Hiểu về nông học

Mưa trong nông nghiệp

Nước mưa, nguồn tài nguyên thiên nhiên cơ bản nhất cho sự sống, đóng vai trò kép trong sản xuất nông nghiệp: vừa là yếu tố sinh tồn quyết định năng suất cây trồng, vừa là tác nhân gây ra các thảm họa như xói mòn, ngập úng và rửa trôi dinh dưỡng. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra với tốc độ chưa từng có, các quy luật mưa truyền thống đang bị phá vỡ, thay thế bằng các hiện tượng cực đoan khó lường. Do đó, việc chuyển dịch từ canh tác dựa trên kinh nghiệm sang canh tác dựa trên dữ liệu khí tượng thủy văn chính xác, kết hợp với các giải pháp công trình và phi công trình, là yêu cầu cấp thiết để đảm bảo an ninh lương thực.

Quá trình hình thành mưa

Quá trình hình thành mưa là một phần quan trọng của vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên. Đây là hiện tượng vật lý liên quan đến sự chuyển đổi trạng thái của nước từ hơi sang lỏng và rơi xuống bề mặt Trái đất dưới tác dụng của trọng lực. Quá trình bắt đầu khi năng lượng nhiệt từ mặt trời chiếu xuống Trái đất.

Nước từ các đại dương, sông hồ, và đất ẩm nóng lên và chuyển thành hơi nước bay vào khí quyển gọi là bốc hơi (evaporation). Thực vật cũng đóng góp một lượng lớn hơi nước thông qua quá trình quang hợp và hô hấp gọi là thoát hơi nước (transpiration).

Khi hơi nước bay lên cao, nó gặp các luồng không khí lạnh hơn. Không khí lạnh không thể chứa nhiều hơi nước như không khí nóng. Khi nhiệt độ giảm đến điểm sương (dew point), hơi nước trở nên bão hòa. Hơi nước không thể tự ngưng tụ dễ dàng nếu không khí quá tinh khiết. Nó cần bám vào các hạt bụi cực nhỏ, khói, hoặc tinh thể muối biển lơ lửng trong không khí, gọi là hạt nhân ngưng tụ. Hơi nước ngưng tụ quanh các hạt nhân này tạo thành hàng tỷ giọt nước nhỏ li ti hoặc tinh thể băng, tập hợp lại thành các đám mây.

Các giọt nước trong mây rất nhỏ (đường kính khoảng 0,01 mm) và nhẹ nên chúng lơ lửng nhờ các dòng khí nâng lên. Để rơi xuống thành mưa, chúng phải lớn lên và đủ nặng để thắng lực cản của không khí. Có hai cơ chế chính:

Cơ chế va chạm và kết dính (coalescence process): Xảy ra chủ yếu ở các đám mây ấm (nhiệt đới). Các giọt nước lớn hơn rơi nhanh hơn, va chạm với các giọt nhỏ hơn trên đường đi và sáp nhập lại, kích thước tăng dần cho đến khi trọng lực kéo chúng xuống đất.
Cơ chế tinh thể băng (Bergeron): Xảy ra ở các đám mây lạnh (ôn đới hoặc tầng cao). Trong mây tồn tại cả giọt nước siêu lạnh (dưới 0^oC nhưng chưa đóng băng) và tinh thể băng. Áp suất hơi bão hòa trên mặt băng thấp hơn trên mặt nước, do đó hơi nước sẽ chuyển từ các giọt nước sang bám vào tinh thể băng. Tinh thể băng lớn lên thành bông tuyết, rơi xuống và tan chảy thành mưa khi gặp lớp không khí ấm gần mặt đất.

