Ảnh hưởng của chế độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa khử, độ ph và phát thải mêtan ở đất trồng lúa thuộc xã kim chung, huyện hoài đức hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---NGUYỄN VĂN ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ NGẬP NƯỚC ĐẾN ĐỘNG THÁI THẾ ÔXI HOÁ - KHỬ, ĐỘ pH VÀ PHÁT THẢI MÊTAN Ở ĐẤT TRỒNG LÚA TH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-NGUYỄN VĂN ĐỊNH

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ NGẬP NƯỚC ĐẾN ĐỘNG THÁI THẾ ÔXI HOÁ - KHỬ, ĐỘ pH VÀ PHÁT THẢI MÊTAN Ở ĐẤT TRỒNG LÚA THUỘC XÃ KIM CHUNG -

HUYỆN HOÀI ĐỨC - HÀ NỘI

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS VĂN HUY HẢI

Hà Nội – 2010

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu và dưới sự chỉ bảo tận tình của TS Văn Huy Hải, luận văn của tôi đã hoàn thành Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Văn Huy Hải, khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong phòng Sau đại học –Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Việt Anh, chủ nhiệm đề tài “ Nghiên cứu chế độ tưới thích hợp cho lúa nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong điều kiện không làm giảm năng suất lúa” đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện thí nghiệm trong phòng và ngoài đồng ruộng

Cuối cùng tôi xin gửi đến gia đình, bạn bè những người đã động viên giúp

đỡ tôi trong quá trình thực tập, nghiên cứu cũng như trong thời gian thực hiện đề tài lời cảm ơn chân thành nhất

Hà Nội, ngày 10/10/2010

Học viên

Nguyễn Văn Định

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……….……1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước 3

1.2 Các tính chất điện hóa của đất lúa nước 5

1.2.1 Động thái của thế ôxi hóa - khử ở đất ngập nước 5

1.2.2 Động thái của pH ở đất ngập nước 10

1.3 Sự hình thành và phát thải khí mêtan ở đất trồng lúa nước 13

1.3.1 Sự phân giải các chất hữu cơ và hình thành CH4 13

1.3.2 Vai trò của sinh vật 17

1.3.3 Sự ôxi hóa mêtan 19

1.3.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải CH4 19

1.4 Phát thải khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu 25

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu 29

2.3.1 Phương pháp thí nghiệm trong phòng 29

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng 30

2.4 Phương pháp đo đạc, lấy mẫu CH4 36

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 39

3.1 Động thái của Eh 39

3.1.1 Động thái của của Eh ở mô hình thí nghiệm trong phòng 39

3.1.2 Động thái của Eh ở thí nghiệm đồng ruộng 44

3.2 Động thái của pH 45

3.2.1.Động thái của pH thí nghiệm mô hình trong phòng 45

3.2.2.Động thái của pH thí nghiệm ngoài đồng ruộng. 48

3.3 Trạng thái tồn tại của Fe, Mn liên quan đến Eh và pH……… ……50

3.4 Ảnh hưởng của chế độ nước đến phát thải CH4 ở vụ xuân 2010 52

3.5 Ảnh hưởng của chế độ nước đến năng suất lúa……… …63 3.6 Chế độ nước hợp lý và tiềm năng xây dựng dự án CDM (Clean Development Mechanism) 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….…….66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Những phản ứng ôxi hóa-khử quan trọng trong đất 7

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu khu đất thí nghiệm 31

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu của nước khi thí nghiệm 34

Bảng 3.1 Động thái Eh của các công thức thí nghiệm mô hình trong phòng 40

Bảng 3.2 Động thái Eh của các công thức thí nghiệm mô hình đồng ruộng 44

Bảng 3.3 Động thái pH của các công thức thí nghiệm mô hình trong phòng 46

Bảng 3.4 Động thái của pH ở thí nghiệm đồng ruộng.………48

Bảng 3.5 Cường độ phát thải CH4 theo các phương án vụ xuân 2010 54

Bảng 3.6 Cường độ phát thải CH4 vụ xuân năm 2010 theo đối chứng 55

Bảng 3.7.Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo ĐC 55

Bảng 3.8.Cường độ CH4 phát thải trường hợp đối chứng và PA1 vụ xuân 2010 58

Bảng 3.9 Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo ĐC và PA1 58

Bảng 3.10.Cường độ CH4 phát thải trường hợp đối chứng và PA2 vụ xuân 2010 60

Bảng 3.11 Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo PA2 60

Bảng 3.12 Các chỉ tiêu sinh lý, sinh thái và năng suất lúa vụ xuân 2010 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Động thái của Eh theo Ponnamperuma,F.N(1985) 9

