Nghiên cứu động thái ẩm của đất trong kỹ thuật tưới nhỏ giọt để xác định chế độ tưới hợp lý cho cây nho lấy lá trên vùng khan hiếm nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM - - TRẦN THÁI HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT TRONG KỸ THUẬT TƯỚI NHỎ GIỌT ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ TƯỚI HỢP LÝ CHO CÂY NHO LẤY LÁ TRÊN VÙNG KHAN HIẾM NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI MIỀN NAM - - TRẦN THÁI HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT TRONG KỸ THUẬT TƯỚI NHỎ GIỌT ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ TƯỚI HỢP LÝ CHO CÂY NHO LẤY LÁ TRÊN VÙNG KHAN HIẾM NƯỚC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ SỐ : 58 02 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VÕ KHẮC TRÍ GS.TS LÊ SÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa bảo vệ học vị tơi chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án thân trân trọng cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án ghi rõ nguồn gốc, xuất sứ TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng năm 2018 Tác giả luận án Trần Thái Hùng LỜI CẢM ƠN Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập nghiên cứu thực luận án Tác giả trân trọng cảm ơn sâu sắc PGS.TS Võ Khắc Trí GS.TS Lê Sâm, người hướng dẫn khoa học luận án Sự giúp đỡ, bảo tận tình Thầy khích lệ lớn lao để tác giả nỗ lực cố gắng tâm hoàn thành luận án Đặc biệt, GS.TS Lê Sâm khuyến khích tạo điều kiện để tác giả áp dụng phần kết nghiên cứu thời gian làm luận án vào đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước “Nghiên cứu đề xuất giải pháp khoa học công nghệ sở hạ tầng thủy lợi nước sinh hoạt phục vụ phát triển kinh tế nông thôn xây dựng nông thôn cấp xã vùng Duyên hải Nam Trung bộ” thuộc Chương trình khoa học cơng nghệ phục vụ xây dựng nơng thơn giai đoạn 2011÷2015 Tác giả trân trọng cảm ơn sâu sắc GS.TSKH Nguyễn Ân Niên GS.TS Tăng Đức Thắng, tận tình khuyến khích, động viên góp ý cho tác giả thực tốt nghiên cứu đề tài luận án Tác giả trân trọng cảm ơn sâu sắc GS.TS Trần Thị Thanh tận tình giúp đỡ, hướng dẫn góp ý để tác giả hồn thành thí nghiệm chun đề quan trọng Tác giả trân trọng cảm ơn sâu sắc GS Per-Erik Jansson - Viện Cơng nghệ Hồng gia Thụy Điển giúp đỡ tác giả việc sử dụng mơ hình Coup Model phục vụ nghiên cứu mơ đề tài luận án Tác giả chân thành cảm ơn sâu sắc gia đình Ơng Nguyễn Văn Phong, xã Thuận Quý, huyện Hàm Thuận Nam, tỉnh Bình Thuận cho phép tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình để tác giả hồn thành cơng tác thí nghiệm trường đề tài luận án Tác giả chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đơn vị liên quan: Tổng cục Thủy lợi, Cục Khí tượng Thủy văn, Đại học Thủy lợi, Đại học Cần Thơ, Đại học An Giang, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Phân Viện Quy hoạch Thiết kế Nông nghiệp miền Nam, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam, Sở Nông nghiệp PTNT tỉnh Bình Thuận tỉnh Ninh Thuận tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trình cơng tác, cập nhật trao đổi thơng tin số liệu phục vụ nghiên cứu Cuối cùng, thiếu được, lòng tri ân sâu sắc tới gia đình tác giả, tới bạn bè thân thiết động viên, khích lệ, chỗ dựa tinh thần vững để tác giả vượt qua khó khăn thử thách suốt trình nghiên cứu học tập để hoàn thành đề tài luận án MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI - MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - a) Mục tiêu nghiên cứu b) Đối tượng nghiên cứu c) Phạm vi nghiên cứu - d) Nội dung nghiên cứu - e) Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Ý NGHĨA VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN a) Ý nghĩa khoa học b) Ý nghĩa thực tiễn - c) Những đóng góp nghiên cứu CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG I TỔNG QUAN LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU - I.1 NGHIÊN CỨU VỀ SỰ VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC TRONG HỆ THỐNG ĐẤT – NƯỚC – CÂY TRỒNG - I.1.1 Giới thiệu nước đất I.1.2 Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm I.1.3 Nghiên cứu thực nghiệm trường kết hợp với mơ hình tốn 10 I.2 NGHIÊN CỨU ÁP LỰC HÚT ẨM VÀ ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG TƯỚI TIÊU NƯỚC CHO CÂY TRỒNG 12 I.2.1 Phương pháp xác định áp lực hút ẩm nước đất 12 I.2.2 Phương pháp xây dựng đường đặc trưng ẩm (đường cong pF) 14 a) Khái niệm đường đặc trưng ẩm (pF) 14 b) Phương pháp xây dựng đường đặc trưng ẩm (pF) 15 I.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc trưng ẩm 18 I.2.4 Ứng dụng đường đặc trưng ẩm 20 I.2.5 Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tưới nhỏ giọt 21 I.2.6 Nghiên cứu chế độ tưới cho trồng 24 I.2.7 Các nghiên cứu tưới nước nho 27 I.3 ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU -32 I.3.1 Tỉnh Ninh Thuận 32 I.3.2 Tỉnh Bình Thuận 33 i KẾT LUẬN CHƯƠNG I 34 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM -36 II.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 36 II.1.1 Cơ sở lý thuyết trình vận chuyển nước đất 36 a) Định luật Darcy (cho dòng chảy đất bão hòa nước): -36 b) Dòng chảy đất khơng bão hịa nước -37 II.1.2 Các hàm đặc trưng thủy lực nước đất 39 a) Đường đặc trưng ẩm đất -39 b) Hệ số thấm khơng bão hịa -41 c) Trữ lượng nước hữu ích tích lũy đất lượng nước dễ hữu ích cho -42 II.2 TÍNH TỐN NHU CẦU NƯỚC CHO CÂY TRỒNG 44 II.2.1 Bốc nước (E) 44 II.2.2 Thoát nước (T) 44 II.2.3 Bốc thoát nước tham chiếu (ETo) 44 II.2.4 Tính tốn nhu cầu nước cho trồng 45 II.3 BỐ TRÍ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 46 II.3.1 Vị trí, đặc điểm khu vực bố trí thực nghiệm 46 II.3.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm 47 a) Mô tả phẫu diện đất, kiểm tra đặc tính lý - hóa đất nước tưới 47 b) Thiết lập mơ hình thực nghiệm: 49 c) Thực nghiệm xây dựng đường đặc trưng ẩm -52 d) Thực nghiệm xác định hệ số thấm trường phòng đất bão hòa nước 52 e) Thực nghiệm thấm thiết lập tương quan động thái ẩm đất -52 f) Đo đạc yếu tố khí tượng phục vụ nghiên cứu xác định chế độ tưới 53 g) Thực nghiệm tưới quan trắc trình phát triển trồng -54 h) Phân tích kết nghiên cứu 55 i) Xây dựng chế độ tưới hợp lý cho trồng -56 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 56 CHƯƠNG III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN NƯỚC, ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT TRONG KỸ THUẬT TƯỚI NHỎ GIỌT -57 III.1 THẤM ỔN ĐỊNH HIỆN TRƯỜNG VÀ TRONG PHÒNG CỦA ĐẤT BÃO HÒA -57 III.2 DIỄN BIẾN LAN TRUYỀN NƯỚC TRONG ĐẤT (DIỄN BIẾN THẤM) -58 III.2.1 Diễn biến thấm trường (Field) 58 a) Chu kỳ tưới ngày (CK2) -58 b) Chu kỳ tưới ngày (CK3) -58 ii c) Chu kỳ tưới ngày (CK4) -59 d) Vẽ biểu đồ quan hệ tương quan đại lượng: Z, R, W, t, VZ, VR 60 III.2.2 Thực nghiệm thấm phòng (Lab) 63 a) Diễn biến thấm 63 b) So sánh thấm phịng (Lab) ngồi trường (Field) (với bước thời gian thực nghiệm) -64 III.3 ĐẶC TÍNH GIỮ NƯỚC VÀ LƯỢNG NƯỚC HỮU ÍCH CỦA ĐẤT -67 III.3.1 Đường đặc trưng ẩm đất (pF) 67 III.3.2 Khả trữ nước hữu ích đất lượng nước dễ hữu ích cho trồng 69 a) Khả trữ nước hữu ích đất -69 b) Lượng nước dễ hữu ích cho loại trồng cạn phổ biến (dễ sử dụng) -69 