Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Quan điểm Mối quan hệ qua lại giữa rừng và nước là một nội dung nghiên cứu cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực thủy văn học (Whitehead P G và Robinson M, 1993 [53]). Nghiên cứu vai trò giữ nước của rừng cũng chính là nghiên cứu thủy văn rừng (Chritensen và cộng sự, 1998 [36]; Franklin, 1989 [42]; Swank W T, 1992 [52]). Thuật ngữ “ Vai trò giữ nước của rừng” có rất nhiều khái niệm và định nghĩa nhưng chúng đều phản ánh hai quan điểm bổ sung lẫn nhau: Một là, rừng có thể điều tiết, phân phối dòng chảy, làm tăng lưu lượng dòng chảy trong mùa khô hạn.
Hai là, rừng có thể lưu giữ và làm chậm quá trình tích luỹ nước vào dòng chảy, nhờ đó làm giảm lưu lượng của đỉnh lũ. Trong quan điểm chung, giá trị giữ nước của rừng có nghĩa là giữ và tích lũy nước ở bất kỳ dạng nào - làm tăng trữ lượng của nó trong đất, giảm thoát hơi nước mặt đất, tăng mực nước ngầm, và qua đó làm tăng lượng nước sông, suối, ổn định dòng chảy nước sông suối, cũng như làm sạch nước (Mon-tra-nop, 1960, 1973- dẫn theo Vương Văn Quỳnh, 1999 [27]). Khả năng giữ nước của rừng được phản ánh thông qua ảnh hưởng của nó đến tính hiệu ích của nguồn nước với nhiều chỉ tiêu khác nhau như: mức thay đổi của hàm lượng chất hóa học, các chất hòa tan trong nước sau khi đã đi qua hệ sinh thái rừng, hệ số dòng chảy bề mặt, mực nước ngầm, tần suất lũ, cấu trúc rừng, các tính chất vật lý của đất rừng,… Tuy nhiên, trong các chỉ tiêu đó thì chỉ tiêu về hệ số dòng chảy bề mặt, cấu trúc rừng, lượng nước giữ lại trong đất là những chỉ tiêu tốt nhất thuyết minh cho khả năng giữ nước của rừng. Dòng chảy mặt càng thấp, lượng nước giữ lại trong đất càng nhiều, khả năng giữ nước của rừng sẽ càng cao.
Khả năng giữ nước của rừng có giới hạn và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của đất rừng như độ xốp, cấu tạo đất, tốc độ thấm nước, hàm lượng mùn, độ dày tầng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chúng quyết định lượng giữ nước của đất rừng (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [1]). Khái niệm “ Dung tích giữ nước của rừng” phản ánh khả năng giữ nước của nó và được xác định bằng tổng lượng nước giữ lại trên tán, lượng nước giữ lại bởi vật rơi rụng và lượng nước tích lũy trong đất. Quan điểm này được các nhà thủy văn rừng chấp nhận một cách rộng rãi (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001[1]; Trần Huệ Tuyền, 1994 [34]).
Thuật ngữ “ Thủy văn rừng” ra đời từ lâu, nhưng chỉ từ những năm 1930 trở lại đây, khi các phương pháp nghiên cứu định lượng phát triển, thì những nghiên cứu về thủy văn rừng mới thu được thành tựu và có ý nghĩa rõ rệt (Hibbert A. Những nghiên cứu về thủy văn rừng Nghiên cứu thủy văn rừng trên thế giới đã thu được nhiều thành quả. Các công trình nghiên cứu thủy văn rừng thường tập trung chủ yếu vào việc đánh giá vai trò điều tiết nước của rừng, ví dụ như khả năng ngăn cản nước mưa của tán rừng, lượng nước phân chia thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, lượng nước chảy men thân cây…Và xác định, dự báo xói mòn đất. Fraisơ (1936) (Phùng Ngọc Lan, 1986 [15]) đã nghiên cứu việc phân phối lại lượng nước rơi trong rừng thường xanh ở Brazil.
Kết quả nghiên cứu dẫn đến những kết luận sau: - Phần nước mưa lọt qua tán rừng rơi vào ống đo mưa ở tầm cao 1,5 m: 33%. - Bốc hơi trực tiếp từ tán cây: 21%. - Chảy xuống dọc thân cây: 46%. Trong đó: + Bốc hơi bề mặt: 9,2%.
+ Vỏ cây hấp thụ: 9,2%. + Xuống tới gốc cây: 27,6%. Trong đó: Rễ cây hấp thu: 20,7%. Trực tiếp xuống đến nước ngầm: 6,9%.
Ở châu Úc, Lima và Oloughlin (Poore M.D, 1988 [22]) khi nghiên cứu về thủy văn rừng bạch đàn tự nhiên đã kết luận rằng lượng nước chảy men thân cây, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 dòng chảy mặt, lượng mưa bị tán rừng ngăn giữ… đều có quan hệ tuyến tính với lượng mưa theo dạng: y = a + bx, trong đó: x: lượng mưa y: dòng chảy mặt Nghiên cứu về khả năng giữ nước trên tán: qua các 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 [30]). Theo các nghiên cứu về tỷ lệ lượng nước mưa ngăn giữ bởi tán rừng tương ứng với các đới khí hậu khác nhau ở Trung Quốc cho thấy phạm vi biến động của tỷ lệ này 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 (Vu Chí Dân - Christoph Peisert - Dư Tân Hiểu, 2001 [2]). Trong tác dụng điều hòa dòng chảy của quần lạc sinh địa rừng, đất có vai trò quan trọng. Điều này có liên quan tới tính thấm rất cao của đất rừng.
