Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Trên thế giới Thuật ngữ “Thủy văn rừng” ra đời vào những năm đầu của thế kỷ XIII, tuy lĩnh vực này đã được đề cập nghiên cứu từ khá lâu, song những thành tựu của nó mang ý nghĩa rõ rệt trong cuộc sống phải kể từ những năm 1930 trở lại đây. Trên thế giới, nghiên cứu thuỷ văn rừng hay nói cách khác là nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng thường được tiến hành gắn liền với nghiên cứu xói mòn đất đã được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, các tác giả đã đề cập đến nhiều lĩnh vực khác nhau, tuy nhiên những nghiên cứu đó tập trung vào các vấn đề sau: - Nghiên cứu về “Dung tích giữ nước của rừng”, khái niệm này đã được dùng để phản ánh khả năng giữ nước của rừng thông qua tổng lượng nước giữ lại trên tán, lượng nước giữ lại bởi vật rơi rụng và lượng nước giữ trong đất. Quan điểm này được các nhà thuỷ văn rừng chấp nhận một cách rộng rãi (Trần Huệ Tuyền, 1994; Vũ Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [3].
Khả năng giữ nước của rừng có giới hạn và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của đất rừng như: độ xốp, kết cấu của đất, tốc độ thấm nước, hàm lượng mùn, độ dày tầng đất. Chúng quyết định dung tích chứa nước của đất rừng (Vũ Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [3]. - Sự thấm nước của đất là chỉ thị cho khả năng của tầng điều tiết quan trọng nhất trong tuần hoàn thủy văn rừng, sau khi nước mưa đã đi qua bầu không khí và lớp thảm thực vật che phủ. Sự thấm nước của đất có tác dụng rất quan trọng trong việc hình thành cơ chế phát sinh dòng chảy.
Có nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và các mô hình kinh nghiệm và mô hình cải tiến của nó. Mặc dù những mô hình này đã 4 thu được thành công khá tốt trong mô phỏng vận động của nước trong đất nông nghiệp và trong thủy văn lưu vực đất nông nghiệp, nhưng khi ứng dụng cho vùng đất dốc lại gây ra những thách thức nghiêm trọng. Khi nước thấm vào đất và vận chuyển trong đất, chúng chịu sự chi phối của trọng lực và lực tác dụng mao quản do tiếp xúc giữa nước và hạt đất. Sự biến đổi của kết cấu đất và của thành phần cơ giới đất sẽ dẫn đến sự rối loạn của con đường vận động nước trong đất, nên việc ứng dụng định luật Darcy - định luật mô tả vận động của nước trong một môi trường đồng nhất nhiều lỗ hổng - và phương trình liên tục về sự vận động của nước trong đất rừng để nghiên cứu định lượng và dự báo, sẽ dẫn đến những sai lệch tương đối lớn so với tình hình thực tế vì phạm vi sử dụng của định luật Darcy là dùng cho vận động của dòng chảy trong một tầng đất (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006) [11].
Xét từ góc độ ảnh hưởng của rừng đến tuần hoàn thủy văn: do phân giải thảm mục, hoạt động của rễ cây và động vật, dẫn đến vận động của dòng chảy trong các lỗ hổng tương đối lớn, làm tăng lượng nước thấm xuống đất và lượng nước giữ lại trong đất (Zakharop, 1981) [35]. Nói chung, đất rừng có tốc độ thấm nước lớn hơn so với các loại hình sử dụng đất khác. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy, tốc độ thấm nước ổn định của đất rừng có thể đạt 80 mm/giờ trở lên. Kết quả nghiên cứu của Trần Huệ Tuyền (1994) [34] cho thấy, đất rừng có độ hổng ngoài mao quản lớn thì tốc độ thấm nước và lượng nước thấm của đất rừng sẽ tăng lên.
Có thể mô phỏng quá trình nước thấm xuống đất rừng theo mô hình Philip (Diêu Hoa Hạ, 1989; Thẩm Băng và Nông Tấn, 1992) [1]. Lượng nước giữ trong đất rừng là một chỉ tiêu rất quan trọng để đánh giá tác dụng nuôi dưỡng nguồn nước của rừng. Ở Trung Quốc, các nhà khoa học thường dùng lượng nước bão hòa các lỗ hổng ngoài mao quản trong đất rừng để tính toán lượng nước thấm xuống đất. Theo kết quả nghiên cứu, mỗi 5 hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641 - 679 tấn/năm (Vũ Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [3].
- Một trong những chỉ tiêu phản ánh khả năng giữ nước của rừng là lượng nước giữ lại trên tán. Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ lượng nước mưa giữ lại trên tán rừng lá kim ôn đới chiếm 20 - 40% (Vương Lễ Tiên và Lý Á Quang, 1991) [29]. Những nghiên cứu ở Trung Quốc về tỷ lệ lượng nước mưa ngăn giữ bởi tán rừng tương ứng với các đới khí hậu khác nhau cho thấy phạm vi biến động của tỷ lệ lượng nước mưa bị ngăn giữ lại trong khoảng 11,4 - 34,3%, hệ số biến động 6,68 - 55,05%, trong đó tỷ lệ nước mưa bị giữ lại trên tán của rừng lá kim thường xanh Á nhiệt đới ở miền Tây là lớn nhất, rừng hỗn giao cây lá rộng thường xanh với cây lá rộng rụng lá á nhiệt đới, miền núi là nhỏ nhất (Vũ Chí Dân - Christoph Peisert - Dư Tân Hiểu (2001) [2]. - Nghiên cứu về khả năng hút giữ nước của vật rơi rụng trong rừng: vật rơi rụng, thảm mục trong rừng có khả năng ngăn giữ nước tương đối lớn, nên có tác dụng bổ sung nước cho đất và cung cấp nước cho thực vật của Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001 (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006) [11].
