ảnh hưởng của thế oxy hóa – khử tới sự phát thải khí metan trong đất phù sa sông hồng

- Sự phát thải khí metan CH4 trong đất dưới sự thay đổi của thế oxi hóa khử và điều kiện nhiệt độ khác nhau.. Kết quả nghiên cứu: - Đánh giá ảnh hưởng thế oxy hóa – khử tới sự phát thải

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa 3

1.1.1 Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa trên thế giới 3

1.1.2 Một số nghiên cứu về sự phát thải khí metan trong đất lúa tại Việt Nam 6

1.2 Khí nhà kính 8

1.2.1 Khái niệm về khí nhà kính 8

1.2.2 Nguyên nhân sự gia tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất 8

1.2.3 Tác hại của khí nhà kính 11

1.3 Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo 11

1.3.1 Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo 11

1.3.2 Quá trình giải phóng CH4 từ đất lúa 12

1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải khí metan 13

1.3.4 Thế oxi hóa - khử và sự hình thành khí metan trong đất 15

CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 18

2.1.1 Mục tiêu tổng quát 18

2.2.2 Mục tiêu cụ thể 18

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 18

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 18

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 18

2.3 Nội dung nghiên cứu 19

2.4 Phương pháp nghiên cứu 19

2.4.1 Phương pháp luận tổng quát 19

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm 19

2.4.3 Phương pháp lấy mẫu 21

2.4.4 Phương pháp phân tích 22

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu 24

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Đặc điểm của đất trước thí nghiệm 25

3.2 Mối quan hệ giữa Eh và độ ẩm của đất phù sa sông Hồng 27

3.2.1 Lý do chọn độ ẩm thí nghiệm 27

3.2.2 Tương quan giữa thế oxi hóa - khử (Eh) với điều kiện độ ẩm khác nhau 28

3.3 Động thái biến đổi Eh qua các giai đoạn thí nghiệm 31

3.4.1 Tương quan giữa Eh và Fe2+ ở các công thức 33

3.4.2 Tương quan giữa Eh và Fe 2+/Fe3+ ở các công thức 34

3.5 Sự phát thải khí CH4 dưới sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau 35

3.5.1 Sự phát thải khí CH4 trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau 36

3.5.2 Cường độ phát thải khí CH4 qua các giai đoạn thí nghiệm 37

3.5.4 Tương quan giữa lượng phát thải khí metan với chất hữu cơ ở các công thức 40

3.5.5 Tương quan giữa hồi quy giữa CH4 với CHC, Eh, Fe2+/Fe3+ 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC TẾ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 51

DANH MỤC BẢNG BIỂU - HÌNH ẢNH

Bảng 1.1 Lượng CH4 phát thải từ đất lúa nước 4

Bảng 1.2 Eh của các hệ oxi hóa khử 15

Bảng 2.1 Các công thức thí nghiệm 20

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 24

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất phù sa sông Hồng trước thí nghiệm 25

Bảng 3.2 Thang pH đất và mức độ chua của đất 25

Bảng 3.3 Thang đánh giá các chỉ tiêu trong đất 26

Bảng 3.4 Các công thức thí nghiệm 28

Bảng 3.5 Khoảng Eh trung bình theo độ ẩm khác nhau 29

Bảng 3.6 Tương quan hồi quy giữa CH4 với CHC, Fe2+/Fe3+, Eh 42

Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng Cacbon trong đất 13

Hình 3.1 Các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa và nhu cầu tưới (xấp xỉ) 28

Hình 3.2 Tương quan giữa thế oxi hóa khử (Eh) với điều kiện độ ẩm ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 29

Hình 3.3 Động thái của Eh qua các ngày thí nghiệm 31

Hình 3.4 Tương quan giữa Eh và Fe2+ ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 33

Hình 3.5 Tương quan giữa Eh và Fe2+/Fe3+ ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 34

Hình 3.6 Tổng lượng khí CH4 phát thải của các công thức 36

Hình 3.7 Cường độ phát thải khí CH4 qua các giai đoạn thí nghiệm 37

Hình 3.8 Tương quan giữa lượng phát thải khí metan với Eh ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-a-A45-35, d-N25, e-N75-a-A45-35, f-N75-25 38

Hình 3.9 Tương quan giữa lượng phát thải khí metan với chất hữu cơ ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 40

GWP : Tiềm năng nóng lên toàn cầu

IPPC : Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu KNK : Khí nhà kính

Kts : Kali tổng số

Nts : Nitơ tổng số

P ts : Photpho tổng số

Pdt : Photpho dễ tiêu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí metan trong đất phù sa sông Hồng

- SV thực hiện:

Bùi Thùy Dung Mã số SV: DTZ1254403010065

Nguyễn Thị Thùy Linh Mã số SV: DTZ1254403010059

Trịnh Thị Phương Thảo Mã số SV: DTZ1254403010079

- Lớp: KHMT-K10 Khoa: KHTĐ&MT Năm thứ: 3

Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: ThS.NCS Mai Thị Lan Anh

- Hiện nay, tại Việt Nam cũng chưa có nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về

ảnh hưởng của Eh tới sự phát thải khí CH4 ở đất phù sa sông Hồng Vì vậy, đề tài:

“Ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử tới sự phát thải khí metan trong đất phù sa sông Hồng” sẽ cung cấp thêm cơ sở cho chiến lược quản lý để giảm thiểu lượng phát thải khí nhà kính

- Sự phát thải khí metan (CH4) trong đất dưới sự thay đổi của thế oxi hóa khử

và điều kiện nhiệt độ khác nhau

4 Kết quả nghiên cứu:

- Đánh giá ảnh hưởng thế oxy hóa – khử tới sự phát thải khí metan (CH4) ở điều kiện độ ẩm và nhiệt độ khác nhau

- Tìm ra điều kiện độ ẩm và phạm vi kiểm soát Eh thích hợp để hạn chế sự phát thải CH4

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Cung cấp thêm cơ sở cho chiến lược quản lý để giảm thiểu lượng phát thải khí nhà kính

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có)

Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

Bùi Thùy Dung

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ô nhiễm môi trường không chỉ là vấn đề của mỗi quốc gia mà đã trở thành vấn

đề chung của nhân loại được toàn thế giới quan tâm Môi trường cung cấp cho con người những điều kiện cần thiết cho sự sống, tồn tại và phát triển Tuy nhiên, hiện nay con người đang phải đối mặt với những thay đổi quá nhanh của môi trường sống, đặc biệt là hiện tượng biến đổi khí hậu Theo IPCC (29/07/2013) dự báo nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta sẽ tăng trong khoảng từ 0,3oC đến 4,8oC và mực nước biển sẽ tăng từ

26 – 82 cm vào năm 2100, thiên tai hạn hán, lũ lụt thường xuyên xảy ra

Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu là do sự gia tăng của các khí nhà kính (CO2, CH4, NOx ) Mặc dù hàm lượng phát thải khí metan (CH4) toàn cầu thấp hơn so với cacbon dioxit (CO2) nhưng lại là một khí gây ra hiệu ứng nhà kính lớn hơn Hàm lượng khí metan (CH4) trong khí quyển đã tăng khoảng 150% từ năm 1750 (IPCC (2001))