III.4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT -72 III.4.1 Động thái ẩm theo chiều sâu tầng đất 72 a) Tầng đất mặt 0÷5cm -72 b) Tầng đất 5÷10cm -73 c) Tầng đất 10÷15cm 73 d) Tầng đất 15÷20cm 74 e) Tầng đất 20÷25cm 74 f) Tầng đất 25÷30cm 74 III.4.2 Động thái ẩm theo chu kỳ tưới 77 a) Tại khu vực KoTC 77 b) Tại khu vực trồng nho lấy tưới tiết kiệm nước: -78 c) Tại khu vực trồng nho lấy tưới phương pháp truyền thống -80 III.4.3 Động thái ẩm theo ngày 83 a) Tại khu vực không trồng (KoTC) 83 b) Tại khu vực trồng nho lấy tưới tiết kiệm nước (TKN) 83 c) Tại khu vực trồng tưới phương pháp truyền thống (CT) -84 d) So sánh mức giảm độ ẩm khu vực 84 III.5 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH COUP MODEL MÔ PHỎNG ĐỘNG THÁI ẨM TRONG HỆ THỐNG ĐẤT - CÂY TRỒNG - KHƠNG KHÍ 89 III.5.1 Tổng quan mơ hình Coup Model 89 a) Giới thiệu chung 89 b) Mục đích mơ hình -89 c) Các liệu đầu vào 89 d) Kết đầu 90 III.5.2 Ứng dụng mô hình Coup Model tính tốn tưới nước cho trồng 90 iii III.5.3 Ứng dụng mơ hình Coup Model mô động thái ẩm hệ thống đất - trồng - khơng khí 91 a) Thiết lập liệu đầu vào 91 b) Phân tích đánh giá kết mô -92 III.6 KIỂM ĐỊNH DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN VÀ XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY -95 III.6.1 Kiểm định liệu thực nghiệm 95 III.6.2 Phân tích tương quan xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính thấm 96 III.6.3 Tương quan hồi quy tuyến tính đường đặc trưng ẩm lượng nước đất (TAWpF2 TRAWp) 98 a) Phân tích tương quan 98 b) Xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: -98 III.6.4 Tương quan hồi quy tuyến tính đường đặc trưng ẩm độ ẩm tầng đất 99 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 101 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CHẾ ĐỘ TƯỚI HỢP LÝ CHO CÂY NHO LẤY LÁ VÙNG KHAN HIẾM NƯỚC - 104 IV.1 LƯỢNG NƯỚC TƯỚI CHO CÂY TRỒNG TRONG MÙA VỤ 104 IV.1.1 So sánh lượng nước lần tưới 104 a) Chu kỳ tưới ngày: 105 b) Chu kỳ tưới ngày: 105 c) Chu kỳ tưới ngày: 106 IV.1.2 So sánh tổng lượng nước toàn mùa vụ theo chu kỳ tưới 107 a) Chu kỳ tưới ngày: 107 b) Chu kỳ tưới ngày: 108 c) Chu kỳ tưới ngày: 108 IV.1.3 So sánh với mức nước tưới cao Lô Cct 108 a) Chu kỳ tưới ngày: 108 b) Chu kỳ tưới ngày: 108 c) Chu kỳ tưới ngày: 109 IV.2 HIỆU QUẢ CỦA KỸ THUẬT TƯỚI TIẾT KIỆM NƯỚC ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN VÀ NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG - 111 IV.2.1 Phân tích thống kê mơ tả phát triển nho 111 a) Chu kỳ tưới ngày: 111 b) Chu kỳ tưới ngày: 111 c) Chu kỳ tưới ngày: 111 iv IV.2.2 Sự phát triển thân rễ 113 a) Sự phát triển thân cây: 113 b) Sự phát triển rễ cây: - 114 IV.2.3 Sinh khối nho 114 IV.2.4 Diễn biến thu hoạch sản phẩm suất trồng 115 a) So sánh chu kỳ tưới: 115 b) So sánh mức nước tưới: - 117 IV.3 HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NƯỚC (WATER USE EFFICIENCY - WUE) 120 IV.4 KIỂM ĐỊNH DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN VÀ THIẾT LẬP HỒI QUY TUYẾN TÍNH - 123 IV.4.1 Kiểm định liệu thực nghiệm 123 IV.4.2 Phân tích tương quan hồi quy tuyến tính yếu tố khí tượng 123 a) Phân tích tương quan 123 b) Xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: f (ETo) = f (t, h, s, w, p) - 123 IV.4.3 Tương quan hồi quy yếu tố lượng nước tưới bốc thoát nước 124 a) Phân tích tương quan: - 124 b) Xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: f (Im) = f (ETo) - 124 IV.4.4 Tương quan hồi quy suất trồng lượng nước tưới 125 a) Phân tích tương quan: - 125 b) Xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính: