Xói mòn ựất là kết quả của hiện tượng mưa lớn với cường ựộ cao trên những vùng ựất có ựộ dốc lớn, ựộ che phủ thực vật nhỏ và ựất bị xáo trộn nhiều do các hoạt ựộng canh tác nông nghiệp. Tác hại của xói mòn là hàng năm bị mất ựi lượng lớn ựất canh tác màu mỡ (lên tới hàng trăm tấn/ha/năm), mất theo rất nhiều chất dinh dưỡng cây trồng như mùn, ựạm, lân, kali, canxi và magiê (đậu Cao Lộc và công sự, 1998; Thái Phiên và cộng sự, 2001; đào Châu Thu và cộng sự, 1997; Trần đức Toàn và cộng sự, 1998). Do mất ựi lớp ựất mặt tơi xốp, ựất trở nên chai cứng và nghèo dinh dưỡng dẫn ựến năng suất cây trồng giảm. Về ảnh hưởng rộng thì các vật liệu xói mòn như ựất, bùn sẽ lấp ựầy các dòng sông, hồ chứa gây ảnh hưởng ựến tưới tiêu và ựiều hòa môi trường. Các chất hữu cơ, ựạm lân sẽ tắch lũy trong các sông ngòi, hồ chứa làm gia tăng các quá trình phân rã gây ô nhiễm môi trường nước và không khắ. Các quá trình phú dưỡng hóa cũng tăng nhanh làm suy giảm chất lượng nước uống và gây các bệnh ở người và gia súc.
Có rất nhiều mô hình xói mòn ựất ựược xây dựng theo các phạm vi và tỷ lệ khác nhau, trong ựó có các mô hình mô phỏng xói mòn trên bề mặt như GUEST (Yu et al., 1997), USLE (Wischmeier and Smith, 1978), WEPP (Flanagan et al., 2001). Những mô hình này mô phỏng xói mòn ựất tại bề mặt của sườn dốc, do vậy xói mòn chủ yếu là xói mòn bề mặt và rãnh nhỏ với tốc ựộ xói mòn lớn. Những mô hình ở quy mô ựịa hình lớn hơn như lưu vực, vắ dụ AGNPS (Young et al., 1989), ANSWERS (Beasley and Huggins, 1982), CREAMS/GLEAMS (Knisel, 1991) và LISEM (De Roo et al., 1996a; De Roo et al., 1996b).
3.3.1.2. Mô hình xói mòn ựất do nước tắnh theo phương trình mất ựất phổ dụng của Wischmeier and Smith (1978), Foster et al. (1982)
Wischmeier và Smith ựã xác ựịnh ựược phương trình tắnh toán lượng ựất xói mòn do nước gây ra, thường ựược gọi là phương trình mất ựất phổ dụng có công thức sau:
A = R . K . SL . C .P (3.56) Trong ựó:
A : lượng ựất mất (t.ha-1)
R: hệ số xói mòn do mưa (MJ . mm-1/(ha . h-1)
K: hệ số xói mòn của ựất (t . ha-1 . h-1)/(ha . MJ-1. mm-1) SL: hệ số ựộ dốc và chiều dài dốc
C: hệ số cây trồng P: hệ số canh tác
a) Hệ số xói mòn do mưa R (Rain erosivity)
Hệ số R ựôi khi ựược gọi là chỉ số xói mòn do mưa và trong ựó tắnh ựến những ảnh hưởng của bãọ Tổng ựộng năng của mỗi trận mưa (liên quan ựến cường ựộ mưa và tổng lượng mưa) với cường ựộ lớn nhất diễn ra trong 30 phút. Tổng của các chỉ số cho tất cả những trận bão xảy ra trong năm cung cấp cho chỉ số hàng năm và bình quân của các chỉ số này trong nhiều năm ựược sử dụng trong công thức mất ựất phổ dụng.