Dựa vào nguyên nhân đẩy không khí ẩm lên cao, có thể phân loại mưa thành:

Mưa đối lưu (convective rain): Mặt đất bị nung nóng, không khí ẩm bốc lên mạnh mẽ, nguội đi và tạo mưa rào (thường kèm sấm sét). Rất phổ biến ở vùng nhiệt đới như Việt Nam vào mùa hè.
Mưa địa hình (orographic rain): Gió mang hơi ẩm gặp núi chắn ngang, buộc phải leo lên cao, lạnh đi và gây mưa ở sườn đón gió. Sườn bên kia (khuất gió) thường khô hạn gây hiệu ứng Phơn.
Mưa xoáy thuận (frontal rain): Khi khối khí nóng gặp khối khí lạnh, khối khí nóng nhẹ hơn sẽ trườn lên trên khối khí lạnh, ngưng tụ và gây mưa diện rộng.

Nhận diện mây mưa

Việc nhận diện các loại mây gây mưa là kỹ năng thực địa rất hữu ích, đặc biệt trong nông nghiệp để quyết định thời điểm bón phân, phun thuốc hay thu hoạch. Trong khí tượng học, bất kỳ loại mây nào có từ "Vũ" (tiếng Latin là "Nimbus") trong tên gọi đều là mây gây mưa.

Mây Vũ Tích (Cumulo-nimbus - Ký hiệu: Cb) là "vua" của các loại mây mưa và là loại nguy hiểm nhất đối với hoạt động nông nghiệp. Mây phát triển theo chiều thẳng đứng, trông như những tòa tháp khổng lồ hoặc ngọn núi. Đỉnh mây thường phẳng ra giống cái đe do chạm vào tầng bình lưu. Chân mây rất thấp và đen kịt. Bầu trời tối sầm lại nhanh chóng. Gió đột ngột nổi lên và không khí trở nên lạnh hơn (do luồng khí lạnh từ đám mây tống xuống). Gây ra mưa rào, dông bão, sấm sét, gió giật mạnh và đôi khi có mưa đá. Mưa thường diễn ra nhanh, mạnh nhưng trong thời gian ngắn (cục bộ). Nếu thấy mây này, tuyệt đối không bón phân, phun thuốc (dễ bị rửa trôi ngay lập tức) và tìm nơi trú ẩn an toàn.

Mây Vũ Tằng (Nimbo-stratus - Ký hiệu: Ns) là loại mây gây ra những cơn mưa dầm dề, kéo dài cả ngày thường thấy.Hình dạng mây là một lớp màn màu xám xịt, dày đặc bao phủ toàn bộ bầu trời. Không có hình thù rõ rệt như mây Vũ Tích. Nó che khuất hoàn toàn mặt trời (không tạo ra bóng nắng). Bầu trời chuyển sang màu xám đồng nhất, tầm nhìn xa bị hạn chế do màn mưa. Gây ra mưa vừa hoặc mưa nhỏ nhưng liên tục và kéo dài trên diện rộng. Không kèm theo sấm sét hay gió giật mạnh. Loại mưa này thấm sâu vào đất, tốt cho tưới tiêu tự nhiên nhưng nếu kéo dài quá lâu dễ gây ngập úng hoặc nấm bệnh (do độ ẩm cao kéo dài).

Mây Tằng (Stratus - Ký hiệu: St) thường bị nhầm với sương mù bay cao. Lớp mây thấp, màu xám nhạt hoặc trắng đục, lơ lửng ngay trên ngọn cây hoặc tòa nhà cao tầng. Hạt nước rất nhỏ, bay lất phất chứ không rơi thẳng xuống, chỉ gây ra mưa phùn (drizzle) hoặc sương mù nhẹ. Tuy lượng nước không đáng kể nhưng nó làm tăng độ ẩm không khí rất cao, tạo điều kiện lý tưởng cho bào tử nấm nảy mầm trên lá cây ăn quả.

Các loại mây khác như mây Ti (Cirrus), Ti Tích (Cirro-cumulus), Ti Tằng (Cirro-stratus), Trung Tích (Alto-cumulus), Trung Tằng (Alto-stratus), Tằng Tích (Strato-cumulus), Ti (Cumulus) không tạo ra mưa.

