Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Trên thế giới Trên thế giới từ lâu người ta đã khẳng định được tác dụng nhiều mặt của rừng với môi trường, đặc biệt là tác dụng điều tiết và làm sạch nguồn nước, giảm thiểu hạn hán và lũ lụt, bảo vệ và phục hồi đất, điều hoà khí hậu, hấp thụ các khí độc, ổn định thành phần khí quyển, chống lại biến đổi khí hậu v. Hiểu biết của con người về ảnh hưởng của rừng đến môi trường đã trở thành cơ sở khoa học của những giải pháp phát triển rừng phòng hộ đầu nguồn, ven biển, rừng phục hồi đất, bảo vệ hồ đập, chắn gió, chắn cát, bảo vệ khu đô thị, khu công nghiệp v. Trên cơ sở nghiên cứu tác động của rừng đến môi trường, nhiều người đã ước tính giá trị sinh thái môi trường của rừng.
Ở Nga, Tarancop (1986) đã ước lượng giá trị sinh thái cảnh quan của rừng ở vành đai xanh thành phố Voronhez là khoảng 70% tổng giá giá trị của rừng. Ở Trung Quốc, Trương Gia Bình (2003) đã ước tính giá trị giữ đất, giữ nước và cung cấp phân bón của rừng ở Vân Nam là 4.450 USD/ha, chiếm 88% tổng giá trị của rừng. Khi nghiên cứu khả năng hấp thụ carbon, Zhang (2000) cho rằng rừng nhiệt đới có có giá trị hấp thụ carbon từ 500-2.000 USD/ha, còn rừng ôn đới là 100-300 USD/ha. Ở Nhật Bản, người ta ước tính rằng giá trị môi trường của rừng ở ven những thành phố lớn lên đến tới 95% tổng giá trị của rừng v.
Nghiên cứu về hiệu quả giữ đất và giữ nước của rừng đầu nguồn Khi nghiên cứu về hiệu quả giữ nước và giữ đất của rừng vùng đầu nguồn người ta tập trung chủ yếu vào vai trò của rừng trong việc ngăn cản xói mòn và phục hồi đất, vai trò bảo vệ nguồn nước. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Công trình nghiên cứu đầu tiên về xói mòn đất có ý nghĩa quan trọng nhất trong lĩnh vực xói mòn đất đã được thực hiện bởi Volli từ năm 1844. Tác giả khẳng định xói mòn được thực hiện qua hai pha chủ yếu là bắn phá làm tơi rời các hạt đất và cuốn trôi chúng, trong đó pha đầu là quan trọng nhất. Để bảo vệ đất cần giảm được động năng mưa làm sự bắn phá tơi rời đất của các hạt mưa là có ý nghĩa quyết định trong chống xói mòn bảo vệ đất.
Về sau nghiên cứu định lượng về xói mòn đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Phương trình xói mòn đất được áp dụng rộng rãi nhất cho đến nay là phương trình mất đất phổ dụng (USLE) của Wischmeier, được tác giả và các công sự xây dựng từ năm 1956 với mục đích ban đầu là dự báo xói mòn trong nông nghiệp tại Hoa Kỳ. Trong đó thể hiện được liên hệ của xói mòn đất với 6 nhân tố ảnh hưởng là: chế độ mưa, tính chất đất, độ dốc, chiều dài sườn dốc, kiểu trồng cây và biện pháp bảo vệ đất. A=RKLSCP Trong đó: A: là lượng đất mất đi hàng năm R: là chỉ số phản ánh năng lực xói mòn của mưa K: là chỉ số năng lực chống xói mòn của đất L và S: là chỉ số chiều dài sườn dốc và độ dốc C: là chỉ số về thực vật P: là chỉ số về biện pháp canh tác.