Nguồn phát thải chính của khí metan (CH4) sinh ra qua quá trình biến đổi sinh học trong môi trường yếm khí từ các khu vực đầm lầy và các ruộng lúa nước Khí metan (CH4) khoảng 40% được giải phóng ra có nguồn gốc tự nhiên (đất ngập nước, đầm lầy), khoảng 60% còn lại có nguồn gốc từ con người

Cuộc họp vào ngày 31 tháng 3 năm 2014 của Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) ở Yokahama (Nhật Bản) đưa ra lời cảnh báo về những tác động tiềm năng của các chất khí như metan – với hiệu ứng nhà kính nhiều hơn 32 lần so với hiệu ứng nhà kính của cacbon đioxit Hiện nay, người ta tập trung vào hai nguồn phát thải khí metan đó là khu vực đầm lầy và ruộng lúa nước Bằng phương pháp đo đồng vị người ta có thể đánh giá 70 - 80% CH4 của khí quyển có nguồn gốc sinh học (Khal và Shearer, 1993)

Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất và xuất khẩu lúa gạo hàng đầu của thế giới, có khoảng 6 triệu ha đất trồng lúa (Young và cộng sự, 2002; FAOSTAT,

2013) [27] Trong đó đất trồng lúa ở khu vực đồng bằng sông Hồng chiếm hơn 1 triệu

ha, với con số này lúa chiếm 88% diện tích cây lương thực của vùng và chiếm khoảng 14% diện tích gieo trồng lúa của cả nước Đến năm 2000 lượng phát thải khí nhà kính của ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cacbon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí

nhà kính toàn quốc Theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí nhà kính phát thải trong nông nghiệp là 52,32 triệu tấn cacbon, chiếm 51% tổng lượng phát thải của cả nước Nguồn phát thải chủ yếu CH4 là trồng lúa phát thải 1,56 triệu tấn cacbon/năm chiếm 62,4% (Viện khí tượng thủy văn, 1999) và là nguồn phát thải chủ yếu (Nguyễn Mộng Cường và cộng sự, (1999), Nguyễn Mộng Cường, (2000)) Việc này đồng nghĩa khu vực đất phù sa sông Hồng cũng góp phần lớn vào việc phát thải ra khí nhà kính CH4

Tại Việt Nam các nghiên cứu về phát thải khí metan còn ít Đặc biệt quá trình phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí đều dẫn đến hình thành CH4 phụ thuộc vào nhiều điều kiện và mới chỉ đề cập đến các yếu tố môi trường như điều kiện nhiệt

độ, độ ẩm, thời gian canh tác Độ oxi hóa khử là một trong các yếu tố chính ảnh hưởng tới sự phát thải khí CH4 Hiện nay, tại Việt Nam cũng chưa có nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về ảnh hưởng của Eh tới sự phát thải khí CH4 ở đất phù sa sông

Hồng Vì vậy, đề tài :“Ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử tới sự phát thải khí metan

trong đất phù sa sông Hồng” sẽ cung cấp thêm cơ sở cho chiến lược quản lý để giảm

thiểu lượng phát thải khí nhà kính

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí metan ở đất phù sa sông Hồng

- Đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu sự phát thải khí metan từ hệ thống canh tác lúa nước

3 Ý nghĩa của đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa

1.1.1 Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa trên thế giới

Như ta đã biết, các khí CO2, NH4, NOx, CFC… trong khí quyển đóng vai trò như một nhà kính khổng lồ bao quanh trái đất điều này làm trái đất nóng dần lên Hiệu ứng nhà kính có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trái đất

Metan cũng là một loại khí nhà kính quan trọng trong hệ thống khí hậu, vì quang phổ hấp thụ hồng ngoại của nó (Wang và cộng sự, 1976) Sự gia tăng nhanh chóng hàm lượng khí metan, có thể kéo theo những hậu quả về môi trường đáng kể [25] Các nghiên cứu từ năm 1885 đến 1940 cho thấy nồng độ khí nhà kính đã tăng 0,008% và nhiệt độ trái đất đã tăng lên 0,5% Vì vậy, những nghiên cứu về sự phát thải metan là cần thiết để ước tính chính xác nguồn, sự hấp thụ metan khí quyển và tìm cách để giảm lượng khí thải metan

Lúa được trồng hơn 140 triệu ha trên toàn thế giới và là thực phẩm chủ yếu được tiêu thụ nhiều nhất trên trái đất Với 90% lượng gạo của thế giới được sản xuất

và tiêu thụ ở châu Á, và 90% phần trăm đất lúa ít nhất là tạm thời bị ngập lụt Các thủy sinh bán độc đáo phụ thuộc bản chất của cây lúa cho phép nó phát triển một cách hiệu quả mà ở những nơi khác không thể tồn tại, nhưng nó cũng là lý do làm cho lượng khí thải của các khí nhà kính lớn [23]

Theo ICPP (1996) thì tổng lượng phát thải CH4 là từ 20-100 triệu tấn/năm Năm

2000, tổng lượng khí metan phát thải trong hoạt động lúa gạo là 625 triệu tấn, chiếm

15 % đến 20 % tổng lượng metan do con người tạo ra Mùa khô lượng khí metan thải

ra ít hơn do chế độ ít ngập nước hơn Tùy vào điều kiện môi trường mà đất lúa mỗi nơi trên thế giới phát thải lượng khí nhà kính khác nhau, đó là do sự khác nhau về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian canh tác… Ngoài ra ảnh hưởng của thế oxy hóa - khử

là một trong các yếu tố chính ảnh hưởng tới sự phát thải khí CH4

Bảng 1.1 Lượng CH 4 phát thải từ đất lúa nước

Lục địa Diện tích

lúa

CH 4 giải phóng (g/m 2 /ngày)

Giai đoạn trồng

CH 4 giải phóng (triệu tấn/năm)

90-120 90-120 90-120

150

29-62 12-25 4-11

<1

Có tưới Nhờ nước mưa 0-30 cm Nhờ nước mưa 30-100 cm Ngập nước >100cm

Châu Phi 3650

1820

0,5 – 0,8 0,5 – 0,8

90-120 90-120

2-4 1-2

Có tưới Nhờ nước mưa Châu Mỹ 7036 0,3 – 0,8 90-150 1-6 Có tưới

Phần còn lại 1195 0,5 – 0,6 120-150 0,1 Có tưới

(Nguồn: Bouwman, 1990)

Sự hình thành CH4 ở ruộng lúa và ảnh hưởng đến nồng độ, sự phân bố của

CH4 trong khí quyển được Koyama nghiên cứu đầu tiên ở Nhật Bản vào năm 1963 Koyama ước tính tỷ lệ phát thải có thể có của CH4 trong đất lúa của thế giới dựa trên các phép đo trong phòng thí nghiệm ở các mức sản xuất của CH4 từ đất lúa tại Nhật Bản Tác giả đã ước tính hàng năm sự phát thải CH4 từ những ruộng lúa vào khí quyển

khoảng 190 triệu tấn trong những năm đầu thập kỷ 60 [16]

