Quan hệ giữa Đất - Nước và Cây trồng: Phần 2

3. Sự phát triển của cây trồng

Cây trồng là thành phần chủ yếu của hệ sinh thái nông nghiệp. Cây trồng cần đất, nước, không khí và ánh sáng mặt trời, thậm chí cả vi sinh vật và một số côn trùng cho sự phát triển. Thông thường, cây trồng có những giai đoạn phát triển khác nhau, bao gồm:

+ Giai đoạn gieo trồng – nảy chồi: Giai đoạn này nhiệt độ cho cây trồng chừng 25 – 28°C là tốt, độ ẩm không khí cần cho cây trồng chỉ cần chừng 50 – 70% là vừa đủ.

+ Giai đoạn trưởng thành – đâm nhánh: đây là giai đoạn tích luỹ sinh khối cho cây, lúc này bộ rễ phát triển mạnh, cây đâm tược và ra nhiều lá. Nhu cầu nước cho cây trồng gia tăng theo khối lượng của cây. Thích hợp nhất là ở nhiệt độ 20 - 28°C và độ ẩm không khí là 70 – 80%; • Giai đoạn ra hoa – kết trái: giai đoạn này, cây gần như ngừng phát triển chiều cao để chuyển qua giai đoạn phát dục và tích luỹ chất hữu cơ. Nhu cầu nước tăng cao hơn, nhiệt độ thích hợp vào khoảng 20 - 28°C và độ ẩm tối hảo ở mức 75 – 85%;

+ Giai đoạn thu hoạch – lụi tàn: Giai đoạn này nhu cầu nước cho cây trồng giảm dần và đôi lúc không cần tưới nữa. Tuy nhiên, các giai đoạn này chỉ mang tính tương đối, nhiều loại cây sau giai đoạn thu hoạch lài quay về (Hình 2.3) quá trình đâm nhánh và ra hoa cho kỳ sau như các loại cây ăn trái, cây rừng, cây kiểng lưu niên.

Các giai đoạn phát triển của cây trồng

Nhiều yếu tố khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm, mưa, bức xạ mặt trời, gió, … đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của cây trồng. Cây trồng phát triển tốt trong những điều kiện khí hậu thích hợp nhất định. Tuỳ theo giai đoạn sinh trưởng và giống cây trồng mà các thông số khí hậu tối ưu sẽ khác nhau. Hình 2.4 cho thấy một số yếu tố khí hậu tác động lên cây trồng.

Một số yếu tố khí hậu tác động lên cây trồng

4. Vai trò của nước đối với cây trồng

Cây trồng sống và phát triển được nhờ chất dinh dưỡng trong đất và được nước hoà tan và đưa lên cây qua hệ thống rễ. Nước giúp cho cây trồng thực hiện các quá trình vận chuyển các khoáng chất trong đất giúp điều kiện quang hợp, hình thành sinh khối tạo nên sự sinh trưởng của cây trồng. Trong bản thân cây trồng, nước chiếm một tỷ lệ lớn, từ 60% đến 90% trọng lượng. Tuy nhiên, tổng lượng nước mà cây trồng hút lên hằng ngày chủ yếu là để thoát ra ngoài ở dạng thoát hơi qua lá, nước chỉ giữ lại cho bản thân cấu trúc của cây trồng chỉ chừng 0,5 – 1,0% mà thôi. Có 4 nguyên nhân khiến cây trồng phải hút nhiều nước để cân bằng cho lượng thoát hơi từ lá và thân:

+ Trên bề mặt lá cây có nhiều khí khổng giúp cho sự thoát hơi nước. Diện tích khí khổng càng lớn thì sự hấp thụ CO2 trong không khí vào lá càng dễ dàng, giúp cây trồng quang hợp được từ ánh sang mặt trời được.

+ Sự thoát hơi nước là động lực đòi hỏi cây trồng hút nhiều nước từ đất. Nhờ hiện tượng mao dẫn mà nước từ đất có thể vào than cây qua hệ thống rễ và len lỏi lên cao, đôi khi hàng chục mét.

+ Sự thoát hơinước giúp cho sự cân bằng nhiệt ở chung quanh lá và thân. Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, lá có thể hấp thu năng lượng phục vụ cho quá trình quang hợp, một phần năng lượng chuyển thành nhiệt năng làm cho nhiệt độ cây trồng tăng lên đòi hỏi phải có sự thoát hơi nước để giảm nhiệt độ bề mặt.

+ Sự thoát hơi nước tạo động lực cho sự vận chuyển dưỡng chất trong đất qua sự di chuyển đi lên của nước trong bản thân cây trồng. Sự thoát hợi nước lớn thì cây trồng hấp thu dưỡng chất càng lớn.

Rễ cây là bộ phận hút nước cho cây trồng. Bộ rễ hình thành ở nhiều dạng khác nhau, tuỳ theo loại cây trồng, điều kiện đất đai, khí hậu và chiều sâu mực nước ngầm. Thông thường, rễ cây hút nhiều nước nhất (chiếm khoảng 40 - 50%) ở độ sâu ¼ chiều dài của rễ tính từ mặt đất, càng xuống sâu thì tỉ lệ hút hước càng giảm (Hình dưới).

Khả năng hút nước của rễ cây theo độ sâu

Thực tế, cây trồng trong điều kiện được cung cấp nước đầy đủ sẽ có bộ rễ dài và sâu, vươn ra theo các chiều trong đất. Ngược lại, nếu thiếu nước, bộ rễ của cây sẽ ngắn và thưa (Hình dưới).

