Bài giảng Thủy nông

Chương 1: GIỚI THIỆU MÔN HỌC Nội dung: I/ Định nghĩa: II/ Vấn đề nước tưới trên thế giới hiện nay III/ Vấn đề thủy nông ở Việt nam. IV/ Các môn học liên hệ. V/ Giới hạn của giáo trình. Từ khóa: Tưới (irrigation) - Tiêu (drainage) - Độ phì của đất (soil fertility) Cải tạo đất (soil reclamation) - Năng suất cây trồng (crop yield)(Y) Sản lượng cây trồng (crop production)(P) : P = Y * n * S Mùa vụ (cropping season) - Sản xuất nông nghiệp (agricultural production) Nội dung cần nắm vững: Tưới và tiêu nước là gì? Tại sao phải tưới và tiêu nước cho cây trồng. Mối quan hệ giữa quản lý chế độ nước và độ phì của đất, năng suất cây trồng, sản xuất nông nghiệp. Những vấn đề còn tồn tại trong công tác thủy nông. Bài đọc thêm: Những thách đố kỹ thuật Thủy nông trong tương lai. Chương 1: GIỚI THIỆU MÔN HỌC. I/ Định nghĩa: Thủy nông là một ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu việc sử dụng nước để gia tăng sản xuất nông nghiệp, nâng cao sản lượng của cây trồng. Như vậy các công tác chính trong Thủy nông là: a/ Mang nước từ nguồn (sông, suối, ao, hồ, giếng v.v..) đến nơi cần sử dụng cho nông nghiệp (tưới) hay mang nước thừa từ ruộng ra ngoài (tiêu). b/ Phân bố và sử dụng nước (có trên ruộng) kết hợp với các phương pháp nông nghiệp khác, để biến đất thành môi trường tối hảo cho cây trồng đồng thời duy trì hay cải tiến độ phì nhiêu của đất. Tóm lại, Thủy nông bao gồm việc tưới, tiêu, cải tạo đất và bảo vệ đất. Với định nghĩa trên, đối tượng của môn học Thủy nông là nước nhưng không phải là nước chung chung, mà là nước khi nó tác động lên đất để tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng. Vì vậy ta có thể nói đất nông nghiệp và cây trồng là 2 đối tượng phụ của Thủy nông. II/ Vấn đề về nguồn nước tưới trên thế giới hiện nay: Trước hết, nước là yếu tố không thể thiếu được để thảo mộc tăng trưởng phát triển. Trong 5 yếu tố căn bản của cây trồng (chất dinh dưỡng, nước, ánh sáng, không khí và nhiệt độ) thì yếu tố nước dễ thay đổi hơn cả, và là yếu tố hàng đầu trong việc đưa đến năng suất cây trồng (nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống). Đồng thời, thay đổi điều kiện của nước có thể thay đổi tác dụng của các yếu tố khác lên cây trồng. Thí dụ, tác dụng của ẩm độ đất trong việc phân hóa các chất đạm, kiểm soát về nhiệt độ và độ ẩm không khí. Nước còn có ảnh hưởng rất lớn đến lề lối canh tác và điều kiện canh tác (ví dụ: sạ lúa nổi, lúa cấy 2 lần, việc cơ giới hóa v.v..). Vì thế, Nhà nước Việt nam cũng như toàn thế giới đã đặt công tác thủy lợi lên hàng đầu trong việc tăng gia sản xuất nông nghiệp. Đối với trên toàn thế giới, diện tích đất nông nghiệp được tưới khởi đầu từ năm 1950 với 94 triệu hectares và diện tích này mở rộng không ngừng cho đến năm 1978 với tốc độ phát triển đáng kể, trung bình 2.8 % một năm (lớn hơn tốc độ gia tăng dân số) để đạt đến khoảng 206 triệu ha. Tuy nhiên, kể từ 1978-1991 sự phát triển diện tích đất nông nghiệp có tưới chậm lại, khoảng 1,2%/ năm (hình 1). Trong tương lai, diện tích đất nông nghiệp có tưới tuy vẫn còn tiếp tục gia tăng nhưng sẽ không đạt được tốc độ gia tăng dân số. Một phần nào đó là do việc sử dụng không bền vững nguồn nước ngầm, thiếu nguồn nước ngọt (miền Bắc Trung quốc) hoặc bị nhiễm mặn (10-30%). Chính vì điều này, khi nhu cầu nước dành cho sinh hoạt, công nghiệp, và những mục đích về môi trường ngày càng cao, nước sử dụng cho nông nghiệp sẽ càng ít đi. Trong khi đó tài nguyên nước lại khan hiếm để có thể có những kế hoạch mở rộng diện tích đất nông nghiệp có tưới, đòi hỏi chúng ta càng phải tiết kiệm nước trong sản xuất nông nghiệp (theo tài liệu Producing more rice with less water from irrigated systems, 1998). III/ Vấn đề thủy nông ở Việt nam: Việt nam có vị trí thuận lợi về nguồn nước dựa trên hệ thống sông ngòi chằng chịt, địa hình và mưa thuận lợi so với quy mô dân số. Hình 2 cho thấy Việt nam có lượng nước sử dụng trên đầu người cao nhất trong khu vực (1200 m3/người). Tổng lượng nước trung bình hàng năm là 880 tỉ m3, trong đó lưu vực sông Hồng và sông Cữu long (Mekong) chiếm 75% lượng nước cấp. Tuy nhiên do Việt nam name ở hạ lưu nguồn cung cấp nước của sông Mekong, sông Hồng, Mã, Cả và Đồng Nai, do đó khả năng chủ động kiểm sóat nguồn nước đều nằm ngòai tầm tay của Việt Nam, đặc biệt khả năng sử dụng nguồn nước bị hạn chế trong mùa khô. Hình 2: Nhìn chung, nước ta nằm vào khu vực nhiệt đới gió mùa, hai mùa mưa nắng rõ rệt. Lượng mưa trung bình năm trên 1500 mm. Nhưng gần 90% lượng mưa hàng năm tập trung vào 6 tháng mùa mưa và 80 % trong số này lại tập trung vào 4 tháng mưa nhiều nhất. Hậu qủa là tại một nơi sẽ sảy ra tình trạng: Khô hạn vào mùa nắng và dư thừa nước vào mùa mưa. Ngoài ra, do sự khác biệt về địa hình, đất đai, sông rạch, thủy văn, mà tại mỗi vùng sẽ có những thuận lợi và khó khăn về thủy nông. Sau đây ta khảo sát sự quan trọng của công tác Thủy nông ở nước ta, nhất là ở các khu vực thuộc Nam bộ. Khu vực miền Tây nam bộ (Vùng Đồng bằng Sông Cửu Long): Đây là vùng sản xuất nông nghiệp chủ lực của Việt nam, với sản lượng chiếm 27% GDP của cả nước, khoảng 40% tổng sản lượng nông nghiệp và ½ tổng sản lượng lúa của cả nước, với 11 triêu tấn/ năm , bình quân 740 kg/ đầu người (mặc dù mật độ dân số khá cao là 400 người/ 1 km2). Ngoài ra thủy sản cũng chiếm phần quan trọng trong xuất khẩu của đất nước. Với địa hình khu vực tương đối bằng phẳng, với diện tích nông nghiệp hơn 3 triệu ha, trong đó khoảng 2.4 triệu ha đất được sử dụng trong nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Tiềm năng mở rộng đất nông nghiệp hiện nay hạn chế trong khoảng 0.2 triệu ha. Các vấn đề chủ yếu liên quan đến nguồn nước ở vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long là : Úng lụt kéo dài trên phạm vi rộng, tình trạng thiếu nước ngọt trong mùa khô, vấn đề xâm nhập mặn từ biển Đông và biển Tây trở ngại cho canh tác nông nghiệp nhưng thuận lợi cho nuôi trồng thủy sản và vấn đề lan truyền và ô nhiễm phèn trong đầu mùa mưa. Các hệ thống thủy nông đã và sẽ ảnh hưởng rất lớn đến nền sản xuất nông nghiệp cũng như Thủy sản ở vùng Đồng bằng sông Cửu long: a/ Làm thay đổi hệ thống sản xuất lúa. Trước đây khoảng 2 thập kỷ, nhờ vào hệ thống thủy nông đã làm thay đổi hệ thống canh tác lúa cấy 2 lần (khoảng 300.000 ha ở vùng nước ngập lâu, chịu ảnh hưởng của triều như ở Sóc trăng, Trà Vinh) sang lúa cấy 1 lần, hoặc làm thay đổi vùng lúa nổi (khoảng 500.000 ha ở vùng ngập sâu như ở An giang, Châu đốc) sang lúa cấy. b/ Thủy nông giúp phát triển việc trồng lúa năng suất cao: Nhờ vào việc kiểm soát được mực nước trong ruộng => có thể áp dụng giống lúa năng suất cao. c/ Làm tăng vụ trồng: Với lịch canh tác thích hợp thì có thể tăng từ 1 vụ lên 2 - 3 vụ/năm. d/ Tăng khả năng đa canh: Nhờ vào các công tác thủy lợi, một số vùng như An Giang, thay vì độc canh cây lúa, nông dân có thể trồng đậu, bắp v.v trên vùng đất trồng lúa. e/ Tăng khả năng lấy nước mặn phục vụ nuôi trồng thủy sản cho vùng ven biển và duyên hải. Khu vực miền Đông Nam bộ: Miền Đông Nam bộ, bao gồm Sông Bé, TP Hồ Chí Minh, Tây Ninh, Đồng Nai và Bà Rịa Vũng Tàu, diện tích khoảng 2,3 triệu ha, có tiềm năng rất lớn về cây lương thực lẫn cây công nghiệp. Đồng thời phần lớn diện tích của miền Đông Nam bộ chủ yếu là đất đỏ vàng, đất xám, đất phèn và mặn chiếm tỉ lệ nhỏ khoảng 173,000 ha nằm chủ yếu ở khu vực Cần Giờ_TPHCM, Châu Thành, Xuyên Mộc- Bà Rịa Vũng Tàu và một khối chạy dài từ TPHCM dọc sông Vàm Cỏ Đông lên tận Gò Dầu - Tây Ninh thì hoàn toàn nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của nước mặn và bị nhiễm phèn nặng nề. Có hai hệ thống sông chính trong khu vực: a. Hệ thống sông Đồng Nai: bắt nguồn từ dãy núi Trường Sơn Nam, phần thượng lưu gồm 2 nhánh Đa nhim và Đa Dung, tổng chiều dài 635 km, diện tích lưu vực 37,400 km2, độ cao 1700m, độ cao bình quân lưu vực 470 m, độ dốc bình quân lưu vực 4.6%. Vùng hạ lưu sông Đồng Nai lên tới Trị an có các sông chính đổ vào là Sông Bé, Sài Gòn, Lá Buông và Vàm Cỏ. Trong điều kiện tự nhiên, thủy triều khống chế toàn bộ khu vực hạ lưu lên tới tận chân thác Trị An. b. Hệ thống sông Dinh và sông Ray: Là các sông ngắn, đổ trực tiếp ra biển, lưu lượng dòng chảy thấp, khả năng bồi đắp phù sa kém. Khó khăn trong nông nghiệp xuất phát từ tình trạng thiếu nước. Trong năm, khu vực ít mưa hơn Đồng bằng Bắc bộ. Mùa khô kéo dài tới 5 tháng, thời gian đó lượng mưa trung bình mỗi tháng võn vẹn 10-50mm ( so với 400-450mm vào mùa mưa). Đặc điểm sông rạch vùng này, do địa hình dốc cao, gây sự khác biệt lớn về dòng chảy của hệ thống sông qua các thời kỳ trong năm. Mùa mưa tập trung kéo dài 7 tháng từ tháng 5 đến tháng 11, chiếm hơn 90% lượng mưa cả năm . Hiện tượng xâm nhập mặn cao vào mùa khô cũng khá nghiêm trọng, mặc dù mặn nằm ở hạ lưu của điểm lấy nước sinh hoạt cho TPHCM, nhưng nguy cơ làm giảm chất lượng nước vẫn còn khi mặn vẫn đang xâm nhập sâu qua khỏi đoạn hợp dòng sông Đồng Nai, Sài Gòn và Vàm Cỏ 7km. Tốc độ đô thị hóa ở vùng này khá cao, dự kiến kinh tế khu vực Đồng nai sẽ tăng lên gấp đôi trong vòng 5 năm tới và có thể tiếp tục phát triển đến năm 2015. Tốc độ đô thị hóa cao sẽ kéo theo những khó khăn nghiêm trọng về chất lượng cung cấp và các vấn đề môi trường nước liên quan đến xử lý nước thải. Các biện pháp quản lý hiện thời: Cải tạo và mở rộng hệ thống thủy lợi, phát triển các công trình đa mục tiêu: - Công trình Trị An ở trung lưu sông Đồng Nai, hoàn thành 1989 với công suất lắp đặt 400 MW, sức chứa 2.8 tỉ m3 và cho dòng chảy bình quân mùa khô 200 m3/s để ngăn mặn. - Công trình Đa nhim, thượng nguồn sông Đồng Nai xây dựng 1964, công suất 160 MW, tưới cho 12800 ha. - Công trình Thác Mơ trên sông Bé, công suất lắp đặt 150 MW, chứa 820 triệu m3 và diện tích cần tưới là 42000 ha, tăng dòng chảy tối thiểu lên 50 m3/s - Công trình Dầu Tiếng trên sông Sài Gòn, do World Bank tài trợ 1986, diện tích tưới dự kiến là 84000 (thực tế tưới 44000 ha), sức chứa 1.5 tỉ m3 và cho dòng chảy tối thiểu 25 m3/s. Ngoài ra còn có thêm 3 đập tràn phụ trách tưới cho 24700 ha. Các công trình đa mục tiêu: Các dự án quy hoạch tổng thể lưu vực đang được nhà nước đầu tư để khai thác tiềm năng nguồn nước của lưu vực sông Đồng Nai: Đồng Nai 4 và 8 (Đắc Lắc) , Đa Mi, Hàm Thuận, Bắc Lạc, Phúc Hòa và Bôn Rôn. Số liệu cho thấy các công trình này chứa khoảng 2 tỉ m3 và công suất lắp đặt là 1300 MW. Các chiến lược khác: Hổ trợ cho việc ngăn mặn, các phương án xây các cửa cống và đê được tiến hành ở công trình thủy lợi Hóc Môn- Bắc Bình Chánh gần TP HCM (trên diện tích 12000 ha) theo dự án cải tạo Thủy lợi của Ngân hàng Thế giới. Đồng thời đề ra chiến lược phát triển nguồn nước ngầm vùng thấp và trung du của khu vực. Chiến lược trước hết cần chú trọng đến nhu cầu nước sinh hoạt nhân dân vùng ven biển, nơi đến nay vẫn chưa sử dụng nước mặt chất lượng tốt với số lượng đủ dùng. Khu vực Tây nguyên: So với các khu vực khác, khu vực vùng Tây nguyên có lượng mưa lớn hơn. Tuy nhiên, đây là vùng núi, nếu không có các hệ thống Thủy lợi giữ nước mùa khô thì các sông rạch, suối đều khô cạn gây ra hiện tượng hạn hán nặng nề. Đồng thời, nếu không có các công trình chắn nước thì rất dễ bị xói mòn nghiêm trọng. Việc thiết lập các hồ chứa nước nhỏ ở những khe núi có thể giải quyết phần nào vấn đề này. Ngoài ra việc khai thác các sông Sesan, Sperok, Drayling có thể cung cấp nước tưới cho khoảng 150,000 ha thuộc Kontum, Gialai và Daklak. Vùng duyên hải trung bộ: Đây là vùng sông dốc và ngắn. Đất ít, dân đông. Do đó, nếu không có các hệ thống Thủy nông (đập, hồ chứa ở thượng lưu) để mở rộng diện tích và tăng vụ thì chắc chắn vùng này không thể tự túc lương thực được. Việc thiết lập các đập, hồ chứa ở thượng lưu các sông dốc và ngắn ở miền Trung có khả năng cung cấp nước tưới cho khoảng 400,000 ha và giảm được nhiều thiệt hại, đặc biệt do lũ lụt gây ra trong mùa mưa. Vùng Bắc bộ: Các sông ở miền Bắc có độ dốc tương đối lớn,phối hợp với địa hình của lưu vực các sông nên nước lũ thường tập trung rất nhanh. Mưa tập trung hơn (tháng 7, tháng 8 chiếm 40-45% lượng mưa cả năm), do đó rất dễ bị hạn hán, lũ lụt, xói mòn v.v... trầm trọng hơn miền Nam do đó các biện pháp Thủy lợi nói chung, Thủy nông nói riêng là cấp bách và bức thiết nhất trong tất cả các vùng ở miền Nam. Đánh giá nguồn nước tại Việt Nam: Theo “Đánh giá tổng quan nguồn nước tại