Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Thành quả nghiên cứu Ảnh hưởng của rừng đến xói mòn đất do nước có liên hệ mật thiết với những ảnh hưởng của rừng đến số lượng nước. Vì vậy, trong các công trình nghiên cứu về xói mòn đất thường dành một nội dung đáng kể cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của rừng đến số lượng nước trên quy mô lâm phần. Lượng nước giữ bởi vật rơi rụng Vật rơi rụng có khả năng ngăn giữ nước tương đối lớn, nên có tác dụng bổ sung nước cho đất và cung cấp cho thực vật (Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [2].
Ngoài ra, vật rơi rụng còn có những lỗ hổng lớn và nhiều hơn so với đất, nên lượng nước giữ bởi vật rơi rụng dễ dàng bốc hơi đi. Những nghiên cứu của Black và Kelliher (1989) (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2009) [9] cho thấy rằng, 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. Schaap và Bouten (1997) (dẫn theo Vu Chí Dân và Vương Lễ Tiên, 2001) [2] sử dụng thiết bị đo lường Lysimeter để xác định lượng nước bốc hơi của vật rơi rụng và sự khác biệt của nhiệt độ không khí trên bề mặt của nó đến độ cao một mét, đã thu được kết quả tương đối tốt. Sự hút giữ nước của vật rơi rụng còn có ý nghĩa quan trọng về mặt cung cấp chất dinh dưỡng cho thảm thực vật rừng.
Những nghiên cứu của Tietema và cộng sự (1992) (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2009) [9] cho thấy, tốc độ nitrate hóa và tốc độ khoáng hóa của thảm mục phụ thuộc vào hàm lượng nước của nó. Lượng nước chảy bề mặt Nhìn chung, đất rừng có khả năng thấm nước rất cao và hiếm khi xuất hiện dòng chảy bề mặt ngay cả khi lượng mưa cao (Douglass, 1977) [39]; Pritchett, 1979) [44]. Tuy nhiên, khi rừng bị chặt hạ trở nên thưa thớt và độ dốc mặt đất lớn thì có thể tạo ra nhiều lượng nước chảy trên bề mặt (Ruxton, 1967) [45]. Thủy văn học truyền thống đã phát triển lý luận về dòng chảy trên mặt đất của Horton vào những năm 30 và 40 của thế kỷ 20 (Horton, 1935, 1945) (dẫn theo Phạm Văn Điển (2009) [9] để nghiên cứu cơ chế hình thành dòng chảy trên mặt đất.
Lý luận này, chiếm một địa vị thống trị trong lĩnh vực thủy văn học công trình kéo dài suốt khoảng 30 năm (Foster G R, 1982) [42]. Tiến vào những năm 1960, việc hình thành khái niệm diện tích sản sinh dòng chảy biến động đã tuyên chiến một cách hùng hồn với địa vị thống trị của cơ chế hình thành dòng chảy trên mặt đất siêu thấm. Hewlett và Hibbert (1967) [43] đã dựa vào những quan trắc thực nghiệm và chỉ ra rằng trong hoàn cảnh rừng, cường độ mưa rất ít khi có thể vượt qua được cường độ nước thấm vào đất, đã nêu ra khung lý luận về động thái hình thành dòng chảy của mưa to, sau đó đã triển khai nhiều nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm hiểu cơ chế hình thành dòng chảy của mưa to dữ dội, chủ yếu trên những khu vực ôn đới ẩm ướt của châu Âu và ở nước Mỹ (Bonell,1993) [38]. Vào những năm 1970, lý luận diện tích sản sinh dòng chảy biến động đã được tiếp thu rộng rãi, những nghiên cứu về thủy văn học trên đất dốc đã hưng thịnh và phát triển mạnh mẽ - các học giả Trung quốc gọi nó là “trường phái thủy văn học đất dốc” (Chiêm Đạo Giang, 1989; Nhuế Hiếu Phương, 1996) (dẫn theo Phạm Văn Điển, 2009) [9]- đặt cơ sở cho việc hình thành lý luận về cơ chế hình thành dòng chảy.
Quá trình thấm và giữ nước của đất Sự thấm nước của đất là một trong những vấn đề được nghiên cứu sâu rộng trong lĩnh vực thủy văn học. Từ lý luận phát sinh dòng chảy, 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, lớp thảm thực vật và vật rơi rụng che phủ. Nước thấm xuống đất và nước tích giữ trong đất rừng có ý nghĩa rất quan trọng đối với cơ chế hình thành dòng chảy trên đất rừng. Có nhiều mô hình thấm nước của đất dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và các mô hình kinh nghiệm, trong đó bao gồm mô hình Green – Ampt (1911) , mô hình Horton (1933, 1945), mô hình Philip (1957, 1969) và mô hình cải tiên của nó là mô hình Smith R E – Parlange J Y, (1978), v.
Kết quả nghiên cứu của Trần Huệ Tuyền (1994) [36] cho thấy, đất rừng có độ hổng mao quản lớn, thì tốc độ thấm nước của đất rừng sẽ tăng lên. Lượng nước giữ trong đất 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 hecta đất rừng có thể tích giữ được lượng nước 641 – 679 tấn/ha (Vu Chí Dân, Vương Lễ Tiên, 2001) [2].