Hệ số R của các trận mưa ựược tắnh theo công thức của Brown và Foster (1987)
R = (
n j 1=
∑ Vj . Ij .(0,29(1 Ờ 0,72. e-0,05))).I30 (3.57) Trong ựó, R là hệ số xói mòn do mưa
j: khoảng thời gian mưa trong mỗi trận mưa (phút) n: số khoảng thời gian trong trận mưa
j: thể tắch lượng mưa trong khoảng thời gian j (mm)
Ij: cường ựộ của mưa trong khoảng thời gian j (mm/h I30: cường ựộ cực ựại trong khoảng thời gian 30 phút mưa (mm/h) Hệ số xói mòn do mưa ựược quy ựịnh bởi ựộng năng mưa và cường ựộ mưa cực ựại trong khảng thời gian 30 phút của trận mưạ
Hệ số R này áp dụng trong những ựiều kiện có ựủ thiết bị ựo mưa ở ựộ phân giải cao (các bước thời gian ngắn, vắ dụ: 1 phút, 2 phút, 5 phút, 10 phútẦ.). Trong hoàn cảnh những vùng nghiên cứu không có ựiều kiện thu thập các dữ liệu mưa này thì có thể sử dụng công thức tắnh R theo lượng mưa của tháng hoặc năm.
b) Hệ số R theo tháng hoặc năm
Trong những trường hợp số liệu mưa theo trận không sẵn có mà chỉ có lượng mưa theo năm thì có thể tắnh R từ lượng mưa năm theo công thức thực nghiệm của Renard and Freimund (1994) như sau: 1,847 0, 07397.F R 17, 2 = với F<55mm (3.58a) 2 95, 77 6,08.F F R 17, 2 − + = với F ≥ 55mm (3.58b) i i 12 i 1 P F P = ∑ , Fi là hệ số Fourier (3.58c)
b) Hệ số xói mòn ựất K (Soil erodibility)
Hệ số xói mòn K thể hiện mức ựộ bị xói mòn của ựất, lượng ựất mất tự nhiên ựược tắnh qua thực nghiệm trong ô thắ nghiệm có
chiều dài 22m, ựộ dốc 9% (tương ựương khoảng 160) ở ựiều kiện bỏ hóa liên tục. Có hai ựặc tắnh ảnh hưởng và liên quan chặt chẽ tới hệ số xói mòn ựó là khả năng thấm và sự ổn ựịnh về mặt cấu trúc của ựất. Khả năng thấm của ựất chịu ảnh hưởng chủ yếu bằng sự ổn ựịnh của cấu trúc, ựặc biệt là ở các tầng ựất trên mặt và thêm vào ựó là thành phần cơ giới, hàm lượng hữu cơ có trong ựất. Sự ổn ựịnh và bền vững của các hạt kết ở ựất vùng nhiệt ựới ựược tạo thành từ các hydrôxyt sắt, nhôm có thể làm tăng sức chịu của các loại ựất này ựối với tác ựộng của mưa lớn.
Hệ số K có giá trị từ gần giá trị 0 cho tới 0,6. Hệ số này có giá trị thấp ựối với những loại ựất có cấu trúc tơi xốp, thấm nước nhanh và tiêu nước tốt hay các loại ựất trong vùng nhiệt ựới có chứa nhiều khoáng sét sắt, nhôm hoặc kaolinit. Những loại ựất có khả năng thấm trung bình và tắnh ổn ựịnh trung bình về mặt cấu trúc thường có hệ số K từ 0,2- 0,3. Trong khi những loại ựất dễ bị xói mòn và có khả năng thấm thấp sẽ có hệ số K lớn hơn 0,3.
