấm, giữ nước đất rừng, góp phần nâng cao hiệu bảo vệ nguồn nước rừng nhằm hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học - Đề tài bước phát triển nghiên cứu khoa học trước lĩnh vực nghiên cứu khả thấm giữ nước đất rừng Nội dung 2.3.1 Đặc điểm lập địa khu vực nghiên cứu - Chế độ mưa - Địa hình - Thổ nhưỡng - Thảm thực vật 2.3.2 Đặc trưng thấm nước đất rừng - Tốc độ thấm nước ban đầu - Tốc độ thấm nước ổn định - Quá trình thấm nước 2.3.3 Đặc trưng giữ nước đất - Lượng nước bão hòa - Lượng giữ nước hữu hiệu - Biến động độ ẩm 2.3.4 Đề xuất số giải pháp cải thiện khả thấm giữ nước đất rừng Tải file "Nghiên cứu khả thấm giữ nước tiềm tàng đất rừng nhằm góp phần hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng cho huyện Định Hố, tỉnh Thái Nguyên" PP nghiên cứu 2.4 Phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp thống kê, kế thừa truyền thống Thu thập tất tài liệu có liên quan Trên sở phân tích, đánh giá kế thừa thông tin, số liệu khoa học có phục vụ thiết thực nội dung nghiên cứu đề tài… 2.4.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa Áp dụng phương pháp điều tra khảo sát, đo đạc, quan sát vấn nhằm xác định rõ trạng thảm thực vật, địa hình tính chất vật lý đất rừng 2.4.3 Phương pháp đánh giá nhanh Được sử dụng khảo sát thực địa nhằm phân tích đánh giá ngồi thực tế thông qua khảo sát, đo đạc trường 2.4.4 Phương pháp chuyên gia Trao đổi, xin ý kiến chuyên gia chuyên mônn quản lý đơn vị chức có liên quan 2.4.5 Phương pháp đo đạc lấy mẫu ngồi thực địa Khảo sát, lấy mẫu phân tích đánh giá trạng chất lượng đất cách đào phẫu diện Quy cách đào phẫu diện: Trước đào cần chọn vị trí, đánh dấu số thứ tự lên đồ Hướng phẫu diện quay dọc theo hướng đông tây, mặt thành phẫu diện khảo sát phải hướng phía mặt trời Đối diện với mặt phẫu diện bậc để lên xuống Kích thước phẫu diện tùy thuộc vào mục đích phẫu diện định đào Chiều rộng phẫu diện khoảng 0,80 - 0,9 m, chiều dài khoảng 1,20 - 1,50 m Chiều sâu tùy đối tượng mà quy định Đất đào lên phải đổ hai bên phẫu diện, đất mặt để riêng bên Sau mô tả lấy mẫu xong nên lắp lại theo trạng thái cũ Không đứng giẫm phía bề mặt khảo sát làm trạng thái tự nhiên đất, hủy hoại cỏ, không đổ đất cịn phải quan sát thực bì đặt thí nghiệm lý tính cần Mặt phẫu diện phải thẳng: dùng mai xẻng vạt, tránh áp lưỡi mai miết đất làm trạng thái tự nhiên đất Đối diện với mặt phẫu diện nên đào dạng bậc thang để tiện lên xuống khảo sát Sau đào xong phẫu diện phải tiến hành khâu mô tả ghi chép đầy đủ vào sổ tay thực địa số liệu điểm quan sát, vị trí phẫu diện, đặc điểm tự nhiên xung quanh, cố gắng nêu cho rõ đặc điểm ảnh hưởng nhân tố đến hình thành thổ nhưỡng Mọi tầng đất cần mơ tả chi tiết tính chất sau: màu sắc, độ chặt, độ xốp, rễ cây, chất xâm nhập, chất sinh, độ dày tầng đất, thành phần giới… 2.4.6 Phương pháp bố trí thí nghiệm Số lượng cách lựa chọn điểm đo yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ xác kết luận thống kê, đảm bảo phù hợp kết nghiên cứu với thực tiễn Số lượng điểm đo nhiều, số lần thu mẫu lớn độ tin cậy kết luận cao Đề tài nghiên cứu lập ô tiêu chuẩn