chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thoát hơi nước, các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đề cần thảo luận phát triển trong luận án. Các khái niệm bốc thoát hơi nước 1.1 Bốc hơi nước (E) Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuyển thành hơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là công đoạn đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nguyên nhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặt và áp suất của khí quyển xung quanh. Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn như hồ, sông, vỉa hè, đất trống và thảm thực vật.
Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhất được dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặt của khối nước, đất trống hay từ các đối tượng không có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990). Ngưng tụ 6. Ngưng tụ 3. Dòng chảy bề mặt 9.
Dòng chảy bề mặt 10. Cây hấp thụ 9. Dòng chảy ngầm 8. Thấm nước (Nguồn: Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia NOAA, Hoa Kỳ) Hình 1.
Vòng tuần hoàn của nước 10 1.2 Thoát hơi nước (T) Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó. Quá trình thoát hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyển được điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá. Gần như toàn bộ lượng nước do cây trồng hấp thụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinh trưởng phát triển. Do đó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật, tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).
Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng Thoát hơi thực vật là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển. Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển. Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấy được, khi nước đang bốc hơi trên bề mặt các lá cây, bạn không thể đi ra ngoài và nhìn thấy các lá cây đang bốc 11 thoát hơi.
Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốc thoát hơi nước nhiều lần hơn trọng lượng của chính nó. Một mẫu Anh (tương đương 4046 m2) trồng ngô có thể thoát hơi được khoảng 11.100 lít nước/ngày, và một cây sồi lớn có thể thoát hơi được 151. Sự thoát hơi nước từ thực vật bị tác động bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởng đến sự bốc hơi từ các bề mặt ẩm ướt khác. Tuy nhiên, thực vật có rễ và có thể hấp thụ được nước từ trong khối đất khi bề mặt đất quá khô để hỗ trợ quá trình bốc hơi (Claude E.
Các khối nước luôn luôn phơi ra một bề mặt ẩm ướt cho quá trình bốc hơi, nhưng thực vật cũng có thể tăng quá trình bốc hơi từ các khối nước. Diện tích lá của một số loài thực vật thủy sinh nổi hoặc trôi trên mặt nước có thể lớn hơn nhiều lần so với bề mặt nước chúng bao phủ (Claude E. Boyd 2012) Như vậy, mặc dù lá của các loài thực vật có cơ chế để làm giảm sự bốc hơi nước nhưng sự thoát hơi nước bởi các thảm thực vật, trạng thái rừng có thể vượt qúa mức độ bốc hơi từ bề mặt đất thoáng. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và không có cách nào dễ dàng để phân biệt giữa hai quá trình.
Ngoài lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốc hơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất. Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây che phủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất. Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếu do bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàn toàn bề mặt đất, khi đó quá trình thoát hơi nước là nguồn chính trong quá trình bốc thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ. Bức xạ mặt trời và nhiệt độ có liên quan chặt chẽ với nhau và khi nhiệt độ tăng, hàm lượng năng lượng của các phân tử nước gia tăng làm cho chúng có nhiều 12 khả năng để khuếch tán vào không khí.
Ngoài ra, không khí ấm hơn có khả năng tốt hơn để giữ hơi nước. Không khí ngay trên bề mặt ẩm ướt có thể nhanh chóng trở nên bão hòa với hơi nước, nhưng gió sẽ chuyển không khí bão hòa đi và thay vào đó bằng không khí khô hơn vì thế quá trình bốc hơi tiếp tục (Claude E. Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng dẫn đến nhiệt độ bề mặt (đất, nước) tăng lên tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể lỏng sang thể hơi. Theo cơ chế hoạt động của hệ mặt trời, dưới tác động của bức xạ mặt trời lượng nước bốc hơi nhiều hơn về ban ngày và ít hơn vào ban đêm, mùa hè lượng bốc hơi nhiều hơn mùa đông (Lê Anh Tuấn 2009).