Thí nghiệm đo trực tiếp ngoài ruộng lúa lượng CH4 phát thải được thực hiện tại California (Mỹ) bởi Cicerone và Shetter (1981) Họ phát hiện ra rằng việc phát thải CH4

từ ruộng lúa chủ yếu là thông qua trực tiếp từ cây lúa, không có khuếch tán hoặc sự hiện diện của các bong bóng qua bề mặt nước - không khí Hơn nữa, Cicerone (1983) báo cáo

sự phụ thuộc theo mùa mạnh của dòng CH4 phát thải từ ruộng lúa đã quan sát thấy lượng phát thải khí metan cao nhất trong 2 - 3 tuần cuối cùng trước khi thu hoạch, lượng khí

CH4 phát thải hàng ngày đạt 5 g/m 2 Trong 100 ngày mùa, khí CH4 phát thải hàng ngày trung bình khoảng 0,25 g/m 2 [12] Seller (1984) ở Tây Ban Nha tiến hành thí nghiệm đo lượng phát thải CH4 và đưa ra giá trị 35 - 59 triệu tấn/năm [24] Holzapfel Pschorn và Seiler (1986) tiến hành đo CH4 phát thải từ cánh đồng lúa ở Ý trong một khoảng thời gian

thực vật phát triển hoàn chỉnh, sử dụng một hệ thống hộp tĩnh Những cánh đồng lúa được tìm thấy là một nguồn phát thải metan vào khí quyển trong thời gian ngập lụt Tỷ lệ phát thải CH4 dao động từ một vài mg CH4 mỗi mét vuông mỗi giờ và 51 mg CH4 m-2 h-1 cho thấy một sự thay đổi theo mùa với mức phát thải tối đa giữa giai đoạn đẻ nhánh và ra hoa Trung bình trong giai đoạn thực vật phát triển hoàn chỉnh, tỷ lệ CH4 phát thải là 16 mg m-2

h-1 CH4 phát thải biến đổi trong ngày mạnh mẽ, với giá trị cao nhất vào cuối buổi chiều

và giá trị thấp nhất vào buổi sáng sớm, trùng hợp với sự thay đổi nhiệt độ trong các lớp đất phía trên (1-10 cm) [14]

Trên thế giới đã có các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của thế oxi hóa-khử tới sự phát thải khí metan như: Patrick H Masscheleyn (1993) nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về ảnh hưởng của thế oxy hóa khử trong đất tới sự phát thải khí nitơ oxit và metan từ các loại đất khác nhau, sự tương ứng của thế oxi hóa - khử trong đất để CH4

và N2O phát thải từ một đất trồng lúa đã được nghiên cứu Tác giả chỉ ra rằng tại Louisiana (Mỹ) đất lúa đã cân bằng ở các mức độ oxi hóa khử được kiểm soát, từ 500

mV đến -250 mV Nghiên cứu cho thấy giá trị oxi hóa khử của đất -150 mV là quan trọng đối với sự phát thải CH4 [17]

Yu và cộng sự (2001) nghiên cứu ảnh hưởng của thế oxy hóa khử trong đất tới

sự phát thải khí nitơ oxit và metan từ các hệ thống loại đất khác nhau Bốn mẫu đất từ các cánh đồng lúa khác nhau Ở Mĩ, Trung Quốc (ruộng lúa) và Bỉ (ruộng ngô và lúa mì) đất được phân tán trong dung dịch với tỷ lệ (đất : nước, 1: 4) sau đó được ủ và đánh giá sự phát thải của N2O và CH4 phát thải trong đất khác nhau trong điều kiện oxi hóa khử tiềm năng Kết quả cho thấy sự phát thải N2O đã được quy định trong một phạm vi hẹp của thế oxi hóa khử 120 mV - 250 mV Tỷ lệ phát thải CH4 tỷ lệ nghịch với khả năng oxi hóa khử đất Cả hai mối quan hệ tuyến tính và hàm mũ giữa phát thải

CH4 và thế oxi hóa khử đất là có ý nghĩa Bằng cách ngoại suy các mối quan hệ tuyến tính phát thải CH4 đối với thế oxy hóa khử đất, tiềm năng oxi hóa khử cho việc phát thải CH4 được ước tính vào khoảng -170mV (đất lúa ở Mĩ), -150mV (đất lúa của Trung Quốc), -215mV (đất ngô Bỉ), và - 195 mV (đất lúa mì Bỉ) Ngoài ra, kết quả cho thấy đất có tiềm năng oxi hóa khử thấp quan trọng cho việc phát thải CH4 [28]

Yu, Patrick (2003) nghiên cứu phản ứng oxi hóa khử với việc sản sinh tối thiểu khí NO2 và CH4 trong đất trồng lúa dưới độ pH khác nhau Một đất lúa Louisiana được

ủ và có bốn mức độ pH khác nhau được sử dụng Sản xuất oxit nitơ bắt đầu ngay sau khi bắt đầu ủ trong điều kiện oxy hóa Một số lượng lớn CH4 được sản xuất tại một điểm quan trọng và giảm tăng theo cấp số nhân với sự sụt giảm hơn nữa tiềm năng oxi hóa khử (Eh) Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về mặt thống kê giữa lý thuyết về dự đoán giảm của Eh với tăng pH và sự thay đổi quan sát được của Eh với

pH cho quá trình sản xuất N2O (60 mV, P = 0,932), CH4 (93 mV, P = 0,204) Tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) đóng góp từ đất nghiên cứu chủ yếu xuất phát từ sản lượng N2O ở điều kiện giảm vừa phải, và từ sản xuất CH4 trong điều kiện rất giảm Có

sự phát thải nhẹ CH4 tại Eh cao ngay sau khi bắt đầu ủ, nhưng sản lượng CH4 này không phải là một nguồn quan trọng của GWP từ đất do số lượng nhỏ và xảy ra thoáng qua Nếu pH trung tính, phạm vi Eh tính với tối thiểu GWP thường là trong khoảng -

150 mV đến +180 mV [29]

1.1.2 Một số nghiên cứu về sự phát thải khí metan trong đất lúa tại Việt Nam

Ở Việt Nam, là một nước đứng thứ hai thế giới về sản xuất lúa gạo với sản lượng hơn 30 triệu tấn thì lượng metan phát thải từ sản suất lúa gạo là chủ yếu Theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí nhà kính phát thải trong nông nghiệp là 52,32 triệu tấn cacbon, chiếm 51% tổng lượng phát thải của cả nước Đến năm 2000 lượng phát thải khí nhà kính của ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cacbon chiếm 45,4% so cả nước (Viện khí tượng thủy văn, 1999) Để giảm lượng phát thải khí nhà kính, một trong những biện pháp là giảm phát thải CH4 từ đất trồng lúa nước

Nguyễn Hữu Thành và cộng sự (2011) nghiên cứu tập trung về tình hình phát thải khí metan trên đất lúa (thời kỳ lúa đẻ nhánh rộ) tại các tỉnh vùng đồng bằng sông Hồng: Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Hải Dương và Hà Nội, với số lượng 10 mẫu/tỉnh vào vụ mùa năm 2010 Kết quả cho thấy tốc độ phát thải metan trung bình tại