điển hình (OTC) phân bố khu vực nghiên cứu, gồm đất rừng tự nhiên IIA OTC, Trảng bụi OTC đất rừng trồng OTC Dựa kết khảo sát thực địa đề tài bố trí tiêu chuẩn có diện tích 500 m (25m x 20m) Mẫu đất thu thập tổng hợp điểm phân bố hệ thống ô tiêu chuẩn Độ sâu lấy mẫu đất là: 0-20 cm, 20-40 cm Mẫu đất sau lấy cho vào dụng cụ riêng để bảo quản đem hong khô phân tích 2.4.7 Phương pháp thu thập số liệu 2.4.7.1 Số liệu sơ cấp * Xác định tính chất vật lý đất Đề tài nghiên cứu độ ẩm, dung trọng, tỷ trọng độ xốp đất Mẫu đất lấy ống dung trọng để xác định đồng thời tiêu Mỗi vị trí đo thấm lấy mẫu đất (trước đo thấm, gần điểm đo thấm) ống dung trọng (kích thước: cao 10 cm, đường kính cm) * Điều tra đặc trưng thấm nước đất Tốc độ thấm nước đất xác định phương pháp sử dụng ống vịng khun Tại thí nghiệm đặt cặp ống lồng vào vị trí điển hình, đường kính bên ống nhỏ 20 cm, đường kính bên ống to 30 cm, chiều cao ống 35 cm Các ống khắc vạch phía Tại vị trí nghiên cứu khả thấm, đóng vịng sắt sâu xuống 20 cm Dùng bình đong nước tưới nước từ từ vào vịng khun, ln giữ lớp nước đầy cm phía tầng đất Hình 2.1 Vịng đo thấm mặt Sau thời gian phút tiếp tục đổ nước vào vòng khuyên, vào lượng nước khởi đầu sau tiếp nước ống đong để xác định nước thấm Thí nghiệm kéo dài nước thấm ổn định kết thúc Tốc độ thấm nước xác định theo phút (cm3/phút) nước thấm ổn định 2.4.7.2 Số liệu thứ cấp - Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp + Thu thập, sử dụng tài liệu thứ cấp điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, … Bằng cách điều tra số liệu văn bản, tạp chí, internet - Phương pháp tổng hợp phân tích tài liệu, số liệu thứ cấp Sau thu thập tài liệu số liệu thứ cấp cần chọn lọc số liệu cần thiết để đưa vào đề tài Vì số liệu, tài liệu thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, thời điểm khác có khác độ phân tích độ xác 2.4.8 Phuơng pháp phân tích phịng thí nghiệm Các tiêu: Tỷ trọng, dung trọng, độ xốp, độ ẩm đất xác định theo phương pháp phân tích phịng thí nghiệm - Tỷ trọng đất (D) tỷ số trọng lượng (gam) đơn vị thể tích đất (cm 3) trạng thái rắn, khơ kiệt, hạt đất xếp sít vào so với trọng lượng khối nước có thể tích Tỷ trọng đất phụ thuộc vào thành phần khống vật, thành phần hóa học đất, đất nhỏ mịn tỷ trọng lớn Nếu đất có nhiều mùn hợp chất hữu tỷ trọng nhỏ Xác định tỷ trọng theo (phương pháp picnomet) gồm bước sau: Bước 1: Xác định thể tích picnomet: picnomet sấy khô nhiệt độ không 60 0C Cùng với nút đậy, cân cân phân tích có độ xác 0,001g, ghi trọng lượng cân Dùng nước đun sôi để nguội, đổ đầy picnomet, tới mức cho sau đậy nút tào vài giọt (qua mao quản nút) Lau bình cách cẩn thận để phía bên lỗ mao quản khơng có khơng khí đọng Ghi nhiệt độ nước thời điểm xác định Đặt cẩn thận picnomet lên cân phân tích có độ xác 0,001g, ghi trọng lượng picnomet có chứa đầy nước Thể tích picnomet tính theo cơng thức: V = (a1 – a)/D V: Thể tích picnomet (cm3) a1: Khối lượng picnomet + nước (g) a: Khối lượng picnomet khô (g) D: Khối lượng riêng nước nhiệt độ xác định (g/cm 3) Bước 2: Xác định tỉ trọng đất: Cân 10g đất khơ khơng khí rây qua