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 Giới thiệu về nước trong đất Nước trong đất được xét đến là loại nước có trong tầng đất trên mực nước ngầm. Tùy theo tính chất và tác dụng của nó để chia thành 3 loại: nước ở trạng thái rắn, trạng thái hơi và trạng thái lỏng. Khi xét tới hình thái và phân tử nước bị hút trong đất, nước có thể được chia thành: nước liên kết hóa học (nước cấu tạo), nước hấp phụ chặt và nước hấp phụ hờ (nước màng), nước mao quản và nước trọng lực (nước tự do). Trong các dạng nước trên, cây trồng có thể sử dụng được nước ở trạng thái nước màng đến trạng thái nước tự do trong đất để sinh trưởng và phát triển.
Chế độ nước của đất được xem là tổng hợp các hiện tượng nước xâm nhập vào đất, sự chuyển động của nó, giữ nó trong những tầng đất và tiêu hao nó từ đất. Nguồn chủ yếu của độ ẩm đất là mưa, nước ngầm và nước tưới cho cây trồng. Nước trong đất chuyển động thường xuyên, gồm có sự bốc hơi nước vào không khí, vận động của nước màng, nước mao quản và nước trọng lực. Ngoài ra, còn có sự tích lũy nước trong đất, do kết quả ngưng tụ hơi nước, các dòng đi lên từ tầng đất sâu và những thành phần khác tạo nên sự cân bằng nước trong đất.
Các nhà khoa học đất đã chia nước trong đất thành các mức độ sử dụng đối với cây trồng là: Dạng nước cây không hút được; dạng nước cây khó hút nước và bị héo; dạng nước dễ hút và đủ nước, dạng thừa nước đối với cây trồng: nước trọng lực [73]. Trong công tác tưới tiêu nước cho cây trồng, lượng nước trong đất cần được chú ý tới như: độ trữ ẩm toàn phần (bão hòa nước θs), độ trữ ẩm đồng ruộng (sức giữ ẩm đồng ruộng θfc), độ ẩm tối thiểu thích hợp cho cây (θp) và độ ẩm cây héo (θwp), trong đó độ trữ ẩm đồng ruộng và độ ẩm tối thiểu thích hợp được quan tâm nhiều hơn cả, mục đích để tính toán và cung cấp một lượng nước hiệu quả cho cây trồng, đảm bảo độ ẩm đất luôn nằm trong khoảng (θ p ÷ θfc). Khi giá trị độ ẩm đo được trong đất giảm xuống tới θp, cần tiến hành tưới ngay để đưa độ ẩm đất tăng 8 lên đạt θfc, đảm bảo cho cây trồng sinh trưởng - phát triển tốt và đạt năng suất cao.2 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Các nhà khoa học cho rằng, quá trình nước thấm vào đất có thể chia thành 2 giai đoạn: (1) Thấm chưa ổn định (thấm hút) và (2) Thấm ổn định. Các loại đất nặng như đất sét và mùn pha sét, lực mao dẫn khá mạnh nên có thể coi trọng lực là không đáng kể, khối đất ướt của các loại đất này có hình dáng giống như quả cầu hoặc hơn nửa bán cầu, mà vùng ướt có xu thế phình ngang hơn là thấm sâu.