Việt nam” (Ngân hàng thế giới, 1996), các khó khăn mà các nguồn nước sông chính đang và sẽ phải đương đầu: Lưu vực song Nước mùa khô Lũ lụt mùa mưa Nước mặt Nước ngầm Lưu vực Thiếu Xâm nhập mặn Lụt do sông Ngập do tiêu thoát Ô nhiễm Ô nhiễm Xuống cấp Bắc Giang-Kỳ Cùng Trung bình Không có Trung bình Trung bình Thấp Thấp Sông Hồng ít Cao Cao Cao Cao Tiềm ẩn Cao Mã Cao Cao Cao Cao Thấp Thấp Cả ít Cao Cao Cao Thấp Thấp Thu Bồn ít Tiềm ẩn Cao Cao Tiềm ẩn Ba ít Thấp Cao Cao Thấp Thấp Cao Đồng Nai Cao Cao Thấp Trung bình Cao Thấp ĐBSCL Trung bình Cao Cao Cao Trung bình Thấp Không có Srepok Trung bình cao Không có Thấp Thấp Thấp Thấp Cao Ghi chú: Không có: không biết, không tác dụng lúc này nhưng có thể có trong tương lai Qui hoạch cho tương lai: Phát triển thủy lợi đã tạo điều kiện cho việc sử dụng nước trong các ngành gia tăng. Hình 1.3 ước tính từ nay đến 2030, lượng nước dự kiến lấy ra tăng lên dưới 100 triệu m3, nông nghiệp sẽ vẫn là ngành sử dụng nước chính và chiếm 75% trong 2030 so với hiện nay là 92%, trong khi đó lượng nước dùng trong công nghiệp và tiêu dùng cũng gia tăng nhưng ít hơn so với nông nghiệp. Do đó, cần xem xét lại tình trạng các nguồn nước hiện nay như đã nêu trên và đẩy mạnh biện pháp thủy nông cho từng vùng. IV/ Thủy nông và các môn học liên hệ: Thủy nông không phải là môn học biệt lập mà nó có những liên hệ mật thiết với các môn học khác. Sự phát triển của Thủy nông là hậu qủa và cũng là nguyên nhân của sự phát triển của các ngành khác. Quan trọng nhất là Nông nghiệp, Thủy lợi, Thủy lực, Khí tượng, Địa chất, Kinh tế, Xã hội. VI/ Giới hạn của gíao trình: Mục đích của giáo trình này là cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về Thủy nông: những số liệu cơ bản, các lý luận cơ sở, các phương pháp và biện pháp Thủy nông. Tập bài giảng gồm 4 phần chính: Phần I: Dựa trên cơ sở phân tích các tương quan giữa Đất-Nước-Cây trồng, khảo sát việc tưới nước cho cây trồng trên đồng ruộng. Tính toán yêu cầu nước, chế độ tưới và phương pháp tưới. Phần II: Dựa trên kiến thức phần I, trình bày Hệ thống điều tiết nước ruộng, hệ thống kênh tưới, tiêu và biện pháp quản lý 1 hệ thống Thủy nông. Phần III: là phần chuyên đề, áp dụng các kiến thức trong 3 phần đầu để giải quyết các vấn đề đặc biệt như cải tạo đất, chống xói mòn, v.v.. Phần bài tập thực hành không nằm trong tập giáo trình này. Bài giảng được soạn tương đối đầy đủ chi tiết để có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên muốn đi sâu hơn về Thủy nông. ---***--- Các tài liệu tham khảo chính: Tô phúc Tường, Giáo trình Thủy nông, ĐHNL, 1976: Giáo trình Thủy nông. Nhà xuất bản Nông nghiệp, M. Jansen, Design and Operation of farm irrigation system, the American Society of Agricultural Engineers, 1983. Daniel Hillel, Introduction to Soil Physics, Academic Press, 1982. Vaughn E. Hansen, Irrigation principles and practices, 4th edition, 1962. Nurul Islam, Population and Food in the Early Twenty-First Century: Meeting Future Food Demand of an Increasing Population, International Food Policy Research Institute , 1995. Producing more rice with less water from irrigated systems. IRRI, SWIM,IIMI, 1998 Edward J. Plaster, Soil Science and Management, 3rd edition, 1996. R.P.C. Morgan, Soil erosion and Conservation, 1986. Bài đọc thêm: Những thách thức Kỹ thuật Thủy nông trong tương lai (trích từ Design and Operation of farm irrigation systems trang 9-10). Những vấn đề về phân phối nước cho các trang trại cần phải được quan tâm chú ý. Trong đó việc hiện đại hóa những kế hoạch tưới nứơc cổ lỗ, lạc hậu để hệ thống phân phối nước, hoặc chính sách phân phối nước, không giới hạn hiệu suất tưới. Hiện nay, vẫn chưa có những hệ thống tưới có hiệu qủa kinh tế có thể áp dụng nước với độ đồng đều gần như hoàn hảo. Khi mục tiêu này đạt được, chúng ta có thể phát triển thêm những phương pháp kiểm soát lượng nước áp dụng đến mức độ chỉ gồm cho ET (BTH) và thấm lậu (leaching) cần thiết mà thôi. Nhiều hệ thống tưới mặt đất không thể hoạt động một cách hiệu qủa mà không có sự đầu tư (input) một khối lượng lớn về lao động. Vấn đề về nguồn năng lượng đưa nước tưới (section 3.7). Trong đó rất nhiều nguồn năng lượng mới đang được ứng dụng (ví dụ: Sức gió) kể từ 1980s đang là vấn đề đáng chú ý. Vấn đề về môi trường (section 3.8) và sức khoẻ con người ở những nước đang phát triển (section 2.1 và 9.5). Số liệu thực đo (actual data) về thiết kế và những khó khăn trong việc vận hành những hệ thống tưới hiện tại. Những thách đố về tưới nước sẽ là vấn đề lớn nhất (đối với các nước đang phát triển mà ở đó đã cải thiện những ứng dụng quản lý nước) sẽ có một tiềm năng to lớn trong việc gia tăng sản xuất lương thực thực phẩm, và fibre. Chương trình hành động cuối cùng (đã được thảo luận tại Maryland, USA, 13-15/5/1980) sẽ bao gồm việc ĐẦU TƯ (input) hệ thống tưới có ý nghĩa, những chương trình ở các mức độ : TRANG TRẠI, LÀNG XÃ, QUỐC GIA VÀ CẢ QUỐC TẾ. Chương 2: HỆ THỐNG ĐẤT-NƯỚC-CÂY TRỒNG Nội dung: I/ Giới thiệu dẫn nhập. II/ Hệ thống ĐẤT-NƯỚC (theo quan niệm tỉnh). Độ ẩm đất. Các dạng nước trong đất. Các hằng số nước trong đất (Thang độ ẩm). III/ Hệ thống ĐẤT NƯỚC (theo quan niệm động). Năng lượng nước trong đất ẩm. Các thành phần năng lượng nước trong đất ẩm. Đường tương quan giữa áp suất giữ nước và ẩm độ đất. IV/ Các phương pháp xác định độ ẩm và đường đặc trưng của đất. Phương pháp sấy khô. Phương pháp dùng điện trở. Phương pháp phóng xạ. Phương pháp dùng trương lực kế (tensiometer). Phương pháp đo đường đặc trưng (màng áp suất). V/ Hiện tượng thảo mộc rút nước từ rễ cây. Tổng quát. Các quan niệm về lượng nước hữu hiệu cho cây. Quan niệm cũ. - Quan niệm mới. Phân tích các hiện tượng di chuyển của nước trong hệ thống ĐẤT –NƯỚC-CÂY TRỒNG. Rễ cây rút nước trong đất. Từ khóa: - Độ ẩm đất hoặc ẩm độ đất (soil moisture), - hằng số nước trong đất (moisture constants), - lượng nước hữu hiệu (available water), - nước dính (adhesion water), - nước màng (cohesion water), - nước trọng lực (gravitional water), - lực giữ nước của đất (water retention) (pF), - hệ số truyền nước (K) (hydraulic conductivity). Các vấn đề cần nắm vững: Các khái niệm, cách tính ẩm độ đất và việc theo dõi (đo) độ ẩm đất. Các dạng nước trong đất và các lực giữ nước trong đất. Các khái niệm về lượng nước hữu hiệu đối với cây trồng. Sự di chuyển của nước trong đất vào vùng rễ cây (hoặc sự hấp thụ nước trong đất của rễ cây và sự di chuyển lên thân lá). Các yếu tố ảnh hưởng lên việc hấp thụ nước của rễ cây. -----*****----- Chương 2: HỆ THỐNG ĐẤT-NƯỚC-CÂY TRỒNG. I/ Giới thiệu dẫn nhập: Mục đích cuối cùng của Thủy nông vẫn là việc dùng nước để tạo trong đất một môi trường tối hảo cho cây trồng, đồng thời duy trì hay cải tiến độ phì nhiêu của đất. Mỗi một loại đất, mỗi một cây trồng có nhu cầu nước riêng, vì thế để thiết kế hệ thống thủy nông trước hết ta phải biết các cây trồng, các loại đất có phản ứng như thế nào, sử dụng lượng nước tưới như thế nào khi được tưới nước? Có như thế thì ta mới tính tóan đúng được lượng nước, phẩm chất nước, kế hoạch tưới nước cho từng thửa ruộng, và trên cơ sở cho 1 hệ thống rộng. Nói một cách khác, các liên hệ giữa Đất-Nước-Cây Trồng phải được xem là cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống và sử dụng các hệ thống thủy nông. Các liên hệ đó phải được xem là các liên hệ nội tại, hữu cơ trong một hệ thống thống nhất. Mục đích của chương này là khảo sát các mối liên hệ đó. II/ Hệ thống ĐẤT-NƯỚC (theo quan niệm thổ nhưỡng hay quan niệm tỉnh): II.1. Độ ẩm đất: Một khối đất thông thường (hình 2.1) thực sự là 1 hỗn hợp gồm: - Các hạt đất: là các khoáng chất ở thể rắn (đặc, solid). - Các tế khổng: là các lổ rổng giữa các hạt đất. Trong tế khổng có chứa nước, hơi nước và không khí. Như vậy nước hiện diện trong đất dưới 2 dạng: thể lỏng và thể khí (hơi). Thành phần ở thể hơi không đáng kể so với thành phần ở thể lỏng. Vì vậy, để diển tả hay đo lường lượng nước có trong đất , người ta dùng các chỉ số “ độ ẩm” hay “ẩm độ” như sau: a/ Độ ẩm tính theo trọng lượng (w, tính theo %): w (%) = [(TL đất ướt –TL đất khô) * 100] / TL đất khô. b/ Độ ẩm tính theo thể tích (q, tính theo %): q (%) = 100 * (TT nước chứa trong đất)/ TT toàn thể khối đất. c/ Chiều cao lớp nước tương đương (htd, tính bằng đơn vị chiều cao): là chiều cao của lớp nước chứa trong 1 chiều cao đơn vị của đất (ví dụ: 1 m). htd = (thể tích nước chứa trong đất)/(thể tích toàn thể khối đất). d/ Mối quan hệ giữa w và q. q = w * eb. Trong đó eb là dung trọng hay tỉ trọng biểu kiến khô của đất. eb (g/cm3) = (TL đất khô)/(TT toàn thể khối đất) Một số thông số khác thường dùng trong thủy nông là: Tỉ trọng đất (density of solid) (rs): rs = TL đất khô/ thể tích hạt rắn = Ms/Vs. Độ rỗng (porosity) (f) f = Vf/Vt = (Va + Vw) / (Va + Vw + Vs) Độ bảo hòa (degree of saturation) (s) s = Vw/Vf = Vw / (Va + Vw) Tỉ lệ rỗng (void ratio) (e) e = (Va + Vw) / Vs = Vf / (Vt – Vf) Độ rỗng không khí (air filled porosity) (fa) fa = Va/Vt = Va / (Va + Vw + Vs) Các mối quan hệ giữa các thông số: - Độ rỗng và tỉ lệ rỗng : e = f/(1-f) => f = e / (1-e) - Độ ẩm thể tích và độ bảo hòa: q = s*f => s = q/f - Độ rỗng và dung trọng: f = (rs –rb) / rs = 1 - rb/ rs Thí dụ 1: Một mẫu đất có trọng lượng ướt (Mt) là 1000 g, thể tích khối đất (Vt) là 640 cm3. Trọng lượng sau khi sấy khô (Ms) là 800g. Giã sử đất có tỉ trọng hạt rs là 2,65 g/cm3. Tính: Dung trọng rb = Ms/Vt = 800/640 = 1.25 g/cm3. Độ rỗng f = 1 - rb/rs = 1 – 1.25/2.65 = 1 – 0.472 = 0.528 = 52.8% Tỉ lệ rỗng e = Vf/Vs = (Vt-Vs)/Vs = Vt/Vs – 1 = 640/(800/2.65) – 1 = 1.12 Độ ẩm trọng lượng w= Mw?Ms = (Mt-Ms)/Ms = (1000-800)/800 = 0.25 = 25%. Độ ẩm thể tích q= Vw/Vt = 200/640 = 0.3125 = 32.15% Độ ẩm bảo hòa s = Vw/(Vt-Vs) = 200/(640-301.9) = 0.592 = 59.2%. Độ rỗng không khí fa = Va/Vt = (600-200-301.9)/640 = 0.216 = 21.6%. Thí dụ 2: a/Tính chiều cao lớp nước tương đương (cm) trong 1 phẫu diện đất sâu 1m với các thông số như sau: b/ Tính lượng nước chứa trên 1 ha có trong phẫu diện trên. Độ sâu h (cm) w (%) rb 0 – 40 15 1.2 40-100 25 1.4 Giải: a/ Độ sâu h (cm) w (%) rb q(%) htd (cm) 0 – 40 15 1.2 18 40 * 18/100 = 7.2 40-100 25 1.4 35 60 * 35/100 = 21 Tổng cộng 28.2 Vậy b/ V = h * S = 28.2 * 10 –2 * 10 4 = 2820 m3. II.2. Các dạng nước trong đất (hình 2.2): a/ Hơi nước: Hơi nước có mặt trong tế khổng rất cần cho sự hoạt động phát triển của bộ rễ, lông rễ. Hơi nước luôn di chuyển từ chổ có áp suất tuyệt đối cao đến nơi có áp suất tuyệât đối thấp hơn, nó cũng có thể di chuyển từ trong đất ra ngoài không khí và bị gió cuốn đi một cách thụ động. Đó là nguyên nhân chủ yếu để hình thành sự bốc hơi mặt đất (mất nước trong đất). b/ Nước liên kết hóa học: Do đặc tính hóa học của nước là một phân tử 2 cực (diopole) [H2O H+ + OH-], nước có thể liên kết với các hạt đất (ví dụ ion Na+ trong đất) tạo thành một lớp nước liên kết hóa học, liên kết vô cùng chặt chẻ với các phân tử rắn trong đất, và không thể hút bởi rễ cây nên cây không sử dụng được. Vì thế khi tính độ ẩm đất, người ta không tính đến lượng nước này. Lượng nước này chỉ có thể tách rời khỏi đất khi có lực hút lớn (ví du:ï sấy ở 500 oC). c/ Nước liên kết lý học: Đây là lượng nước giữ lại trong đất nhờ các lực phân tử. Nó bao gồm: - Nước dính (nước hấp thụ, hay nước liên kết): do lực hấp thụ của các hạt đất lên các phân tử nước. Nước tạo thành 1 lớp mỏng chung quanh hạt đất, có chiều dày khoảng 5 lần đường kính phân tử nước. Lượng nước này thay đổi tùy theo thành phần cơ giới của đất (đất sét > đất cát). Lượng nước này chỉ có thể di chuyển khi biến thành hơi (sấy). - Nước màng (hay nước liên kết hờ): lượng nước này được lớp nước dính hấp thu bằng các lực phân tử định hướng. Lớp nước màng có chiều dày từ 2 - 6 lần chiều dày của lớp nước dính. Nước màng có thể di chuyển ở thể lỏng từ chổ màng dày đến chổ màng mỏng khi có1 lực hút lớn; cây trồng có thể hấp thụ một phần của lượng nước này nhưng rất khó khăn. Lượng nước này gia tăng khi các hạt đất là hạt nhỏ. Cát khoảng 1,5 % trong khi đó sét có thể lên đến 30%. d/ Nước tự do: Nói chung tất cả các lượng nước không chịu tác dụng bởi các lực liên kết phân tử thì được gọi là nước tự do. Không khí và hơi nước Hạt đất Nước dính Nước màng Nước mao quản (nước tự do) Hình 2.2: Các dạng nước trong đất. - Nước mao quản: là lượng nước nằm ngoài lớp nước màng, chịu sự tác dụng của lực mao dẫn. Chính