Độ ẩm đất là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa độ ẩm đất

Độ ẩm đất (soil moisture) là tỷ lệ phần trăm thể tích hoặc khối lượng nước chứa trong lớp đất có khả năng lưu giữ nước. Độ ẩm theo thể tích được tính bằng công thức $\theta_v = \frac{V_{\mathrm{water}}}{V_{\mathrm{soil}}}$, trong khi độ ẩm theo khối lượng được xác định bởi $\theta_w = \frac{m_{\mathrm{water}}}{m_{\mathrm{soil\ dry}}}$. Các đại lượng này phản ánh khả năng duy trì nước của đất, rất quan trọng trong sinh lý cây trồng và cân bằng thủy văn.

Độ ẩm đất đóng vai trò trung gian kết nối ba pha: rắn (hạt đất, khoáng chất), lỏng (nước) và khí (khí quyển trong kẽ đất). Sự phân bố nước trong các lỗ rỗng của đất ảnh hưởng trực tiếp đến sự khuếch tán khí, khả năng trao đổi ion và hoạt động của vi sinh vật. Trong thực tế, độ ẩm đất thường dao động theo chiều sâu và thời gian do lượng mưa, tưới tiêu và bốc hơi.

Giá trị độ ẩm đất quyết định trạng thái mất nước (wilting point) và độ ẩm tối đa (saturation) của hệ đất. Khi độ ẩm dưới ngưỡng héo tàn (permanent wilting point), cây không thể hút nước và bị héo. Ngược lại, khi đất bão hòa, khí trong kẽ bị đẩy ra, gây ngập úng và thiếu oxy cho rễ.

Tầm quan trọng của độ ẩm đất

Độ ẩm đất là yếu tố quyết định khả năng sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng. Trong nông nghiệp, việc duy trì độ ẩm trong khoảng Field Capacity (FC) đến Permanent Wilting Point (PWP) giúp tối ưu hóa quá trình hấp thu nước và dinh dưỡng qua rễ, giảm stress khô hạn và ngập úng.

Trong hệ sinh thái tự nhiên, độ ẩm đất kiểm soát quá trình thoát hơi nước (evapotranspiration), tác động lên khí hậu cục bộ và chu trình nước toàn cầu. Đất ẩm tăng khả năng khuếch tán nhiệt và hút ẩm từ không khí, giảm dao động nhiệt độ ngày–đêm, hỗ trợ điều hòa nhiệt độ và độ ẩm trong khu vực.

• Nghiên cứu môi trường: mô hình hạn hán và dự báo cháy rừng phụ thuộc vào dữ liệu độ ẩm đất.
• Quản lý tài nguyên nước: quyết định lịch tưới tiêu, tích trữ nước mưa và kiểm soát xả lũ.
• Ứng dụng thủy văn: mô hình dòng chảy bề mặt, thẩm thấu và sụt lún đất.

Sự thay đổi độ ẩm đất còn ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật và quá trình phân giải hữu cơ. Đất quá khô hạn làm giảm hoạt động vi khuẩn và nấm, làm chậm chu trình dinh dưỡng; ngược lại, đất quá ẩm tạo điều kiện cho vi sinh vật kị khí phát triển, có thể sinh khí độc gây suy thoái đất.

Phân loại dạng nước trong đất

Nước trong đất không đồng nhất về trạng thái và năng lượng giữ. Thông thường, người ta phân biệt ba dạng nước chính:

• Nước mao dẫn (capillary water): nằm trong các mao quản đất với áp suất âm thấp (0–0.33 bar), dễ dàng được cây hút lên qua rễ và giúp duy trì sinh trưởng.
• Nước trọng lực (gravitational water): thấm nhanh qua kẽ hở đất dưới tác động của trọng lực, không được giữ lại lâu và thường thoát ra hệ thống thoát nước (FAO Soil Moisture).
• Nước bám mao (hygroscopic water): bao quanh bề mặt hạt đất với áp suất âm rất cao (>15 bar), khó khô cạn và không thể hấp thu bởi cây.

Nước mao dẫn chiếm phần lớn trong khoảng nước có sẵn cho cây (Plant Available Water), nằm giữa hai ngưỡng FC và PWP. Sự cân bằng giữa các dạng nước này quyết định động học thấm và khả năng giữ ẩm của đất.

Nghiên cứu về cấu trúc kẽ đất và phân bố kích thước mao quản giúp cải thiện mô hình dự báo biến động độ ẩm, đặc biệt trong những khu vực chịu hạn hán hoặc ngập úng định kỳ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm đất

Độ ẩm đất chịu tác động đồng thời từ các yếu tố tự nhiên và quản lý. Thành phần cơ lý (tỷ lệ cát, sét, mùn) quyết định kích thước lỗ rỗng, lưu giữ và dẫn nước. Đất giàu sét giữ nước tốt nhưng thoát chậm, trong khi đất cát thoát nhanh nhưng không giữ nước lâu.

Cấu trúc đất (aggregate stability) và độ xốp ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu và phân phối nước. Đất có kết cấu tốt, nhiều kẽ rỗng liên thông giúp nước thấm sâu, giảm xói mòn; ngược lại, đất nén chặt làm giảm độ thấm và tăng chảy tràn bề mặt.

Khí hậu (mưa, nhiệt độ, độ ẩm không khí) trực tiếp điều tiết lượng nước vào và thoát khỏi đất. Quản lý canh tác như tưới phun, che phủ thực vật và luân canh giúp duy trì độ ẩm ổn định, giảm thất thoát qua bốc hơi và rửa trôi.