Hình 1.2 Động thái của Eh và các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C 9

Hình 1.3 Động thái pH ở một số loại đất khi ngập nước theo Ponnamperuma,F.N(1985) 11

Hình 1.4 Sơ đồ phân hủy xenlulo 14

Hình 1.5 Sơ đồ phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N 15

Hình 1.6 Quá trình phân hủy chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng 16

Hình 1.7 Đồ thị phát thải của CH4 và CO2 ở điều kiện yếm khí 17

Hình 1.8 Động thái của nhiệt độ, nước ngập (a và d), sự phát thải CH4 (b và d), Eh và pH (c và f) ở điều kiện đất ngập nước liên tục và không kiên tục 22

Hình 1.9 Động thái của Eh ở đất trồng lúa và không trồng lúa theo Tanaka,A 23

Hình 1.10 Quá trình trao đổi ôxy của cây lúa 24

Hình 3.1 Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của các công thức thí nghiệm trong phòng 40

Hình 3.2 Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT6 tại thí nghiệm trong phòng 42

Hình 3.3 Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT3 tại thí nghiệm trong phòng 42

Hình 3.4 Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT4 tại thí nghiệm trong phòng 43

Hình 3.5 Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của các công thức thí nghiệm đồng ruộng 45

Hình 3.6 Động thái pH ở thí nghiệm mô hình trong phòng 46

Hình 3.7 Động thái pH ở thí nghiệm mô hình trong phòng theo công thức 2 47

Hình 3.8 Động thái pH ở thí nghiệm đồng ruộng 49

Hình 3.9 Giản đồ ổn định của Fe 51

Hình 3.10 Giản đồ ổn định của Mn 52

Hình 3.11 Diễn biến cường độ CH4 phát thải theo các công thức vụ xuân 2010 54

Hình 3.12 Mô phỏng cường độ của CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo ĐC 56

Hình 3.13 Quá trình mô phỏng phát thải CH4 57

Hình 3.14 Mô phỏng cường độ của CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo PA1 59

Hình 3.15 Mô phỏng cường độ CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo ĐC và PA2 61

CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VỊ

1

MỞ ĐẦU

Trồng lúa nói chung và trồng lúa nước nói riêng là hệ sinh thái nhân tạo Như I.Watanabe và P.A.Roger (1985) đã nhận định: đây là hệ sinh thái bất ổn định do môi trường bị phá hủy thường xuyên, những nghiên cứu về nước ngập đến động thái của một số nguyên tố hóa học ở môi trường đất còn ít được chú ý Mặt khác, như nghị định thư Kyoto đã đề cập, sản xuất nông nghiệp đặc biệt là trồng lúa nước cũng có tham gia gây nên hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu Tuy nhiên, vấn

ràng, đặc biệt là ở điều kiện của Việt Nam

Eh, pH là những tính chất hóa học quan trọng và thường được nhắc tới khi nghiên cứu về môi trường đất, nhưng trong các tài liệu nghiên cứu, nhất là ở Việt Nam, thường chỉ đề cập ở một thời điểm nhất định Trong khi đó các chỉ tiêu trên luôn biến động mạnh theo sự biến động của các yếu tố môi trường, đặc biệt là chế

độ nước ngập Để đánh giá được các thông số trên, cần nghiên cứu động thái của chúng theo thời gian và tác động của các yếu tố môi trường, kể cả tác động của các biện pháp bón phân trong sản xuất lúa

Đặc biệt cần nhấn mạnh rằng, Eh và pH là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá môi trường đất và nước Có thể nói đây là hai chỉ tiêu quyết định đến sự tồn tại

và chuyển hóa của hàng loạt các nguyên tố hóa học ở môi trường đất và nước Nắm bắt được động thái của chúng giúp cho việc đánh giá nhiều nguyên tố hóa học đầy

đủ và chính xác hơn, đặc biệt là những nguyên tố kim loại nặng như Fe và Mn

hình thành ở điều kiện yếm khí, Eh thấp Mối liên hệ này còn ít được nghiên cứu ở

đáp không phải ở Việt Nam mà còn ở bình diện quốc tế

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, đề tài nghiên cứu : “ Ảnh hưởng của chế

độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa –khử, độ pH và phát thải mêtan ở đất trồng