nhờ nước mao quản này mà nước ngầm có thể từ dưới leo lên trên (mao quản leo), hay vẫn tiếp tục di chuyển từ trên xuống dưới sau khi ngừng cung cấp nước (mao quản treo). Người ta còn chia nước mao quản thành 2 loại: nước góc chỉ chịu sự tác dụng của lực mao quản (là nước tại chổ cong nơi tiếp xúc của các lớp nước màng). Khi nước góc này dày thêm, tiếp xúc với nhau thì tạo thành mao quản ống (chịu tác dụng của lực mao dẫn lẫn trọng lực). - Nước trọng lực: sau khi thành lập nước mao quản ống, giữa các tế khổng có khi còn chổ trống chưa chứa nước . Nếu được tiếp tục cung cấp nước thêm thì các chổ trống này sẽ chứa nước. Lượng nước này gọi là nước trọng lực vì nó chỉ chịu sự tác dụng của trọng lực. Nước tự do là lượng nước cây trồng có thể hấp thu được. II.3. Các hằng số nước trong đất (hay là thang ẩm độ)(hình 2.3 và bảng 2.3): a/ Độ ẩm bảo hòa (ĐA)bh: khi các lỗ rổng chứa đầy nước. b/ Độ ẩm đồng ruộng hay còn gọi là thủy dung ngoài đồng (field capacity): Khi đất đã ở độ ẩm bảo hòa mà ngưng cung cấp nước, nước tiếp tục chuyển động xuống sâu theo tác dụng của trọng lực. Sau khi lượng nước trọng lực vừa chảy đi hết khoảng 2-3 ngày sau khi mưa hoặc tưới, thi độ ẩm đất lúc đó là độ ẩm đồng ruộng (ĐA)dr. Áp suất giữ nước tương ứng lúc đó khoảng 1/3 bars. Ngoài ra ngưới ta còn có thể định nghĩa (ĐA)dr theo lực giữ nước của đất (sẽ học ở phần tiếp theo sau) là: - Áp lực giữ nước là –100 cm hay pF = 2 và mực nước ngầm sâu hơn 1m (theo Driessen, 1986a). - Áp suất giữ nước là –50vm => - 330 cm (theo Keague et al 1984). Những yếu tố ảnh hưởng lên độ ẩm đồng ruộng là: a1. Sa cấu: sa cấu càng mịn thì ĐA(dr) càng cao. a2. Loại sét (type of clay): Nhiều montmorillonite thì ĐA(dr) càng cao. a3. Thành phần hữu cơ : thành phần hữu cơ có thể giúp đất giữ nước nhiều hơn, nhưng lượng nước hữu cơ hiện diện trong đất thường rất thấp nên ảnh hưởng không đáng kể. a4. Tỉ lệ tái phân phối độ ẩm càng chậm => ĐA(dr) càng cao. a5. Sự hiện diện của tầng không thấm làm cản trở việc tái phân phối độ ẩm, do đó làm tăng ĐA(dr). a6. Bốc thoát hơi. c/ Độ ẩm min (ĐA)min: Độ ẩm tối thiểu để duy trì năng suất cây trồng (được trình bày chi tiết ở phần V.2). Độ ẩm min có thể được xác định bằng 2 cách như sau: c1. Khi không có đầy đủ tài liệu: (ĐA)min = [(ĐA)dr + (ĐA)hc]/2. c2. Xét theo 2 yếu tố : nhóm cây và ETm => p: Trong đó p = [(ĐA)dr – (ĐA)min] / [(ĐA)dr – (ĐA)hc]. p được gọi là hệ số thiếu hụt độ ẩm (bảng 2.1 và bảng 2.2). Bảng 2.1: Nhóm cây (theo Doorenbos et al, 1979) Nhóm cây Cây trồng đại diện 1 Hành lá, Tiêu, Khoai tây 2 Bắp cải, Đậu (Pea), Cà chua 3 Đậu (Bean), Đậu phụng, Hướng dương, Dưa hấu, Lúa mì. 4 Bông vải, Bắp, Mía, Thuốc lá Bảng 2.2: Hệ số thiếu hụt độ ẩm p (theo nhóm cây và ETm). ETm (cm/ngày) Nhóm cây £0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1 0.5 0.425 0.35 0.3 0.25 0.225 0.2 0.2 0.175 2 0.675 0.575 0.475 0.4 0.35 0.325 0.275 0.25 0.225 3 0.8 0.7 0.6 0.5 0.45 0.425 0.375 0.35 0.3 4 0.875 0.8 0.7 0.5 0.55 0.5 0.45 0.425 0.4 d/ Độ ẩm héo cây (wilting point) (ĐA)hc: là độ ẩm mà tại đó cây tuy có khả năng có thể hút được nước nhưng không duy trì được sự sống. Lực giữ nước của đất tương ứng lúc đó là15 bars. * Khi vài lá bắt đầu héo mà không phục hồi (tươi) trở lại thì gọi đó là độ ẩm héo cây vĩnh viễn (permanent wilting point). * Khi toàn cây đã héo thì gọi là độ ẩm héo cây tối hậu (ultimate wilting point). Tuy sự khác biệt đo bằng ẩm độ giữa 2 trị số này rất nhỏ, nhưng sự khác biệt giữa áp suất hút lại khá lớn (xem phần sau). e/ Khoảng nước hữu hiệu: là khoảng ẩm độ từ (ĐA)dr đến (ĐA)hc. f/ Khoảng duy trì năng suất: là từ (ĐA)dr đến (ĐA)min. Dạng nước Hằng số nước trong đất Khoảng ẩm độ (ĐA)bảo hòa Nước Nöôùc töï do Trọng lực (ĐA) đồng ruộng (1/3 bar) Khoảng nước Nước hữu hiệu mao quản (ĐA) héo cây vĩnh viễn Nước (15 bar) Khoảng Nöôùc lieân keát màng héo cây (ĐA) héo cây tối hậu Khoảng Nước liên kết dính chặt 0 khô Hình 2.3: Sự liên hệ giữa các dạng nước trong đất và các hằng số nước. Bảng 2.3: Các hằng số nước trong đất. Loại đất (ĐA)dr (%) (ĐA)hc (%) LN hữu hiệu (%) LN hữu hiệu (cm/m đất) Cát thô 8 - 10 3,5 – 4,5 4,5 – 5,5 6,7 - 9,2 Thịt nhiều cát 14 – 17 6 - 7,5 8 – 9,5 10 – 14 Thịt 17 – 20 7,5 – 9,5 9,5 – 10,5 14 – 15,5 Thịt nhiều sét 19 – 24 8,5 – 11 9,5 – 13 16 – 19 Sét 27 – 35 15 – 19 12 – 16 18 – 23 Source: theo SCS, 1964. III/ Hệ thống ĐẤT-NƯỚC (theo quan niệm động học). III.1. Năng lượng nước trong đất ẩm: Nước trong đất, cũng như bao vật chất khác, đều có chứa năng lượng. Xét 1 điểm bất kỳ trong chất lỏng nằm trong đất. Theo phương trình Bernouilli, năng lượng tại điểm đó là: E = z + p/rg + v2/2g. Trong đó: z : Thế năng của điểm đang khảo sát, chính là độ cao của điểm đó so với mặt chuẩn , mặt chuẩn thường là mặt đất tự nhiên. p/rg : Lực giữ nước do đất gây ra, còn gọi là năng lượng ma trận ay lực phân tử (Matrix potential), r là tỉ trọng chất lỏng đang khảo sát và g là gia tốc trọng trường. v2/2g : Động năng của chất lỏng tại điểm khảo sát, với v là vận tốc dòng chảy của chất lỏng trong đất. Tuy nhiên nước trong đất di chuyển rất chậm, nên động năng (v2/2g) không đáng kể. Năng lượng nước trong đất ẩm hầu hết ở trạng thái tỉnh tùy thuộc vào vị trí (z) và tình trạng nội tại (năng lượng ma trận) ( p/r g) của phân tử nước đang xét. Khi có sự khác biệt năng lượng giữa 2 điểm nước trong đất mà nước có thể di chuyển từ điểm này qua điểm khác (từ nơi có tiềm năng cao đến nơi có tiềm năng thấp hơn). Như vậy lực tác dụng lên sự di chuyển của nước là Fs = -dE/ds. trong đó: dE: chênh lệch năng lượng của 1 đơn vị trọng lượng nước. ds: đọan đường di chuyển, hay khỏang cách giữa 2 điểm. Dấu – chỉ sự giảm năng lượng theo đọan đường di chuyển. Do đó để nói đến năng lượng của nước tại 1 điểm là phải so sánh năng lượng ở điểm đó với năng lượng của 1 điểm khác ở điều kiện chuẩn nào đó. Điều kiện chuẩn, có thể là nước ở trạng thái tự do, không chứa chất hòa tan, có áp suất khí trời, cùng nhiệt độ và độ cao như nước trong đất tại điểm ta đang xét. Theo định nghĩa trên đây thì năng lượng nước trong đất bảo hòa sẽ dương (+) và trong đất khô hay ẩm sẽ âm (-). Như vậy nói đến lực giữ nước của đất ở 1 trạng thái nào đó là nói đến cần 1 lực để đem nước từ đất ở trạng thái đó sang trạng thái ứng với điều kiện chuẩn. Năng lượng nước có thể đo bằng đơn vị lực: atmosphere (atm), bar, chiều cao cột nước (H, cm), hay kgf/m2 .trong đó: 1 atm = 1 bar = 10 m nước = 1 kgf/cm2. III.2. Các thành phần năng lượng nước trong đất: Nước trong đất chịu sự tác dụng của nhiều lực, chính các lực này làm năng luợng của nước trong đất khác năng lượng của nước tự do. Các lực thông thường nhất là: Trọng lực (tạo nên thế năng). Lực phân tử (do các hạt đất tác dụng lên nước) (tạo nên năng lượng ma trận). Lực do sự khác biệt nồng độ (tạo nên năng lượng thẩm thấu). - Thế năng (Eg): chỉ phụ thuộc vào vị trí so với 1 mặt chuẩn bất kỳ, do đó Eg = r * g * z. - Năng lượng ma trận (Em): Ma trận các hạt đất tác dụng lên nước các lực mao dẫn và liên kết làm cho năng lượng của nước trong đất thấp hơn năng lượng nước tự do ở cùng vị trí. Hai khái niệm lực mao dẫn và liên kết đều bắt nguồn từ sự hiện diện của nước trong các hạt đất và kẻ hở, rất khó để có thể phân biệt được khi nào thì lực này chuyển sang lực kia, cho nên dưới khía cạnh năng lượng, ta gọi chúng là lực ma trận. Nếu gọi P là áp suất trong hệ thống thì Em = P (P <0). -Năng lượng thẩm thấu (Et): Nước ở trong đất cũng như nước trong hệ thống rễ cây đều chứa các chất hòa tan, và vì nước trong đất phải được ngấm vào trong rễ, cho nên năng lượng của thẩm thấu cần được để ý (thí dụ trong trường hợp đất nước mặn). (Et < 0 ) Thông thường khi so sánh năng lượng là ta so sanùh với năng lượng nước ở điều kiện chuẩn ở cùng 1 cao độ (ta có thể lấy z = 0). Vì vậy E = Em + Et. Ngoài ra, Em>>Et, Do đó E = Em = P. (hình 2.4). Hình 2.4 cho thí dụ về ảnh hưởng của chất lượng nước lên áp suất nước trong đất. Nước trong đất có thể chứa nhiều chất hòa tan, nên nếu nó tiếp xúc với nước tự do (nước cất) qua khối đất nằm ở giữa 2 màng bán thấm (nghĩa là chỉ thấm nước không cho không khí và chất hòa tan đi qua) thì nước tự do sẽ chảy qua đất . Nói cách khác, chất hòa tan đã làm hạ năng lượng của nước trong đất. Màng thấm nước và chất hòa tan Màng thấm nước Nöôùc caát Dung dòch ñaát Ñaát öôùt Nöôùc caát Tổng Thẩm thấu Cộng Ma trận Hình 2.4: Áp suất giữ nước của đất. III.3. Đường tương quan giữa áp suất giữ nước và ẩm độ trong đất. Đất sét Đất bị nén Đất cát Đất Không bị nén Lượng nước trong đất Lượng nước trong đất Hình 2.5: Ảnh hưởng của sa cấu lên Hình 2.6: Ảnh hưởng của cấu lực giữ nước. trúc lên lực giữ nước của hạt đất. Tại mỗi ẩm độ, nước trong đất có 1 năng lượng ma trận riêng tùy thuộc vào tính chất của đất và của nước. Do đó, người ta có thể thiết lập đường biểu diễn sự liên hệ giữa năng lượng ma trận (hay áp suất giữ nước) và ẩm độ đất. Đường này gọi là đường đặc trưng ẩm độ-áp suất giữ nước. Đường đặc trưng này thay đổi tùy theo sa cấu (hình 2.5) và theo cơ (kết) cấu đất (hình 2.6). IV/ Các phương pháp xác định độ ẩm và đường đặc trưng của đất. IV.1. Phương pháp sấy khô: Đây là phương pháp thông dụng nhất. Nguyên tắc và dụng cụ: Tủ sấy (dùng để chỉnh nhiệt độ tự động), sấy ở nhiệt độ 105oC trong thời gian khoảng 24 giờ (nghĩa là cho đến khi sự thay đổi trọng lượng không đáng kể). Sau đó dùng công thức (1) để xác định độ ẩm. Ưu điểm: - Dễ thực hiện. Khuyết điểm: - Không đo được tức thời, tại chổ (hiện trường). - Một số loại sét còn giữ lại nước dính, nước màng. - Một số chất hữu cơ có thể bị oxýt hóa (ozidized), và bị phân hủy (decomposed, decay) ở 105oC. Do đó, việc giảm trọng lượng có thể không hoàn toàn do mất nước trong đất. Để giảm khuyết điểm trên đây, người ta tăng kích cở mẫu và giảm số lượng mẫu, nhưng điều này lại dẫn đến việc phá hủy hoặc làm rối loạn (disturb) lô quan sát thí nghiệm. IV.2. Phương pháp dùng điện trở : (electric resistance) (hình 2.7). Nguyên tắc và dụng cụ: Gồm 1 thỏi sứ hay fibre glass có 1 cặp điện cực (electrodes). Thỏi sứ hút nước, cân bằng ẩm độ với lớp đất chung quanh nếu được chôn xuống đất. Ẩm độ trong thỏi sứ làm thay đổi điện trở của điện cực và do đó có thể xác định bằng 1 ohm-mét. - Ưu điểm: - Đo tức thời, tại chổ. - Khuyết điểm: - Khoảng ẩm độ khảo sát hẹp. - Trị số đo bị ảnh hưởng bởi các chất hòa tan. - Trị số đo sẽ sai khi thỏi sứ không tiếp xúc với đất tốt. IV.3. Phương pháp phóng xạ: Nguyên tắc: Phóng xạ xuất phát từ 1 thỏi radium và berryllium hay amdricium và berryllium, sẽ đụng vào các hạt nhân của các nguyên tử chung quanh làm tăng năng lượng của các phóng xạ. Năng lượng giảm nhiều nhất khi các phóng xạ (neutrons, các hạt trung hoà) đụng phải các hạt nhân có trọng lượng gần bằng chúng, đó là các hạt nhân H2 trong H2O (Hillel, 1971). Thí nghiệm cho thấy, số lượng các hạt trung hòa bị giảm năng lượng tỉ lệ với số lượng các phân tử H2 trong đất. Số lượng các hạt bị làm chậm lại được đo bởi các đồng hồ phóng xạ. Dụng cụ: Gồm 1 probe hình trụ, đầu có gắn chất phóng xạ. Chung quanh được bảo vệ bằng lưới chì (Pb) và Polyethylene. Đồng hồ đo các hạt H2 bị làm chậm lại. Ưu khuyết điểm: Đo được độ ẩm tính theo thể tích. Vùng ảnh hưởng đo được là 1 hình cầu 15cm < D < 50cm. Vì vậy trị số đo được là trị số trung bình. Ngoài ra, phương pháp này không thích hợp cho việc đo gần mặt đất hay những nơi có độ ẩm mất liên tục (mặt ướt, wetting front). IV.4. Phương pháp dùng trương lực kế: (tensiometter) (hình 2.8) Nguyên tắc và dụng cụ: Gồm chén sứ, ống nối và áp suất kế, nước được chứa đầy bên trong. Khi chôn chén sứ vào đất, sức hút nước từ đất khiến nước trong trương lực kế thoát ra ngoài theo các tế khổng của chén sứ làm giảm áp suất trong ống, áp suất kế sẽ ghi lại trị số này và đó là áp suất giữ nước của đất. Ưu khuyết điểm: Thường được dùng ngoài đồng để theo dõi độ ẩm của đất trồng trọt. Chỉ đo được áp suất trong đất khi áp suất đo nhỏ hơn áp suất khí trời (< 1atm). IV. 5. Phương pháp đo đường đặc trưng: (dùng màng áp suất) (hình 2.9). Nguyên tắc và dụng cụ: Các thành phần chủ yếu được trình bày trong hình 2.9. Mẫu đất được đặt trên các tấm sứ rỗng (porous plate) làm bằng ceramic hay các màng cellulose acetate. Phía trên tấm sứ có áp suất cao. Phía dưới tấm sứ có áp suất thấp (khí trời). Tất cả chứa trong 1 hộp (chamber) chịu áp suất cao. Khi tăng áp suất phía trên, tức là tăng sức hút từ phía dưới, nước sẽ thoát ra khỏi dĩa và xuống phía dưới. Khi sức hút đã cân bằng vơi lực giữ nuớc của đất thì nước sẽ không thoát ra khỏi đất nữa. Lúc đó ta ngưng áp suất, lấy mẫu ra và xác định độ ẩm bằng phương pháp cân sấy. Như vậy là ta xác định được các cặp trị số (p,W). Nếu tiếp tục thay đổi áp suất ta sẽ cóù các cặp trị số tương ứng khác (p2W2; p3W3pnWn). Đây chính là đường tương quan giữa áp suất giữ nước của đất và ẩm độ. Ưu khuyết điểm: Dụng cụ đắt tiền, nhưng có thể thiết lập được đường đặc trưng từ 0-20 bars (hoặc 100 bar nếu là màng cellulose acetate) IV.6. Phương pháp dùng giấy lọc (Using filter paper Whatman No 42.)