Mặt khác vật rơi rụng lại cho nước có khả năng bốc hơi đi một cách dễ dàng, đó là những nghiên cứu của Black và Kelliher, 1989 (dẫn theo Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001) [3]. Lượng nước hút giữ của lớp thảm mục trong rừng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: thành phần thảm mục, tuổi rừng, tình trạng phân giải thảm mục, tình trạng tích lũy của thảm mục, tình trạng giữ nước của thảm mục, loại hình lâm phần và đặc điểm của mưa. Những nghiên cứu của Mật Vân, Trương Hồng Giang, Triệu Hồng Nhạn ở Trung Quốc đã chứng minh: lượng nước hút giữ của thảm mục có thể đạt tới 2 - 4 lần khối lượng khô của bản thân nó, tỷ lệ lượng nước giữ tối đa bình quân của thảm mục trong rừng là 309,54%, dung lượng nước hút giữ của nó nhỏ hơn 191% 6 (Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001) [3]. - Nghiên cứu bốc hơi nước vật lý từ đất và thoát hơi nước sinh lý từ tán rừng đã được các nhà khoa học ở Trung Quốc đề cập vào những năm 1960, (theo Dư Tân Hiểu, 1993) [12], phần lớn các kết quả nghiên cứu cho thấy lượng nước bốc hơi và thoát hơi của rừng chiếm từ 40% - 80% tổng lượng mưa (bao gồm cả tổn thất nước do ngăn giữ của tán rừng và thảm mục.
Nghiên cứu của Khang Văn Tinh (1997) đã sử dụng phương pháp khuyếch tán hỗn lưu để nghiên cứu quy luật bốc hơi và thoát hơi nước của rừng trồng Samu (dẫn theo Vũ Chí Dân & Vương Lễ Tiên, 2001) [3]. Kết quả cho thấy, lượng nước bốc hơi và thoát hơi bình quân năm trong rừng Sa mu nhân tạo chiếm 82,2% tổng lượng nước rơi hàng năm, còn lượng bốc và thoát hơi của tán rừng chiếm 89,3% tổng lượng nước bốc hơi và thoát hơi của rừng. - Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về lượng nước chảy men thân, theo một số tài liệu thống kê cho thấy lượng nước này thường chiếm tỷ lệ từ 1 - 3% tổng lượng mưa. Đây là tỷ lệ thấp so với các thành phần cân bằng nước khác, nhưng nó có giá trị là cung cấp một phần dinh dưỡng cho cây cá lẻ mà không nên bỏ qua.
- Nghiên cứu về lượng nước chảy trên bề mặt đất: đất có khả năng giữ nước nhưng hiệu quả lại rất khác nhau giữa các loại đất, nhìn chung đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước rất cao và rất hiếm xuất hiện dòng chảy bề mặt. Lượng nước chảy bề mặt càng lớn khi rừng có tán lá càng thưa thớt và khi độ dốc mặt đất càng lớn thì tạo ra nhiều lượng nước chảy trên bề mặt. - Lượng mưa lọt tán đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu. Nhìn chung kết quả nghiên cứu về lượng nước mưa lọt tán còn khiêm tốn, một số công trình được coi là có độ tin cậy cao nhưng mới chỉ đưa ra một số thông tin ban đầu như: tỷ lệ phần trăm của lượng nước mưa lọt tán so với tổng lượng mưa của các loại rừng thường ở mức 75% trở lên.
Lượng mưa lọt tán 7 phụ thuộc vào cấu trúc tán lá, chỉ số diện tích lá và một số nhân tố khác … Đã có nhiều lý luận về dòng chảy bề mặt đất như: “Cơ chế dòng chảy trên mặt đất siêu thấm”; khái niệm “Diện tích sản sinh dòng chảy biến động”. Lý luận “Diện tích sản sinh dòng chảy biến động” ra đời vào những năm 60 của thế kỷ XX và đã được thừa nhận rộng rãi, những nghiên cứu về thủy văn học trên đất dốc đã phát triển mạnh mẽ và thay thế giả thuyết về dòng chảy siêu thấm. Nghiên cứu thuỷ văn rừng thường gắn liền với nghiên cứu xói mòn đất. Công trình đầu tiên nghiên cứu về xói mòn đất và dòng chảy được nhà bác học Volni người Đức trong những năm 1877 - 1885 (Hudson N, 1981) [13].
Thí nghiệm được bố trí để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiều nhân tố như loại đất, độ dốc tầng đất mặt, thực bì, lượng mưa tới dòng chảy và xói mòn đất. Song phần lớn các kết luận đã nghiên cứu chưa được định lượng chính xác. Tuy nhiên, bên cạnh đó cũng có một số công trình tỏ ra có ý nghĩa trong thực tiễn như: nghiên cứu của trường Đại học Tổng hợp Pardiu vào năm 1950 (Hudson N, 1981) [13] đã xây dựng phương trình mất đất. Sau đó phương trình này được W.Wischmeier hoàn thiện dần.
Phương trình đó đã làm rõ vai trò của từng nhân tố ảnh hưởng tới xói mòn đất. Mặt khác, nó còn có tác dụng định hướng cho nhiều nghiên cứu xác định quy luật về xói mòn đất và các mô hình canh tác bền vững ở những khu vực có điều kiện địa lý khác nhau. Một số nghiên cứu cho thấy: nguy cơ xói mòn đất dưới tầng cây gỗ có thể tăng lên do giọt mưa dưới tán rừng có kích thước lớn hơn. Các loài cây có phiến lá to thường tạo ra những giọt nước lớn nên có khả năng làm xói mòn đất lớn hơn những loài cây có phiến lá nhỏ.