Không có quần lạc thực vật nào có thể tạo được lớp đất xốp và tính thấm cao như đất rừng. Tốc độ thấm nước của đất rừng có thể đạt hàng trăm milimet một giờ (Dunne T, 1978 [40]). 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. Theo kết quả nghiên cứu, mỗi hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641- 679 tấn/năm (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [1]).
Nghiên cứu về khả năng 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 (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001- dẫn theo Phạm Văn Điển, 2006 [9]). Bên cạnh đó, do vật rơi rụng có những lỗ hổng lớn và nhiều hơn so với đất, nên lượng nước ngăn giữ lại bởi vật rơi rụng dễ dàng bốc hơi đi. Theo Black và Kelliher, 1989 (dẫn theo Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [1]) cho thấy, lượng nước bốc hơi từ vật rơi rụng của các kiểu rừng khác nhau chiếm khoảng 3 – 21% tổng lượng nước bốc hơi trên mặt đất rừng. Ngoài ra, sự hút nước của vật rơi rụng còn có ý nghĩa quan trọng về mặt cung cấp chất dinh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 dưỡng cho thảm thực vật rừng.
Những nghiên cứu của Tietema và cộng sự (1992) (dẫn theo Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001 [1])cho thấy, tốc độ nitrate hóa và tốc độ khoáng hóa của thảm mục phụ thuộc vào hàm lượng nước của nó. Nghiên cứu về bốc thoát hơi nước của rừng được các nhà khoa học Trung Quốc đề cập vào những năm 1960 (theo Dư Tân Hiểu, 1993 [12], phần lớn các kết quả 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,…). Lượng bốc thoát hơi bình quân năm trong rừng Sa mu chiếm 82,2% tổng lượng nước rơi hàng năm, còn lượng bốc thoát hơi của tán rừng chiếm 89,3% tổng lượng nước bốc thoát hơi của rừng. 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 (Bruijnzeel L A, 1990 [35]).
Mặc dù, đây là tỷ lệ thấp so với các thành phần cân bằng nước khác, nhưng nó có giá trị cung cấp một phần dinh dưỡng cho cây cá lẻ (Herwitz F, 1986 [44]). Nghiên cứu về lượng nước chảy trên bề mặt đất: đất có khả năng giữ nước nhưng hiệu quả lại rất khác nhau, nó phụ thuộc vào loại đất. Nói chung, đất rừng tự nhiên có khả năng thấm nước rất cao và rất ít khi xuất hiện dòng chảy mặt (Doughlass, 1977 [39]). Còn các rừng có tán lá càng thưa thớt và độ dốc mặt đất càng lớn thì tạo ra lượng nước chảy bề mặt càng lớn (Imeson AC và Vis 1982 [46]: Ruxton B P, 1967 [50]).
Kết quả nghiên cứu về lượng mưa lọt tán còn hạn chế, một số công trình mới chỉ bước đầu đưa ra được kết quả 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 rừng phụ thuộc vào cấu trúc lá, chỉ số diện tích lá, đặc điểm mưa và nhân tố gió; năng lượng của lượng nước mưa lọt tán ở rừng cây gỗ một tầng thường lớn hơn năng lượng của mưa ngoài nơi trống; hàm lượng chất dinh dưỡng khoáng trong thành phần của nước mưa lọt tán cao hơn so với ở nước mưa ngoài nơi trống (Jordan và C. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Trên thế giới, nghiên cứu thủy văn rừng thường được tiến hành gắn liền với nghiên cứu xói mòn đất. Công trình nghiên cứu đầu tiên về xói mòn đất và dòng chảy được thực hiện bởi nhà bác học Volni người Đức trong những năm 1877-1885 (Hudson N, 1981 [13]).
Ông nghiên cứu mối quan hệ giữa những nhân tố như: địa hình, cấu trúc của lớp phủ thực vật, lượng mưa, đặc điểm thấm và giữ nước của đất tới xói mòn đất. Tuy nhiên, phần lớn kết quả chưa được định lượng một cách chính xác. Một phương hướng mới trong nghiên cứu xói mòn đất đã được mở ra đó là: sử dụng cấu trúc thảm thực vật trong các biện pháp chống xói mòn nhằm bảo vệ độ phì của đất. Nó được đánh dấu bởi phát hiện của Ellison (Hudson N, 1981 [13]), thông qua các thí nghiệm trong phòng ông đã phát hiện ra vai trò của lớp phủ thực vật trong việc hạn chế xói mòn đất và vai trò cực kỳ quan trọng của hạt mưa rơi đối với xói mòn.
Tiếp theo đó là một loạt các công trình nghiên cứu xói mòn với mức độ định lượng cao. Trường Đại học Tổng hợp Pardiu (Mỹ) vào cuối năm 1950 đã xây dựng được phương trình mất đất (Hudson N, 1981 [13]). Về sau phương trình này được Wischmeier W. hoàn chỉnh dần (Wischmeier W.
Phương trình này có ý nghĩa quan trọng trong việc định hướng cho nhiều nghiên cứu nhằm xác định quy luật xói mòn và nghiên cứu các mô hình canh tác bền vững ở các khu vực có điểu kiện địa lý khác nhau.