(đọc thêm) Phương pháp dùng giấy lọc dựa trên đặc tính ẩm độ chuẩn hóa của giấy lọc để suy ra đặc tính ẩm độ đất. Phương pháp này xác định cho áp suất tiềm thế từ khoảng –10 đến 10-5 . V/ Hiện tượng thảo mộc rút nước từ rể cây. V.1. Tổng quát: Lượng nước rễ cây hút từ đất truyền qua cây, phần lớn (>90%) được thoát ra ngoài không khí bằng hiện tượng thoát hơi (transpiration). Có thể nói lượng nước hút bởi rễ cây không phải kiểm soát bằng nhu cầu sinh tồn và dinh dưỡng của cây mà bằng hiện tượng bốc hơi từ các tế khổng ra lớp không khí chung quanh. Có hiện tượng này là vì có 1 gradient áp suất từ lá cây qua môi trường không khí chung quanh. Nhưng không phải hoàn toàn thụ động, mà cây có thể kiểm soát được tới 1 mức nào đó lượng nước bốc hơi bằng cách đóng hay mở cửa khổng (stoma) (hình 2.10). Lẽ dĩ nhiên việc đóng cửa khổng có ảnh hưỡng đến việc tăng trưởng của cây vì phòng dưới khổng (sub-stomatal cavity) cũng là nơi lá cây hấp thụ CO2 cần thiết cho hiện tượng quang hợp, và đôi khi làm cho cây qúa nóng, nước không thoát ra ngoài được. Đứng về phương diện thủy nông, ta xét: Đất cung cấp nước cho cây có dễ dàng không? Khi nào đất không cung cấp đủ nước cho cây? Hiện tượng bốc thoát hơi có ảnh hưỡng gì lên năng lượng và sự di chuyển của nước trong đất? Hình 2.10: Hiện tượng thảo mộc rút nước từ rễ cây. V.2. Các quan niệm về lượng nước hữu hiệu cho cây: Quan niệm cũ: Nhiều người quan niệm rằng cây chỉ dùng nước trong khoảng từ (ĐA)dr đến (ĐA)hc và hai giới hạn này chỉ tùy thuộc vào loại đất. Nhiều người khác cho rằng , cây hấp thụ nước dễ dàng khi ẩm độ thay đổi từ (ĐA)dr đến (ĐA)hc rồi tại điểm này, cây không hút được nước nữa (theo Veihmeyer, Henrickson, 1955) (đường số 1, hình 2.11). NSuất (1) (2) (3) (ĐA)dr (ĐA)hc Độ ẩm Hình 2.11: Các quan niệm (củ) về sử dụng nước giữa (ĐA)dr và (ĐA)hc. Cũng có người cho rằng khi ẩm độ giảm từ (ĐA)dr xuống (ĐA)hc thì cây càng lúc càng khó hút nước và sự tăng trưỡng của cây bị ảnh hưỡng trước khi đạt (ĐA)hc (theo Richards, Wadhigh, 1952) (đường số 2 , hình 2.11). Cũng có người lại dung hòa hai quan niệm trên, cho rằng có 1 khoảng độ ẩm mà tại đó rễ cây hút nước dễ dàng rồi đến điểm nào đó sự hút nước khó dần (đường số 3, hình 2.11). Những quan niệm trên đây tuy khá hữu dụng trong việc thiết kế và quản lý các hệ thống thủy nông, nhưng không đưa ra 1 hình ảnh thật đúng đắn về sự sử dụng nước trong đất của cây trồng. Thực ra, bởi vì đó là những quan niệm tỉnh học. Trong khi đó sự sử dụng nước trong đất là 1 hiện tượng động học, cho nên để hiểu rõ hơn, ta phải dùng động học để phân tích hiện tượng. Quan niệm mới hơn về sự cung cấp nước trong đất cho cây trồng: Nhờ những phương pháp thí nghiệm mới, người ta biết được rằng, nước trong đất luôn luôn di chuyển và lượng nước cũng như lưu lượng nước được rễ cây hút không tùy thuộc vào độ ẩm hay vào tiềm năng của nước trong đất mà tùy thuộc vào: Khả năng hút nước của rễ khỏi lớp đất tiếp xúc với rễ. Khả năng cung cấp và dẫn truyền nước của đất. Như vậy hiện tượng này tùy thuộc vào (1) đặc tính của cây trồng (mật độ rễ, chiều sâu rễ, sự phân phối rễ và khả năng riêng của cây trồng để tăng sức hút khi gặp hạn), (2) đặc tính của đất (độ dẫn nước, đường đặc trưng), (3) và điều kiện khí hậu (xác định lượng nước bốc hơi, do đó lượng nước và lưu lượng hút nước vào rễ). V.3. Hiện tượng di chuyển nước trong hệ thống ĐẤT-NƯỚC-CÂY TRỒNG. Theo quan niệm mới thì Đất - Cây trồng - Không khí là 1 hệ thống động, trong đó nước di chuyển từ thành phần này qua thành phần kia. Qui luật duy nhất chi phối sự di chuyển này là : nước luôn luôn di chuyển từ nơi có năng lượng cao hơn đến nơi có năng lượng thấp hơn theo phương trình: q = - dE/Re. Vì phương trình này tương tự như trong định luật Ohm, nên nếu có thể biểu diễn diễn tiến nước chảy từ đất vào rễ, qua cây lên lá và ra không khí (hình 2.12). Trong mô hình trên ta thấy Rse của đất thay đổi vì: Độ dẫn truyền (hydraulic conductivity) của nước trong đất thay đổi theo độ ẩm. Khi gặp hạn, rễ cây có thể tăng mật độ trong khoảng đất ẩm (giảm Rse) hay mọc thêm ra vùng đất ẩm chung quanh. Khi nước chuyển động trong hệ thống trên, ta có thể viết: q = -dE1/R1 = -dE2/R2 = -dE3/R3. Trong đó: dE1: sự sai biệt áp suất từ đất vào rễ (khoảng 10 bars). dE2: sự sai biệt áp suất từ rễ vào lá (khoảng 10 bars). dE3: sự sai biệt áp suất từ lá ra ngoài không khí (# 500 bars). Như vậy R1, R2, R3 trong những ngày nóng, khổng có thể đóng lại. Do đó R tăng, q giảm. Hình 2.12: Sự di chuyển của nước trong hệ thống Đất-Nước-cây trồng. V. 4. Việc rễ cây hút nước trong đất: Nhiều loại cây rễ dài hàng km, diện tích có khi đến 100 m2 (cỏ hàng niên). Tuy vậy trong khối đất chứa rễ, chỉ có chừng 1% hạt đất tiếp xúc với rễ cây (Hillel). Như vậy, muốn vào được trong rễ, nước phải di chuyển trong đất có khi hàng cm (Gardner, 1968). Muốn rễ cây liên tục lấy được nước, lực hút nước của rễ phải lớn hơn lực giữ nước của đất. Nhưng như vậy chưa đủ, vì lực giữ nước của đất nơi tiếp xúc với rễ dần dần cân bằng với lực hút nước của rễ. Như vậy phải có điều kiện nữa là nước phải di chuyển trong đất về phía rễ với 1 lưu lượng bằng lượng bốc thoát hơi. Gardner (1968) chứng minh rằng sự khác biệt giữa lực hút nước của rễ và lực giữ nước của trung bình khối đất chung quanh để duy trì một lưu lượng q sẽ tỉ lệ thuận với lưu lượng và tỉ lệ nghịch với khả năng truyền nước k của đất (xem bài đọc thêm). Như vậy thì dE cần có để duy trì sự chảy sẽ tùy thuộc vào : Lượng thoát hơi nước của cây (chi phối q). Độ ẩm trong đất (chi phối k). Cây sẽ mất nước khi lượng nước hút vào không đủ bù cho lượng nước thoát hơi q (vì thoát hơi qúa cao hay rễ qúa thưa). Trong những trường hợp đó, hoặc cây phải gia tăng lực hút nước của rễ cây hay tăng mật độ của rễ cây, nếu không cây sẽ héo dần (đóng cửa khổng). Như vậy độ ẩm hay lực giữ nước của đất tương ứng khi cây héo không cố định mà tùy thuộäc vào q và k (qua độ ẩm đất). Lượng thoát hơi q (hình 2.13): chỉ khi q =0 thì lực hút nước của rễ và lực giữ nước trong đất mới bằng nhau, khi đó cả 2 lực này đều nhỏ hơn 10 bar. Khi q tăng và lực giữ nước trong đất hơn 10 bar thì lực hút nước của rễ phải cao hơn, khoảng 20-30 bar thì mới duy trì được sự hút nước của rễ ở lưu lượng q. Tuy nhiên rễ cây chỉ duy trì được lực hút tối đa khoảng 15-20 bar. Do đó, ứng với một lưu lượng thoát hơi q > 0 và khi lực hút nước của rễ cây đạt tối đa thì tới một lúc nào đó đất sẽ khô dần và không đủ nước cung cấp theo yêu cầu lượng q, cây sẽ héo dần. Tại điểm cây héo, lực giữ nước trong đất sẽ nhỏ hơn và ẩm độ trong đất tương ứng sẽ lớn hơn so với trường hợp q nhỏ hơn hoặc q=0. Độ ẩm đất (hình 2.14). khi q=0 , thì lực hút của rễ bằng lực giữ nước, lúc này đường đậm chính là đường đặc trưng ẩm độ -lực giữ nước trong đất. Trong đất cát, phần lớn nước được chứa trong tế khổng lớn, chỉ có khỏang 6-7% nước chứa trong tế khổng nhỏ, do đó cây cần phải tăng lực hút nhiều mới rút được lượng nước này ra. Chính vì lẽ đó cho nên trong đất cát, độ ẩm của đất ít có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây, và cho đến khi độ ẩm gặp giới hạn điểm héo thì cây sẽ héo đột ngột. Trong trường hợp đất sét, đường đặc trưng biến động nhiều từ độ ẩm cao đến thấp, nghĩa là ảnh hưởng của độ ẩm lean cây từ từ. Hình 2.13, 2.14 cũng cho thấy ẩm độ héo cây thay đổi ít đối với cát nhưng thay đổi khá nhiều khi đất là sét ở các lưu lượng hút nước của rễ khác nhau. Hình 2.13: Tùy thuộc vào lưu lượng hút nước của rễ. Hình 2.14: Tùy thuộc vào ẩm độ đất. Câu hỏi thảo luận: Tại sao nước có thể cung cấp cho những cây cao có thể lên đến 50m? Cây có hấp thụ nước vào ban đêm không ? Tại sao? Một loại đất có thể thích hợp cho tất cả các loại cây trồng không ? Tại sao? Sự khác biệt giữa quan niệm tỉnh và quan niệm động trong quan hệ Đất - Nước? Tại sao cây trồng đóng khổng và các ảnh hưởng của nó? Chương 3: BỐC THOÁT HƠI & NHU CẦU NƯỚC của CÂY TRỒNG. Nội dung: I/ Tổng quát: II/ Những yếu tố ảnh hưởng đến Bốc thoát hơi. Khí tượng. Đất đai. Cây trồng. Các yếu tố khác III/ Các phương pháp xác định lượng Bốc thoát hơi. Phương pháp trực tiếp. Phương pháp gián tiếp. IV/ Nhu cầu nước của cây trồng. V/ Bài đọc thêm về các công thức tính lượng bốc thoát hơi chuẩn. Từ khóa: - Bốc hơi (evaporation E) - Thoát hơi (transpiration T), Bốc thoát hơi (evapotranspiration ETa) Bốc thoát hơi chuẩn (reference crop evapotranspiration ETo) Nhu cầu nước của cây trồng (crop water needs / requirement) Nhu cầu nước tưới (irrigation water needs) Cân bằng nước (water balance). Các vấn đề cần nắm vững: Các yếu tố ảnh hưởng lên bốc thoát hơi. Cách đo bốc hơi qua chậu bốc hơi loại A (Ep). Các cách tính lượng bốc thoát hơi chuẩn (ETo). Cách tính nhu cầu nước của cây trồng (ứng dụng bảng tính Excel). Cân bằng nước ngoài đồng. Chương 3: BỐC THOÁT HƠI VÀ NHU CẦU NƯỚC CỦA CÂY TRỒNG. I/ Tổng quát: Sau khi tưới nước (hoặc mưa), nước ngấm xuống đất, được rễ cây hút lên, sau đó truyền lên thân, lá, và biến thành hơi nước thoát ra ngoài không khí. Đó là hiện tượng thoát hơi (transpiration). Đồng thời, vùng đất mặt chung quanh cây cũng bị mặt trời, gió, nhiệt độ, bức xạ tác động lên và biến nước trong tầng đất mặt thành hơi nước và thoát ra ngoài không khí. Đó là hiện tượng bốc hơi khoảng trống hay gọi tắt là hiện tượng bốc hơi (evaporation). Như vậy trên một khoảnh đất trồng cây, lượng nước mất ra ngoài không khí (mm/ngày) bao gồm cả bốc hơi và thoát hơi. Về phương diện vật lý và sinh lý cây trồng, hai hiện tượng trên đây khác nhau. Nhưng từ khía cạnh quản lý thủy nông, bốc hơi và thoát hơi đều gây ra việc thất thoát lượng nước trong đất ra ngoài không khí. Để bù lại lượng nước mất trong đất do bốc thoát hơi , cần tưới bổ sung lượng nước mới cho cây trồng. Chính vì thế, để tính được lượng nước cần tưới cho cây trồng, ta có thể khảo sát hiện tượng Bốc thoát hơi (evapotranspiration). II/ Những yếu tố ảnh hưởng đến Bốc thoát hơi (BTH): II.1. Các yếu tố khí tượng: Ẩm độ không khí tăng, BTH giảm(tỉ lệ nghịch). Áp suất không khí tăng, BTH giảm (tỉ lệ nghịch). Nhiệt độ không khí tăng, BTH tăng (tỉ lệ thuận). Ánh sáng tăng, BTH tăng (tỉ lệ thuận). Gió tăng, BTH tăng (tỉ lệ thuận). II.2. Các yếu tố đất đai: Ẩm độ đất tăng, BTH tăng (tỉ lệ thuận). Biện pháp làm đất: Cày lật có lượng bốc hơi thấp hơn so với còn để rơm rạ. II.3. Các yếu tố cây trồng: Lá: Những cây có nhiều lớp tế bào diệp lục và những lá bị hóa cutine nhiều thì thoát hơi nhiều hơn. Rễ: Những cây có hệ thống rễ sâu, mật độ rễ cao, diện tích rễ lớn, có khả năng hút nước cao. Do đó có thể mất đi mọât lượng nước lớn ngay trong những điều kiện khô hạn mà các rễ khác không thể hấp thu được. Loại cây: Do hệ thống rễ khác nhau, cấu tạo lá khác nhau, nên chắc chắn lượng nước cần khác nhau (xem phần hệ số hoa màu Kc). Thời kỳ tăng trưởng của cây: Khi cây còn nhỏ, lượng bốc thoát hơi hầu như là lượng bốc hơi khoảng trống. Lượng thoát hơi tăng dần khi cây có lá, và cực đại khi ra bông kết trái (thông thường đây là thời kỳ cây không thể thiếu nước) sau đó giảm nhanh khi chín, thu hoạch (hình 3.1). Hình 3.1: Nhu cầu nước của cây qua các thời kỳ tăng trưởng. Ghi chú: Planting (Gieo trồng). Emergence (nẩy mầm). Growth (phát triển) Effective full cover (che phủ hoàn toàn). Maturation (chín). Complete irrigation (tưới hoàn toàn đầy đủ). Partial irrgation (tưới 1 phần). II.4 Các yếu tố khác: Phương pháp dẫn thủy (tưới): Tưới ít và liên tục (từng ngày) làm lượng bốc hơi gia tăng. Tưới thưa hơn nhưng mỗi lần tưới nhiều hơn để nước di chuyển sâu xuống đất, sẽ giảm lượng bốc hơi và cây sử dụng được nhiều hơn. Biện pháp và kỹ thuật nông nghiệp: Các hình thức canh tác, mật độ gieo trồng, che phủ mặt đất v.v.. đều có