Các hình thái mưa cực đoan

Mưa rào cường độ lớn

Mưa rào cường độ lớn (heavy rainfall/cloudburst) hay gọi là mưa dông nhiệt là một hiện tượng cực đoan phức tạp, được định nghĩa không chỉ bởi tổng lượng nước mà quan trọng hơn là tốc độ rơi (cường suất mưa) trong một đơn vị thời gian ngắn. Một trận mưa xối xả thực thụ được định nghĩa là lượng mưa >100 mm chỉ trong 1 giờ, có khả năng gây lũ quét tức thời.

Mưa cường độ lớn gần như luôn sinh ra từ mây Vũ Tích (Cumulonimbus - Cb). Hạt nước mưa lớn, có đường kính từ 2-6 mm. Khi hạt mưa lớn va chạm với đất trần, nó phá vỡ các khối đất kết dính (aggregates) thành các hạt nhỏ li ti. Các hạt nhỏ này lấp kín các lỗ nhỏ (pores) trên bề mặt đất.Tạo ra lớp váng đất (surface sealing) không thấm nước. Nước không thấm xuống được nữa mà chảy tràn trên bề mặt, gây xói mòn và lũ quét cục bộ, dù đất bên dưới vẫn khô. Mưa lớn tạo ra dòng chảy mặt (runoff) và dòng thấm sâu (percolation) quá nhanh làm rửa trôi nhiều dinh dưỡng (nutrient leaching). Động năng của hạt mưa làm rụng hoa, rụng quả non, làm rách lá, tạo vết thương mở cho nấm, vi khuẩn xâm nhập.

Dựa trên cơ chế trên, để bảo vệ vườn cây khỏi mưa cường độ lớn, cần:

Trồng cỏ hoặc phủ lớp thực vật khô. Lớp phủ sẽ hấp thụ động năng của hạt mưa, ngăn chặn việc phá vỡ cấu trúc đất và giữ cho lỗ hổng đất mở để nước thấm xuống từ từ.
Hệ thống mương cần thiết kế để thoát nước mặt nhanh nhất có thể (trong vòng 1-2 giờ) để tránh ngập úng cục bộ gây nghẹt rễ.
Sau các đợt mưa lớn kéo dài, cần bón bổ sung ngay lập tức các loại phân dễ tan (như phun qua lá) để bù đắp lượng dinh dưỡng bị rửa trôi và phun thuốc phòng bệnh.

Mưa do hoàn lưu bão/áp thấp nhiệt đới

Mưa do hoàn lưu bão (typhoon circulation rain) là một trong những hình thái thời tiết phức tạp và có sức tàn phá lớn nhất đối với sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Khác với những cơn mưa dông nhiệt cục bộ thường thấy vào buổi chiều, mưa bão mang tính chất hệ thống, diện rộng và kéo dài.

Mưa do hoàn lưu bão được hình thành từ các dải mưa xoắn ốc (spiral rainbands). Các dải mây (chủ yếu là mây Cb và Ns) xếp thành hình xoắn ốc chạy ngược chiều kim đồng hồ (ở Bắc Bán Cầu) hướng về tâm bão. Bão hoạt động như một máy bơm nhiệt khổng lồ, hút hơi ẩm từ mặt biển nóng, đẩy lên cao ngưng tụ và giải phóng năng lượng. Vùng mưa lớn nhất không phải lúc nào cũng ở tâm bão (mắt bão thường không mưa). Vùng mưa to nhất thường nằm ở thành mắt bão (eyewall) và các dải mưa rìa ngoài cách tâm hàng trăm km.

Mưa dông nhiệt chỉ kéo dài 1-3 giờ nhưng mưa hoàn lưu bão kéo dài từ 2 đến 5 ngày. Thậm chí sau khi bão tan thành áp thấp nhiệt đới trên đất liền, tàn dư của hoàn lưu vẫn tiếp tục gây mưa lớn (mưa hậu bão), thường gây lũ lụt nghiêm trọng hơn cả khi bão đang đổ bộ. Khi hoàn lưu gió ẩm đâm vào dãy núi, không khí bị cưỡng bức nâng lên, lạnh đi và trút nước xuống khiến lụt nặng hơn các vùng khác.