2

lúa thuộc xã Kim Chung, huyện Hoài Đức- Hà Nội” đã được đặt ra với mục tiêu sau đây:

 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái của Eh

 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái pH

 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước và vai trò của cây lúa đến động thái

3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước

Ruộng lúa nước là hệ sinh thái nhân tạo thường xuyên bị xáo trộn bởi thói quen canh tác như nhổ cỏ, làm đất, tưới tiêu, bón phân, trồng cấy, các biện pháp bảo

vệ thực vật….và các hiện tượng tự nhiên như mưa Từ đó dẫn đến sự bất ổn định và những biến động trong một khoảng thời gian ngắn (chu kỳ mùa vụ)

Cấu trúc của hệ sinh thái ruộng lúa lúa nước: Hệ sinh thái ruộng lúa nước

gồm 5 tiểu hệ sinh thái chủ đạo sau: nước ngập, tầng đất bị ôxi hóa bề mặt, tầng đất bị làm ngàu bùn khử (kỵ khí), tầng đất cái (bị ôxi hóa trong điều kiện thoát nước tốt hoặc bị khử khi biểu nước cao), thân cây lúa và lá (bị ngâm trong nước) và hệ rễ cây

Sự biến đổi chất dinh dưỡng trong đất lúa ngập nước là chủ đề chính của các nghiên cứu thổ nhưỡng học về các loại đất này

Tầng nước ngập và bề mặt phân cách giữa đất và nước : Trong các cánh

đồng được tưới tiêu, tầng nước ngập là môi trường oxicphotic Sự chuyển tiếp giữa các tầng nước ngập và đất khử anoxic – aphotic được hình thành bởi tầng ôxi hóa đất – nước Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành bởi tầng ôxi hóa đất – nước Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành nên một hệ sinh thái liên tục ở đó xảy ra

4 cơ chế liên quan đến độ phì như sau:

 Cố định nitơ sinh học

và quá trình khử nitrat và nitrat hóa

 Bẫy bắt và quay vòng vật chất hữu cơ (C) do quang hợp và các loại muối khoáng được giải phóng từ đất và phân bón

 Sự lưu chuyển các chất dinh dưỡng từ đất đến nước nhờ thực vật phù du và sinh vật tiêu thụ sơ cấp

Cường độ những phản ứng này liên quan trực tiếp đến các đặc tính của tầng nước ngập và hoạt động của thực vật

Hóa học về tầng nước ngập: tính chất hóa học của nước đứng phụ thuộc cơ

bản vào tính chất nước và đất Tuy nhiên thành phần hóa học của nó biến đổi đáng

kể trong suốt chu kỳ mùa vụ và ở các vị trí khác nhau liên quan đến :

4

 Sử dụng phân bón

 Những xáo trộn cơ học đất, gây ra sự phân tán các phần tử nhỏ trong nước

 Sự hòa tan do nước mưa và nước tưới

 Hấp phụ bề mặt đất

 Sự phát triển của cây lúa

Sự biến đổi hàng ngày xảy ra chủ yếu do hoạt động của sinh vật quang hợp và

đổi hàng ngày trở nên kém rõ rệt hơn vì sự che bóng của tán cây

Chu trình dinh dưỡng:

Phốt pho: đa số phốt phát hòa tan sử dụng trong đất ngập nước được cố định trong pha rắn của đất Rất ít tồn tại trong tầng ngập nước Việc lưu chuyển phốt pho

từ đất sang nước đứng gồm 3 cơ chế:

 Sự xáo trộn cơ học trong đất do biện pháp chăm sóc

 Sự phân tán từ đất

 Hoạt động của thực vật phù du và động vật

Đất khử: hệ đất khử hầu hết mới chỉ được nghiên cứu như một hệ tách biệt

Vùng nước ngập phía trên và sự trao đổi vật chất với vùng nước ngập thường bị bỏ quên trong các nghiên cứu trên Vì vậy trong nghiên cứu này tương tác giữa hai hệ (đất khử và nước ngập) được xem xét kỹ Hệ đất khử chúng ta đặc biệt chú trọng đến dòng vào chất hữu cơ đó là :

 Rễ và phần rơm rạ sót lại sau thu hoạch

 Vật chất mà rễ lúa tiết ra trong suốt quá trình sống

 Các loại cỏ (thực vật nổi bậc cao)

 Tảo (thực vật nổi bậc thấp)