ảnh hưỡng lên chế độ nhiệt, khả năng phát triển của bộ rễ trong đất, độ ẩm đất và khả năng tiếp xúc của đất với không khí . Do đó ảnh hưởng lên sự thay đổi bốc thoát hơi. III/ Các phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi: III.1. Phương pháp đo trực tiếp: Dùng thủy tiêu kế (hình 3.2). * Nguyên tắc: Đo thể tích (TT) hay trọng lượng nước (TL) mất đi từ các thùng trồng cây dựa vào công thức: TLbth = (TL đầu – TL cuối) + TL tưới – TL tiêu (1) Hay TTbth = (TT đầu – TT cuối) + TT tưới – TT tiêu (2). * Yêu cầu và khuyết điểm: - Yêu cầu là điều kiện về môi trường xung quanh đối với thùng trồng cây phải tương tự hoặc càng ít khác biệt với điều kiện trồng cây tự nhiên bên ngoài thùng thì càng tốt. - Độ chính xác đòi hỏi rất cao (vì bốc hơi rất nhỏ so với thể tích hoặc trọng lượng thùng chứa). - Vấn đề truyền nhiệt trong và ngoài thùng phải gần giống nhau (do đó tốt nhất là người ta phải chôn thùng xuống đất để tránh nhiệt độ của thùng cao gây ra sự khác biệt trong và ngoài thùng). Thuøng chöùa (Container) Pressure sensor (bộ cảm biến áp suất) Hình 3.2: Thủy tiêu kế kiểu trọng lượng (a weighing lysimeter). * Các loại thủy tiêu kế: - Loại chậu nhỏ: Chậu nhỏ => cân nhỏ, do đó dễ chính xác, nhưng gặp trở ngại về vấn đề truyền nhiệt, chịu ảnh hưởng nhiều bởi cây trồng chung quanh và cản trở sự phát triển của hệ thống rễ. - Loại thủy tiêu kế 3 thùng (hình 3.3): dùng cho cây lúa. 1m (1m*0.6m) (1m*0.6m) (1m*0.2m) 3 2 1 Ño boác hôi Kín ñaùy Thaám laäu y x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Luùa Hình 3.3: Thủy tiêu kế 3 thùng (dùng cho cây Lúa). Cách tính toán: Bốc hơi = TL3 (đ) – TL3 (c). Bốc thoát hơi = TL1(đ) – TL1 (c). Thấm lậu = TL1(đ) – TL2 (c). Trong đó: TL1, TL2, TL3: trọng lượng của thùng 1,2,3. (đ),(c) : Thời điểm đầu và cuối thời kỳ đo. III.2. Dùng các lô thực nghiệm: Phương pháp này chủ yếu dựa vào việc đo lượng nước vào ra của lô thí nghiệm và tính toán cân bằng nước ngoài đồng. Nhờ tính toán này mà ta biết được lượng nước tiêu thụ trong mùa vụ và tương quan giữa năng suất và lượng nước tiêu thụ. Nhu cầu nước là lượng nước tiêu thụ cho năng suất cao nhất. III.3. Phương pháp đo gián tiếp (dựa vào công thức): Có rất nhiều công thức để xác định nhu cầu nước cho cây trồng. Mỗi một công thức đều có những ưu nhược điểm riêng của nó (xem bài đọc thêm). IV. Nhu cầu nước của cây trồng: Việc tính toán nhu cầu nước của cây trồng nhằm giúp chúng ta xác định một cách khái quát tổng thể lượng nước cần có để đáp ứng yêu cầu về nước cho cây trồng phát triển tốt. IV.1. Vai trò của nước đối với cây trồng: Trung bình, cây trồng sử dụng từ 0.5-0.7 m3 nước để tạo ra 1 kg chất khô (dry matter).Việc thiếu nước thường giới hạn sự tăng trưởng của cây trồng. Như vậy nước đóng ,một vai trò rất quan trọng đối với cây trồng (người canh tác) do các chức năng sau đây: Tế bào thực vật chứa từ 50 – 90% là nước (tùy theo loại tế bào) Khi tế bào thực vật đầy đủ nước thì sẽ làm cho cành thẳng đứng, lá mở rộng để tiếp nhận ánh sáng. Tham gia trong phản ứng quang tổng hợp (tạo ra carbohydrates). Làm mát cây trồng (do thoát hơi). Hoà tan dinh dưỡng trong đất, và từ đó được rễ cây hấp thụ. Dung môi (solvent) trong những phản ứng hóa học xảy ra trong cây. IV.2. Công thức: Như đã trình bày trong phần III.3, có rất nhiều công thức để xác định nhu cầu nước cho cây trồng. Sau đây chúng tôi trình bày phương pháp xác định nhu cầu nước dựa theo bốc thoát hơi chuẩn (ETo). ETc (mm/ngày) = kc * ETo (mm/ngày). Trong đó: kc: hệ số hoa màu của cây trồng (bảng 3.2a,b,c,d). Hệ số hoa màu kc phụ thuộc vào loại cây và thời kỳ tăng trưởng của cây. ETo: lượng bốc thoát hơi chuẩn. Có rất nhiều công thức để xác định lượng ETo này, nhưng phần lớn chủ yếu dựa vào dữ liệu khí hậu như Penman, Blaney-Criddle, hoặc bức xạ, và v.v.. (xem bài đọc thêm). Các công thức này rất phức tạp và đòi hỏi rất nhiều chỉ tiêu đo đạc về khí tượng. Sau đây là công thức tính lượng bốc thoát hơi chuẩn dựa vào chậu bốc hơi loại A. Công thức tính ETo theo bốc hơi chậu A: So với các công thức khác thì phương pháp này tương đối đơn giản, dễ thực hiện. Chậu A là chậu trụ tròn, đường kính 120.7 cm, cao 25 cm, được đặt cao trên mặt đất 15 cm. Trong chậu có 1 giếng tỉnh nhỏ để vứa một thước móc câu để đo mực nước trong chậu. Trong chậu duy trì 1 lớp nước dày 5- 7.5 cm. Hàng ngày lượng nước bốc hơi từ chậu A (Ep) được đo nhờ thước móc câu. ETo = kp * Ep. Trong đó: ETo: bốc thoát hơi chuẩn (mm/ngày). Ep: bốc hơi từ chậu bốc hơi loại A (mm/ngày) kp: hệ số của chậu bốc hơi, phụ thuộc vào vị trí đặt chậu A so với hiện trạng cây trồng, tốc độ gió và độ ẩm tương đối không khí (xem hình 3.4 và bảng 3.1). Hình 3.4 Ghi chú: * Bốc thoát hơi chuẩn ETo có thể tính theo cỏ (grass) hay alfalfa * ETo tính theo cỏ là lượng bốc thoát hơi từ cánh đồng cỏ mọc tốt, phủ đầy cánh đồng, được tưới nước đầy đủ và được cắt ngắn còn 8-15 cm. Bảng 3.1. Bảng tra hệ số kp cho chậu A Chậu A Trường hợp A: đặt trên thảm cỏ Trường hợp B: đặt trên mặt đất khô ráo RH trung bình (%) -> thấp <40 trung bình 40-70 cao >70 thấp <40 trung bình 40-70 cao >70 Vận tốc gió (m/s) D1 (m) D2 (m) Nhẹ 1 0.55 0.65 0.75 1 0.7 0.8 0.85 < 2 10 0.65 0.75 0.85 10 0.6 0.7 0.8 100 0.7 0.8 0.85 100 0.55 0.65 0.75 1000 0.75 0.85 0.85 1000 0.5 0.6 0.7 Trung bình 1 0.5 0.6 0.65 1 0.65 0.75 0.8 2-5 10 0.6 0.7 0.75 10 0.55 0.65 0.7 100 0.65 0.75 0.8 100 0.5 0.6 0.65 1000 0.7 0.8 0.8 1000 0.45 0.55 0.6 Mạnh 1 0.45 0.5 0.6 1 0.6 0.65 0.7 5-8 10 0.55 0.6 0.65 10 0.5 0.55 0.65 100 0.6 0.65 0.7 100 0.45 0.5 0.6 1000 0.65 0.7 0.75 1000 0.4 0.45 0.55 Rất mạnh 1 0.4 0.45 0.5 1 0.5 0.6 0.65 >8 10 0.45 0.55 0.6 10 0.45 0.5 0.55 100 0.5 0.6 0.65 100 0.4 0.45 0.5 1000 0.55 0.6 0.65 1000 0.35 0.4 0.45 Bảng 3.2a: Hệ số hoa màu kc theo thời gian sinh trưởng: Hoa màu 0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % Bắp 0.2 0.3 0.5 0.6 0.8 0.9 0.9 0.8 0.8 0.6 0.5 Lúa miến 0.2 0.3 0.5 0.7 0.8 0.9 0.9 0.7 0.6 0.4 0.3 Đậu phụng 0.2 0.2 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 0.3 Đậu 0.1 0.3 0.4 0.7 0.9 0.9 0.9 0.8 0.6 0.4 0.3 Rau cải 0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 0.4 0.2 Lúa 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.4 1.4 1.4 1.2 0.9 0.6 Bảng 3.2b: Bảng tra hệ số cây trồng (Kc) (tính cho toàn vụ) Loại cây trồng Thời gian tăng trưởng Hệ số Kc Chanh Năm 0.6 Bông vải 7 tháng 8 tháng 0.7 0.8 Bắp 4 tháng 0.75 Đồng cỏ Quanh năm 0.75 Mía Năm 0.9 Thuốc lá 6 tháng 0.8 Cà chua 4 tháng 0.85 Lúa 3-6 tháng 1.3 Đậu 3 tháng 0.65 Bảng 3.2c: Bảng tra hệ số Kc theo thời kỳ sinh trưởng của cây trồng. Cây trồng Thời kỳ cây con Thời kỳ tăng trưởng Thời kỳ ra hoa, kết trái Thời kỳ chín Bean/green 0.35 0.70 1.10 0.90 Bean/dry 0.35 0.70 1.10 0.30 Bắp cải (cabbage) 0.45 0.75 1.05 0.90 Cà rốt (carrot) 0.45 0.75 1.05 0.90 Bông vải (cotton) 0.45 0.75 1.15 0.75 Dưa leo (cucumber) 0.45 0.70 0.90 0.75 Cà tím (eggplant) 0.45 0.75 1.15 0.80 Bắp ngọt (Maize, sweet) 0.40 0.80 1.15 1.00 Bắp chăn nuôi (Maize, grain) 0.40 0.80 1.15 0.70 Hành lá (Onion, green) 0.50 0.70 1.00 1.00 Hành củ (Onion, dry) 0.50 0.75 1.05 0.85 Đậuphụng (Peanut/G.nut) 0.45 0.75 1.05 0.70 Pea 0.45 0.80 1.15 1.05 Ớt (pepper) 0.35 0.70 1.05 0.90 Khoai tây (potato) 0.45 0.75 1.15 0.85 Đậu nành (Soybean) 0.35 0.75 1.10 0.60 Bí xanh (squash) 0.45 0.70 0.90 0.75 Hướng dương (sunflower) 0.35 0.75 1.15 0.55 Cà chua (tomato) 0.45 0.75 1.15 0.80 Ghi chú: Nếu Độ ẩm không khí (RH>80%) và Gió (V5m/s thì Kc giảm 5%. Bảng 3.2 d: Bảng tra thời kỳ sinh trưởng của một số cây trồng . Cây trồng được chia ra làm 4 thời kỳ sinh trưởng như sau (hình 3.4): Thời kỳ cây con (initial stage) Thời kỳ tăng trưởng (development stage) Thời kỳ ra hoa, kết trái (mid season stage) Thời kỳ chín (late season stage) Cây trồng Tổng thời gian (ngày) Thời kỳ cây con (ngày) Thời kỳ tăng trưởng (ngày) Thời kỳ ra hoa, kết trái (ngày) Thời kỳ chín (ngày) Bean/green 75 90 15 20 25 30 25 30 10 10 Bean/dry 95 110 15 20 25 30 35 40 20 20 Bắp cải (cabbage) 120 140 20 25 25 30 60 65 15 20 Cà rốt (carrot) 100 150 20 25 30 35 30 70 20 20 Bông vải (cotton) 180 195 30 30 50 50 55 65 45 50 Dưa leo (cucumber) 105 130 20 25 30 35 40 50 15 20 Cà tím (eggplant) 130 140 30 30 40 40 40 45 20 25 Bắp ngọt (Maize, sweet) 80 110 20 20 25 30 25 50 10 10 Bắp chăn nuôi (Maize, grain) 125 180 20 30 35 50 40 60 30 40 Hành lá (Onion, green) 70 95 25 25 30 40 10 20 5 10 Hành củ (Onion, dry) 150 210 15 20 25 35 70 110 40 45 Đâu phụng (Peanut/Groundnut) 130 140 25 30 35 40 45 45 25 25 Đậu (Pea) 90 100 15 20 25 30 35 35 15 15 Tiêu, ớt (pepper) 120 210 25 30 35 40 40 110 20 30 Khoai tây (potato) 105 145 25 30 30 35 30 50 20 30 Đậu nành (Soybean) 135 150 20 20 30 30 60 70 25 30 Bí xanh (squash) 95 120 20 25 30 35 30 35 15 25 Hướng dương (sunflower) 125 130 20 25 35 35 45 45 25 25 Cà chua (tomato) 135 180 30 35 40 45 40 70 25 30 Câu hỏi thảo luận: Giải thích cơ chế tác động của những yếu tố khí tượng thực sự ảnh hưởng lên nhu cầu nước của cây trồng? Để giảm nhu cầu nước cho cây trồng, chúng ta nên hay không nên giảm tác động của các yếu tố khí tượng? Tại sao? Mục đích của việc tính toán nhu cầu nước của cây trồng? Nêu những mối liên hệ giữa nhu cầu nước của cây trồng và vấn đề quản lý thủy nông (lượng, quantity) như thế nào? Nêu nhận xét và hướng giải quyết cho việc tính toán nhu cầu nước của cây trồng? -----*****----- V/ Bài đọc thêm (chỉ nêu cách xác định mà không đưa ra nhận xét) V.1. Công thức xác định nhu cầu nước cho cây trồng trực tiếp. Nhóm 1 yếu tố: a.1. Công thức Cô chia cốp (Liên xô): ETc = K * Y trong đó: K: hệ số cần nước để tạo nên 1 đơn vị sản phẩm. Y: Năng suất phấn đấu. a.2. Công thức Karpov (Ca-pốp)(Liên xô): ETc = a * E trong đó: a: hệ số cần nước của cây. E: lượng bốc hơi mặt ruộng. Nhóm 2 yếu tố: b.1. Công thức Sarov: ETc = e S t + 4b (m3/ha) trong đó: e: chỉ số tiêu thụ nước của cây trồng cho 1oC (tùy theo loại cây trồng và điều kiện khí hậu, có thể chọn là 2m3/1oC). St: tổng nhiệt độ trung bình ngày trong thời kỳ sinh trưởng b.2. Công thức Sapốp: ETc = K S t (m3/ha) trong đó: K: hệ số cần nước của cây ứng với 1oC (phụ thuộc cây trồng và nhiệt độ, thông qua thực nghiệm). St: tổng nhiệt độ trung bình ngày trong từng thời kỳ sinh trưởng. Nhóm nhiều yếu tố: Công thức D.A. Stoiko: ETc = K * S t (0.1 tc - a/100) (m3/ha) (1) và ETc = K * S t (0.1 tc + 1 - a/100) (m3/ha) (2). Công thức (1): dùng cho giai đoạn đầu. Công thức (2): dùng cho giai đoạn sau (đã che phủ khá tốt). Trong đó: St: tổng nhiệt độ trung bình ngày của thời kỳ tính toán. tc: nhiệt độ trung bình nhiều ngày của giai đoạn tính toán. a: độ ẩm tương đối trung bình của không khí trong thời kỳ tính toán. K: hệ số hiệu chỉnh (hệ số hoa màu) phụ thuộc loại cây và khí hậu. Thí dụ: khoai tây (K=0.85-0.9), Bắp (K= 0.85-0.9), Lúa hè thu (k = 1.02). V.2. Công thức xác định ETo. Công thức Blaney-Criddle (xem thí dụ 2) ETo = c [ p (0.46 T + 8)]. Trong đó c: hệ số hiệu chỉnh của công thức. p: % của tổng số giờ nắng hàng năm tính theo trung bình ngày (bảng 3.3) T: nhiệt độ trung bình ngày (oC) 2. Công thức Penman: (xem thí dụ 3) ETo = c [w * Rn + (1 – w) * f(n) * (ea – ed)] trong đó: ETo : bốc thoát hơi chuẩn (mm/ngày). c: hệ số hiệu chỉnh của công thức. w: hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với bốc thoát hơi. Rn: bức xạ (mm/ngày). f(n): phương trình liên quan đến gió. (ea-ed): sự khác biệt giữa áp suất bốc hơi bảo hòa (ở nhiệt độ không khí trung bình) và áp suất bốc hơi trung bình thực sự của không khí (mbar). Công thức về bức xạ: (xem thí dụ 4) ETo = c * w * Rs. trong đó: c: hệ số hiệu chỉnh của công thức w: hệ số xét đến ảnh hưởng do nhiệt độ và vĩ độ. Rs: bức xạ(mm/ngày). VI. Các thí dụ: Thí dụ 1: Xác định nhu cầu nước cho cây cà chua với các thông số như sau: Tháng Hai Ba Tư Năm Sáu Bảy Tám Ep (mm/ngày) 5.0 6.2 7.2 7.9 8.5 8.9 8.1 Giã sử ẩm độ không khí (RH) trong tất cảc các tháng là 75%. Tốc độ gió trung bình (cho tất cảc các tháng) là 3m/s. Ngày bắt đầu trồng: 01/3. Thời gian sinh trưởng là 150 ngày. Giải: Bước 1: Xác định Eto cho các tháng (chọn kp = 0.8): - Tháng 2: Eto = Ep*kp = 5.0*0.8= 4.0. Tương tự cho các tháng còn lại: - Tháng 3: ETo = 5.0. - Tháng 4: Eto = 5.8. - Tháng 5: Eto= 6.3. - Tháng 6: Eto = 6.8. - Tháng 7: Eto= 7.1 - Tháng 8: Eto = 6.5 Bước 2: Xác định thời kỳ sinh trưởng (bảng 3.2d) - Ngày xuống giống: 01/3 - Cây