Phương trình của Wischmeier đã gợi ý về các biện pháp chống xói mòn bảo vệ đất. Đó là tất cả những giải pháp nhằm giảm thiểu một hoặc một nhóm các nhân tố ảnh hưởng đến xói mòn đất trong các phương trình của Wischmeier. Tuy nhiên, việc áp dụng phương trình này cũng gặp nhiều khó khăn, đặc biệt trong điều kiện thiếu dữ liệu nghiên cứu cơ bản để xác định các thông số cần thiết, chẳng hạn thiếu dữ liệu về mưa, thiếu dữ liệu về khả năng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 chống xói mòn của đất, hay dữ liệu về ảnh hưởng của các kiểu trồng cây đến xói mòn v. Vì vậy, phương trình xói mòn đất của Wischmeier ngày nay được vận dụng theo hướng cải tiến hoặc bổ sung những tham số của phương trình để sử dụng trong nhiều quốc gia.
Tham số được nghiên cứu điều chỉnh nhiều nhất là tham số C cho những kiểu thảm thực vật không có trong xây dựng phương trình ban đầu. Phương trình USLE cũng được điều chỉnh để dự báo xói mòn cho một khu vực cụ thể theo từng trận mưa (RUSLE1), hoặc cho một sườn dốc khi không tính đến sự thay đổi về độ dốc (RUSLE2) (Foster et al. Có thể điểm qua một số dạng đã được thay đổi của phương trình mất đất phổ dụng như sau: 1) Phương trình dự báo cường độ xói mòn đất của Foster và cộng sự (1982) Ae=qece Trong đó: Ae là cường độ xói mòn cho từng trận mưa qe là tốc độ dòng chảy (volume/area/time) ce là lượng xói mòn trên đơn vị thể tích (mass/volume), được tính như sau: ce=b1EI30/re b1 là hệ số thực nghiệm E là động năng trận mưa I30 cường độ mưa cực đại trong 30 phút 2) Phương trình dự báo cường độ xói mòn đất của Kinnell and Risse(1998) Ae=b3QREI30 Trong đó: Ae là cường độ xói mòn cho từng trận mưa b3 là hệ số thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 QR là tỷ lệ giữa lượng mưa và dòng chảy. 3) Phương trình dự báo cường độ xói mòn đất của Renard et al.
(1997) Ae·veg=KUMQRBEI30Ce Trong đó: Ae.veg lượng xói mòn trên một khu vực có thực vật QRB tỷ lệ dòng chảy trên đất trống bỏ hoá Ce là chỉ số thực vật trong phương trình USLE KUM chỉ số năng lực chống xói mòn của đất 4) Phương trình dự báo cường độ xói mòn đất của Tiwari và các cộng sự (2000) A1e= bKeEI30 Trong đó: A1e là lượng đất mất đi trên trong một trận mưa (event) trên một đơn vị diện tích E là động năng trận mưa I30 cường độ mưa cực đại trong 30 phút Ke chỉ số về năng lực chống xói mòn của đất b là hệ số điều chỉnh thay đổi theo độ dốc, chiều dài sườn dốc 5) Phương trình dự báo cường độ xói mòn đất của USDA-ARS (2008) Ae=A1eLSCePe - công thức dự báo xói mòn cho 1 trận mưa Trong đó: A1elà lượng đất xói mòn của đất trống bỏ hoá. Ce Pe là các chỉ số thực vật và biện pháp canh tác cho trận mưa Vai trò giữ nước của rừng được hiểu là giữ và tích luỹ nước ở bất kỳ dạng nào, làm tăng lượng nước trong đất, giảm bốc thoát hơi nước, tăng mực nước ngầm, giảm dòng chảy bề mặt, hạn chế xói mòn đất, qua đó làm tăng và ổn định lượng nước sông suối. Là khả năng làm giảm dòng chảy mặt, tăng dòng chảy ngầm và nhờ đó, làm chậm và phân tán sự di chuyển của nước mưa về sông suối, làm giảm quá trình hình thành lũ. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Khả năng giữ nước của rừng có giới hạn và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của đất rừng như: cấu trúc rừng, độ xốp và kết cấu đất, độ dày tầng đất v., trong đó đặc biệt quan trọng là độ xốp và bề dày tầng đất.