rây – mm Rót ½ lượng nước cốc dùng phễu cho đất chuẩn bị vào bình Phễu tráng nước cất Bình picnomet có đất nước đặt lên bếp cát bếp điện có khay cát đun nóng 1/2 giờ, cho sơi nhẹ để đẩy khơng khí khỏi đất Sau đun sơi bình picnomet để nguội phòng, thêm nước cất vào vạch, đậy nút cho nước chứa đầy lên mao quản nút Sau đo đem cân Tỉ trọng đất tính theo cơng thức: D = P/(P + P1 – P2) Trong : d: tỉ trọng thể rắn P: Khối lượng đất khơ lấy để phân tích (g) P1: Khối lượng bình picnomet có nước (g) P2: Khối lượng picnomet có nước đất (g) Tính đất khơ khơng khí sang đất khơ kiệt (tuyệt đối) theo cơng thức: P = (P0 * 100)/(100+a) Lấy P0: Khối lượng đất khơ khơng khí a: Hàm lượng nước tính % so với đất khô - Dung trọng đất (d) trọng lượng đất khô (gam) trạng thái tự nhiên đơn vị thể tích đất (cm3) sau sấy khô kiệt Dung trọng phụ thuộc vào thành phần khoáng vật, hàm lượng chất hữu kết cấu đất Đất giàu hữu tơi xốp dung trọng lớn, dung trọng tăng theo hầu hết theo chiều sâu đất d= M / V Trong đó: d _ dung trọng đất (g/cm3) M_ trọng lượng đất khơ trạng thái tự nhiên (g) V_ Thể tích ống trụ (cm3) - Độ xốp đất: tỷ lệ % khe hở đất so với thể tích đất Độ xốp đất xác định thơng qua tỷ trọng dung trọng đất Độ xốp P % tính theo cơng thức: P% = (1-d/D)x100 Trong đó: D tỷ trọng (g/cm3) d dung trọng (g/cm3) - Độ ẩm đất (%): Xác định độ ẩm đất theo bước sau Bước 1: Cân trọng lượng hộp nhôm, W (g) Bước 2: Cân trọng lượng đất hộp nhôm, W (g) Bước 3: Sau sấy tủ sấy nhiệt độ 105 0c , đem để nguội cân trọng lượng W3 (g) Độ ẩm tương đối A0 tương đối % = [(W2 - W3) / (W2 - W1)] 100 Độ ẩm tuyệt đối A0 tuyệt đối % = [(W2 - W3) / (W3 - W1)] 100 - Cường độ mưa bình quân (IBQ, mm/h) xác định tỉ số lượng mưa (P, mm) thời gian mưa (t, giờ): IBQ (mm/h) = P/t - Đặc điểm phân bố mưa xác định thông qua tiêu: Phân bố số ngày mưa theo tháng năm, phân bố số trận mưa theo thời gian mưa, phân bố lượng mưa năm Những tiêu biểu diễn phương pháp lập bảng kết hợp với vẽ biểu đồ - Điều tra khả giữ nước đất * Biến động độ ẩm: - Theo chiều thẳng đứng: Trong thí nghiệm chọn vị trí đại diện điển hình tiến hành đào sâu xuống 40 cm, lấy mẫu đất để xác định độ ẩm theo vị trí 0-20cm, 20-40cm phương pháp sấy Tổng số điều tra vị trí Kết điều tra được, ghi vào mẫu biểu * Xác định sức hút ẩm tối đa: Đất phơi khô, nghiền nhỏ, qua rây 0,25 mm, cân từ 5-10gam cho vào chén thủy tinh sấy Tốt dùng loại chén có đường kính 5cm, cao 3cm, có nắp đậy Chén có đem cân đặt vào bình hút ẩm, đáy bình có chứa axit sunfuric 10% (ước chừng 100-300cc) Tùy số lượng cho vào bình hút ẩm mà lấy lượng axit sunfuric cho vừa phải (cứ 1gam đất lấy 2cc H 2SO4 10% Không nên cho axit đầy Trên mặt axit tạo khơng khí chứa đầy nước (gần 100% độ ẩm tương đối) Trong khơng khí đất hút hết nước Bình hút ẩm (trong đựng chén có đất) cần bơi vadơlin miệng đậy nắp lại Dùng bơm (chân khơng) hút hết khơng khí bình nắp bình dính chặp vào với bình Sau đặt vào chỗ tối có nhiệt độ ổn định Sau ngày đem cân chén trên, ghi số liệu vào sổ Sau tiến hành lần 1, đặt chén trở lại bình hút ẩm, sau ngày cân lại Thường lần thứ khối lượng tăng