con (35 ngày): từ 01/3 => 04/4. - Tăng trưởng (40 ngày): từ 05/4 => 15/5. - Ra hoa, kết trái (50 ngày): từ 16/5 => 04/7. - Chín (25 ngày): từ 05/7 => 30/7. Bước 3: Tính nhu cầu nước của cây trồng cho từng tháng (bảng 3.2c): - Tháng 3: 31 ngày với Kc = 0.45 (cây con) - Tháng 4: 4 ngày với Kc = 0.45 và 26 ngày với Kc = 0.75 (tăng trưởng) - Tháng 5: 15 ngày với Kc = 0.75 và 16 ngày với Kc = 1.15 (ra hoa) - Tháng 6: 30 ngày với Kc = 1.15. - Tháng 7: 5 ngày với Kc = 1.15 và 25 ngày với Kc = 0.8. Tóm tắt: -Tháng 3: (31ngày * 5.0 * 0.45) # 70 mm/tháng. - Tháng 4: (4ngày*5.8* 0.45) +(26ngày*5.8*0.75) # 123 mm/tháng. - Tháng 5: (15ngày*6.3*0.75)+(16ngày*6.3*1.15) # 187 mm/tháng. - Tháng 6: (30ngày * 7.1 * 1.15) # 245 mm/tháng. - Tháng 7: (5 ngày*6.5*1.15)+(25ngày*6.5*0.8) # 165 mm/tháng. Thí dụ 2: Tính lượng bốc thoát hơi chuẩn (Eto) theo công thức Blaney-Criddle với các số liệu như sau: - Vĩ độ 10o vĩ bắc. Nhiệt độ trung bình tối cao (Tmax) trong tháng 4 : 29.5oC và nhiệt độ trung bình tối thấp (Tmin) trong tháng 4 là 19.4 oC. Giải: Dùng công thức Eto= p(0.46Ttb + 8) Với Ttb = (Tmax+Tmin)/2 = (29.5 + 19.4)/2 = 24.5oC Theo bảng 3.3, trong tháng 4 ứng với 10o vĩ bắc, ta có : p = 0.28. Vậy Eto = 0.28 * [(0.46 * 24.5) + 8] = 5,4 mm/ngày. Bảng 3.3: Bảng tra hệ số p trong công thức Blaney-Criddle (hay % trung bình ngày có số giờ nắng trong năm ứng với những vĩ độ khác nhau). Vĩ độ Bắc Nam T.1 T.7 T.2 T.8 T.3 T.9 T.4 T10 T.5 T11 T.6 T12 T.7 T1 T.8 T2 T.9 T3 T.10 T4 T.11 T5 T.12 T6 60 0.15 0.20 0.26 0.32 0.38 0.41 0.40 0.34 0.28 0.22 0.17 0.13 55 0.17 0.21 0.26 0.32 0.36 0.39 0.38 0.33 0.28 0.23 0.18 0.16 50 0.19 0.23 0.27 0.31 0.34 0.36 0.35 0.32 0.28 0.24 0.20 0.18 45 0.20 0.23 0.27 0.30 0.34 0.35 0.34 0.32 0.28 0.24 0.21 0.20 40 0.22 0.24 0.27 0.30 0.32 0.34 0.33 0.31 0.28 0.25 0.22 0.21 35 0.23 0.25 0.27 0.29 0.31 0.32 0.32 0.30 0.28 0.25 0.23 0.22 30 0.24 0.25 0.27 0.29 0.31 0.32 0.31 0.30 0.28 0.26 0.24 0.23 25 0.24 0.26 0.27 0.29 0.30 0.31 0.31 0.29 0.28 0.26 0.25 0.24 20 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.30 0.30 0.29 0.28 0.26 0.25 0.25 15 0.26 0.26 0.27 0.28 0.28 0.29 0.29 0.28 0.28 0.27 0.26 0.25 10 0.26 0.27 0.27 0.28 0.28 0.29 0.29 0.28 0.28 0.27 0.26 0.26 5 0.27 0.27 0.27 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.27 0.27 0.27 0 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 Chương 4: HIỆN TƯỢNG NGẤM HÚT (infiltration) Nội dung: I/ Tổng quát. II/ Hiện tượng ngấm hút. Cơ nguyên của sự ngấm hút. Các công thức diễn tả sự ngấm hút. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ngấm hút. Sa cấu và cơ cấu đất. Hoa màu che phủ. Trắc diện đất. Độ ẩm ban đầu của đất. Tình trạng đóng váng của đất mặt. III/ Sự phân phối độ ẩm đất khi ngấm hút. IV/ Qúa trình ngấm ổn định – Lượng nước thấm lậu. V/ Phương pháp đo ngấm hút. Từ khóa: - Ngấm hút - ngấm ổn định - lượng nước ngấm hút (I) - tốc độ ngấm hút (infiltration rate) - thấm lậu (deep percolation) - chảy tràn (runoff) - sự phân phối độ ẩm (moisture distribution). Các vấn đề cần nắm vững: Các lực tác động lên ngấm hút. Các giai đoạn ngấm hút. Các yếu tố ảnh hưởng đến ngấm hút. Cách đo ngấm hút bằng thùng. Từ đó => (5) Cách xác định phương trình ngấm hút theo Kostiakov. Sự tái phân phối độ ẩm sau khi ngừng ngấm hút. Hiện tượng chảy tràn và thấm lậu. Chương 4: HIỆN TƯỢNG NGẤM HÚT (infiltration). I/ Tổng quát: Chương này nhằm giúp chúng ta nắm rõ bản chất của sự ngấm hút khi nước (do tưới hoặc do mưa) bắt đầu đi vào trong đất. Việc nắm rõ bản chất ngấm hút sẽ giúp chúng ta cung cấp nước có hiệu quả hơn (không gây ra chảy tràn và gây ra thất thoát nước tưới quá lớn), đặc biệt là ứng dụng trong các phương pháp tưới (sẽ trình bày trong các chương sau). Danh từ ngấm hút dùng để chỉ tiến trình nước đi vào lớp đất mặt và di chuyển xuống phía dưới. Trong thực tế ta có thể chia hiện tượng ngấm hút thành 2 giai đoạn: Giai đoạn ngấm hút là giai đoạn đầu, lượng nước ngấm vào trong đất thay đổi theo thời gian và giảm dần. Giai đoạn ngấm ổn định là giai đoạn sau, lúc ấy lượng nước ngấm vào trong 1 đơn vị thời gian đã ổn định, không thay đổi. Trong việc dẫn thủy (tưới), điều quan trọng là phải tính toán sao cho lượng nước ngấm xuống vừa đủ để tăng độ ẩm đất trong vùng rễ cây lên độ ẩm thích hợp cho cây trồng. Nếu ngấm không đủ nước sẽ giới hạn khả năng cung cấp nước của đất, hoặc có thể gây ra chảy tràn làm xói mòn đất. Nếu ngấm quá nhiều sẽ gây ra lãng phí nước. Lượng nước hao phí này gọi là lượng nước thấm lậu. Lượng nước thấm lậu này có thể chia làm 2 trường hợp : - Thấm qua bờ ruộng xuống kênh tiêu hoặc qua ruộng khác (seepage). Thấm theo chiều thẳng đứng từ mặt ruộng xuống sâu vượt qua vùng rễ cây (percolation) => cây không thể hút được lượng nước này. Hiện tượng ngấm hút đặc biệt quan trọng trong việc tưới cho các loại hoa màu trồng cạn. Trong khi đó lượng nước thấm lậu lại là 1 đại lượng đáng kể trong việc tính toán nhu cầu nước cho cây Lúa. II/ Hiện tượng ngấm hút: II.1.Cơ nguyên của sự ngấm hút: Khi có lớp nước tiếp xúc với 1 lớp đất chưa bảo hòa thì nước được ngấm xuống đất do ảnh hưởng của: Sức hút của ma trận (do lớp đất khô ở phía dưới có tiềm năng thấp hơn lớp đất ẩm phía trên). Tác dụng của trọng lực kéo nước từ trên xuống. Theo định luật Darcy v = - K * (dH/dz). trong đó: H = Hp – z; với Hp = -E: tiềm năng ma trận. z: độ sâu. Vậy v = K * (dE/dz) + K. Như vậy khi thời gian ngấm hút gia tăng thì dE/dz giảm dần => v # K. Đó là hệ số truyền nước (hydraulic conductivity) khi bảo hòa, khi đó ta có thể chọn gần đúng trị số Ks (hệ số truyền nước bảo hòa). Vì lý do đó, đồ thị biểu diễn sự thay đổi tôùc độ thấm theo thời gian có đặc điểm giảm về trị số ổn định là vận tốc ngấm hút cuối cùng (hay vận tốc ngấm hút cơ bản và bằng hệ số ngấm ổn định) II.2. Các công thức diễn tả sự ngấm hút: Công thức cơ bản diễn tả sự liên hệ giữa tốc độ ngấm hút và lượng ngấm hút I trong đất như sau: i = dI / dt => I = ò i . dt Trong phần sau sẽ trình bày 3 công thức thường hay sử dụng trong tính tóan: a. Công thức Green and Ampt (1911). i = ic + b/I trong đó: i: tốc độ ngấm hút tức thời (mm.hr) (i = dI/dt) ic: tốc độ ngấm hút ổn định (Ko hoặc Ks). b: hằng số phụ thuộc đặc tính đất (mm2/hr). I: lượng nước ngấm hút (mm). b. Công thức kinh nghiệm của Kostiakov (1932). I = Ko * tn Công thức này sẽ cho lượng ngấm hút là 1 đường thẳng trên đồ thị logarit (hình 4.2). Hình 4.2: Lượng nước ngấm hút trên đồ thị logarit (Lê Quang, Nguyễn Hữu Phương, 1974) Công thức Philip (1957c): i = ic + s/2t 1/2 => I = st 1/2 + K * t Trong đó s:hằng số phụ thuộc đặc tính đất. t: thời gian khảo sát Khi thấm ngang K # 0, thì I = st 1/2 Thí dụ 1: Thí nghiệm 1 lọai đất cho tốc độ ngấm hút (infitration rate) i = 20 mm/hr tương ứng với lượng nước ngấm hút (accumulated depth) I = 100mm. Nếu ic = 5 mm/hr, tính tốc độ ngấm hút khi I = 200 mm và I = 400 mm. Giải: Thay trị số đã cho vào công thức Green and Ampt, ta có: 20 = 5 + b/100 hay b = 1500 mm2/hr. Vậy khi I = 200 mm => i = 5 + 1500/200 = 12,5 mm/hr. Tương tự cho I = 400 mm => i = 5 + 1500/400 = 8,75 mm/hr. Thí dụ 2: Cùng loại đất trên đây, xác định lớp nước có thể cung cấp cho cây mà không vượt qúa khả năng thấm của đất, nếu lớp tưới phun i = 15 mm/hr. Giải: Dựa vào công thức Green and Ampt. ta có: 15 = 5 + 1500/I => I = 150 mm. Thí dụ 3: Trong 1 thí nghiệm thấm ngang, ta đo được lượng nước thấm là W = 150 cm3 sau khoảng thời gian t = 15 phút qua tiết diện S= 50 cm2. Tính I khi t = 1 hr. Giải: Dùng công thức Philip, ta có: I = s * t ½ => s = I/t ½ = (150/50) * 10/(15*60)1/2 =1mm/s. (với I = W/S). Vậy khi t = 1hr => I = 1 * (3600)1/2 = 60 mm. Thí dụ 4: Cùng loại đất như thí dụ 3, đo thấm đứng với hệ số truyền nước K = 2 * 10-4 cm/s (qua 1 cột đất đứng). a/ Tính I, i. Nếu biết rằng lượng nước ban đầu W1 = 0,05cm3/cm3 đất và lượng nước bảo hòa W2 = 0,45 cm3/cm3 đất. b/ Tính độ sâu vùng ẩm (wetting front) ứng với t = 1 hr. Giải:Dùng công thức Philip khi thấm đứng I = s * t1/2 + K* t a/ Khi t = 1hr (3600sec) => I = 0,1 * (3600)1/2 + 2 * 10-4 * 3600 = 6 + 0,72 Vậy I = 6,72 cm. b/ Độ sâu vùng ẩm (wetting front) được tính theo công thức L = I/dW hay L = 6,72/(0,45-0,05) = 16,8 cm. II.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ngấm hút: Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ngấm hút bao gồm: Độ dốc của đất, các giai đoạn và phương pháp canh tác, chất hữu cơ trong đất, sa cấu và cơ cấu đất, tế khổng trong đất, độ che phủ của thảo mộc, nhiệt độ và độ ẩm ban đầu của đất, trắc diện đất. Trong các yếu tố trên thì các yếu tố sau đây là quan trọng hơn cả: a/ Sa cấu và cơ cấu đất (bảng 4.2). Bảng 4.2: Vận tốc ngấm hút căn bản của vài loại đất (cm/giờ). (theo Israelsen, Hansen 1967). Sa cấu Cơ cấu tốt Cơ cấu xấu Cát to 1,9 – 2,5 1,3 Cát nhuyễn 1,3 – 1,9 0,9 Thịt pha cát nhuyễn 1,3 0,8 Thịt nhiều bụi 1,0 0,7 Thịt nhiều sét 0,8 0,6 b/ Do hoa màu che phủ đất (bảng 4.3) Ảnh hưởng của hoa màu lên vận tốc ngấm hút.(theo Israelsen, Hansen 1967). Loại hoa màu Tình trạng hoa màu Hệ số X Cỏ * Cỏ xấu hay mới * Cỏ tốt, rễ đã phát triển * Cỏ thật tốt, lâu đời 1,2 - 1,4 - 3 3 - 7,5 Hoa màu trồng không luống (phẳng) * Thưa hay xấu * Tốt, lâu * Mật độ cao, tốt 1,1 - 1,3 1,6 - 2,0 2,5 - 3,0 Hoa màu trồng * Cây mới, lưa thưa * Cây tương đối tốt * Cây tăng trưởng tốt, nhiều 1,0 - 1,1 1,1 - 1,3 1,3 - 1,5 Hệ số X chỉ độ tăng giảm lên vận tốc ngấm hút trong trường hợp có ảnh hưởng của hoa màu. c/ Trắc diện đất: c.1. Lớp đất thô (cát) trên lớp đất nhuyễn (sét) (hình 4.3) Hình 4.3: Lớp đất nhuyễn phía dưới ảnh hưởng lên sự ngấm hút (Baver, 1972) Mới đầu vận tốc ngấm hút được kiểm soát bằng lớp đất trên. Ngay khi “ mặt ướt, wetting front” gặp lớp đất nhuyễn thì nước thấm xuyên vào lớp đất này vì lực ma trận của lớp đất này cao. Nhưng sau đó vận tốc ngấm hút chậm lại (hệ số truyền nước K của lớp đất nhuyễn nhỏ). Như vậy là lớp dưới có ảnh hưởng cuối cùng lên vận tốc ngấm hút. Nếu để lâu, sẽ có nước ngầm ở phía trên (tạm thời). c.2. Lớp đất nhuyễn ở trên lớp đất thô (hình 4.4) Trong trường hợp này, mới đầu vận tốc ngấm hút cũng tùy thuộc vào lớp đất trên. Nhưng khi “mặt ướt” gặp mặt giao tiếp giữa 2 lớp đất thì vận tốc ngấm hút có thể bị giảm đi thay vì nhanh hơn như người ta nghĩ. Bởi vì trong lớp đất nhuyễn, nước bị lực ma trận của lớp đất nhuyễn hút khiến nó không thể chảy vào những tế khổng lớn của lớp đất thô và khô phía dưới. Chỉ khi lớp đất nhuyễn gần bảo hòa nước thì nước mới xuyên qua mặt giao tiếp và xuống sâu lớp thô bên dưới một cách nhanh chóng. d. Độ ẩm ban đầu của đất (hình 4.5): Rõ ràng là trong giai đoạn đầu, hiện tượng ngấm hút bị ảnh hưởng rất lớn bởi chiều sâu lớp nước và độ ẩm ban đầu của đất. Nhưng ảnh hưởng này giảm dần theo thời gian và có xu hướng biến mất ở tầng sâu (hình 4.5) e. Tình trạng đóng váng của lớp đất mặt (hình 4.6): Một khi lớp váng trên mặt được hình thành (do mưav.v), dù rất mỏng không dày hơn vài mm) cũng sẽ tạo ra tỉ trọng lớn hơn (higher density), ít độ rỗng. Do đó nó sẽ cản trở nước thấm vào đất (hình 4.6) Đất đóng váng Hình 4.5: Ảnh hưởng của độ ẩm ban đầu Hình 4.6: Ảnh hưởng của tình đến ngấm hút trạng đóng váng đến ngấm hút III/ Sự phân phối độ ẩm đất sau khi ngấm hút: III.1. Trong khi ngấm hút (hình 4.7). -Ngay dưới lớp nước là lớp đất bảo hòa có chiều sâu chừng vài cm. Hình 4.7: Sự phân bố độ ẩm đất trong khi ngấm hút. - Dưới đó là một lớp dày, đất gần bảo hòa nước, được gọi là lớp chuyển tiếp với độ ẩm tương đối đồng nhất - Ngay dưới đó là một lớp chuyển tiếp độ ẩn giảm nhanh về độ ẩm độ đất bình thường. Lớp này là lớp đất ướt. - Mặt ướt là mặt phân chia giữa lớp đất chưa ngấm nước và lớp đất ướt phía trên. Nếu để hiện tướng ngấm hút tiếp tục . Mặt ướt và vùng ướt (wetting zone) càng xuống sâu, lớp chuyển tiếp (transmission zone) càng kéo dài. Càng xuống sâu thì gradient thủy lực trong lớp đất ướt càng giảm (hình 4.8) Hình 4.8: Sự phân bố độ ẩm theo độ sâu III.2. Sau khi ngừng ngấm hút (tái phân phối độ ẩm đất) (hình 4.9) Hình 4.9: Sự tái phân phối độ ẩm sau khi ngừng ngấm hút Ngay sau khi ngấm hút bị ngưng (lớp nước trên mặt đất hay mưa, tưới không còn nữa), độ ẩm trong đất sẽ được phân phối lại (tái phân phối) khác với sự phân phối trong khi ngấm hút. Khi đó, lớp đất có thể được chia thành 2 thành phần, lớp trên : ướt, lớp dưới : khô; Phần khô ở lớp dưới sẽ dần dần lấy nước của lớp