Hệ số K là hệ số quy ựịnh tắnh dễ bị xói mòn của ựất, tắnh xói mòn của ựất càng cao thì ựất bị xói mòn càng mạnh. Công thức tắnh K theo toán ựồ của Wischmeier như sau:
K = 1
7,594[2,1 . 10-4(12-OM)M1,14
+ 3,25(s-2) + 2,5(p-3)]/100 (3.59)
Trong ựó: K là hệ số xói mòn ựất OM là hàm lượng chất hữu cơ (%)
s là nhóm cấu trúc ựất, ựại diện cho các loại ựất sau
đặc tắnh ựất s (nhóm cấu trúc ựất)
đất là những hạt rất mịn 1
đất là những hạt mịn 2
đất là những hạt trung bình ựến thô 3 đất ựóng cục, tảng hoặc khối 4
p là nhóm ựộ dẫn nước
Thành phần cơ giới p (nhóm ựộ dẫn nước)
Cát 1
Cát pha thịt hoặc thịt pha cát 2 Thịt, thịt pha bùn hoặc bùn 3 Thịt nặng pha cát hoặc thịt nặng 4 Thịt nặng pha bùn hoặc thịt nhẹ 5
Sét pha bùn hoặc sét 6
M là hàm lượng các cấp hạt ựất nguyên sinh hay tắch số (phần trăm của thịt và cát rất mịn) ừ (100- phần trăm cát)
Hệ số xói mòn của ựất ựược tắnh bằng phần mềm RUSLE Version 1.06 cho từng loại ựất theo các yếu tố sau:
- % cát - % sét
- % cát rất mịn - % limon - % chất hữu cơ
d) Hệ số ựộ dốc và chiều dài sườn dốc (SL)
Hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào ựộ dốc và chiều dài sườn dốc của ựịa hình, hệ số này ựược chia ra làm hai loại:
1. Với ựộ dốc < 9% S = 10,8*Sin(Sdeg * 180 π ) + 0,03 (3.60) Trong ựó: S: hệ số ựộ dốc Sdeg: ựộ dốc tắnh bằng ựộ π: hệ số pi
2. Với ựộ dốc > 9% deg S 16,8*Sin(S * ) 0,5 180 = π − (3.61) Nếu ựất thuộc nhóm 1: per S 10 0,525 m 0,55 e = − (3.62a) Nếu ựất thuộc nhóm 2: per S 10 0, 68 m 0, 72 e = − (3.62b) Nếu ựất thuộc nhóm 3: per S 6 0, 76 m 0,82 e = − (3.62c) Trong ựó:
Nhóm 1 là những ựất có tỷ lệ xói mòn bề mặt với xói mòn rãnh nhỏ vắ dụ: ựất dân cư, bãi chăn thả, và có những ựiều kiện kết dắnh ựất khác có ựộ che phủ tốt.
Nhóm 2 là những ựất có tỷ lệ xói mòn bề mặt với xói mòn rãnh nhỏ trung bình vắ dụ: cây trồng theo băng, bãi chăn thả, và có những ựiều kiện kết dắnh ựất khác với ựộ che phủ trung bình.
Nhóm 3 là những ựất có tỷ lệ xói mòn bề mặt với xói mòn rãnh nhỏ lớn vắ dụ: ựất khai thác hầm mỏ, xây dựng và những ựất bị xáo trộn bề mặt nhiều với ựộ che phủ rất thấp hoặc không có lớp phủ thực vật. m Length L 72,6 =
SL = L * S
Trong ựó, Length là chiều dài sườn dốc
Hệ số SL biến ựộng rất lớn, ựặc biệt vùng núi cao có ựộ dốc và chiều dài sườn dốc lớn. Sự chênh lệch nhiều về hệ số SL này sẽ là nguyên nhân gây ra sự khác biệt lớn về lượng ựất mất sau nàỵ
e) Hệ số canh tác, cây trồng (C)
Yếu tố này chỉ ra mức ựộ tác ựộng của các hệ thống cây trồng và những khác biệt trong quản lý sử dụng ựất ựối với lượng ựất bị mất do xói mòn. Rừng và ựồng cỏ ựược biết tới như những hệ thống bảo vệ ựất tự nhiên tốt nhất, tiếp ựó là các loại cây trồng có khả năng che phủ cao thường ựược trồng với mật ựộ dày như các loại cây ngũ cốc, cây họ ựậụ.. có khả năng bảo vệ ựất khá tốt. Tuy nhiên, một số loại cây như ngô, ựậu tương, khoai tây, trồng theo luống thường có khả năng che phủ thấp ở giai ựoạn ựầu khi mới trồng có thể làm tăng khả năng xói mòn lên rất nhiềụ