Phương pháp đo trực tiếp

Phương pháp sấy khô (gravimetric) là cách xác định độ ẩm đất truyền thống và chính xác nhất. Mẫu đất được lấy từ hiện trường, cân ngay sau khi thu và sau đó sấy ở nhiệt độ 105 °C trong 24 giờ đến khối lượng không đổi. Độ ẩm tính theo khối lượng nước mất đi so với khối lượng đất khô:

$\theta_w = \frac{m_{\mathrm{wet}} - m_{\mathrm{dry}}}{m_{\mathrm{dry}}}$

Phương pháp cảm biến điện trở suất (Time Domain Reflectometry – TDR) dựa trên nguyên lý thay đổi hằng số điện môi của đất khi có nước. Cặp điện cực hoặc ăng-ten nhỏ được cắm vào đất, tín hiệu sóng điện từ truyền qua đo thời gian phản hồi, quy chiếu thành hàm lượng nước.

• Ưu điểm TDR: đo nhanh, không phá hủy cấu trúc mẫu, định vị độ ẩm theo chiều sâu.
• Hạn chế: đắt, cần hiệu chuẩn cho từng loại đất.
• Cảm biến neutron: sử dụng nguồn neutron nhanh để tương tác với hạt nhân hydrogen, đo neutron chậm lại trực tiếp tỷ lệ với lượng nước.

Phương pháp đo gián tiếp và viễn thám

Ảnh viễn thám vi sóng (Synthetic Aperture Radar – SAR) sử dụng cảm biến radar trên vệ tinh (Sentinel-1) hoặc máy bay đo độ ẩm bề mặt (~0–5 cm đầu). Độ phản xạ vi sóng theo phân cực tương quan với độ ẩm, cho phép lập bản đồ độ ẩm theo không gian rộng.

Mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) của NASA cung cấp dữ liệu độ ẩm đất bề mặt với độ phân giải ~9 km và tần suất cập nhật hàng ngày. SMAP kết hợp ăng-ten radar và ăng-ten vi sóng thụ động để cải thiện độ chính xác và giảm nhiễu bề mặt (NASA SMAP).

• Kết hợp dữ liệu SAR và SMAP nâng cao độ phân giải không gian và thời gian.
• Mô hình vật lý (e.g. Hydro‐BloMod) kết hợp dữ liệu vệ tinh, cảm biến mặt đất và khí tượng.
• Ứng dụng GIS để trực quan bản đồ độ ẩm và tích hợp với dữ liệu địa hình, thảm thực vật.

Field Capacity và Permanent Wilting Point

Field Capacity (FC) là độ ẩm đất còn lại sau khi đất bão hòa và được để thoát trọng lực trong khoảng 2–3 ngày, tương ứng lực hút đất khoảng 0.33 bar. Permanent Wilting Point (PWP) là độ ẩm khi lực hút đất ~15 bar, cây không thể hút nước và héo vĩnh viễn.

Plant Available Water (PAW) được định nghĩa là phần nước giữa FC và PWP:

$PAW = FC - PWP$

Giá trị FC và PWP thay đổi theo loại đất:

Ứng dụng trong nông nghiệp và quản lý nước

Quản lý tưới tiêu chính xác (Precision Irrigation) dựa trên ngưỡng độ ẩm đất nhằm tiết kiệm nước và tối ưu năng suất cây trồng. Hệ thống tự động kích hoạt tưới khi độ ẩm giảm dưới FC và dừng khi đạt ngưỡng trên, giảm tổn thất qua bốc hơi và chảy tràn.

• Nông nghiệp thông minh (Smart Farming): tích hợp cảm biến đất, IoT và phần mềm quản lý.
• Thanh tra hạn hán: kết hợp mô hình dự báo hạn hán (e.g. US Drought Monitor) với dữ liệu độ ẩm thoát nước.
• Bảo vệ cây trồng: phát hiện stress khô hạn sớm qua thay đổi điện môi đất.

Quản lý lưu vực sông (IWRM) sử dụng độ ẩm đất trong mô hình thủy văn SWAT, HEC-HMS để dự báo dòng chảy bề mặt, kiểm soát lũ lụt và phân bổ nguồn nước giữa nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt.

Mô hình hóa và dự báo

Mô hình SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) tính toán cân bằng năng lượng bề mặt và độ ẩm đất qua ảnh viễn thám nhiệt. Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) mô phỏng dòng chảy, thẩm thấu và độ ẩm đất trong lưu vực dựa trên khí hậu, địa hình và quản lý đất đai.

Ứng dụng machine learning (ví dụ Random Forest, LSTM) dựa trên dữ liệu lịch sử mưa, nhiệt độ và cảm biến đất cho dự báo không gian–thời gian độ ẩm đến 10 ngày. Mô hình ML giảm nhu cầu hiệu chỉnh thủ công và cải thiện độ chính xác tại quy mô nhỏ.

• SEBAL, SWAT: mô hình vật lý, đòi hỏi thông số diện rộng.
• ML (RF, LSTM): mô hình dữ liệu-driven, chịu ảnh hưởng bởi chất lượng dữ liệu.
• GIS tích hợp kết quả để lập bản đồ, hỗ trợ ra quyết định.

Tài liệu tham khảo

1. Food and Agriculture Organization. “Soil Moisture.” FAO Soil moisture database. http://www.fao.org/land-water/databases-and-software/soil-moisture
2. National Aeronautics and Space Administration. “SMAP Mission.” NASA SMAP. https://smap.jpl.nasa.gov/
3. United States Department of Agriculture NRCS. “Soil Survey Manual.” https://www.nrcs.usda.gov/
4. Hillel, D. Environmental Soil Physics. Academic Press, 2003.
5. Van Genuchten, M. Th. “A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils.” Soil Science Society of America Journal, 1980.