chương I trình bày tổng quan về độ ẩm đất, các tính chất vật lý cơ bản của đất, các phương pháp tính độ ẩm đất theo truyền thống và hiện đại, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng dụng viễn thám xác định độ ẩm đất, trong đó bao gồm viễn thám siêu cao tần thụ động. Tổng quan về các tính chất vật lý cơ bản của đất Độ ẩm đất thường được định nghĩa là hàm lượng nước chứa trong đất, hay được biểu thị bằng phần trăm tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong đất và khối lượng đất khô. Để đặc trưng cho các tính chất vật lý và hàm lượng nước trong đất, các nghiên cứu đã đưa ra một số thông số vật lý của đất như sau: a) Dung trọng của đất [9, 14] Định nghĩa: Dung trọng của đất là khối lượng (g) của một đơn vị thể tích đất (cm3) ở trạng thái tự nhiên (có khe hở) sau khi được sấy khô kiệt. Dung trọng của đất được người ta xác định bằng cách đóng ống kim loại hình trụ có thể tích bên trong 100cm3 thẳng góc với bề mặt đất ở trạng thái hoàn toàn tự nhiên, sau đó đem sấy khô kiệt rồi tính theo công thức sau: D=P/V (1.1) Trong đó: D - Dung trọng của đất (g/cm3) P - Khối lượng đất tự nhiên trong ống trụ đóng sau khi được sấy khô kiệt (được tính theo g) 17 V - Thể tích của ống đóng (được tính theo cm3) Dung trọng của đất thường nhỏ hơn so với tỷ trọng vì thể tích đất khô kiệt được xác định ở đây bao gồm cả các hạt đất rắn và các khe hở tự nhiên trong đất.
Dung trọng của đất phụ thuộc vào cấp hạt cơ giới, độ chặt và kết cấu của đất. Các loại đất tơi xốp, giàu chất hữu cơ và mùn thường có dung trọng nhỏ và ngược lại những loại đất chặt bí kém tơi xốp và nghèo chất hữu cơ thường có dung trọng lớn. Dung trọng của đất thường được sử dụng trong việc tính độ xốp của đất, tính khối lượng đất canh tác trên 1 ha để xác định trữ lượng các chất dinh dưỡng, trữ lượng nước có trong đất hay độ ẩm đất. b) Tỷ trọng của đất [9, 14] Định nghĩa: Tỷ trọng của đất là tỷ số khối lượng của một đơn vị thể tích đất ở trạng thái rắn, khô kiệt với các hạt đất xếp sít vào nhau so với khối lượng nước cùng thể tích ở điều kiện nhiệt độ 40C.
Để tính tỉ trọng người ta áp dụng công thức: D = P/P1 (1.2) Trong đó: d - Tỷ trọng của đất P - Khối lượng các hạt đất (khô kiệt, xếp xít vào nhau và không có khoảng hổng không khí) trong một thể tích xác định (thường được đo bằng g/cm3 P1 - Khối lượng nước được chứa trong cùng thể tích ở điều kiện T0 = 40C(g/cm3). Tỷ trọng các loại khoáng vật khác nhau có sự giao động khá lớn song nhìn chung biến động trong phạm vi từ 2. Ý nghĩa thực tiễn: Tỷ trọng của đất được sử dụng trong các công thức tính toán độ xốp, công thức tính tốc độ, thời gian sa lắng của các cấp hạt đất trong phân tích thành phần cơ giới. Thông qua tỷ trọng đất người ta cũng có thể 18 đưa ra được những nhận xét sơ bộ về hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng sét hay tỷ lệ sắt, nhôm của một loại đất cụ thể nào đó.