5 tỉnh của vùng nghiên cứu có giá trị nhỏ nhất tại Thái Bình, 39,5 mg CH4/m2/giờ và cao nhất tại Nam Định, 61,3 mg CH4/m2/giờ Tốc độ phát thải khí CH4 tại các điểm nghiên cứu tại Hải Phòng dao động từ 31,4 đến 69,9 mg CH4/m2/giờ, Thái Bình từ 32,1 đến 60,3 mg CH4/m2/giờ, Nam Định từ 40,7 đến 94,2 mg/m2/giờ, Hải Dương từ 30,9 đến 84,3 mg CH4/m2/giờ, Hà Nội, từ 33,1 đến 57,9 mg/m2/giờ Nghiên cứu cũng chỉ ra động thái phát thải khí CH4 vụ mùa 2010 và vụ xuân 2011 ở đất lúa Viện cây lương thực và cây thực phẩm, Hải Dương và đất lúa trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội

Vụ mùa 2010, cường độ phát thải khí CH4 đạt cao nhất ở 5 tuần sau cấy (thời kỳ đẻ nhánh rộ) tương ứng là 72,3 và 66,0 mg CH4/m2/giờ, sau đó giảm dần tới cuối vụ Vụ xuân năm 2011, cường độ phát thải cao nhất vào 9 tuần sau cấy, tương ứng đạt 53,6 và 44,7 mg CH4/m2/giờ, thấp hơn cường độ phát thải trong vụ mùa 2010 Kết quả nghiên cứu tương quan giữa tốc độ phát thải khí CH4 với một số tính chất đất cho thấy tốc độ phát thải metan tương quan nghịch chặt với pH KCl ở đất Hải Phòng (r = -0,82), với

Mn dễ tiêu và Eh ở đất Thái Bình, Hải Dương và Nam Định (r từ -0,55 đến -0,85) và

có tương quan thuận với hàm lượng chất hữu cơ trong đất ở Hà Nội (r=0,6) [7]

Nguyễn Việt Anh (2006) nghiên cứu về quản lý nước mặt ruộng nhằm giảm phát thải khí metan, tiết kiệm nước và không làm giảm năng suất lúa trên đồng bằng sông Hồng Nghiên cứu cho thấy chế độ nước mặt ruộng có ảnh hưởng lớn đến cơ chế hình thành và phát thải khí metan trên ruộng lúa Đối với đất phù sa trung tính ít chua đồng bằng sông Hồng, tưới nông lộ phơi sẽ giảm phát thải khí metan tiết kiệm nước và năng suất lúa tăng so với ngập nước thường xuyên Cần chọn thời điểm phơi ruộng hợp lý để tận dụng tối đa nước mưa, giảm nước tháo nhằm tiết kiệm nước tưới, thúc đẩy quá trình phát triển và tăng năng suất lúa [1]

Nguyễn Việt Anh (2010) nghiên cứu chế độ nước mặt ruộng hợp lý để giảm thiểu phát thải khí mê tan trên ruộng lúa vùng đất phù sa trung tính ít chua đồng bằng sông Hồng Nghiên cứu cho thấy lần đầu tiên tại Việt Nam định lượng được thế oxi hóa khử (Eh) từ -176 mV đến -287 mV là điều kiện để hình thành metan trong đất phù

sa trung tính ít chua, bón phân vô cơ và hữu cơ, ngập nước có cấy lúa ở đồng bằng sông Hồng Xác định chế độ nước mặt theo công thức tưới nông - lộ - phơi giảm thiểu lượng metan phát thải trung bình toàn vụ mùa 11,25%, vụ xuân 8,97% so với công thức tưới nông thường xuyên Xác định tương quan chặt chẽ giữa cường độ metan phát thải (Y) với cường độ thoát hơi nước (X) giai đoạn sinh trưởng từ cấy - hồi xanh đến đứng cái – làm đòng, theo phương trình tuyến tính: vụ xuân Y = 9,9631X – 25; R2 = 0,731, vụ mùa Y = 30,885X – 97; R2 = 0,875 (R2 là hệ số tương quan) [2]

Khí metan phát thải trên vùng đất lúa là quá trình phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí có sự tham gia của các vi khuẩn Qúa trình hình thành và chuyển hóa CH4 có sự tham gia của vi khuẩn mentanobacterium, các yếu tố môi trường như chất hữu cơ, nhiệt độ, độ ẩm và thế oxy hóa – khử (Eh)… Bằng việc tiến hành thực

nghiệm ảnh hưởng của thế oxy hóa – khử (Eh) đối với việc phát thải khí CH4 ta có thể giảm thiểu được việc phát thải một cách đáng kể

Các nghiên cứu ở Việt Nam về phát thải khí metan còn ít, chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể Đặc biệt còn nhiều yếu tố môi trường chưa được đề cập tới như ảnh hưởng của thế oxi hóa – khử Điều này đặt ra câu hỏi lớn và cần câu trả lời mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn Vì vậy nghiên cứu ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử tới việc phát thải khí metan là cần thiết để kiểm soát được Eh giúp hạn chế khí nhà kính gây biến đổi khí hậu

1.2 Khí nhà kính

1.2.1 Khái niệm về khí nhà kính

Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại

λ > 0,75μm) được phản xạ từ bề mặt trái đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó giữa lại nhiệt cho trái đất, gây ra hiệu ứng nhà kính [9]

Các loại khí nhà kính chính: cacbon dioxit (CO2), metan (CH4), nitro oxit (N2O), hơi nước (H2O), ozon (O3)

1.2.2 Nguyên nhân sự gia tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất

a Khí CO 2

Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, khoảng 375 tỷ tấn cacbon đã được phát thải

ra bởi con người vào bầu không khí như cacbon đioxit (CO2)

CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, chiếm 50% trong cơ cấu các khí gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Trong khí quyển, CO2 chiếm 0.034% thể tích, là nguyên liệu cho quá trình quang hợp ở cây xanh Thông thường lượng CO2 sản sinh một cách tự nhiên cân bằng với lượng CO cho quang hợp Thế nhưng, hàm lượng CO trong không khí ngày càng tăng và tác động xấu đến khí hậu toàn cầu do các nguyên nhân như:

+ Thời kỳ tiền công nghiệp lượng CO2 là ~ 280 ppm Khí quyển đạt CO2 140% giai đoạn tiền công nghiệp vào năm 2011, chủ yếu là do khí thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch

+ Sự phát triển của các ngành công nghiệp như khai khoáng, làm phát sinh một lượng khí CO2 khá lớn từ hoạt động đốt cháy và tiêu thụ nhiên liệu (dầu, than, xăng, khí ga, điện) cho các hoạt động của các máy móc khai thác, chế biến, lò luyện kim, phương tiện vận chuyển,…việc xây dựng các hồ chứa nước thủy điện cũng sinh ra một lượng khí CO2 đáng kể