Nghiên cứu về xói mòn đất Công trình nghiên cứu đầu tiên về xói mòn đất được thực hiện bởi nhà bác học Volni người Đức trong thời kỳ 1877 đến 1885 (Hudson, 1981) [17]. Những ô thí nghiệm nhỏ được ông sử dụng để nghiên cứu hàng loạt nhân tố như thực bì, lớp phủ thực bì, loại đất, độ dốc của bề mặt đất có liên quan đến dòng chảy và xói mòn đất. Tuy nhiên, phần lớn các kết luận chưa được định 5 lượng rõ ràng. Bằng thí nghiệm trong phòng, Ellsion (Hudson, 1981) [17] thấy rằng các loại đất khác nhau có biểu hiện khác nhau trong các pha của xói mòn đất do nước.
Ellison là người đầu tiên 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. Phát hiện này của ông đã mở ra một phương hướng mới trong nghiên cứu về xói mòn và khẳng định khả năng bảo vệ đất của lớp thảm thực vật. Nó đã mở ra hướng sử dụng cấu trúc thảm thực vật trong các biện pháp chống xói mòn nhằm bảo vệ độ phì của đất. Tiếp theo đó, nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu tác động của giọt mưa và ảnh hưởng cuả dòng chảy tới xói mòn đất, đưa ra cơ chế của quá trình xói mòn đất, như công trình của Hudson H (1981) [17], đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt mưa, cường độ mưa, phân bố mưa,… tới xói mòn đất.
Tác giả cho biết xói mòn đất tăng tỷ lệ với đường kính của hạt mưa và bình phương của tốc độ dòng chảy. Cùng với các nhân tố mưa, các nhân tố khác gây ảnh hưởng tới xói mòn đất như độ dốc, chiều dài sườn dốc, loại đất, lớp phủ thực vật,…Cũng đã được nghiên cứu sâu, rộng trong các công trình của Smith D.G (1978), Benven (1958) (dẫn theo Võ Đại Hải, 1996) [13], … Những nghiên cứu này đã góp phần tìm ra cơ chế của quá trình xói mòn cũng như việc đề xuất các biện pháp chống xói mòn thích hợp. Nhiều phương trình dự báo xói mòn đất đựơc xây dựng dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm như phương trình của A. Ivanovski và Kornov (1937), phương trình Corchiacop A.N (1938), phương trình Wischmeier W.
Sau đó phương trình được Wischmeier W.H hoàn chỉnh dần (Wischmeier W. Phương trình mất đất phổ dụng đã làm sáng tỏ vai trò của từng nhân tố ảnh hưởng tới xói mòn. Nó còn có tác dụng 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 điều kiện địa lý khác. Với sự trợ giúp của hệ thống thông tin địa lý (GIS), ngày nay người ta đã sử dụng rộng rãi phương trình Wischmeier W.D để xây dựng bản đồ xói mòn đất, phân vùng đất xói mòn để từ đó xác định các biện pháp phòng chống thích hợp cho từng loại đất và từng vùng.
Đây là hướng đi mới rất có hiệu quả, cho kết quả nhanh, giảm được chi phí, nhưng đòi hỏi số liệu đầu vào phải chính xác. Tuy nhiên, sử dụng phương trình mất đất phổ dụng vẫn gặp phải những khó khăn nhất định, đòi hỏi phải có những nghiên cứu bổ sung để điều chỉnh các hệ số cho phù hợp với điều kiện địa lý, địa chất, thổ nhưỡng, tập quán canh tác và đặc tính cây trồng ở từng địa phương. Kết quả nhiên cứu của G.Fiebiger (1993) [41] xác nhận rằng, nguy cơ xói mòn đất dưới tầng cây gỗ có thể tăng lên do giọt mưa dưới tán có kích thước lớn hơn. Những loại cây có phiến lá to (như lá tếch – Tectona grandis) thường tạo ra các giọt nước ngưng đọng có kích thước lớn, nên khi rơi từ tán lá xuống sẽ có sức công phá bề mặt đất lớn hơn so với sức công phá của giọt mưa tự nhiên trên đất trống.
Vì vây, một trong những tiêu chí chọn loài cây trồng rừng phòng hộ đầu nguồn ở vùng nhiệt đới là chọn cây có tán lá dày nhưng phiến lá phải nhỏ, càng nhỏ càng tốt. Những nghiên cứu khác cho thấy rằng, cây bụi, thảm tươi và vật rơi rụng có vai trò rất lớn trong việc hạn chế xói mòn đất. Nếu chúng bị phá trụi hoặc bị lấy đi khỏi đất rừng thì tầng cây gỗ phía trên sẽ không có tác dụng giảm thiểu xói mòn trên sườn dốc. FAO (1994a, 1994b) [11], [12] đã tổng kết 7 nhiều tài liệu nghiên cứu xói mòn đất dưới các loại rừng và kiểu sử dụng đất khác nhau và đã chỉ ra rằng, quá trình tích lũy lượng sinh vật là cơ chế sinh vật học chủ yếu để khống chế xói mòn.
Ở Trung Quốc, trong lĩnh vực nghiên cứu hiệu quả nuôi dưỡng nguồn nước, đã phân tích tác dụng của bộ rễ cây trên bề mặt đất dốc với sự ổn định của thành phần cơ giới để nghiên cứu tác dụng khống chế xói mòn trọng lực của rừng dưới góc độ động lực học; nghiên cứu về độ thô của bề mặt đất rừng để phân tích tác dụng cản trở làm chậm tốc độ dòng chảy trên mặt đất rừng (Trương Hồng Giang, 1989) [19]. Tồn tại nghiên cứu Trong gần một thế kỉ qua mặc dù đã thu được nhiều thành quả trong việc nghiên cứu chức năng phòng hộ nguồn nước, bảo vệ đất chống xói mòn của rừng những trên thế giới vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần được giải quyết ngay.