f (Ym) = f (Im) 125 IV.5 CHẾ ĐỘ TƯỚI CHO CÂY TRỒNG TRONG KỸ THUẬT TƯỚI NHỎ GIỌT 127 IV.5.1 Tổng kết kỹ thuật trồng, chăm sóc thu hoạch nho lấy 127 IV.5.2 Thiết lập chế độ tưới cho trồng 127 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 131 KẾT LUẬN - 131 KIẾN NGHỊ 136 CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 137 I BÀI BÁO QUỐC TẾ - 137 II BÀI BÁO TRONG NƯỚC - 137 HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY TRONG NỘI DUNG LUẬN ÁN 138 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT 139 TÀI LIỆU TIẾNG ANH 141 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Hệ số đường hồi quy xác định độ ẩm đất tương ứng với cấp áp lực ẩm 50 loại đất Hoa Kỳ 18 Bảng 1.2: Hiệu tưới kỹ thuật tưới nhỏ giọt cho trồng Ấn Độ 22 Bảng 1.3: Hiệu kỹ thuật tưới nhỏ giọt cho nho Ninh Thuận 23 Bảng 1.4: Diện tích trồng nho số nước Thế giới năm 2012 28 Bảng 2.1: Mơ tả phẫu diện đất từ 0÷60cm 47 Bảng 2.2: Kết phân tích đặc tính tầng đất khu thí nghiệm (từ 0÷60cm) 48 Bảng 2.3: Kết phân tích hố tính đất khu thí nghiệm (từ 0÷60cm) 49 Bảng 2.4: Kết phân tích hố tính mẫu nước tưới khu thí nghiệm 49 Bảng 2.5: Thiết kế thực nghiệm chế độ tưới nhỏ giọt cho nho lấy 50 Bảng 2.6: Quá trình thực nghiệm chế độ tưới nhỏ giọt cho nho lấy 55 Bảng 3.1: Tóm tắt kết quan trắc thấm trường – khu KoTC 59 Bảng 3.2: Tóm tắt kết quan trắc thấm trường – khu vực tưới TKN 60 Bảng 3.3: Tóm tắt số kết quan trắc thực nghiệm thấm phòng 63 Bảng 3.4: Kết đo (trung bình mẫu đất) đường cong lực giữ nước đất (pF) 67 Bảng 3.5: Trữ lượng nước tích lũy, trữ lượng nước hữu ích đất lượng nước dễ hữu ích cho nho lấy 68 Bảng 3.6: Lựa chọn hệ số p loại trồng cạn 70 Bảng 3.7: Lượng nước dễ hữu ích cho số trồng cạn vùng khơ hạn 71 Bảng 3.8: Độ ẩm đất cuối chu kỳ tưới – khu vực KoTC 78 Bảng 3.9: Độ ẩm đất cuối chu kỳ tưới - Khu vực tưới tiết kiệm nước 79 Bảng 3.10: Độ ẩm đất cuối chu kỳ tưới - Khu vực tưới truyền thống 81 Bảng 3.11: Mức giảm độ ẩm ngày tầng đất - Khu vực không trồng cây, CK2 – Vụ V1 86 Bảng 3.12: Mức giảm độ ẩm ngày tầng đất - Khu vực tưới tiết kiệm nước, CK2 – Vụ V1 86 Bảng 3.13: Mức giảm độ ẩm ngày tầng đất - Khu vực tưới truyền thống, CK2 – Vụ V1 86 Bảng 3.14: Kết kiểm định liệu thực nghiệm pF, thấm động thái ẩm đất 95 Bảng 3.15: Hệ phương trình hồi quy tuyến tính thấm nước đất 97 Bảng 3.16: Kết kiểm định xây dựng hệ phương trình hồi quy tuyến tính đường đặc trưng ẩm (pF) lượng nước đất (TAWpF2 TRAWpF) 98 Bảng 3.17: Phương trình hồi quy tuyến tính độ ẩm đất (θzi) đường cong pF 100 Bảng 4.1: Tóm tắt kết phân tích thống kê lượng nước tưới cho trồng 104 Bảng 4.2: So sánh hiệu ứng dụng giải pháp tưới phun mưa nhỏ cải tạo khí hậu 107 Bảng 4.3: Tổng lượng nước tưới so sánh lơ thực nghiệm đối chứng tồn mùa vụ 110 Bảng 4.4: Năng suất trồng thu hoạch thời điểm lô thực nghiệm – mùa vụ V1 từ tháng 01 ÷ 4/2012 118 vi ... TRẦN THÁI HÙNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG THÁI ẨM CỦA ĐẤT TRONG KỸ THUẬT TƯỚI NHỎ GIỌT ĐỂ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ TƯỚI HỢP LÝ CHO CÂY NHO LẤY LÁ TRÊN VÙNG KHAN HIẾM NƯỚC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC MÃ... học chế độ tưới cho nho lấy cần nghiên cứu xác định cụ thể, đặc biệt kỹ thuật tưới nhỏ giọt vùng khan nước Đề tài Luận án: Nghiên cứu động thái ẩm đất kỹ thuật tưới nhỏ giọt để xác định chế độ tưới. .. NGHIÊN CỨU a) Mục tiêu nghiên cứu Xác định diễn biến lan truyền nước động thái ẩm đất kỹ thuật tưới nhỏ giọt; Xác định chế độ tưới tiết kiệm nước hợp lý cho nho lấy canh tác vùng khan nước (vùng