nước ướt phía trên bởi 2 lực: trọng lực và lực ma trận. Sự tái phân phối lúc ban đầu tùy thuộc vào; Độ khô (so với lớp đất trên) của lớp đất dưới. Chiều sâu của lớp đất ướt. Độ truyền dẫn nước của lớp đất ướt. Sự tái phân phối mới đầu tương đối nhanh, về sau càng chậm vì 2 lý do: - Sự khác biệt năng lượng giữa (áp suất giữ nước , áp suất ma trận) của 2 lớp trên (ướt) – dưới (khô) càng ngày càng giảm. - Lớp đất ướt phía trên ngày càng khô => độ truyền dẫn nước càng giảm. Vì thế mặt ướt ngày càng giảm vận tốc xuống sâu. Sự tái phân phối này ngày càng chậm, đôi khi kéo dài hàng tháng (Hillel). Nhưng chính sự tái phân phối này cho ta thấy quan niệm (ĐA)dr đã trở thành lỗi thời và lầm lẫn vì sự thực nước không ngừng di chuyển trong đất (tuy vậy, quan niệm về (ĐA)dr vẫn được dùng để tính toán). IV/ Quá trình ngấm ổn định - Lượng nước Thấm lậu: Sau 1 thời gian khoảng 2-3 ngày, vận tốc ngấm hút giảm xuống 1 trị số ổn định. Theo lý thuyết Vc = Ke * (a/H + 1). Nhưng thường a Vc = Ke. Vận tốc ngấm ổn định (“final” infiltration rate) của 1 số loại đất. Loại đất Final infiltration rate (mm/hr). * Cát > 20 Trường hợp đất có nhiều tầng * Thịt pha cát 10 – 20 thì Vc phụ thuộc vào tầng * Bột (loam) 5 - 10 có trị số nhỏ nhất. * Sét 1 - 5 * Sét nặng (sodic cleyic soils)< 1. V/ Phương pháp đo ngấm hút. Loại 2 thùng hình trụ (hình 4.10) Hệ thống dùng để đo thấm đứng của đất. Nó gồm 2 thùng hình trụ đồng tâm đóng ngập vào trong đất khỏang 40 cm, phần ló lên mặt đất khỏang 10-15 cm. Kích thước thùng trong khỏang 20 cm, trụ ngòai là 50 cm. Nước được cung cấp đồng thời cho thùng ngòai và thùng trong thông qua bình chứa nước và bình đo thấm. Nước thấm qua thùng ngòai sẽ bảo vệ và tạo điều kiện cho dòng thấm trong thùng trong chảy theo chiều thẳng đứng. Lượng nước mất đi trong bình đo thấm sẽ được ghi nhận theo thời gian. Các số liệu này sẽ được dùng để xác định lượng nước thấm hút và vận tốc thấm hút theo các công thức đã trình bày theo công thức gián tiếp (thí dụ như công thức Kostiakov) Chương 5: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI CHO CÂY TRỒNG CẠN. Nội dung: I/ Tổng quát. II/ Phương trình cân bằng nước ngoài đồng. III/ Tính toán chế độ tưới cho cây trồng cạn. IV/ Xác định chế độ tưới nhìn từ khía cạnh quản lý hệ thống thủy nông. V/ Mức độ giảm năng suất khi (ĐA)hc<(ĐA)tt<(ĐA)min. Từ khóa: - Cây trồng cạn (upland crops) - Cân bằng nước (water balance) - Lớp nước tưới (I) (irrigation water depth) - Lượng nước tưới (volume of irrigation water) - Chu kỳ tưới (n) (irrigation frequency) - Hiệu suất tưới (water supply efficiency) - Chế độ tưới (irrigation water regime) - Giảm năng suất (yield reducing). Các vấn đề cần nắm vững: Cân bằng nước và lượng nước cần tưới cho cây trồng. Lớp nước cần tưới và lượng nước cần tưới. Lớp nước cần dẫn thủy và lượng nước cần dẫn thủy. Chế độ tưới và các biện pháp quản lý thủy nông. Mức độ giảm năng suất. -----*****----- Chương 5: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI CHO CÂY TRỒNG CẠN. I/ Nội dung: Xác định chế độ tưới cho cây trồng cạn (ví dụ: Bắp, Đậu v.v) là xác định: Ngày cần tưới, chu kỳ tưới. Mức tưới mỗi lần I (hay là lớp nước cần tưới I). Từ đó ta tính được: Số lần tưới trong thời gian tăng trưởng của cây. Lượng nước cần tưới trong suốt thời gian sinh trưởng của cây. Lưu lượng cần dẫn thủy để đạt mức tưới đã tính. Thông thường lưu lượng này được biểu thị bằng “hệ số tưới” (lưu lượng tưới cần thiết tính bằng lít/giây/ha cho 1 hệ thống hoạt động liên tục trong 24 giờ/ngày). Để xác định được chế độ tưới của cây trồng, ta phải dựa trên các đặc tính đất đai, khí hậu, cây trồng và mối liên hệ hữu cơ của chúng. Đồng thời không nên tưới qúa thừa khiến nước thấm lậu (ngoại trừ cây lúa), cũng không nên tưới qúa thiếu làm cho cây trồng khó hấp thu nước làm giảm năng suất cây trồng. Tóm lại: Trị số tối đa độ ẩm trong đất tương đương với lực giữ nước khoảng 0,1-0,3 bars (thường gọi là Thủy dung ngoài đồng, hay còn gọi là độ ẩm đồng ruộng) (tùy thuộc vào loại đất)(xem chương 2). Độ ẩm tối thiểu để duy trì năng suất phải là độ ẩm để cây hút nước dễ dàng. Điều này tùy thuộc vào lượng bốc thoát hơi hàng ngày, loại đất. Tuy nhiên thông thường đó là (ĐA) min (xem chương 2). Ghi chú: Khi độ ẩm đất hay lớp nước chưa xuống đến trị số tối thiểu, ta cũng có thể tưới để mang độ ẩm lên (ĐA) dr nhưng không nhất thiết lắm (lớp nước tưới nhỏ, số lần tưới nhiều => tốn nhân lực.). Nói chung, tính toán chế độ tưới là nắm vững nguyên tắc trên và áp dụng cụ thể vào phương trình cân bằng nước ngoài đồng. II/ Phương trình cân bằng nước ngoài đồng: II.1. Sơ đồ tính cân bằng nước ngoài đồng (hình 5.1). M T I E TL Md MNN Hình 5.1: Sơ đồ cân bằng nước ngoài đồng. II.2. Phương trình tổng quát (hệ thống khép kín): Wv – Wr = dW (1) Trong đó: Wv: lượng nước chảy vào hệ thống. Wr: lượng nước chảy ra khỏi hệ thống. dW: sự thay đổi (tăng hoặc giảm) lượng nước chứa trong hệ thống. * Các thành phần của dW: Đối với Lúa: đó là sự thay đổi lớp nước mặt ruộng. Đối với cây trồng cạn: Đó là sự thay đổi độ ẩm trong đất ở đầu và cuối thời kỳ tính toán. II.3. Các thành phần của Wv, Wr, dW. * Các thành phần của Wv (mm): Wv = Mhh + I + Tv + Nv + Md (2) Trong đó: Mhh: Lượng nước mưa hữu hiệu (mm) (*) I: Lượng nước tưới (mm) (*) Tv: Lượng nước tràn vào (từ ruộng bên cạnh) (mm). Nv: Lượng nướcngấm vào (từ ruộng bên cạnh)(mm) . Md: Lượng nước mao dẫn (tùy thuộc vào mực nước ngầm cao hay thấp, loại đất, bốc thoát hơi nhiều hay ít) (mm). Ghi chú: Lượng nước mưa hữu hiệu là lượng nước tối đa còn giữ lại trong đất và trên ruộng sau cơn mưa (xem bài đọc thêm). * Các thành phần của Wr (mm): Wr = ETc + Tr + Nr + Ti + TL (3) Trong đó: ETc: tổng lượng nước bốc thoát hơi (mm) (*) Tr: Lượng nước tràn ra ngoài (ruộng kế bên) (mm). Nr: Lượng nước ngấm ra ngoài (ruộng kế bên) (mm) . Ti: Lượng nước tiêu ra ngoài (mm) (*) TL: Lượng nước thấm lậu xuống sâu ra khỏi vùng rễ (mm) (*) Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì: Tv = Tr = 0; Nv = Nr = 0; Md = 0. Thay vào phương trình cân bằng, ta có: Mhh + I - (ETc + Ti + TL) = dW (4) Trong mùa nắng (Mhh = 0; Ti = 0, TL = 0) => I – ETc = dW. Nếu không có sự thay đổi độ ẩm đầu và cuối giai đoạn tính toán thì dW = 0. Như vậy, I = Etc (5) điều này có nghĩa là lớp nước tưới dùng để thỏa mãn nhu cầu nước của cây. - Tương tự, Trong mùa mưa => I = Etc – Mhh. (6) III/ Tính toán chế độ tưới cho cây trồng cạn: III.1. Dựa vào nguyên tắc tính toán: a. Lớp nước cần tưới mỗi lần (I): Để duy trì năng suất, ta sẽ phải tưới khi độ ẩm xuống đến (ĐA)min và mang lên độ ẩm cao nhất là (ĐA)dr. I = [(ĐA)dr – (ĐA)min)/100] * rb * D (7) Trong đó: D: chiều sâu lớp đất hữu hiệu của rễ (cm) rb: dung trọng (g/cm3) (ĐA)dr, (ĐA)min : độ ẩm đồng ruộng, độ ẩm min của đất trồng cây (% trọng lượng) Thí dụ: Đất có dung trọng rb = 1,5 g/cm3; (ĐA)dr = 25% và (ĐA) hc = 11 %. Chiều sâu hữu hiệu của rễ D = 0,4 m. Tính lớp nuớc cần tưới mỗi lần. Trước hết ta tính (ĐA)min: (ĐA)min = [(ĐA)dr + (ĐA)hc)]/2 = (25 + 11)/2 = 18 %. Thay vào công thức I = [(Đ(A)dr – (ĐA)min)] * rb * D Ta có I = ((25-18)/100) * 1,5 * 0,4 * 1000 = 42 mm. Ghi chú: Trị số (ĐA)min có thể tính theo phương pháp tra bảng theo hệ số thiếu hụt độ ẩm p. b. Ngày tưới, chu kỳ tưới và thời gian tưới: Ngày tưới: là ngày mà độ ẩm xuống đến (ĐA)min. Chu kỳ tưới (n) là số ngày ở giữa 2 lần tưới: n = (I+Mhh)/Etc (8) Như vậy, chu kỳ này tùy thuộc vào lượng bốc thoát hơi của cây trồng, khí hậu, loại cây, thời kỳ sinh trưởng của cây, lớp nước tưới (đặc tính của đất). Thời gian tưới (Tt): là số ngày cần để tưới đủ lớp nước I cho 1 diện tích cây trồng trong giai đoạn cần nước nhất, và Tt < n. Khi chọn Tt cần chú ý đến kế hoạch sản xuất nông nghiệp (sử dụng động cơ cho việc khác, cần thời gian bảo quản sửa chữa động cơ và thời gian nghỉ cho người vận hành động cơ v.v Nếu Tt càng gần với n thì lưu lượng thiết kế càng nhỏ. c. Số lần tưới trong thời gian tăng trưởng của cây (m): m = TGST/n (9) Trong đó TGST: thời gian sinh trưởng của cây (ngày). d. Tổng lớp nước cần tưới trong thời gian trồng cây(It): It = I1 + I2 + + Im = S Ii (10) Trong đó : Ii : là mức tưới ở lần thứ I e. Lớp nước cần dẫn thủy mỗi lần tưới: (I’): Ii’ = Ii/h (11) h: hiệu suất của hệ thống tưới (xem phụ lục 1 đính kèm). f. Tổng lớp nước cần dẫn thủy : Được tính cho TOÀN BỘ THỜI GIAN TĂNG TRƯỞNG: (It’): It’ = S Ii’ (12) g. Lượng nước cần tưới (W): W= (I1++Im)*S (13) h. Lượng nước cần dẫn thủy (W'): W' = W/h (14) Hoặc W' = I'1+ I'2+ + I'm (15) k. Hệ số tưới: - Hệ số tưới cho 1 loại cây trồng (qct) (l/s/ha): là lưu lượng bình quân trên một đơn vị thời gian cần tưới liên tục cho 1 ha cây trồng (ứng với giai đoạn cần nhiều nước nhất) trong thời gian Tlv: qct = [10 * ETc * 103] / (3600 * Tlv) (16) [m3/ha][mm/ngày] [l] / [s].[số giờ/ngày] Trong đó: Tlv: Thời gian để đáp ứng hệ số tưới cho cây trồng trên mặt ruộng. (thường là số giờ làm việc trong một ngày) (giờ) ETc là bốc thóat hơi cây trồng (mm/ngày) Thí dụ: Bắp có hệ số hoa màu Kcmax = 0,9; ETo = 8 mm/ngày. Nếu hệ thống làm việc trong Tlv = 24 giờ/ngày. Tính qct. qct = (10 * 0,9 * 8 * 103) / (3600 * 24) = 0,83 l/s/ha. - Hệ số tưới của 1 hệ thống (qht): được xác định từ lớp nước tưới I và thời gian tưới Tt. qht = (10 * I /Tt* 103)/(3600 * Tlv) (17) Như vậy, nếu Tt = qct. III.2. Phương pháp tính toán chế độ tưới bằng biểu bảng: Phương pháp này dựa trên phương trình cân bằng lượng nước ngoài đồng đã trình bày ở các phần trên, thích hợp nhất cho những nơi có các tài liệu về lượng bốc thoát hơi và lượng mưa. Phương pháp này cũng đòi hỏi phải làm kế toán hàng ngày để tìm ra lượng nước trữ trong chiều sâu nuôi cây hàng ngày. Nguyên tắc của phương pháp như sau: Bước 1: Tính độ ẩm đất ban đầu (ĐA)bđ. Bước 2: Tính lượng nước cần phải tưới để mang độ ẩm đất lên (ĐA)dr (c.thức 7). Bước 3: Tính độ ẩm đất (hay lớp nước chứa trong đất ) trong tầng nuôi cây còn lại ngày hôm sau (bằng cách trừ đi lượng bốc thoát hơi trong ngày, nước tiêu, thấm lậu, cộng thêm lượng mưa hữu hiệu (Mhh), lượng nước tưới (nếu có) (c.thức 4). Bước 4: Kiểm tra nếu độ ẩm tính lại đã bị giảm đến độ ẩm giới hạn thấp nhất (thường là (ĐA)min). Nếu độ ẩm tính lại vẫn lớn độ ẩm giới hạn thì lập lại trình tự tính ở bước 3 cho ngày kế Nếu độ ẩm tính lại nhỏ hơn độ ẩm giới hạn thì tưới 1 lượng nước đủ để mang độ ẩm đất lên đến (ĐA)dr (công thức 7). Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi nhờ sự hỗ trợ của máy tính. IV/ Xác định chế độ tưới nhìn từ khía cạnh quản lý hệ thống. Các phần trên trình bày cách xác định chế độ tưới khi tính toán thiết kế hệ thống. Mục đích là tìm ra được hệ số tưới, lưu lượng cần có và chu kỳ (hay thời gian tưới). Từ phương diện điều hành hệ thống thực tế, người ta có thể dùng nhiều cách khác nhau để xác định ngày cần tưới và mức tưới mỗi lần theo nguyên tắc: * Hoặc đo (dùng trương lực kế, hoặc electric resistance, v.v..), hoặc ước đoán độ ẩm của đất trong vùng rễ. * Dùng kinh nghiệm hiểu biết về loại cây, loại đất mà xác định ngày cần tưới. Đo độ ẩm bằng dụng cụ: Có thể đo bằng ẩm kế hoặc dùng các trương lực kế. Các thỏi sứ của các dụng cụ này được chôn xuống đất của thửa ruộng theo nhiều độ sâu (1/4 độ sâu của rễ, gần cuối vùng rễ và dưới vùng rễ) và tại những vị trí có ảnh hưởng đặc biệt đến sự phân bố độ ẩm đất (khô nhanh, ướt nhiều v.v..). Các dụng cụ này tỏ ra hiệu quả khi dùng để báo hiệu khi nào đất cần tưới có trị số độ ẩm đất chỉ nằm trong khoảng giá trị độ ẩm đồng ruộng và cao hơn độ ẩm ở lực giữ nước của đất #1 bar. Khi đất khô hơn (khi lực giữ nước của đất lớn hơn 1 bar hay 1atm) thì dụng cụ không hoạt động đúng nữa vì không khí sẽ đi vào được các đầu sứ và làm giảm áp lực đo tại đồng hồ. Dùng ẩm kế có thể cho biết trực tiếp độ ẩm thực tế ngoài đồng tuy nhiên độ chính xác không cao do các hằng số nước trong đất (tính theo độ ẩm) biến thiên không lớn. Dùng trương lực kế (tensiometer) có thể nâng cao độ chính xác . Thông qua áp lực đo trên đồng hồ, muốn xác định lớp nước cần tưới bao nhiêu cho đủ, ta phải sử dụng đường đặc trưng “lực giữ nước – Độ ẩm đất” . b. Phỏng đoán độ ẩm bằng quan sát-xúc giác (bảng 5.1). Người ta có thể phỏng đoán độ ẩm của các loại đất và xác định khi nào cần tưới bằng quan sát và xúc giác (sờ, nắn,vân vê) (bảng 5.1). Tuy nhiên, các bảng này chỉ có tính cách tham khảo, tốt nhất nên lập 1 bảng riêng cho từng loại