c) Độ xốp của đất là [9, 14] Định nghĩa: Độ xốp của đất là tỷ lệ % các khe hở chiếm trong đất so với thể tích chung của đất (ký hiệu là P). Công thức tính độ xốp của đất : Do các khe hở trong đất có các hình dạng phức tạp và các kích thước rất khác nhau nên việc tính toán trực tiếp thể tích của các khe hở trong đất là rất khó, do đó để xác định được độ xốp của đất người ta phải tính một cách gián tiếp từ tỷ trọng và dung trọng của đất theo công thức sau: P (%) = (1 - D/d) x 100 (1.3) Trong đó: P - Độ xốp của đất (%) D - Dung trọng của đất; d - Tỷ trọng của đất. Độ xốp của đất có thể biến động từ 30 -70% tùy thuộc vào đất rời rạc không có kết cấu như đất cát, đất bạc màu cho đến những loại đất có kết cấu viên như đất đỏ vàng đồi núi. Như vậy độ xốp phụ thuộc vào kết cấu, tỷ trọng và dung trọng của đất.
d) Độ ẩm khô héo [14] là độ ẩm mà rễ cây không sử dụng được và bị héo, rũ lá. Đơn vị đo là % hoặc mm. Trong khi phát triển, cây tiêu thụ lượng nước rất lớn. Nước này thâm nhập vào cây qua bộ rễ.
Độ ẩm của đất sau khi mưa hoặc tưới dần dần giảm sút, nước không thấm vào rễ cây được nữa. Tế bào co lại, lá cây rũ xuống và cây bị héo. Lúc đầu cây chỉ héo ban ngày trời nóng, chiều xuống cây trở lại trạng thái bình thường. Nhưng cuối cùng khi độ ẩm của đất hạ xuống đến mức lá cây héo và rũ đi, sau một đêm, sáng mai không trở lại trạng thái bình thường được.
19 Độ ẩm của đất gây ra hiện tượng cây héo, sau một đêm không hồi phục gọi là hệ số cây héo hay độ ẩm cây héo. đ) Độ trữ ẩm cực đại của đất [8 ] (hay là sức chứa ẩm tối đa đồng ruộng - tiếng Anh là Moisture Field capacity) là đại lương đặc trưng cho khả năng giữ nước lớn nhất của đất. Đây là chỉ số quan trọng là mốc để điều chỉnh chế độ tưới cho cây trồng. e) Hằng số nước [8],[14]: Hằng số nước là một đại lượng mô tả lượng nước tới hạn tồn tại trong các đối tượng tự nhiên.
Hằng số nước có 3 tiêu chí quan trọng nhất: lượng nước bị hút, độ ẩm cây héo, độ trữ ẩm cực đại. Gọi là hằng số nước vì đây là những tính chất đặc trưng không thay đổi. Ví dụ: độ hút ẩm không khí cực đại, độ trữ ẩm phân tử cực đại, độ ẩm cây héo, độ trữ ẩm toàn phần, độ trữ ẩm cực đại (còn gọi là độ trữ ẩm đồng ruộng hoặc sức chứa ẩm tối đa. Độ trữ ẩm cực đại là một trong những hằng số nước quan trọng nhất, thuật ngữ tiếng Anh là Moisture Field Capacity.
Độ ẩm là biến số, thay đổi tuỳ thuộc vào thời tiết, ví dụ khi nắng thì đất khô, khi mưa thì đất ẩm., còn độ trữ ẩm cực đại là một đại lượng không đổi, mỗi loại đất có một đặc trưng riêng, phản ánh khả năng trữ nước lớn nhất của mình. Trong số các hằng số nước thì "độ trữ ẩm cực đại đồng ruộng" là một chỉ số quan trọng nhất để điều chỉnh chế độ nước cho cây trồng [14]. f) Trữ lượng nước trong đất Nước thâm nhập vào đất do mưa hoặc do tưới, sau đó một phần tiêu hao do cây trồng lấy sử dụng (bốc hơi sinh học), do bốc hơi từ đất trần (bốc hơi lý học), một phần tổn thất do dòng chảy (chảy trên mặt, chảy trong phẫu diện), một phần di chuyển xuống nước ngầm v. Phần độ ẩm không bị tổn thất sẽ được giữ lại trong phẫu diện.