+ Chặt phá rừng, đốt rừng bừa bãi để lấy đất trồng trọt, chăn nuôi hay xây dựng các công trình Nhìn chung, các hoạt động này tạo ra khoảng 25% cacbon vào bầu khí quyển, chủ yếu là khí CO2

+ Dân số tăng quá nhanh cùng với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa mạnh cũng thải vào khí quyển một lượng lớn CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính

Theo tính toán của các nhà khoa học, khi nồng độ CO2 trong khi quyển tăng gấp đôi, thì nhiệt độ bề mặt Trái Đất tăng lên khoảng 3oC Các số liệu nghiên cứu cho thấy nhiệt độ trái đất đã tăng 0,5oC trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do thay đổi của nồng độ CO2 trong khí quyển từ 0,027% đến 0,035% Dự báo nếu không có biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên 1,5oC đến 4,5oC vào năm 2050

b Khí CFC (cloro fluoro cacbon)

Chiếm 20% trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính Là những hóa chất do con người tổng hợp để sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và từ đó xâm nhập vào khí quyển CFC được dùng trong các máy điều hòa nhiệt độ trong xe và nhà cửa, dùng trong

hệ thống làm lạnh của tủ lạnh, trong việc chế tạo sản phẩm bằng chất plastic xốp (ly, khay

ăn, lớp cản nhiệt), một số thuốc xịt, trong các quy trình làm sạch các thiết bị điện tử và là sản phẩm phụ của một số quá trình hóa học Các khí này trơ về mặt hóa học, không cháy, không mùi nên có thời gian lưu rất dài Khi thải ra không khí các chất này bay lên tầng khí quyển cao và có khả năng xói mòn lớp ozon bao quanh trái đất và làm cho các tia cực tím

từ mặt trời đến mặt đất nhiều hơn, làm tăng nhanh hiệu ứng nhà kính

Hằng năm các khí CFC tăng 4% (1992) Tính đến năm 2050 các chất CFC có thể là 9 tỷ tấn CO tương đương, ước tính khoảng 45% tổng lượng thải CO2 ảnh hưởng xấu đến khí hậu toàn cầu

+ Sự phân hủy các chất hữu cơ trong các bãi rác thải rắn

+ Được sinh ra từ các quá trình sinh học, sự men hóa đường ruột của các loài động vật nhai lại, chất thải của các loài động thực vật

* Sự sản sinh CH 4 trong canh tác lúa nước:

Quá trình này xảy ra khi một số vi khuẩn nhất định (vi khuẩn metan) sử dụng

CO2 hoặc nhóm metyl như những chất thu nhận electron để sản sinh ra khí metan (CH4) theo phương trình:

+ Khí thải từ ô tô, xe máy (chủ yếu là oxit carbon, hidrocarbon, oxit nitro) + Quá trình đốt cháy các rác thải rắn và nguyên liệu

+ Một lượng nhỏ N2O xâm nhập vào khí quyển do kết quả của quá trình nitrat hóa các loại phân bón hữu cơ và vô cơ hay các quá trình xử lí nước thải

+ Quá trình sản xuất nông nghiệp và các hoạt động công nghiệp

Ngoài ra còn có các khi khác như: Hơi nước, SO2, SF, CF3…

1.2.3 Tác hại của khí nhà kính

Vai trò gây nên hiệu ứng nhà kính của các chất khí được xếp theo thứ tự sau:

CO2 => CFC => CH4 => O3 =>NO2 Sự gia tăng nhiệt độ trái đất do hiệu ứng nhà kính

có tác động mạnh mẽ tới nhiều mặt của môi trường trái đất

- Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm tan băng và dâng cao mực nước biển Như vậy, nhiều vùng sản xuất lương thực trù phú, các khu đông dân cư, các đồng bằng lớn, nhiều đảo thấp sẽ bị chìm dưới nước biển

- Sự nóng lên của trái đất làm thay đổi điều kiện sống bình thường của các sinh vật trên trái đất Một số loài sinh vật thích nghi với điều kiện mới sẽ thuận lợi phát triển Trong khi đó nhiều loài bị thu hẹp về diện tích hoặc bị tiêu diệt

- Khí hậu trái đất sẽ bị biến đổi sâu sắc, các đới khí hậu có xu hướng thay đổi Toàn bộ điều kiện sống của tất cả các quốc gia bị xáo động Hoạt động sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ hải sản bị ảnh hưởng nghiêm trọng

- Nhiều loại bệnh tật mới đối với con người xuất hiện, các loại dịch bệnh lan tràn, sức khoẻ của con người bị suy giảm

1.3 Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo

1.3.1 Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo

Hơn 90 % diện tích trồng lúa trên thế giới là diện tích đất ngập nước trong điều kiện nhiệt độ nóng ẩm, đây là điều kiện thuận lợi cho sự sản sinh khí metan trong điều kiện yếm khí Theo ICPP (1996) thì tổng lượng phát thải CH4 là từ 20-100 triệu tấn/năm Năm 2000, tổng lượng khí metan phát thải trong hoạt động lúa gạo là 625 triệu tấn, chiếm 15-20 % tổng lượng metan do con người tạo ra Mùa khô lượng khí metan thải ra ít hơn do chế độ ít ngập nước hơn Tùy vào điều kiện môi trường mà đất

lúa mỗi nơi trên thế giới phát thải lượng khí nhà kính khác nhau, đó là do sự khác nhau

về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian canh tác…

1.3.2 Quá trình giải phóng CH 4 từ đất lúa

Quá trình giải phóng CH4 từ đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Theo Sebacher (1986) khi đất bị ngập nước trên 10 cm ít có tác động làm tăng quá trình giải phóng CH4 Khi mực nước dưới 10 cm thì quá trình giải phóng CH4, có tương quan thuận với độ sâu tầng đất ngập

Trong phẫu diện đất ngập nước thường chia ra các tầng có mức độ khử khác nhau Tầng mặt vẫn được xem là tầng oxy hóa, tiếp đến là tầng khử chứa nhiều Fe2+

* Metan được giải phóng vào khí quyển có thể theo 3 con đường sau:

1 Sủi bọt: Là hiện tượng hình thành bọt khí từ các trầm tích, chiếm khoảng 49 –

64 % (Barlett và cộng sự, 1988) đến 70% (Crill và cộng sự, 1988) lượng CH4 phát thải từ đất ngập nước

2 Khuếch tán: CH4 khuếch tán vào nước tới bề mặt nước và thoát vào khí quyển (Sebacher và cộng sự 1983)

3 Được vận chuyển thông qua cây trồng, đặc biệt là các phần cây sống trong nước, như lúa (Bont và cộng sự, 1978; Seiler, 1978) Quá trình có ý nghĩa quan trọng ở đất lúa nước Theo Seiler (1984), Holzappel Pschorn (1986) thì có tới 95% tổng số

CH4 được giải phóng từ đất vào khí quyển thông qua các mô khí của cây lúa Sự thoát

CH4 vào khí quyển thông qua việc hình thành các bong bóng khí chỉ có ý nghĩa lớn ở đất không cấy lúa Khi lúa già (lúa chín) có khả năng giải phóng lượng CH4 nhiều gấp

