Nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh quảng trị đến lượng các bon trong đất

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH .... Các nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC đánh giá ảnh hưởng của tha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ ĐẾN

LƯỢNG CÁC BON TRONG ĐẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC ĐẤT

Hà Nội, 2016

NGUYỄN THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ ĐẾN

LƯỢNG CÁC BON TRONG ĐẤT

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC ĐẤT

MÃ SỐ: 62620103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC ĐẤT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải

PGS.TS Trần Văn Ý

Hà Nội, 2016

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Luận án đã sử dụng một

số thông tin từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau, các thông tin đều được trích dẫn rõ nguồn gốc

Tôi xin cam đoan các nội dung nghiên cứu và kết quả, số liệu trong luận án này là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào hoặc chưa được ai công bố trong bất kì một công trình nghiên cứu nào

Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Tuấn

Để hoàn thành luận án, NCS đã nhận được sự quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ của các Thầy, Cô trong khoa Môi trường, đặc biệt là các Thầy, Cô ở Bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường đất, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thông qua các buổi hội thảo, bảo vệ, báo cáo chuyên đề, tham gia các môn học NCS đã nhận được nhiều

ý kiến, nhận xét quý báu của các Thầy, Cô, cũng như học hỏi được thêm nhiều kiến thức bổ ích Qua đây, NCS xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô

NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải

và PGS.TS Trần Văn Ý đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, quan tâm giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình thực hiện luận án và công tác

NCS xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến GS Li Changsheng, GS Donan Giltrap,

TS Jia Deng vì những giúp đỡ vô cùng to lớn trong suốt quá trình thực hiện luận án liên quan đến mô hình DNDC

NCS xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban lãnh đạo Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam trước đây cũng như hiện nay, các đồng nghiệp trong Phòng Địa lý, Thổ nhưỡng và Môi trường, KS Nguyễn Hữu Tứ, Viện Địa lý trong suốt thời gian thực hiện luận án

NCS xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình nội ngoại hai bên, đặc biệt là

vợ và 2 con đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, luôn động viên để có thể hoàn thành tốt mọi công việc trong quá trình thực hiện luận án

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót NCS mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Nguyễn Thanh Tuấn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 0

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 0

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 2

4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT VÀ CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Chu trình các bon 4

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lượng các bon hữu cơ trong đất 6

1.1.4 Mối quan hệ giữa C hữu cơ và N trong đất 8

1.1.5 Các biện pháp nâng cao hàm lượng các bon hữu cơ trong đất 9

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT 12

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 12

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước 15

1.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH 17

1.3.1 Các mô hình tính toán, mô phỏng lượng các bon hữu cơ trong đất 17

1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC đánh giá ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến lượng các bon hữu cơ trong đất 20

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG và PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU23 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 23

2.2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 23

2.3 QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.3.1 Quy trình nghiên cứu 25

2.3.2 Nhóm phương pháp liên quan đến mô hình DNDC 26

2.3.3 Nhóm phương pháp liên quan đến điều tra bổ sung dữ liệu 29

2.3.4 Nhóm các phương pháp khác 31

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 ĐẶC TRƯNG KHÍ HẬU, THUỶ VĂN, THỔ NHƯỠNG, CHẾ ĐỘ CANH TÁC VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 33

3.1.3 Dữ liệu hệ canh tác 38

3.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DNDC XÁC ĐỊNH LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT Ở CÁC HỆ CANH TÁC NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ 46

3.2.1 Các thông số đầu vào sử dụng kiểm chứng mô hình 46 3.2.2 Kiểm chứng mô hình DNDC 48

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI PHƯƠNG THỨC CANH TÁC GIỮA CÁC HUYỆN TRONG VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN ĐẾN LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT 51

3.3.1 Các phương thức canh tác hiện tại 51 3.3.2 Hàm lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm

2010 giữa các huyện vùng nghiên cứu 55

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT Ở CÁC HỆ CANH TÁC NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ 60

3.4.1 Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo không gian đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm 2000 60 3.4.2 Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo không gian đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp năm 2010 65 3.4.3 Ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm trong giai đoạn 2000 - 2010 đến lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị 71

3.5 MÔ PHỎNG SỰ THAY ĐỔI LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT THEO CÁC KỊCH BẢN VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP 97

3.5.1 Các kịch bản áp dụng 97 3.5.2 Kết quả ước lượng các bon hữu cơ trong đất theo các kịch bản và đề xuất một số giải pháp nâng cao lượng các bon hữu cơ trong đất 99

KẾT LUẬN 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 123 PHẦN PHỤ LỤC 124

CANDY: Carbon and Nitrogen Dynamics (Động học nitơ và các bon)

CENTURY: Mô hình chu trình dinh dưỡng đất – thực vật

DAISY: Mô hình mô phỏng sản lượng cây trồng, động học nước và nitơ trong đất DNDC: Denitrification - Decomposition (Khử nitrat - Phân huỷ)