Cường suất mưa (mm/giờ) có thể không cao bằng mưa dông cực đoan, nhưng tổng lượng mưa tích lũy lại cực lớn (thường từ 200-500 mm/đợt), vượt quá khả năng thấm của đất và thoát nước của hệ thống kênh. Đất bị bão hòa nước trong nhiều ngày liên tục (>48 tiếng) làm hàm lượng oxy trong đất giảm gần bằng 0. Rễ cây chuyển sang hô hấp kỵ khí, sinh ra các chất độc (ethanol, lactic acid) làm thối đầu rễ tơ. Cây mất khả năng hút nước và dinh dưỡng và gây ra hiện tượng vàng lá, héo rũ ngay trong khi đất đang ngập nước. Mưa bão tạo ra môi trường nước liên thông giữa các liếp vườn, giúp nấm lây lan cực nhanh từ cây bệnh sang cây khỏe. Vết thương cơ giới do gió quật (gãy cành, rụng lá) là cửa ngõ xâm nhập hoàn hảo cho nấm.

Trước khi đón bão, các giải pháp kỹ thuật cần tập trung vào:

Trước khi bão đến 1-2 ngày, cần rút cạn nước vườn xuống mức thấp nhất có thể. Mục đích là tạo dung tích đệm để chứa nước mưa sắp tới.
Chằng chống cây để hạn chế lay động gốc. Khi đất nhão, rễ bám kém, gió bão rất dễ làm bật gốc cây.
Sau bão, cần tìm cách tháo nước ngay lập tức, không bón phân ngay. Rễ đang yếu/tổn thương, bón phân hóa học lúc này sẽ gây xót rễ.

Mưa đá

Mưa đá (hail) là một hiện tượng khí tượng cực đoan, trong đó nước rơi xuống dưới dạng các hạt băng rắn thay vì dạng lỏng. Trong nông nghiệp, đây được xem là kẻ hủy diệt vật lý nguy hiểm nhất vì nó gây tổn thương cơ học trực tiếp và tức thì cho cây trồng.

Mưa đá chỉ hình thành trong các đám mây dông mạnh nhất (Cb). Quá trình này diễn ra như một dây chuyền sản xuất tuần hoàn. Các hạt nước lỏng lên tầng cao của đám mây, nơi nhiệt độ thấp dưới 0^oC. Tại đây, hạt nước gặp các hạt nhân băng hoặc tự đóng băng thành hạt đá nhỏ (phôi đá). Hạt đá rơi xuống vùng thấp hơn (ấm hơn, chứa nhiều nước lỏng siêu lạnh), bề mặt tan chảy nhẹ và bắt dính các hạt nước khác. Sau đó, dòng thăng lại thổi nó ngược lên vùng lạnh, lớp nước mới này đóng băng tạo thành một lớp vỏ mới. Hạt đá cứ bị thổi lên rồi rơi xuống nhiều lần. Mỗi vòng lặp, nó được mạ thêm một lớp băng mới, kích thước lớn dần lên. Khi trọng lượng hạt đá thắng được lực đẩy của dòng thăng, nó rơi xuống đất dưới dạng mưa đá. Nếu cắt ngang một viên mưa đá, sẽ thấy các vòng tròn đồng tâm sáng - tối xen kẽ. Lớp băng trong suốt hình thành khi hạt đá gặp nhiều nước lỏng siêu lạnh, nước đóng băng từ từ, không khí kịp thoát ra ngoài. Lớp băng đục hình thành khi hạt đá gặp ít nước hoặc đóng băng quá nhanh ở tầng rất cao, bọt khí bị nhốt lại bên trong tạo màu trắng đục.

Một viên đá đường kính 1 cm rơi với tốc độ khoảng 9 m/s (32 km/h).Một viên đá đường kính 8 cm (cỡ quả bóng chày) có thể rơi với tốc độ 48 m/s (170 km/h). Với tốc độ này, nó hoạt động như những viên đạn, đủ sức xuyên thủng mái tôn, làm dập nát lá, cành, hoa, quả trên cây.