Chúng quyết định dung tích chứa nước của đất rừng. Trong trường hợp này tỷ lệ dòng chảy mặt thường được xem là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá khả năng giữ nước của rừng. Vai trò của rừng trong bảo vệ nguồn nước quan trọng nhất là vai trò bảo vệ và cải thiện những tính thuỷ văn của đất. Công cụ chủ yếu được các tác giả trước đây sử dụng để nghiên cứu phân bố dòng chảy trong HST rừng là phương trình cân bằng nước.
Đó là tổng đại số của những đại lượng thu và chi nước HST. Nó được viết theo nguyên tắc chung là lượng nước đi vào (thu) luôn cân bằng với tổng lượng nước đi ra (chi) và lượng nước tích luỹ lại trong HST. Căn cứ vào phương trình cân bằng nước người ta có thể xác định được một hoặc một số thành phần này khi biết những thành phần khác. Những kết luận chính từ nghiên cứu phân bố các thành phần nước liên quan đến khả năng giữ nước của rừng như sau: - So với lượng giáng thuỷ thì lượng nước giữ lại trên tán rừng rồi bốc hơi trở lại khí quyển chiếm từ 10-45%, lượng nước chảy men thân cây chiếm từ 1-5%, lượng nước lọt qua tán cây xuống mặt đất từ 50 - 90%, lượng nước bốc hơi từ mặt đất và lớp thảm mục chiếm 5-20%, lượng nước hút từ đất vào thực vật rồi thoát hơi trở lại khí quyển chiếm khoảng 30-80%, lượng dòng chảy mặt chiếm từ 5-50%, lượng nước thấm vào đất rừng chiếm từ 40 - 90%.
- Khả năng giữ nước của rừng thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó có trạng thái rừng, điều kiện khí hậu, địa hình và thổ nhưỡng. - Khả năng giữ nước của rừng được quyết định chủ yếu bởi tính chất của đất dưới rừng. Trung bình có tới 70 - 80% tổng lượng nước đến được mặt đất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đất rừng càng dày và càng xốp thì tỷ lệ dòng chảy mặt càng thấp, dòng chảy ngầm càng cao, sự di chuyển của nước về sông suối sẽ càng chậm, càng phân tán.
Vì vậy, một trong những tiêu chí quan trọng dùng trong phân loại rừng theo khả năng giữ nước là tính chất đất, mà trước hết là độ xốp và bề dày tầng đất. Trên cơ sở phân tích khả năng chứa nước của đất rừng người ta cho rằng cứ 1000 hecta rừng có khả năng chứa nước tương đương với hồ nước có dung tích khoảng 1. - Khả năng giữ nước của rừng là có hạn. Đất dưới rừng chỉ có khả năng chứa được một lượng nước nhất định trong khoảng từ vài trăm đến vài nghìn m3/ha.
Khi mưa lớn đã làm nước lấp đầy các phần rỗng trong đất, làm ướt sũng lá, thân thực vật và lớp thảm khô thì rừng gần như không còn khả năng chứa thêm nước được nữa, nước mưa tiếp theo sẽ chảy tràn mặt và gây lũ. Vì vậy, khi nghiên cứu khả năng giữ nước của rừng người ta thường phải xác định dung tích chứa nước và ngưỡng bão hoà nước trong HST rừng. Ở quy mô lưu vực, người ta hướng vào nghiên cứu mối liên hệ của các đặc trưng dòng chảy như: lưu lượng dòng chảy, tổng lượng dòng chảy, mô dun dòng chảy, độ muộn đỉnh lũ, hệ số tăng lũ, hệ số giảm lũ v. với diện tích, trữ lượng và tỷ lệ che phủ rừng dưới ảnh hưởng các nhân tố mưa, địa hình, thổ nhưỡng, hình dạng lưu vực v.