20 lần khi cây lúa mới có 2 tuần tuổi

Hình 1.1 Sơ đồ cân bằng Cacbon trong đất (Le Mer và cộng sự, 2001)

Diện tích đất lúa nước trên thế giới ước tính là 144 x 106 ha, trong đó 95 % tập trung ở vùng Đông Á (FAO, 1985), chiếm 9,5% diện tích đất trồng trọt trên toàn thế giới Đất lúa đã tăng nhanh chóng từ 86 x 106

ha lên 144 x106 trong thời gian 50 năm (1935 – 1985), với tốc độ tăng trung bình hàng năm là 1,05 % Riêng giai đoạn 1950 –

1980 tốc độ tăng đạt 1,23% mỗi năm Tuy nhiên trong những năm gần đây diện tích đất lúa có chiều hướng giảm

1.3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải khí metan

a Chế độ ngập nước và phân bón

Cường độ và cách thức phát thải khí CH4 chủ yếu dựa vào chế độ nước và lượng phân hữu cơ bón vào Các nghiên cứu cho thấy canh tác lúa ở điều kiện ngập nước tạo điều kiện môi trường khử, oxy hóa khử (Eh) của đất giảm xuống dưới 0 mV

là điều kiện thuận lợi cho các loại vi sinh vật phân giải chất hữu cơ đất và sinh khí metan, phát thải vào khí quyển Chế độ ngập nước xác định hiệu quả của tất cả các yếu

tố chu kỳ trong ruộng lúa và đại diện các điều kiện tiên quyết cho sự phát thải khí nhà kính chính là metan Vai trò đặc biệt của ruộng lúa trong cung cấp quỹ CH4 toàn cầu

đã dẫn đến nhiều đánh giá chi tiết về chủ đề này để tổng quan nhấn mạnh đến một số những hiểu biết mới bắt nguồn từ những dữ liệu xuất bản gần đây, cụ thể là đề tài nâng cấp và giảm nhẹ (Wassmann, 2010) Đồng lúa vùng cao, nơi không bị ngập nước

vì thế không sản sinh ra lượng đáng kể CH4, chiếm khoảng 10 % sản lượng lúa gạo toàn cầu và 15 % vùng trồng lúa gạo toàn cầu Vùng còn lại được trồng ở đầm lầy, bao gồm cây lúa phát triển do mưa/do tưới tiêu và lúa sống ở nơi nước sâu Môi trường trồng lúa không có nguồn cung cấp nước đảm bảo, cụ thể là nguồn nước mưa có khả năng phát thải khí nhà kính ít hơn so với ruộng có tưới nước Phân bón hữu cơ kích thích sự phát thải CH4 khi ruộng lúa bị ngập úng (Wassmann, 2010) Ngoài ra còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khí hậu và thời tiết

b Ảnh hưởng bởi mùa vụ và kỹ thuật trồng lúa

Việc sản xuất lúa ở Việt Nam theo phương pháp truyền thống đã làm phát thải

nhiều khí nhà kính Qúa trình giữ nước thường xuyên trong ruộng suốt quá trình sinh

trưởng và phát triển gây phát thải khí metan (CH4) thông qua quá trình methanogenesis (đây là kết quả của việc khí CH4 có thể phát ra không khí thông qua cây trồng và nước)

Ngoài ra việc giảm lượng khí metan phát thải còn có thể thông qua sử dụng giống lúa ngắn ngày, càng giảm lượng khí nhà kính phát thải vào môi trường Nouchi và Aoki (1990) đã đưa ra gia thiết CH4 hòa tan trong đất và nước xung quanh rễ rồi khuếch tán vào thành – vách tế bào rễ, sau đó được qua các lỗ khí của lá và thân cây [19]

c Ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Nhiệt độ của đất được biết tới như là một nhân tố quan trọng làm ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật đất Nhiệt độ khi đến một mức độ nhất định có liên quan đến hàm lượng ẩm của đất vì khả năng tạo ra nhiệt và tính dẫn nhiệt ở đất khô thấp hơn so với đất ướt Yamane và Sato (1961) vừa tìm ra rằng sự hình thành CH4 đạt được giá trị max ở 35oC đối với đất phù sa ngập nước Tỷ lệ hình thành khí metan nhỏ hơn khi nhiệt độ nhỏ hơn 20oC

1.3.4 Thế oxi hóa - khử và sự hình thành khí metan trong đất

Bảng 1.2 Eh của các hệ oxi hóa khử

(Nguồn: Ponnamperuma F.N Russel, E.W 1978)

Oxy hoá khử là quá trình diễn ra phổ biến trong đất, đặc biệt là đất ngập nước Quá trình này giữ một vai trò quan trọng đối với độ phì nhiêu đất Oxy hoá là quá trình kết hợp với oxy hay mất hydro Trái lại quá trình khử là mất oxy hay kết hợp với hyđro Quá trình oxy hoá khử cũng liên quan đến sự chuyển dịch điện tử (electron)… Các chất oxy hoá (ký hiệu là ox) là những chất nhận điện tử Quá trình chất oxy hoá nhận điện tử gọi là quá trình khử Các chất khử (ký hiệu là Red) là những chất cho điện tử, quá trình chất khử cho điện tử

là quá trình oxy hoá Cả hệ thống oxy hoá khử ký hiệu là Redox Trong một phản ứng cụ thể chất oxy hoá và chất khử tạo thành cặp oxy hoá khử và được gọi là một hệ thống oxy hoá - khử trong đất Trong đất những chất oxy hóa là O2; NO3-; Fe3+; Mn4+; Cu2+ và một số sinh vật hiếu khí Chất khử là H2, Fe2+, Cu+ và vi sinh vật kị khí

Quá trình oxy hóa - khử trong đất đều có thực vật và vi sinh vật tham gia cho nên đây là một quá trình sinh học Trong điều kiện oxy hóa hay khử, chất hữu cơ đều

bị phân giải, tuy nhiên, cường độ, sản phẩm phân giải có khác nhau Để đặc trưng cho cường độ oxy hóa - khử của dung dịch đất thường xác định bằng điện thế oxy hóa – khử (kí hiệu Eh) đơn vị là milivon (mV), tính theo công thức:

Eh (mV) = Eo + 59/ n.lg (ox)/ (red) Trong đó Eo là điện thế tiêu chuẩn, nghĩa là điện thế phát sinh ở các điện cực nằm trong dung dịch có chất oxy hoá và chất khử oxy nồng độ 1N và là hằng số với mỗi hệ oxy hoá khử

Thế oxi hóa - khử là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra CH4 trong đất Eh hay độ hoạt động electron của đất giảm từ từ sau khi ngập nước Patrick (1981) đã chứng minh rằng thế oxi hóa - khử của đất phải dưới khoảng -150 mV để có sự sản sinh ra CH4 Yamane và Sato (1964) cũng chỉ ra rằng quá trình phát triển của CH4 từ đất trồng lúa ngập nước không bắt đầu cho tới khi Eh đạt dưới -150mV [26] Các nghiên cứu trên thế giới về tính chất của đất đến việc phát thải khí metan đã xác định được metan hình thành thuận lợi trong điều kiện thế oxi hóa - khử Eh = - 120mV đến – 300mV Tại Việt Nam, lần đầu định lượng được thế oxi hóa - khử Eh = - 176mV đến -287mV là điều kiện để hình thành metan trong đất phù sa trung tính (pH=7) [2]

* Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá khử

+ Trong đất có thể chứa nhiều hệ thống oxy hoá khử có nồng độ khác nhau nhưng Eh của đất sẽ tương đương với trị số Eh của hệ thống oxy hoá khử có nồng độ chất khử và chất oxy hoá cao nhất

+ Trong đất thoáng khí quá trình oxy hoá khử trong đất được quyết định bởi nồng độ O2 tự do trong không khí đất và O2 hoà tan trong dung dịch đất Nồng độ oxy trong không khí đất và trong dung dịch đất càng cao thì Eh càng cao

+ Ðộ ẩm đất: đất khô có quá trình oxy hoá mạnh nên Eh cao, đất ẩm hoặc dư

ẩm thì quá trình khử mạnh nên Eh của đất thấp

+ Cây trồng: Eh đất phụ thuộc và loại cây trồng, mật độ cây Eh xung quanh rễ cây cũng khác nhau Ví dụ: gần rễ cây lúa mỳ Eh giảm vì rễ cây lúa mỳ tiết ra chất khử, gần rễ cây lúa nước Eh tăng do rễ lúa tiết ra oxy

+ Eh của đất có sự liên quan chặt chẽ với pH Nếu trong dung dịch đất có nhiều ion H+ sẽ diễn ra quá trình: 2H+ + 2e- = H2

Khi thay đổi 1 đơn vị pH thì Eh thay đổi từ 57-59 mV Klak đề nghị biểu thị điện thế oxy hoá khử trong đất là rH2 theo công thức: rH2 (mV) = Eh/ 30 + 2 pH

* Ý nghĩa thực tiễn của phản ứng oxy hoá khử

+ Ðiện thế oxy hoá khử là chỉ tiêu đánh giá tính thông khí và tình hình cung cấp dinh dưỡng trong đất Các chất dinh dưỡng như NH4+, NO3-, PO43-, SO42- được hình thành do tác động của hệ vi sinh vật đất trong những điều kiện cụ thể về pH, hoặc Eh nào đấy

+ Các loại đất khác nhau có Eh khác nhau, trong một phẫu diện Eh của các tầng khác nhau và thường giảm theo chiều sâu Eh phù hợp với sản xuất nông nghiệp biến động trong phạm vi 200 - 700 mV (đất lúa nước từ 200 - 300mV) Eh quá cao chứng

tỏ quá trình oxy hoá trong đất xảy ra mạnh, hàm lượng mùn tiêu hao nhanh và một số chất dinh dưỡng có thể bị cố định lại Ngược lại nếu Eh quá thấp nghĩa là quá trình khử diễn ra mạnh, sinh ra một số chất độc như H2S, CH4

+ Khi thay đổi Eh sẽ dẫn tới sự thay đổi một loạt trạng thái dinh dưỡng trong đất Thí dụ: khi đổ ải, đất chuyển từ trạng thái oxy hoá sang trạng thái khử, Eh giảm mạnh Lúc đó Fe3+ trong các hợp chất bị khử thành Fe2+ (như Fe(OH)2 và FeHPO4) làm đất giảm tính chua trong thời gian khoảng một tháng, hàm lượng lân dễ tiêu tăng lên, hàm lượng NH4+

cũng tăng (do chất hữu cơ phân giải trong điều kiện yếm khí tạo

ra NH4+) đây là một quá trình có lợi vì cung cấp nhiều chất dinh dưỡng cho cây

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu tổng quát

- Nghiên cứu ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí CH4 trong đất trồng lúa phù sa sông Hồng

2.2.2 Mục tiêu cụ thể

- Sự phát thải khí metan (CH4) trong đất dưới sự thay đổi của thế oxi hóa - khử

và điều kiện nhiệt độ khác nhau

- Theo dõi thế oxi hóa - khử (Eh) ở điều kiện độ ẩm khác nhau trong điều kiện nhiệt độ khác nhau

 Từ đó đề xuất các giải pháp tiềm năng, có thể kiểm soát phạm vi Eh để giảm bớt khả năng phát thải CH4

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Đất phù sa sông Hồng không được bồi hằng năm Đất được lấy tại cánh đồng thử nghiệm của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, xã Vĩnh Quỳnh, Huyện Thanh Trì, Hà Nội Tọa độ 20°56'15.6"N 105°50'30.6"E

+ Rễ lúa: lấy từ lúa đã thu hoạch trồng tại xã Vĩnh Quỳnh, Huyện Thanh Trì,

2.3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện nội dung nghiên cứu sau:

- Tiến hành các thí nghiệm về sự thay đổi Eh dưới điều kiện độ ẩm khác nhau của đất trồng lúa phù sa sông Hồng tại phòng thí nghiệm và xử lý kết quả

- Theo dõi sự phát thải khí metan (CH4) và sự thay đổi Eh trong đất thí nghiệm dưới sự thay đổi độ ẩm và điều kiện nhiệt độ khác nhau

- Tính toán lượng CH4 phát thải của đất trồng lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp luận tổng quát

Giữa thế oxi hóa - khử trong đất và sự phát thải khí CH4 và CO2 đều có mối quan hệ Phát thải khí metan xảy ra dưới đất cụ thể là điểm khả năng oxi hóa khử, và

tỷ lệ phát thải là tỷ lệ nghịch với khả năng oxi hóa khử đất [1] Do đó phương pháp

nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm, phân tích theo dõi sự phát

thải khí metan (CH4) và sự thay đổi Eh trong đất thí nghiệm dưới sự thay đổi của thế

oxi hóa - khử và điều kiện nhiệt độ khác nhau, phân tích hóa học để tính lượng CH4thải ra trong đất trồng lúa Đồng thời dùng phương pháp tìm kiếm dữ liệu để khám phá hay dịch thuật tài liệu mới và phương pháp thống kê để hệ thống hóa các chỉ tiêu cần

thống kê, tiến hành tổng hợp thống kê, phân tích số liệu Ứng dụngphần mềm SPSS 20.0 phân tich thống kê số liệu và lập phương trình tương quan đơn biến hoặc đa biến của ảnh hưởng của Eh, nhiệt độ đối với sự hình thành của CH4

- Máy đo Eh, pH

- Xi lanh, ống dẫn khí, lọ khí, túi đựng mẫu

- Nhiệt kế

* Vật liệu

- Chuẩn bị: chai nhựa loại 1,5 lít, đất phù sa sông Hồng, rễ lúa, nước cất

- Đất phù sa sông Hồng sau khi phơi khô đem giã nhỏ và rây qua rây 1mm Rễ lúa phơi khô, cắt nhỏ rồi rây qua rây 2mm

- Tỷ lệ các vật liệu: với mỗi chai mẫu cần 400g đất + 4g rễ lúa + nước cất (lượng nước điều chỉnh theo chỉ tiêu về độ ẩm của mỗi chai mẫu)