Các loại đất nhẹ như đất cát và cát pha, lực mao dẫn khá nhỏ và trọng lực có ảnh hưởng tương đối lớn làm cho khối đất ướt có hình thuôn dài, xu hướng dòng thấm đi xuống sâu nhiều hơn sang ngang. Mặc dù có sự phức tạp như vậy, nhưng vẫn thấy rằng thể tích khối đất ướt, ít nhiều tỷ lệ thuận với lượng nước tưới và tỷ lệ nghịch với độ ẩm ban đầu. Ngô Sỹ Giai và các cộng sự (2004) [8] đã nghiên cứu độ ẩm đất phục vụ phát triển các vùng trồng cây ăn quả, cây công nghiệp, cỏ chăn nuôi ở các vùng Trung du và miền núi phía Bắc Việt Nam. Trên cơ sở độ ẩm đất của 15 trạm khí tượng nông nghiệp trên cả nước, đặc trưng các hằng số thuỷ văn nông nghiệp của 158 vùng đất với 5 loại đất chính, mưa, bốc thoát hơi tiềm năng của 158 trạm khí tượng, nhóm tác giả đã đánh giá điều kiện độ ẩm đất cho 4 nhóm cây trồng trên 5 loại đất chính có diện tích lớn nhất trên phạm vi cả nước: (i) Đất phù sa và đất cát ven biển; (ii) Đất bazan; (iii) Đất xám mùn trên núi; (iv) Đất xám feralits; (v) Đất xám nâu vàng.
Độ sâu các tầng đất chứa rễ cây được đánh giá gồm: (1) 0÷30cm, nơi tập trung phần lớn rễ các cây lương thực và thực phẩm hàng năm (lúa cạn, ngô, lạc, đậu tương, các loại cây rau…); (2) 0÷50cm, nơi tập trung phần lớn rễ các cây công nghiệp hàng năm hoặc cỏ chăn nuôi; (3) 0÷70cm, nơi tập trung phần lớn rễ các cây ăn quả lâu năm; (4) 0÷100cm, nơi tập trung phần lớn rễ các cây công nghiệp dài ngày. Bạch Quốc Tiến (2009) [27] đã nghiên cứu và thiết lập các phương trình dòng thấm nước trong toàn bộ nền đất, bao gồm trong đất bão hoà và cả đất không bão hoà. Trong tính toán, cần thiết lập một phương trình tổng quát cho cả hai trường hợp, như vậy, việc tính toán dòng thấm từ đất không bão hoà đến bão hoà mới diễn ra “êm 9 thuận”. Các phương trình vi phân của dòng thấm có thể giải bằng các phương pháp: sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn.
Với cách phân tích và giải phương trình này, tác giả đã chứng minh rằng: có thể xem hiện tượng thấm trong đất bão hòa là một trường hợp của hiện tượng thấm trong đất không bão hòa, hay thấm trong đất không bão hòa là trường hợp thấm tổng quát cho cả nền đất. Gardner (1979) [79] đã nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, Đại học Bang Washington (Mỹ) về dòng thấm trong đất. Tác giả đã thí nghiệm thấm với từng loại đất đồng nhất và sự kết hợp của nhiều tầng đất khác nhau. Ngoài ra, tác giả còn thí nghiệm về hướng dòng thấm khi cho các loại hạt thô vào thành phần mẫu đất.
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra diễn biến dòng thấm của từng loại đất, đất có thành phần hạt mịn sẽ có diễn biến dòng thấm chậm hơn đất có thành phần hạt thô. Xingyi Zhang và nnc (2004) [83] đã nghiên cứu quá trình thấm dài hạn theo các mô hình mưa khác nhau của đất đen. Các tác giả đã chỉ ra các cường độ mưa khác nhau có ảnh hưởng đến chuyển động của nước trong đất và đặc điểm của nước trong đất theo mùa khác nhau. Các đặc điểm cơ bản của nước trong đất nông nghiệp và cũng là quá trình chuyển động thẳng đứng của nước trong đất.
Trần Thái Hùng và nnc (2008) [76] đã thiết lập mô hình thực nghiệm nghiên cứu động thái ẩm đất để phục vụ xác định chế độ tưới cho cây cà chua. Kết quả thực nghiệm đã đề xuất các tương quan giữa độ sâu thấm và các đại lượng: đường kính trung bình của vùng rễ cây, lượng nước và thời gian tưới của kỹ thuật tưới nhỏ giọt. Yang Yong và Xue Qiang (2009) [84] đã nghiên cứu sự di chuyển của nước trong đất không bão hòa bằng mô hình đường đặc tính của nước trong đất. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra mô hình Van Genuchten xác định sự vận chuyển linh hoạt của nước trong đất.