lên Tiếp tục làm đến đạt kết gần cố định (có thể khác số lẻ thứ được) Cuối đem chén sấy đến trọng lượng cố định 1050C Thời gian bão hòa khoảng tháng Tổng số mẫu điều tra mẫu Nước sấy tính phần trăm so với khối lượng đất khô cho ta sức hút ẩm tối đa Từ sức hút ẩm tối đa cách nhân với hệ số 1,5 ta tính độ ẩm héo Lượng nước sức chứa ẩm đồng ruộng độ ẩm héo lượng nước hữu hiệu mà sử dụng - Độ ẩm héo bình quân đất rừng xác định 1,5 lần sức hút ẩm tối đa đất - Độ xốp mao quản tính cơng thức: Xmq % = % độ ẩm đồng ruộng + % độ ẩm héo - Độ xốp mao quản: Xnmq % = X% - Xmq - Lượng nước tích giữ khe hổng mao quản đất rừng tính toán theo độ dầy tầng đất, dựa số đo bình quân độ xốp đất: I mq = Hd * Xmq - Lượng nước tích giữ khe hổng ngồi mao quản đất rừng tính tốn theo độ dầy tầng đất số đo bình quân độ xốp mao quản đất: I nmq = Hd * Xnmq - Các phương trình tương quan thiết lập theo hướng dẫn giáo trình “Thống kê toán học lâm nghiệp” Nguyễn Hải Tuất Ngô Kim Khôi (1996) 2.4.9 Phương pháp xử lý số liệu Ngoài để so sánh khả thấm nước đất trạng thái rừng khác mối quan hệ tương quan tiêu vật lý đất ảnh hưởng đến khả thấm nước đất đề tài sử dụng phương pháp phân tích phương sai phần mềm SAS Hiệu KTXH 3.1 Về kinh tế xã hội Sự biến đổi khí hậu de dọa nghiêm trọng đến lợi ích sống nhiều dân tộc khắp hành tinh Con người phải đối mặt với biến đổi khí hậu như: dịch bệnh, đói nghèo, nơi ở, thiếu đất canh tác, xói mịn, sạt lở, lũ rừng, lũ quét…Việc nghiên cứu về khả thấm giữ nước đất rừng để nhằm hạn chế xói mịn dự báo lũ rừng nghiên cứu Diện tích đất trống đồi núi trọc có xu hướng gia tăng, sản xuất nông nghiệp xuất thấp đất bị xói mịn trầm trọng Dưới góc độ thủy văn rừng, đất rừng kho tích giữ nước to lớn quan trọng Giữ nước đất tiền đề cho giữ đất chỗ Lượng nước giữ đất dù bị bốc vật lý hay thoát nước qua thực vật để hình thành sinh khối, lượng nước hữu ích Điều khẳng định rằng, khả thấm giữ nước đất rừng có tầm quan trọng đặc biệt lĩnh vực quản lý nguồn nước Mặt khác, địa điểm nghiên cứu công trình đất rừng huyện Định Hố khu vực ln tiềm ẩn nguy suy thối đất nước nghiêm trọng Vì vậy, việc bảo tồn phát triển rừng để cung cấp ổn định nguồn nước, ngăn cản q trình xói mịn, kiểm sốt mực nước Sông Chu, sông Công sông Đu quan trọng.việc nghiên cứu tính thấm giữ nước đất rừng hướng đắn lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường Kết đề tài sở khoa học quan trọng góp phần cho nhà quản lý mơi trường hoạch định sách quản lý biện pháp phịng ngừa cố mơi trường xảy 3.2 Về khoa học – công nghệ : Kết đề tài bổ sung phương pháp luận cho nghiên cứu tính thấm gữ nước đất rừng mơ hình dự báo lũ, dự báo xói mịn, quản lý nguồn nước 3.3 Về thông tin Các kết nghiên cứu đề tài bổ sung làm phong phú thêm nguồn thông tin tư liệu khoa học Cụ thể đề tài đăng 02 báo: 1- Nghiên cứu khả thấm nước đất rừng xã Bộc nhiêu, Huyện Định Hóa, Thái Ngun, Tạp chí khoa học công nghệ -ĐHTN, Tập 86, số 10-2011, T 149-153 2- Nghiên cứu khả thấm giữ nước đất rừng trường hợp nghiên cứu huyện Định hóa, Thái nguyên Tạp chí NN&PTNT, năm 2011 3.4 Về đào tạo, bồi dưỡng nhân lực