DSSAT: Decision Support System for Agrotechnology Transfer (Hệ thống trợ giúp

ra quyết định cho chuyển đổi kỹ thuật nông nghiệp)

ITE: Mô hình mô phỏng dòng C và N trong các hệ sinh thái đồng cỏ và rừng

ISEOP: Institute for the Study of Earth (Viện nghiên cứu Trái đất)

MSF: Phương pháp nhân tố nhạy cảm nhất

NCSOIL: Nitrogen Carbon Transformation in Soil (Mô hình thay đổi C và N trong đất)

ROTHC: Rothamsted Các bon

SOC: Các bon hữu cơ trong đất

SOM: Chất hữu cơ trong đất

SOMM: Soil Organic Matter Model (Mô hình chất hữu cơ trong đất)

SNNPTNTQT: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Quảng Trị

VQHTKNN: Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp

hữu cơ trong đất 11

Bảng 3.1 Phương thức canh tác lúa - lúa ở các huyện hiện tại 41

Bảng 3.2 Phương thức canh tác lạc hiện tại 42

Bảng 3.3 Phương thức canh tác lạc - khoai lang hiện tại 42

Bảng 3.4 Phương thức canh tác sắn hiện tại 43

Bảng 3.5 Các vị trí được lựa chọn khảo sát để kiểm chứng mô hình 47

Bảng 3.6 Kết quả ước lượng và đo đạc các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác vùng nghiên cứu 49

Bảng 3.7 Năng suất theo mô hình và năng suất cây trồng thực tế ở các hệ canh tác vùng nghiên cứu 50

Bảng 3.8 Phương thức canh tác lạc ở vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị 52 Bảng 3.9 Phương thức canh tác lạc - khoai lang ở vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị … 53

Bảng 3.10 Phương thức canh tác lúa - lúa ở các huyện 54

Bảng 3.11 Chênh lệch giữa lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2010 so với năm 2000 ở các hệ canh tác nông nghiệp không chuyển đổi ở các huyện 57

Bảng 3.12 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2000 ở các hệ canh tác trên đất cát biển .62

Bảng 3.13 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2000 ở các hệ canh tác trên đất mặn .63

Bảng 3.14 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2000 ở các hệ canh tác trên đất phù sa được bồi 63

Bảng 3.15 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2000 ở các hệ canh tác trên đất phù sa không được bồi, đất phù sa có tầng loang lổ, đất phù sa cổ .64

Bảng 3.16 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2000 ở các hệ canh tác trên đất phù sa glây, đất lầy, đất dốc tụ, đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa 65

Bảng 3.17 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2010 ở các hệ canh tác trên đất cát biển .68

Bảng 3.19 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2010 ở các hệ canh tác trên phù

sa được bồi hàng năm 69

Bảng 3.20 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2010 ở các hệ canh tác trên đất

phù sa không được bồi hàng năm, đất phù sa có tầng loang lổ đỏ vàng, đất phù sa cổ 70Bảng 3.21 Lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2010 ở các hệ canh tác trên đất

phù sa glây, đất dốc tụ, đất lầy và đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa 71

Bảng 3.22 Sự biến động diện tích các hệ canh tác nông nghiệp và tốc độ thay đổi

lượng các bon hữu cơ trong đất từ năm 2000 đến năm 2010 vùng đồng bằng ven biển

tỉnh Quảng Trị 73

Bảng 3.23 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không

chuyển đổi trên đất cát biển 75

Bảng 3.24 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không

chuyển đổi trên đất mặn 77

Bảng 3.25 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không

chuyển đổi trên đất phù sa được bồi hàng năm 79

Bảng 3.26 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không

chuyển đổi trên đất phù sa không được bồi hàng năm, đất phù sa có tầng loang lổ đỏ

vàng, đất phù sa cổ 81

Bảng 3.27 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không

chuyển đổi trên đất phù sa glây, đất dốc tụ, đất lầy và đất đỏ vàng biến đổi do trồng

lúa .83

Bảng 3.28 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác chuyển

đổi trên đất cát biển 86

Bảng 3.29 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác chuyển

đổi trên đất phù sa được bồi hàng năm 88

Bảng 3.30 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác chuyển

đổi trên đất phù sa không được bồi hàng năm 91

Bảng 3.32 Sự thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác chuyển

đổi trên đất dốc tụ và đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa 95

Bảng 3.33 Chuỗi số liệu tổng lượng mưa năm tại trạm Đông Hà 97

Bảng 3.34 Lượng phân đạm và phân chuồng bón theo kịch bản 1 .98

Bảng 3.35 Lượng phân đạm bón theo kịch bản 3 99

Bảng 3.36 Sự biến động diện tích các hệ canh tác và tốc độ thay đổi lượng các bon hữu cơ trong đất từ năm 2010 đến năm 2020 vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị 101

Bảng 3.37 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lạc theo các kịch bản 102

Bảng 3.38 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lạc không chuyển đổi theo các kịch bản 103

Bảng 3.39 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lạc - khoai lang theo các kịch bản 104

Bảng 3.40 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lạc - khoai lang không chuyển đổi theo các kịch bản 105