Lượng nước tưới cho cây trồng ảnh hưởng đến sự phát triển của bộ rễ

Trong điều kiện đất và nước đầy đủ, rễ từng loại cây trồng sẽ phát triển triển tối đa để tăng trưởng. Chiều sâu tối đa của hệ thống rễ cây trồng cũng chính là chiều sâu lớp đất cần tưới. Một hệ thống tưới hiệu quả là khi hệ thống đó có thể cung cấp nước đầy vừa đủ thấm hết bộ rễ của cây trồng. Bảng 2.1 cho chiều sâu tối đa của hệ thống rễ của một số loài cây rau, cây kiểng và cây công nghiệp.

Chiều sâu bộ rễ tối đa của một loại cây trồng khi được cung cấp nước đầy đủ

5. Quan hệ giữa đất - nước và cây trồng

Trong các thành phần đất, nước và cây trồng của hệ sinh thái nông nghiệp, đất là thành phần khó thay đổi nhất, nước là thành phần có thể thay đổi một phần và cây trồng thì con người có thể thay đổi dễ dàng. Sự lưu giữ nước trong đất cho cây trồng tuỳ thuộc vào thành phần hạt đất, đất có độ rỗng càng cao thì khả năng trữ nước càng kém do dễ dàng bị tiêu thoát như trường hợp đất cát. Đất sét thường giữ nước tốt nhưng tiêu thoát kém. Đất thịt là loại đất pha trộn giữa đất bùn và đất cát tỏ ra thích hợp cho nhiều loại cây trồng nhờ khả năng cung cấp nước thuận lợi (Hình 2.7).

Tam giác thể hiện khả năng giữ nước trong các loại đất cho cây trồng

(Nguồn: USAD, Mỹ)

Mối quan hệ giữa đất, nước và cây trồng có thể minh họa bằng hình 2.8. Nước tạo sinh vật đất phát triển, duy trì độ ẩm trong đất, hòa tan và cung cấp dưỡng chất cho cây trồng. Đất và cây trồng đều tạo quá trình làm sạch nước, điều tiết nguồn nước.

Quan hệ tương tác giữa đất – nước và cây trồng

6. Phương trình cân bằng nước cho một khu đất có cây trồng

Phương trình cân bằng nước là một phương trình rất căn bản có thể áp dụng cho mọi trường hợp tính toán thủy văn. Nguyên lý cơ bản của phương trình cân bằng nước là dạng cân bằng về khối lượng nước đi vào và đi ra khỏi khối đất đang xem xét. Một cách tổng quát, phương trình cân bằng nước, xuất phát từ định luật bảo toàn khối lượng, có thể phát biểu ngắn gọn sau: “Hiệu số giữa tổng lượng nước đi vào và đi ra của một khối đất đang xem xét nào đó trong một thời đoạn nhất định bằng sự thay đổi lượng nước trữ trong khối đất đó”.

Phát biểu trên có thể rút ngắn như hình 2.9 và chi tiết hóa ở hình 2.10.

Minh họa tóm tắt phương trình cân bằng nước đơn giản

Các thông số trong phương trình cân bằng nước vùng rễ cây

 Giả sử có một khối đất hình trụ bao quanh một vùng rễ như hình 2.10. Xét một thời điểm nào đó: ∆S = Hr (θ2 - θ1) = Wi - Wo (2-1)

trong đó: ∆S - sự thay đổi lượng nước trữ trong thời đoạn xem xét, (cm);

Hr - chiều sâu lớp đất quanh vùng rễ đang xem xét, (cm);

θ2, θ1 - độ ẩm của đất ở thời điểm cuối và thời điểm đầu trong thời đoạn (%);

Wi , Wo - tổng lượng nước đi vào (i) và đi ra (o) khỏi vùng rễ xem xét, (cm).

Chi tiết hóa các thông số của tổng lượng nước đi vào và đi ra vùng rễ:

Wi = P + I + Ri + Si + GW (2-2)

Wo = ET + Ro + So + DP + L (2-3)

trong đó:

P - lượng nước mưa (precipitation), (cm);

I - lượng nước tưới (irrigation), (cm);

Ri , Ro - lượng nước chảy tràn mặt (runoff) đi vào (i) và đi ra (o) vùng rễ, (cm);

Si , So - lượng nước thấm ngang (seepage) đi vào (i) và đi ra (o) vùng rễ, (cm);

GW - lượng nước thấm do mao dẫn từ nước ngầm (groundwater), (cm);

DP - lượng nước thấm sâu xuống ra khỏi vùng rễ (deep percolation), (cm);

L - lượng nước rò rỉ ra khỏi vùng rễ (leakage), (cm).

Thay (2-2) và (2-3) vào (2-1), ta được:

Hr (θ2 - θ1) = (P + I + Ri + Si + GW) – (ET + Ro + So + DP + L) (2-4)

Suy ra lượng nước tưới cho cây trồng sẽ là:

I = (ET + Ro + So + DP + L) - (P + Ri + Si + GW) + Hr (θ2 - θ1) (2-5)

Trong phương trình trên, có t hể có một số thông số bằng zero (0) do trong thời đoạn xem xét, các thông số này không có. Thực tế, hai nguồn nước chính cung cấp cho cây trồng là nước mưa (P) và nước tưới (I). Khi nước mưa đã đủ cho cây trồng thì không cần phải tưới nữa. Tuy nhiên, không phải tất cả lượng mưa đều được cây trồng sử dụng, mà nó còn bị thất thoát do một phần chảy tràn (R) trên sườn dốc của mặt đất, một phần thấm sâu xuống đất (DP) và một phần bốc thoát hơi trở lại lên không trung (ET) như ở hình 2.11. Lượng nước mưa sau khi bị trừ đi các tổn thất gọi là lượng mưa hiệu quả (Pe).

Pe = P – R – DP – ET (2-6)

Mưa và sự hình thành dòng chảy từ mưa