Mưa đá thường xảy ra vào các giai đoạn chuyển mùa (tháng 3-5 và tháng 9-10), thường xảy ra ở vùng núi (Tây Bắc, Tây Nguyên), do địa hình cưỡng bức dòng thăng phát triển mạnh. Tuy nhiên, ĐBSCL vẫn có thể xảy ra mưa đá trong các cơn dông nhiệt mạnh vào đầu mùa mưa. Trước khi có mưa đá, thường thấy mây Vũ Tích khổng lồ hình cái đe, bầu trời tối sầm, gió lạnh thổi mạnh và nhiệt độ giảm đột ngột.

Động năng rơi xuống của hạt mưa đá làm rách lá, gãy cành, rụng hàng loạt hoa và quả non. Các vết rách trên lá và vỏ cây mở đường cho nấm và vi khuẩn xâm nhập. Một lượng lớn đá lạnh phủ kín mặt đất làm nhiệt độ đất giảm đột ngột 5-10^oC khiến rễ cây bị sốc nhiệt (cold stress), ngừng hút nước tạm thời.5

Vì không thể ngăn chặn mưa đá hình thành, giải pháp chủ yếu là phòng vệ thụ động:

Sử dụng lưới có mắt lưới nhỏ, độ bền cao căng phía trên tán cây (dạng mái nhà). Lưới giúp phá vỡ động năng của viên đá, biến nó thành các mảnh nhỏ hoặc giữ lại trên lưới, ngăn không cho va đập trực tiếp vào hoa, quả. Đây là biện pháp hiệu quả nhất cho các vườn cây giá trị cao.
Ngay sau mưa, dọn vệ sinh, cắt tỉa ngay những cành gãy, quả dập nát để tránh thối lây lan và phun thuốc phòng bệnh.

Mưa axit

Mưa axit (acid rain) là một hiện tượng lắng đọng axit, xảy ra khi các khí thải ô nhiễm trong bầu khí quyển kết hợp với hơi nước tạo thành các axit mạnh rơi xuống mặt đất. Đây là một vấn đề hóa học môi trường nghiêm trọng, tác động trực tiếp đến lý hóa tính của đất và sức khỏe cây trồng.

Mưa tự nhiên vốn dĩ đã có tính axit nhẹ (pH khoảng 5,6) do khí CO₂ trong không khí hòa tan tạo thành axit yếu (H₂CO₃). Mưa axit được xác định khi nước mưa có độ pH <5,0. Trong những trường hợp ô nhiễm nặng (gần khu công nghiệp), pH có thể xuống tới 3,0 (tương đương độ chua của giấm ăn). Mưa axit hình thành chủ yếu từ hai loại khí ô nhiễm: SO₂ và NO_x. Chúng phát sinh từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ) và khí thải xe cộ.

Khi mưa axit thấm xuống, một lượng lớn ion H⁺ được đưa vào đất. H⁺ mạnh hơn, sẽ đẩy các ion dinh dưỡng ra khỏi keo đất (cơ chế trao đổi ion). Các dinh dưỡng này bị rửa trôi xuống tầng nước ngầm, cây không hút được nữa. Lâu dần, đất trở nên bạc màu, cây thiếu Canxi và Magie nghiêm trọng. Trong đất đa phần đất tự nhiên ở Việt Nam luôn có Nhôm (Al), nhưng nó thường ở dạng hợp chất không tan và vô hại. Khi pH đất giảm xuống thấp (do mưa axit), các hợp chất Nhôm bị hòa tan, giải phóng ion Al³⁺ tự do. Al³⁺ là chất độc đối với rễ cây, Nó làm rễ bị còi cọc, đầu rễ bị đen, mất khả năng hút nước và dinh dưỡng. Axit ăn mòn lớp sáp bảo vệ (cuticle) trên bề mặt lá, tạo ra các vết đốm chết hoại (necrosis) trên lá và vỏ quả, tạo đường cho nấm bệnh xâm nhập.