Sự kết hợp giữa các loại cây trồng và khả năng duy trì lớp phủ bề mặt ựất (bao gồm cả sự che phủ của các lớp cỏ giữa các băng cây trồng) theo thời gian trong năm thông qua các hệ thống luân canh hợp lý làm giảm xói mòn rất nhiềụ Vì vậy, chúng ựược gọi là "Hệ thống canh tác bảo vệ ựất". Nếu hệ thống này ựể lại các tàn dư thực vật sau thu hoạch cũng sẽ làm giảm khá nhiều hiểm họa của xói mòn. Chúng ta có thể thấy rõ những tổn thất do rửa trôi khi canh tác theo phương pháp cổ truyền trên các sườn dốc trung bình ở một số vùng nhiệt ựớị
Giá trị (C) cho những vùng riêng biệt phụ thuộc vào nhiều nhân tố gồm: cây trồng hiện tại, các giai ựoạn phát triển của cây trồng, hệ thống làm ựất và các yếu tố quản lý khác. Trị số C sẽ cao (gần ựến 1,0) với những loại ựất có ựộ che phủ thấp, như ở những vùng ựất canh tác vừa mới làm ựất sạch và mới gieo hạt hoặc mới trồng cây con, tán cây chưa phát triển, ngược lại trị số
này sẽ ựạt giá trị thấp (<0,1) ở trên những diện tắch ựất rừng có tán che phủ dày hay những diện tắch ựất canh tác có ựể lại khối lượng tàn dư thực vật caọ Giá trị C thường ựược tắnh toán bởi những nhà khoa học có kinh nghiệm, hiểu biết về ảnh hưởng của ựộ che phủ và quản lý trong mỗi vùng xác ựịnh. Độ che phủ của cây trồng có ý nghĩa trong việc giảm tốc ựộ va ựập của hạt mưa vào ựất và hạn chế tốc ựộ dòng chảy trên mặt. Hệ số C phụ thuộc vào cây trồng và ựiều kiện canh tác của mỗi vùng. Vắ dụ, theo Nguyễn Trọng Hà (1996) và các cộng sự ở vùng Xuân Mai, Hòa Bình, C dao ựộng từ 0,05- 0,07; hệ số C ở vùng ựất trống: 1; C ở ựất lúa nương: 0,5.
Hệ số này rất phức tạp, không những nó phụ thuộc vào phần trăm ựộ che phủ thực vật mà còn phụ thuộc vào các hoạt ựộng canh tác của con người như làm ựất, gieo trồng, làm cỏ, năng suất cây trồng và tàn dư thực vật ựể lại ruộng sau thu hoạch v.v. Hệ số này ựược tắnh với phương trình tổng quát như sau:
C = PLU . CC . SC . SR . SM (3.63)
Trong ựó:
- PLU: tỷ lệ mất ựất do cây trồng trước (ựất mặt bị chặt lại do canh tác vụ trước)
- CC: phần trăm ựộ che phủ của tán cây (che chắn nước mưa và ựộ cao giọt nước rơi từ tán cây xuống mặt ựất)
- SC: phần trăm ựộ che phủ bề mặt ựất - SR: ựộ nhám của mặt ựất
- SM: chế ựộ ựộ ẩm ựất.
PLU = Cf.exp (-c . Bu) (Streck & Cogo, 2003) (3.64) Trong ựó:
Bu: khối lượng rễ cây tươi hoặc ựã chết vùi trong bề dày 2,5 cm c: hệ số hiệu quả của rễ cây và tàn dư vùi trong ựất trong kiểm soát xói mòn.
Wischmeier (1975) chỉ ra rằng giá trị Cf giảm xuống 0,45 sau 9 năm không cày ựất, nhưng tránh trồng trọt và giao thông; so với giá trị bằng 1 ựối với ựất ựược càỵ
Tương tự, Dissmeyer & Foster (1981) thiết lập giá trị Cf = 1,0 cho ựất ựược cày và Cf = 0,45 cho ựất không bị cày xới trong 7 năm, dựa vào tỷ lệ giảm theo số mũ của giá trị Cf . Tác ựộng của kết cấu bề mặt, ựương nhiên, phụ thuộc lớn vào cả loại ựất và ựiều kiện bề mặt ựất cụ thể. Do vậy, cần thận trọng khi ngoại suy loại dữ liệu nàỵ
Phần trăm ựộ che phủ của tán cây (CC) thể hiện ảnh hưởng của ựộ bao phủ thực vật trong việc làm giảm tác ựộng của lượng mưa lên bề mặt ựất. Phần lớn mưa bị chặn do cây bao phủ trước khi chạm mặt ựất; trong khi ựó, nếu không bị chặn lại, mưa sẽ chạm ựất với năng lượng rất lớn. Những hạt mưa bị chặn hoặc bị tách thành những giọt nhỏ hơn với năng lượng ắt ựi, chảy nhỏ giọt từ rìa lá hoặc chảy dọc thân cây xuống ựất.