Đây là cơ sở để phân tích diễn biến dòng thấm trong quá trình tưới.3 Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường kết hợp với mô hình toán Bên cạnh sự phát triển các hệ thống quan trắc công nghệ cao, việc nghiên cứu lý thuyết động thái ẩm và quá trình vận động ẩm trong đất trồng đã và vẫn đang được quan tâm. Nhiều mô hình toán mô phỏng quá trình vận động của nước và chất trong đất đã được phát triển, trong đó: 10 Yates, S.R và nnc (1989) [85] đã ứng dụng chương trình máy tính RETC để phân tích dữ liệu thấm trong đất không bão hòa của 36 mẫu đất dựa vào kết quả tương quan thực nghiệm của Van Genuchten (1980) [78] để mô tả đường cong giữ nước trong đất, và mô hình dự báo của Mualem (1976) [64] để đánh giá diễn biến thấm. Bằng cách so sánh giữa kết quả đo đạc và tính toán mô phỏng cho các nhóm dữ liệu cho thấy, sự chính xác của phương pháp này có thể được ứng dụng để xác định mô phỏng thấm cho các trường hợp khác nữa. Nhóm nhà khoa học (Heikelrath [56], Kandil et at [59], Molz [62], Raats [69], Reicosky [70], Rowse et at [73]) phát triển mô hình dựa trên phương trình vi phân một chiều mô tả chuyển động theo chiều đứng của nước trong đất trồng.
Các phương trình cơ bản cho mô hình được viết như sau: Quá trình vận động ẩm theo chiều đứng được mô tả bằng phương trình: K ( ) ( D( ) ) S t z z z (1.1) Trong đó: t: Thời gian; θ: Độ ẩm tính bằng phần trăm thể tích; z: Khoảng cách tính từ bề mặt đất chiều dương của z hướng xuống; K(θ): Hệ số ngấm của đất chưa bão hòa, là hàm số của độ ẩm đất; D(θ): Hệ số khuyếch tán, là hàm số của độ ẩm đất; S: Đại lượng biểu thị sự tiêu hao nước trong đất (do sự hút của rễ). Phương trình (1.1) được giải với điều kiện biên trên (mặt đất) và biên dưới xác định bằng các phương trình sau: D( ) K ( ) E, ( z 0, t 0) (1.3) Trong đó: E: cường độ bốc hơi từ một đơn vị diện tích bề mặt đất; Z: chiều sâu của biên dưới tính từ mặt đất; θ0: độ ẩm thể tích của đất tại biên dưới (z = z0). Nhóm nhà khoa học khác gồm Kim N. (1997) [60] đã sử 11 dụng phương trình cân bằng nước cho các lớp trong phần diện tích đất thay cho phương trình vi phân cơ bản nói trên.
Per-Erik Jansson (2001) [67], ban đầu thiết lập mô hình SOIL để mô phỏng các điều kiện của đất rừng, mô hình CoupModel Version 4.0 (2014) đã được phát triển để làm sáng tỏ tiến trình chuyển khối nước và nhiệt của hệ thống đất – cây trồng – không khí. Mô hình được dựa trên các phương trình vật lý đã biết, đặc tính cơ bản của các phương trình vật lý này cho phép mô hình được áp dụng trên nhiều loại hệ sinh thái. Cấu trúc cơ bản của mô hình là độ sâu phẫu diện đất. Các giả thiết cơ bản đằng sau các phương trình này là rất đơn giản bao gồm: (1) Định luật bảo tồn khối lượng và năng lượng, (2) Dòng chảy xảy ra là kết quả của sự chênh lệch thế nước (định luật Darcy) hay nhiệt độ (định luật Fourier).