 Xác vi sinh vật đất

 Bón phân chuồng

5

Đất giàu chất hữu cơ như trên trong điều kiện ngập nước sẽ làm giảm Eh, tạo điều

1.2 Các tính chất điện hóa của đất lúa nước 1.2.1 Động thái của thế ôxi hóa - khử ở đất ngập nước

a Cơ sở lý thuyết về thế ôxi hóa – khử

Theo Trần Ngọc Lan (2008)[4], trong tự nhiên, quá trình các axit hòa tan các khoáng vật, các ion kim loại hòa tan trong nước thủy phân hình thành các hidroxit và nhiều quá trình khác là các quá trình axit – bazơ liên quan đến sự chuyển dịch ion

khử xảy ra phổ biến, chất ôxi hóa là những chất có khả năng nhận electron, chất khử là những chất có khả năng cho electron

Mỗi chất ôxi hóa sau khi nhận electron trở thành chất khử gọi là chất khử liên hợp với nó

Mỗi cặp ôxi hóa - khử liên hợp có thể biểu diễn bằng hệ thức:

- Ox: là chất ôxi hóa

Ox + ne = Kh - Kh: chất khử liên hợp với chất ôxi hóa

- ne: số electron mà Ox nhận để thành Kh Chất ôxi hóa Chất khử

-Như vậy phản ứng ôxi hóa khử là phản ứng giữa chất ôxi hóa và khử có sự trao đổi electron Hệ thống ôxi hóa – khử được ký hiệu là Redox Trong đất những

và vi sinh vật tham gia cho nên đây là một quá trình sinh học Trong điều kiện ôxi

6

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 ôxi hóa - khử của dung dịch đất thường xác định bằng điện thế ôxi hóa – khử (kí hiệu Eh):

Eh = Eo + 59 lg([OX]/ [Kh]) (tính bằng mV)

7

Bảng 1.1 Những phản ứng ôxi hóa-khử quan trọng trong đất

Nguồn : Pagel từ Ponnamperuma F.N từ Rusel, E.W.(1973)[31]

o

C)

930

530

640

170

-70

-120 -295

820

420

410

-180

-220

-240 -413

có chứa nhiều hệ thống ôxi hóa – khử (Redox) với nồng độ khác nhau Nồng độ chất ôxi hóa và khử của một hệ thống nào cao nhất sẽ quyết định điện thế ôxi hóa – khử (Eh) của môi trường

- Nồng độ ôxy trong không khí đất, ôxy hoà tan trong dung dịch đất và các bài tiết của vi sinh vật quyết định Eh của dung dịch đất

- Độ ẩm thay đổi làm thay đổi Eh của đất Khi đất ẩm nhiều quá trình khử mạnh, do đó Eh giảm Ngược lại đất khô, quá trình ôxi hoá mạnh, Eh tăng

- Phản ứng của dung dịch đất cũng ảnh hưởng đến Eh: Clark đã đưa ra chỉ

số rH2: chỉ số phản ánh sự tương quan giữa Eh và pH

8

Các biện pháp canh tác, hay tác động vào đất khác nhau cũng làm thay đổi

Eh như: cày sâu, bón phân hữu cơ, tưới… hay các chất khác đưa vào đất

b Động thái của thế ôxi hóa khử

Thế ôxi hóa – khử của đất có thể dao động từ - 0,4 đến 0,8 V Ở đất háo khí thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng 0,4 đến 0,8 V, ở đất ngập nước định kỳ thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng -0,1 đến 0,1V, ở đất ngập nước lâu ngày thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng – 0,3V

Theo A.I.perenman (từ Trần Ngọc Lan,2008[4]) : Môi trường ôxi hóa : Eh > 0,15V ~ 0,3(0,4)V giàu ôxy tự do và các chất ôxi hóa khác; Môi trường khử không

Để thuận tiện trong nghiên cứu môi trường có thể phân chia chi tiết hơn như sau(theo Patrick và Mahapatra (1968) [18]):

9

Thời gian ngập nước (ngày) Hình 1.1 Động thái của Eh theo Ponnamperuma, F.N(1985)[19]

Eh phụ thuộc vào thời gian ngập nước và tính chất của đất Hình 1.1.b trên cho thấy cùng thời gian ngập nước như nhau nhưng nếu đất giàu chất hữu cơ (mẫu đất số 9) thì sau khi ngập nước, Eh giảm nhanh và thấp nhất Trường hợp này người

ta còn gọi là hiện tượng “ rơi” ( tiếng anh – Fall) của Eh Hiện tượng này cũng được Văn Huy Hải (1986) [28] nghiên cứu và giải thích

Số ngày ngập nước