CC=1-Cf*e(-0.1*H) (3.65)
Trong ựó: H là chiều cao của tán cây mà từ ựó giọt nước rơi xuống. độ che phủ bề mặt tác ựộng ựến xói mòn bằng cách làm giảm khả năng vận chuyển dòng nước (Foster, 1982), bằng cách tạo lắng ựọng trong các khu vực trũng (Laflen, 1983), và bằng cách giảm diện tắch bề mặt dễ chịu tác ựộng của mưạ Nó có thể là yếu tố quan trọng duy nhất quyết ựịnh xói mòn ựất. độ bao phủ bề mặt bao gồm chất cặn thực vật, ựất ựá, các vật liệu không bị xói mòn khác nằm trên mặt ựất (Simanton et al., 1984; Box, 1981; and Meyer et al., 1972).
Tác ựộng của ựộ che phủ bề mặt lên xói mòn ựất tạo nên bởi mối quan hệ lũy thừa âm giữa yếu tố bao phủ bề mặt
SC = e-bm
Hệ số b là hệ số hiệu quả giảm xói mòn của ựộ che phủ bề mặt. Laflen et al. (1980) và Laflen and Colvin (1981) tìm ra khoảng giá trị của b là từ 3,0 ựến 7,0 ựối với các cây trồng theo hàng, trong khi Dickey et al. (1983) tìm ra b có giá trị từ 2,4 ựến 3,2.
SC= e(-b*Sp*0.892) (3.66)
b là tình trạng mặt ựất; RC là tỷ lệ che phủ bề mặt; SR là ựộ gồ ghề bề mặt ựất. Yếu tố che phủ bề mặt (SC) ban ựầu RUSLE ựược sử dụng ựể ước lượng tỷ lệ mất ựất, tương ứng với diện tắch ựất bị bao phủ bởi lớp bồi (Weltz et al. 1987). độ che phủ này ựược tắnh như sau:
6
[-b*RC* *0.08]
6+SR
SC e= (3.67)
Gần ựây, Benkobi và ựồng nghiệp (1993) ựã tìm ra yếu tố che phủ bề mặt cải biến (RSC) thay thế cho yếu tố che phủ bề mặt (SC) ban ựầu RUSLẸ RSC ựược phát triển từ dữ liệu thắ nghiệm sử dụng 1 trận mưa cường ựộ cao (100mm/l) và ựất sét mùn. để xác ựịnh tác ựộng của các loại và lượng che phủ khác nhau, kết hợp của các loại ựó, và ựất trống ựến sự mất ựất, nghiên cứu này ựã sử dụng những ô nhỏ và thiết bị mưa nhân tạo của trường đại học Woyming.
Các vật liệu dùng ựể che phủ bao gồm thảm mục thực vật, ựất ựá và hỗn hợp các loại ở một số mức ựộ che phủ (25, 50, 75 và 100%) và ựất trống. Công thức hồi quy các dữ liệu trên như sau: RSC = 1 Ờ 0,82VL + 0,48 R-1,23VL*R-1,25 R2 (3.68)
Trong ựó, RSC là giá trị ước lượng hệ số phụ của yếu tố che phủ bề mặt, VL là tỷ lệ che phủ bởi rác thực vật, R là tỷ lệ che phủ bởi ựất ựá (Benkobi et al. 1993). Giả thiết ựặt ra là việc sử dụng phụ tố bao phủ bề mặt cải biến (RSC) sẽ cải thiện việc dự báo xói mòn từ vùng ựất khu chăn nuôị
SR ựược ựo ngoài thực ựịạ
độ nhám của mặt ựất ựược xác ựịnh là sai lệch ựộ cao từ các