đất. Phương pháp này có ưu điểm là nếu với kinh nghiệm nhiều cũng có thể cho độ chính xác lên đến 10-15% và đặc biệt là rẽ tiền, tiện dụng. Bảng 5.1: Xác định lượng nước cần tưới bằng xúc giác. (theo Merriam et al, CUSUSWASH, 1973). I Đất cát Đất pha cát Thịt trung bình Sét (cm/100cm) 0 Nước ra tay (a) + có thể (a) + có thể vân (a) + có thể vân khi nắm chặt (a) vân sợi nhỏ, sợi 3 cm. sợi 5 cm. ngắn. 2,5 Hơi ẩm-Thành Thành viên Thành viên tròn Dính-Vân thành viên tròn dễ vở tròn khó vở dẻo-Khi vân vê sợi dễ dàng dính. 4,2 Hơi ẩm-Hơi dính Có thể thành Thành viên tròn -nt- viên tròn khó vở 6,5 Khô rời rạc-Chảy Có thể thành -nt- Thành viên tròn qua kẻ tay viên tròn yếu khó vở. V. Mức độ giảm năng suất: Khi độ ẩm trong đất thực tế Đ(A)tt nằm trong khoảng {Đ(A)min, (ĐA)hc}, thì cây sẽ giảm năng suất. Mức độ giảm năng suất này sẽ tùy thuộc vào loại cây và thời kỳ dinh trưởng của cây. Công thức xác định mức độ giảm năng suất như sau: [1-(NS)tt/(NS)lt] = Ky * (1 – ETa/ETm) (18) Trong đó: (NS)tt: năng suất thực tế thu được. (NS)lt: năng suất lý thuyết có được Ky: hệ số mẫn cảm của hoa màu (bảng 5.2). ETa: bốc thoát hơi thực tế (do độ ẩm trong đất kém làm giảm thoát hơi). ETm: bốc thoát hơi khi cây trồng được cấp nước đầy đủ nước. ETa/ETm = [(1/(1-p)] * h1/h2 (19) Trong đó: p: hệ số thiếu hụt độ ẩm (bảng 2.1 và 2.2). h1 = [(ĐA)tt – (ĐA)hc] * rb * D/100. h2 = [(ĐA)dr – (ĐA)hc] * rb * D/100. Bảng 5.2: Hệ số mẫn cảm của hoa màu (Ky): STT Loại cây trồng Sinh trưởng Ra bông Kết trái Chín Chung 1 Bắp cải 0.2 - 0.45 0.6 0.95 2 Bông vải 0.2 0.5 - 0.25 0.85 3 Nho - - - - 0.85 4 Đậu phụng 0.2 0.8 0.6 0.2 0.7 5 Bắp 0.4 1.5 0.5 0.2 1.25 6 Hành 0.45 - 0.8 0.3 1.1 7 Khoai tây 0.8 - 0.7 0.2 1.1 8 Đậu nành 0.2 0.8 1.0 - 0.85 9 Mía 0.15 - 0.5 0.1 1.2 10 Thuốc lá 1.0 - - 0.5 0.9 11 Cà chua 0.4 1.1 0.8 0.4 1.05 12 Dưa hấu 0.7 0.8 0.8 0.3 1.1 Phụ lục 1: Hiệu suất tưới (h=hc*hb*ha)(theo Doorenbos and Pruitt, 1977) 1. Hiệu suất truyền tải (hc): ICID/ILRI - Cung cấp liên tục (không thay đổi dòng chảy) 0.9 - Cung cấp luân phiên cho 1 diện tích 3000 – 7000 ha 0.8 với mỗi diện tích luân phiên 70-300 ha (quản lý tốt) Cung cấp luân phiên với diện tích lớn hơn 10000 ha, Diện tích luân phiên <1000 ha), quản lý ít hiệu quả * Dựa trên kế hoạch định trước 0.7 * Dựa theo yêu cầu 0.65 2. Hiệu suất trên kênh (hb) Khu tưới > 20 ha: * Không theo hàng lối (unlined) 0.8 * Theo hàng lối (hoặc đường ống) 0.9 Khu tưới < hoặc = 20 ha * Không theo hàng lối 0.7 * theo hàng lối (hoặc đường ống) 0.8 + Hiệu suất phân phối (1 và 2)( hc*hb): - quản lý và vận chuyển tốt (adequate) 0.65 - thích hợp, có hiệu quả (sufficient) 0.55 - không thích hợp, kém hiệu quả (insufficient) 0.40 - Quá kém (poor) 0.30 Hiệu suất áp dụng trên đồng ruộng (ha) USDA SCS Tưới mặt đất (surface methods) * Đất nhẹ (light soils)(cát) 0.55 * Đất trung bình (medium soils)(thịt) 0.70 * Đất nặng (heavy soils)(sét) 0.60 - Tưới giải bậc thang (graded border) 0.6 - 0.75 0.53 - Tưới giải (bằng phẳng)(basin and level border) 0.6 - 0.8 0.58 - Tưới rãnh (furrow) 0.55 - 0.7 0.57 - Tưới rãnh (đồng mức) 0.50 - 0.55 Tưới phun (sprinkler) * Khí hậu khô và nóng 0.60 * Khí hậu ôn đới 0.70 * Khí hậu mát, ẩm 0.80 - Tưới cho Lúa 0.32 Chương 6: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI CHO LÚA. Nội dung: I/ Giới thiệu 1 số phương pháp canh tác lúa. II/ Nước trong các giai đoạn sinh trưởng của lúa. III/ Lượng nước cần cho 1 vụ lúa. IV/ Các phương pháp quản lý Thủy nông trên ruộng lúa. V/ Chế độ tưới cho cây lúa. Từ khóa: - Phương pháp canh tác Lúa - sự thiếu nước - lượng nước cần chế độ tưới - quản lý thủy nông. Các vấn đề cần nắm vững: 1. Các phương pháp canh tác lúa. Lý do chọn phương pháp đó? 2. Ảnh hưởng của việc thiếu nước đối với các giai đoạn sinh trưởng của lúa. Lượng nước cần cho 1 vụ lúa (Ải, Bốc thoát hơi, Thấm lậu). Chế độ tưới cho 1 cánh đồng (nhiều thửa) trồng lúa. So sánh nhu cầu nước tưới cho lúa và cây trồng cạn. Biện pháp quản lý thủy nông trên ruộng lúa. -----*****----- Chương 6: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ TƯỚI CHO CÂY LÚA Lúa về phương diện phân loại thực vật thuộc họ Graminae, tông Oryza Sativa. Lúa là một loại cây trồng có nhiều đặc tính đặc biệt về phương diện cần nước và chịu ngập nước. Trong các loại cây lương thực, lúa là loại cây có nhu cầu nước cao hơn cả, nhu cầu này lại thay đổi tùy theo giai đoạn tăng trưởng, phương pháp canh tác và ngay cả phương pháp tưới cho lúa. Vì vậy muốn tìm chế độ tưới thích hợp nhất, người ta phải thấu triệt các yếu tố này trước. I/ Các phương pháp canh tác ảnh hưởng lên nhu cầu nước của cây Lúa: Ở đây chúng tôi chỉ nêu vắn tắt một số phương pháp canh tác lúa, chủ yếu là nêu lên ảnh hưởng của các phương pháp này đối với nhu cầu nước của cây lúa. Một số phương pháp canh tác lúa chính yếu như sau: Phương pháp cấy: Thửa đất định cấy lúa được cày lật, phơi ải. Trong khi đó, mạ được nuôi dưỡng chăm sóc thật kỹ càng trong khu ruộng mạ (thường có diện tích rất nhỏ so với ruộng Lúa, do đó việc tính toán nhu cầu nước có thể được bỏ qua). Khi mạ đã sẳn sàng, từng phần ruộng được dẫn nước , bừa, ngâm ruộng vài ngày trước khi cấy. Cấy khu ruộng này thì tiếp tục bừa, ngâm ruộng khu ruộng khác cho đấn khi cả hệ thống được cấy. Phương pháp sạ ướt (sạ mộng): Sau khi đất đã được sửa soạn như phương pháp cấy, nước dư được tháo đi, lúa (đã được ngâm ủ trong 24 giờ để tạo mộng) được sạ vào ruộng bùn đã tháo nước mặt. Phương pháp sạ ngầm: Đất ruộng (có thể đã được bừa kỹ) để ngập nước (độ ngập sâu có thể đến vài chục cm) vài ngày cho bùn lắng xuống trước khi sạ. Khi sạ trong ruộng vẫn có lớp nước ngập này. Phương pháp này hữu hiệu trong việc trị cỏ dại và ngừa chim. Phương pháp sạ khô: Đất chỉ cần cày (hoặc phay) khô rồi sạ trên đất khô này mà không cần để ngập nước, ruộng được giữ ở trạng thái khô cho đến khi cây lúa có chừng 5 lá (30-40 ngày) rồi mới dẫn nước vào cho ngập. Phương pháp này tuy tiết kiệm được lượng nước đánh bùn, nhưng nhu cầu toàn vụ có thể cao hơn các phương pháp khác (do thấm lậu trên đất không đánh bùn cao). Ở nước ta hiện nay, phương pháp này chỉ áp dụng cho những vùng canh tác lúa nhờ nước trời. Về nhu cầu nước cho lúa, các phương pháp tính toán chủ yếu là dựa trên cho phương pháp cấy (và tương tự cho phương pháp sạ ướt). II/ Nước trong các giai đoạn tăng trưởng (bảng 6.1): Ở nhiều giai đoạn, cây lúa rất nhạy cảm với sự thiếu nước. Nhưng ngược lại cũng có những giai đoạn thiếu nước vẫn không làm giảm năng suất lúa. Vì vậy, các chuyên viên Thủy nông cần nắm vững vấn đề này để bảo đảm cung cấp nước cho cây lúa tốt nhất, nhất là trong những giai đoạn cần nước. Bảng 6.1: Nhạy cảm của lúa đối với nước (theo Sugimoto, 1974). Ngày 0 10 30 50 60 70 80 90 100 110 sau cấy Cấy Đẻ Đâm Tượng Tượng Trổ bông- Chín nhánh chồi đòng gié Ngậm sữa vô hiệu I II IV II I I IV Ghi chú: I: rất cần nước; II: cần nước; III: hơi cần nước; IV: không cần. III/ Lượng nước cần cho 1 vụ lúa: Như đã trình bày, phương pháp cấy được chọn cho việc tính toán nhu cầu nước của lúa. Do đó lượng nước cần cho 1 vụ lúa gồm: Làm mạ, đánh bùn: Thường được gọi chung là lượng nước sửa soạn đất. Lượng nước làm mạ thường trên 1 diện tích nhỏ, do đó lượng nước không đáng kể. Lượng nước đánh bùn thay đổi theo chiều sâu lớp đất cần bảo hòa, ẩm độ đất ban đầu, độ rổng đất, chiều cao lớp nước cần duy trì sau khi đánh bùn, thời gian ngâm ruộng và độ sâu của mực nước ngầm. Theo Matsushima, 1966, lượng nước cần thiết để đánh bùn từ 107 mm đến 263mm. Bốc thoát hơi: Thay đổi theo khí hậu và loại lúa (từ 400 – 1000 mm). Công thức tính toán cũng giống như cây trồng cạn. Tuy nhiên việc khảo sát trị số kc cho cây lúa chưa được kỹ càng. Theo Nguyễn xuân Sơn, 1974 thì: kc = 1,44 trong thời kỳ sinh trưởng. kc = 1,88 trong thời kỳ sinh sản và kc = 1,63 trong thời kỳ chín. Tuy nhiên theo Sugimoto, 1971 thì: kc = 1,0 – 1,2 trong thời kỳ đầu sinh trưởng. kc = 1,2 – 1,3 trong giai đoạn đâm chồi tích cực và kc = 1,4 trong giai đoạn trổ gié. Lượng nước thấm lậu (hay lượng nước mất đi do trọng lực). Lượng nước thấm lậu thay đổi tùy theo loại đất, chiều sâu mực nước ngầm. Trị số này biến thiên rất lớn từ 0,2 –1,4 mm/ngày (theo Sugimoto,1971) đến >20mm/ngày (theo Tsutsui, 1968). Trung bình 3-6 mm/ngày. IV/ Các phương pháp quản lý Thủy nông trên ruộng lúa: IV.1. Chiều sâu ngập và ảnh hưởng của chiều sâu ngập nước: Trên phương diện lý thuyết, cây lúa có thể sinh trưởng và cho năng suất cao nếu đất có độ ẩm bảo hòa (Tsutsui, 1968) hay 80% khả năng giữ nước tối đa của đất (Tôn thất Trình, 1968). Nhưng thông thường lúa được canh tác bằng tưới ngập, trên mặt ruộng luôn có 1 lớp nước (chiều sâu lớp nước có thể thay đổi tùy theo thời kỳ tăng trưởng). Ưu điểm của tưới ngập: Giảm xác suất cây bị hạn (thiếu nước). Giúp đất đỡ mất dưỡng liệu vì oxyd hóa qúa độ. Làm mềm đất (dễ làm cỏ, cày bừa). Điều hòa nhiệt độ đất (đối với xứ lạnh). Giảm cỏ dại. Trừ một số sâu bệnh. Tuy nhiên việc tưới ngập cũng có 1 số nhược điểm sau: Cản trở việc cơ giới hóa. Đòi hỏi lượng nước tưới cao. Thiếu oxy nên rễ lúa ít phát triển hơn và đâm chồi chậm hơn. Phá hoại cơ cấu đất (đất càng ngày càng bị nén chặt). Theo De Dalta et al, 1973 thì nên duy trì lớp nước ruộng từ 5-7 cm là hữu hiệu nhất. Nếu chiều sâu ngập nước gia tăng, năng suất lúa có thể bị giảm (Sugimoto, 1971) nhất là các loại lúa cao sản. Ưu khuyết điểm của chiều sâu ngập nước cạn: Ưu điểm: Lớp nước cạn khiến nước nóng hơn lúc ban ngày, lạnh hơn lúc ban đêm. Sự khác biệt này giúp cây lúa đâm chồi nhanh hơn (Matsushima, 1962). Khiến sự phân hóa các chất hữu cơ dễ dàng hơn. Lượng nước bốc hơi sẽ ít hơn lớp nước dày. Giảm thiểu lượng nước thấm lậu. Khuyết điểm: Đòi hỏi ruộng phải thật bằng phẳng. Ít diệt được cỏ dại hơn lớp nước dày. Ngoài ra người ta có thể thay đổi chiều sâu lớp nước trên mặt ruộng theo các thời kỳ sinh trưởng gọi là tưới tăng sản (để tạo nên 1 năng suất cao hơn). a/ Theo Bộ môn Thủy nông, ĐH Thủy lợi Hà nội, 1972 thì giữa 3 công thức tưới như sau: Tưới xăm xắp (0-30 mm) Tưới nông hoặc vừa (30-50mm hoặc 60-90mm). Tưới ngập sâu. Kết quả cho thấy, tưới xăm xắp đạt sản lượng cao nhưng các tác dụng phụ khác lại kém so với các công thức khác. b/ Công thức tưới tăng sản khi có điều kiện về quản lý thủy nông tốt (Tôn Thất Trình, 1968; Tsutsui, 1969). * Trong khi cấy: 2-3 cm trên lớp đất đã đánh bùn. Lớp nước qúa sâu có thể làm mạ dễ bị nổi lên sau khi cấy. * Sau khi mới cấy: 5-10 cm, chỉ để một số lá mạ trên mặt nước để giảm độ thoát hơi từ lá khi mạ chưa bén rễ để hút nước nuôi cây. * Sau khi bén rễ: Giai đoạn này có thể để bảo hòa đất là đủ, mực nước hết sức cạn để đốc thúc sự đâm chồi. Tuy nhiên, để an toàn có thể duy trì lớp nước từ 2-3 cm. * Sau khi đâm chồi tối đa: Có thể cho đất khô nứt nẻ vài ngày rồi dẫn nước trở lại, cách này được gọi là “rút khô giữa mùa”. Giai đoạn này thiếu nước cũng không làm giảm năng suất. * Tượng khối => ngậm sữa: Cần cung cấp nước đầy đủ, kịp thời:lớp nước 5-8 cm. * Chín: Rút nước dần để kích thích lúa chín và dễ thu hoạch. IV.2. Thời gian duy trì lớp nước trên ruộng lúa : Người ta có thể giữ nước trên ruộng lúa thường xuyên ít hoặc không thay nước (nước đọng) hoặc thay nước liên tục. Tuy nhiên cần nắm rõ ưu khuyết điểm để quản lý cho tốt. Nước đọng có ưu điểm là bớt oxyd hóa, ít mất dưỡng liệu (Tsutsui) do thấm lậu, nhưng có khuyết điểm là không hòa tan thêm dưỡng khí, do đó dễ sinh ra độc tố (ví dụ: H2S). Do đó cần thay nước khi biết chắc là nước ruộng có độc tố. IV.3. Tưới ngập liên tục và tưới gián đoạn: Tưới liên tục là luôn luôn giữ trên mặt ruộng 1 lớp nước. Tưới luân phiên hay tưới gián đoạn là tưới 1 lớp nước rồi để cạn dần nước mới tưới trở lại. Thường thì nông dân Việt nam áp dụng tưới liên tục (vì hệ thống thủy nông chưa hoàn chỉnh hoặc không bảo đảm). Ngoài ra, tưới liên tục có các ưu điểm sau: Giảm thiểu cỏ dại. Điều hòa nhiệt độ đất. Giảm nhân công điều hành tưới. Tạo điều kiện sinh sống cho rong => giúp đạm hóa. Tăng cường kích thích việc quang tổng hợp ở lá phía dưới do phản chiếu mặt nước. Trái lại tưới gián đoạn thì tiết kiệm nước, đôi khi cho năng suất cao hơn, nhưng thông thường thì cho năng suất thấp hơn (nhưng hiệu năng dùng nước cao hơn). Phương pháp tưới gián đoạn ít sử dụng vì: Đòi hỏi hệ thống thủy nông hoàn chỉnh. Cần chuyên viên điều hành hệ thống thường xuyên và có kỹ thuật ca