* Các chỉ tiêu theo dõi:

1 Mẫu đất trước thí nghiệm: phân tích pH(H2O), pH(KCl), OC, Pts, Kts, Nts, CEC, Fets, EC

2 Lấy mẫu trong thời gian thí nghiệm:

- Đo các chỉ tiêu pH, Eh, nhiệt độ

- Lấy mẫu khí CH4

- Lấy mẫu đất trong thời gian thí nghiệm phân tích: Fe2+, Fe3+

3 Lấy mẫu đất sau thí nghiệm phân tích OC, Fe2+, Fe3+

2.4.3 Phương pháp lấy mẫu

a Theo dõi các chỉ tiêu Eh, pH, nhiệt độ

Sau thời gian bố trí thí nghiệm 1 tuần thì bắt đầu tiến hành theo dõi các chỉ tiêu

và lấy mẫu phân tích

- Eh, pH được đo bằng máy pH meter theo TCVN 5979-2007 Máy có 2 đầu đo: một đầu đo Eh, một đầu đo pH Khi đo, cắm ngập đầu đo vào trong mẫu sau đó đợi kết quả hiển thị trên màn hiển thị của máy ổn định, đọc kết quả

Trình tự thao tác vận hành máy khi đo pH:

1 Rửa đầu điện cực bằng nước cất, lau khô bằng giấy hoặc vải mềm, đặt đầu điện cực vào dung dịch đệm pH = 6,86

2 Đo nhiệt độ của dung dịch chuẩn và đặt nhiệt độ của máy đo pH

3 Khi giá trị pH hiện trên máy được ổn định, nhấn nút “fixing” Màn hình hiện

ra “Std ye5”/ nhấn nút “confirm” Khi đó máy pH sẽ lưu giá trị pH chuẩn

4 Rửa đầu điện cực, đặt đầu điện cực vào dung dịch đệm thứ hai pH = 9,18

5 Đo nhiệt độ của dung dịch chuẩn và đặt nhiệt độ của máy đo pH

6 Khi giá trị pH hiện trên máy được ổn định, nhấn nút “slope” Màn hình hiện

“Std ye5”/ nhấn nút “confirm” Khi đó máy pH sẽ lưu giá trị pH chuẩn

7 Ấn nút “confirm” và hoàn thành 2 điểm của đường chuẩn pH

8 Rửa đầu điện cực, cắm vào mẫu và bắt đầu tiến hành đo mẫu Quan sát màn hình máy khi có giá trị ổn định và ghi lại

* Trình tự thao tác vận hành máy khi đo Eh:

1 Lắp đầu đo Eh vào máy

2 Rửa đầu điện cực bằng nước cất, lau khô bằng giấy

3 Đặt đầu điện cực vào mẫu và tiến hành đo Quan sát màn hình máy khi có giá trị ổn định và ghi lại

- Tiến hành theo dõi Eh, pH, nhiệt độ vào lúc 9h sáng hàng ngày trong 2 tuần

đầu Các ngày còn lại theo dõi Eh, nhiệt độ 2 ngày một lần

b Lấy mẫu khí

Vị trí lấy mẫu được cố định trong suốt quá trình thí nghiệm Định kỳ lấy mẫu khí 7 ngày một lần vào các khoảng thời gian 9h tại thời điểm t0, 11h tại thời điểm t1, 13h tại thời điểm t2

- Bắt đầu lấy mẫu thì nắp nút chai thật chặt và kín Trên nút chai được gắn 1 ống dẫn khí có van khóa – mở dài khoảng 20cm

- Ngay sau khi nút chai đã chặt, dùng xi lanh dung tích 60ml đã gắn sẵn kim tiêm cắm vào đầu còn lại của ống dẫn khí Kéo và đẩy pít tông 10 lần, lần cuối cùng kéo pít tông từ từ để lấy đầy khí vào trong xi lanh tới mức 50ml

- Rút xi lanh khỏi ống dẫn khí và nhanh chóng cắm đầu kim của xy lanh vào của lọ đựng mẫu khí Nén khí đến mức 25 – 30 ml trên xi lanh rồi rút đầu kim ra khỏi lọ khí

c Lấy mẫu đất

Mẫu đất được lấy trong lọ thí nghiệm Định kỳ lấy mẫu đất (cùng ngày lấy mẫu khí) Lượng mẫu đất cho mỗi lần lấy phân tích các chỉ tiêu ít nhất là 20g

2.4.4 Phương pháp phân tích

a Phương pháp phân tích mẫu

Nồng độ CH4 trong một mẫu khí được phân tích bằng máy sắc ký khí Agilent 7890A) được trang bị một máy dò ion hóa ngọn lửa (FID) và một electron chụp dò (ECD) CH4 được xác định bằng detector FID Nhiệt độ lò đã được kiểm soát

(GC-ở mức 55oC, và nhiệt độ của FID đã được thiết lập tại 330oC và 200oC, tương ứng.Lượng khí CH4 phát thải được tính toán dựa trên sự thay đổi trong nồng độ khí trong không gian có V nhất định kèm theo sự gia tăng lượng khí trong thời gian từ 0

phút đến 120 phút trong mỗi mẫu Điểm dữ liệu bị loại trừ sự thay đổi trong nồng độ của khí đốt từ t0 - t30 mang lại giá trị hồi quy tuyến tính, tức là R2 lớn hơn 0,80 với sự gia tăng trong thời gian từ 0 phút đến 120 phút (Pihlatie và cộng sự, 2013) sau phương trình được sử dụng để tính toán thông lượng theo giờ (F = mg m-2 h-1 ) CH4:

• V là thể tích của chai mẫu và được thể hiện như m3

• A: là diện tích bề mặt đất bao phủ chai mẫu và được thể hiện như m2,

• T là nhiệt độ đặt thí nghiệm được thể hiện như o

C

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích

Pts mg/100g Xác định theo phương pháp trắc quang màu xanh

Molipđen

Nts mg/100g Xác định theo phương pháp Kjendhal

pHH2O, pHKCl (1:5) Xác định bằng máy pH meter theo TCVN 5979-2007

OC tổng số % Xác định theo phương pháp Walklay - Black theo 10

TCVN 378-99 & TCVN 4050-85

Fe2+ mg/100 g Phương pháp so màu quang điện bằng máy UV_VIS

CH4 mg/kg Phân tích trên máy GC- Agilent 7890A.CH4 được xác định

bằng detector - FID ở nhiệt độ 200OC

EC µs/cm Đo bằng máy Milwaukee, MW301 EC Meter

Kts % Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử - máy AAS

b Các thiết bị sử dụng phân tích trong phóng thí nghiệm (PTN)

- Thiết bị bảo hộ, an toàn lao động: gang tay, áo blu, khẩu trang

- Thiết bị phân tích mẫu: bình tam giác, cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, bu-ret, pipet, ống đong, cốc đong, bình định mức, quả bóp, bình tia nước cất, các hóa chất

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu

Số liệu được phân tích ở phòng thí nghiệm sau đó sử dụng phần mềm Microsoft Excel, SPSS.20 để xử lý số liệu và vẽ biểu đồ