Đối với các vườn cây giá trị cao, sau những cơn mưa đầu mùa (thường có nồng độ axit cao nhất do tích tụ bụi lâu ngày), nếu có hệ thống tưới phun mưa, nên tưới nhẹ để rửa trôi axit bám trên lá.

Xói mòn đất

Xói mòn đất (soil erosion) là quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo làm bong tróc, di chuyển và làm mất đi lớp đất trên cùng của vỏ Trái Đất. Đây là một dạng suy thoái đất nghiêm trọng nhất. Đối với nông nghiệp, xói mòn được ví như "căn bệnh ung thư của đất". Xói mòn không chỉ làm mất lớp đất mặt màu mỡ (topsoil) mà còn làm hỏng cấu trúc đất, khiến cây trồng không thể phát triển bền vững.

Chiến lược kiểm soát dựa trên nguyên tắc cơ bản: Giảm động năng hạt mưa và Giảm tốc độ dòng chảy bề mặt. Trong đó, các yếu tố chúng ta có thể can thiệp là làm sao để mưa không rơi trực tiếp xuống đất? làm sao để nước chảy chậm lại? làm sao để giữ đất lại?

Che phủ đất là tuyến phòng thủ đầu tiên và hiệu quả nhất. Sử dụng rơm rạ, xác thực vật hoặc màng phủ nông nghiệp che kín mặt đất. Lớp phủ hấp thụ 100% động năng của hạt mưa, ngăn chặn hiện tượng bắn tóe (splash erosion) làm vỡ cấu trúc đất. Nó cũng giữ ẩm và tăng cường hoạt động của giun đất, giúp tạo lỗ hổng cho nước thấm xuống. Trồng các loại cây họ đậu hoặc cỏ giữa các hàng cây ăn quả, vừa giữ đất, vừa cố định đạm tự nhiên, vừa hạn chế cỏ dại cạnh tranh. Tạo ra các tầng tán lá khác nhau (cây cao, cây bụi, thảm cỏ) để hãm phanh hạt mưa từ từ trước khi nó chạm đất.

Khi nước đã rơi xuống và bắt đầu chảy, cần có biện pháp để dẫn dòng. Cày bừa và trồng cây theo các đường ngang có cùng độ cao (vuông góc với hướng dốc - đường đồng mức). Mỗi hàng cây, luống đất hoạt động như một con đập nhỏ giữ nước và đất lại. Các rãnh thoát nước không nên làm thẳng tuột và quá dốc mà nên có các bậc hoặc vật cản (đá, cỏ hương lau) để giảm tốc độ dòng chảy, ngăn xói lở lòng mương.

Đất giàu mùn có cấu trúc đoàn lạp bền vững (aggregate stability), khó bị hạt mưa đánh vỡ hơn đất nghèo kiệt. Nên áp dụng làm đất tối thiểu ở vùng đất dốc để duy trì độ tơi xốp tự nhiên do rễ cây và sinh vật đất tạo ra.

Tận dụng nguồn nước mưa

Tận dụng nước mưa là chiến lược biến nguy thành cơ: chuyển hóa lượng nước dư thừa (gây ngập úng, xói mòn) thành tài nguồn tài nguyên quý giá cho mùa khô, đặc biệt ở vùng khô hạn hoặc đất dốc.

Đắp bờ đất hình bán nguyệt (như vầng trăng khuyết) quanh gốc cây, hướng mở quay về phía trên dốc để đón dòng chảy. Giữ nước mưa lại ngay tại vùng rễ cây, giúp cây uống no nước trước khi nước chảy đi nơi khác.

Đào ao và lót bạt HDPE hoặc đất sét nện chặt đáy và thu gom nước mưa chảy tràn từ mương vườn vào ao này. Đây là nguồn nước ngọt dự trữ quan trọng để tưới cầm cự cho cây khi mùa khô đến hoặc mặn xâm nhập vào kênh rạch chính. Mương giữa và xung quanh vườn ở vùng đồng bằng cũng là nơi trữ nước mưa.