Lượng bốc thoát hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì lượng bốc thoát hơi nước càng lớn, đặc biệt lượng bốc thoát hơi nước tăng lên đáng kể trong mùa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong điều kiện không khí ấm hơn (Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2020). Độ ẩm không khí tỷ lệ nghịch với lượng bốc hơi nước, độ ẩm không khí càng thấp thì khả năng bốc hơi nước càng lớn và ngược lại. Vì sự chênh lệch áp suất của của các lớp không khí, vào mùa khô độ ẩm không khí thường thấp hơn dẫn đến áp suất không khí cũng thấp dẫn đến lượng bốc hơi tăng. Vào mùa mưa độ ẩm không khí đạt giá trị cực đại (bão hòa hơi nước) thì hiện tượng bốc hơi gần như không có (Lê Anh Tuấn 2009).
Gió là sự thay đổi áp suất của các vùng khí quyển gây ra chuyển động của khối không khí. Tốc độ gió càng mạnh càng làm tăng sự cuốn hút của các phần tử ở bề mặt đất, nước chuyển từ thể lỏng thành thể khí và bay vào không trung. Gió làm dịch chuyển khối không khí ẩm gần mặt đất lên cao, đẩy khối không khí khô hơn từ trên cao đến gần mặt đất dẫn đến khả năng bốc hơi tăng lên (Lê Anh Tuấn 2009). Lượng thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cây trồng, mỗi loại cây khác nhau sẽ có giá trị thoát hơi nước với tốc độ khác nhau.
Các loại cây sống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng để giữ lại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trồng khác. Lượng thoát hơi nước được thể hiện tương ứng với diện tích lá trên một đơn vị bề mặt của 13 đất dưới nó. Khi cây trồng còn nhỏ gần như 100% ET đến từ bốc hơi nước, trong khi ở thời điểm sinh trưởng phát triển mạnh độ che phủ kín diện tích đất thì hơn 90% ET đến từ thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).
Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) Lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt tham chiếu (là một loại cỏ giả định để đối chiếu, bề mặt các đặc điểm cụ thể theo tiêu chuẩn) được gọi là bốc thoát hơi nước của cây trồng tham chiếu ký hiệu là ET0. Khái niệm thoát hơi nước tham chiếu được đưa ra để nghiên cứu nhu cầu bốc thoát hơi của khí quyển, độc lập với từng loại cây trồng (Allen và cộng sự 1990). ET0 tham chiếu là lượng bốc thoát nước qua một thảm thực vật được duy trì độ ẩm đầy đủ trong suốt thời gian sinh trưởng. Năm 1990, Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), Hội tưới tiêu Quốc tế và Tổ chức khí tượng thế giới tổ chức một hội nghị để thống nhất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi của cây trồng.
Các nhà khoa học (Doorenhos và Fruit 1975) đã đưa ra khái niệm lượng bốc thoát hơi tham chiếu (Reference evapotranspiration), viết tắt là ET0, để chỉ khả năng bốc thoát hơi thực vật theo tiêu chuẩn hoặc điều kiện tham khảo (tham chiếu). ET0 là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn, trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấp nước đầy đủ trong điều kiện tối ưu. Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao của cây trồng h = 0,12m, điện trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là 0,23. Khi các tham số về cây trồng, điện trở bề mặt, suất phân sai bề mặt đã đảm bảo theo tiêu chuẩn khi đó yếu tố ảnh hưởng đến ET0 là các thông số về khí hậu.
Do đó, ET0 là một thông số khí hậu và có thể được tính toán từ dữ liệu thời tiết. ET0 thể hiện sức mạnh bay hơi của bầu không khí tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong năm và không xem xét đến các đặc tính của cây trồng và các yếu tố đất đai. Phương pháp FAO 56 Penman - Monteith được khuyến nghị là phương pháp duy nhất để xác định ET0 áp dụng trên toàn thế giới và được hướng dẫn cụ thể 14 trong tài liệu “sự thoát hơi nước của cây trồng - hướng dẫn tính toán các yêu cầu về nước cho cây trồng” (Allen và cộng sự 1998).