Lượng nước này được gọi là lượng nước dự trữ trong đất hoặc còn gọi là trữ lượng nước trong đất [8], [14]. Về mùa mưa, nước được tích giữ lại đến mùa hè, thời tiết khô hạn, không ít trường hợp ngay trên tầng mặt đất khô cằn, độ ẩm đất ngang bằng hoặc thậm chí dưới độ ẩm cây héo, 20 nhưng nhờ nước được tích giữ ở những tầng dưới, nếu biết trồng những loại cây có bộ rễ ăn sâu thì sẽ tận dụng được lượng nước dự trữ trong đất một cách hiệu quả. Để tiện nhận xét so sánh, trữ lượng nước được biểu thị theo các lớp 0 - 50; 50 - 100 và 0 - 100cm. Đơn vị được tính là mm cột nước.
Muốn biểu thị bằng m3/ha thì nhân với 10, ví dụ trữ lượng nước trong đất của Ferralsols ở tầng 0 - 50 là 180 mm hoặc bằng 1800 m3/ha. g) Áp lực ẩm Trong các tài liệu về độ ẩm đất thường dùng khái niệm "áp lực ẩm" [8], [14] vì lý do sau đây: (1) khái niệm áp lực thường được dùng rộng rãi trong thực tiễn, (2) các kết quả đo các lực khác nhau như lực thẩm thấu, lực bề mặt, lực cơ học v. theo truyền thống thường được dùng thứ nguyên áp lực. Đất được bão hoà ẩm thì lực mao quản thế năng sẽ bằng 0.
Đất càng khô dần thì thế năng càng tăng theo trị số tuyệt đối âm (-), nghĩa là về phương diện đại số thì đại lượng này càng giảm. Đất càng khô thì khi tiếp xúc với nước chúng càng tăng khả năng hấp thụ hoặc "hút" nước về phía mình. Khi đất bão hoà ẩm thì thế năng mao quản sẽ bằng 0 và do đó áp lực ẩm được quy ước bằng 0. Khi đó đất ở trạng thái có áp lực lớn nhất.
Đất càng khô, độ ẩm đất càng giảm và làm cho áp lực ẩm càng nhỏ hơn 0, lúc đó áp lực ẩm sẽ mang dấu (-). Theo thang đánh giá, áp lực ẩm trong đất có trị số từ 0 đến (- 5 atm) thì cây trồng phát triển tốt, nước rất dễ sử dụng cho cây trồng; từ (-5 atm) đến (-15 atm) mức độ hữu hiệu là trung bình; từ (-15 atm) đến (-25 atm) - khó sử dụng và dưới mức (-25 atm) rất khó sử dụng, cây trồng sẽ héo và chết. Các phương pháp nghiên cứu độ ẩm đất 1. Các phương pháp đo truyền thống Từ trước đến nay, trên thế giới có nhiều phương pháp đo độ ẩm đất, có thể kể đến một vài phương pháp phổ biến như sau: 21 a/ Phương pháp Kachinski [8],[ 14] Là phương pháp xác định tính thấm nước của đất trong phòng thí nghiệm, là phương pháp phổ biến và chính xác nhất.
Mục đích của phương pháp này là tính lượng nước hút ẩm trong đất trong từng điều kiện nhất định, từ đó tính được độ ẩm đất. Công thức tính độ thấm nước của đất như sau: K=(100+W)/100 (1.4) Trong đó: W - là hàm lượng nước hút ẩm không khí (%). K - lượng nước thấm trong đất (%). Ví dụ, lượng đất lấy ra ở trạng thái khô trong không khí là 10g.
Sau khi sấy khô ở nhiệt độ từ 1000-1050C, còn lại 9, 5g(b), như vậy lượng nước hao hụt sau khi sấy là 0,50g (a) Lượng nước hút ẩm không khí: W%=a/b * 100 hay 0,500/9,5 *100=5, 26%. Độ thấm nước của đất được xác định chủ yếu ngoài đồng ruộng, còn xác định trong phòng thí nghiệm là thứ yếu, có tính chất bổ sung, phân tích thêm những kết quả xác định được trong điều kiện ngoài đồng ruộng.