Bảng 3.41 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lúa - lúa theo các kịch bản 106

Bảng 3.42 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác lúa - lúa không chuyển đổi theo các kịch bản 106

Bảng 3.43 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác ngô - đậu theo các kịch bản 107

Bảng 3.44 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác ngô - đậu không chuyển đổi theo các kịch bản 107

Bảng 3.45 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác sắn theo các kịch bản 108

Bảng 3.46 Khối lượng các bon hữu cơ trong đất năm 2020 ở hệ canh tác sắn không chuyển đổi theo các kịch bản 109

Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến các bon hữu cơ trong đất 25Hình 3 1 Các nhóm đất chính vùng đồng bằng tỉnh Quảng Trị (Nguồn [23]) 38Hình 3 2 Bản đồ các hệ canh tác chính vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị

2000 .44Hình 3 3 Bản đồ các hệ canh tác chính vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị

2010 .45Hình 3 4 Bản đồ các hệ canh tác chính vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị

2020 .46Hình 3 5 Tương quan giữa giá trị các bon hữu cơ trong đất ước lượng và đo đạc tại các điểm nghiên cứu 49Hình 3 6 Tương quan giữa năng suất cây trồng trung bình theo mô hình và thực

tế tại khu vực nghiên cứu 51Hình 3 7 Lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị năm 2000 61Hình 3 8 Lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị năm 2010 66Hình 3 9 Cân bằng giữa tổng khối lượng các bon hữu cơ bổ sung vào đất và mất từ đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị trong giai đoạn 2000 - 2010 67Hình 3 10 Biểu đồ so sánh lượng các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác nông nghiệp vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị năm 2000 và 2010 73Hình 3 11 Mối quan hệ giữa biến động diện tích hệ canh tác nông nghiệp và biến động khối lượng các bon hữu cơ trong đất vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị giai đoạn 2000 - 2010 74Hình 3 12 Mức độ suy giảm các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác không chuyển vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị giai đoạn 2000 - 2010 74

Hình 3 14 Tốc độ suy giảm các bon hữu cơ trong đất hàng năm ở các hệ canh tác

trên đất phù sa được bồi hàng năm vùng đồng bằng ven biển tỉnh Quảng Trị 79

Hình 3 15 Tốc độ suy giảm các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác trên đất

phù sa không được bồi hàng năm, đất phù sa có tầng loang lổ đỏ vàng, đất phù sa cổ 82Hình 3 16 Mối quan hệ giữa biến động diện tích sử dụng đất nông nghiệp và

biến động khối lượng cacbon hữu cơ trong đất giai đoạn 2010-2020 101

MỞ ĐẦU

1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nông nghiệp hiện vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế của nước ta, không chỉ là nền tảng cho phát triển kinh tế mà còn đảm bảo ổn định xã hội và bảo vệ môi trường Hoạt động canh tác nông nghiệp ở nước ta đã có nhiều thay đổi cùng với

sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt ở các vùng chuyên canh Phương thức canh tác giữa các vùng, miền có sự khác nhau đáng kể về bón phân, lượng phụ phẩm nông nghiệp để lại đồng ruộng Lượng phân chuồng bón cho đồng ruộng đang có xu hướng

ít đi, thay vào đó là các loại phân bón vô cơ nhằm tăng năng suất cây trồng, đặc biệt sau năm 2000 (theo điều tra khảo sát tại địa bàn nghiên cứu) Những thay đổi này đã

và đang gây ra sự suy giảm lượng các bon hữu cơ trong đất (SOC) ở các hệ canh tác nông nghiệp, giảm độ phì của đất, tăng lượng khí nhà kính trong khí quyển

Chất hữu cơ nói chung, các bon hữu cơ trong đất nói riêng có vai trò rất quan trọng đối với độ phì, mức độ ổn định của đất và sản xuất nông nghiệp Hơn thế nữa, SOC đóng một vai trò quan trọng đối với quá trình cân bằng các bon trong chu trình các bon toàn cầu Các hoạt động canh tác nông nghiệp giúp hấp thụ và thu giữ các bon trong đất được xem là một giải pháp nhằm giảm lượng các bon trong không khí,

là một biên pháp ứng phó với biến đổi khí hậu hiệu quả ở các nước đang phát triển [11]

Biến động sử dụng đất có ảnh hưởng quan trọng đối với sự phát thải khí nhà kính vào khí quyển và lượng SOC Theo Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu, từ năm 1850 đến 1998, khoảng (136 ± 55) x 109

tấn CO2 đã phát thải vào trong khí quyển do thay đổi sử dụng đất và hoạt động canh tác, trong đó (78 ± 12) x 109

tấn

CO2 phát thải trên do sự suy giảm SOC [44]

Những ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp như sự thay đổi diện tích đất nông nghiệp trong không gian, theo thời gian và phương thức canh tác đều tác động đến lượng các bon trong đất Để đảm bảo được nền nông nghiệp bền vững cần thiết phải có các biện pháp quản lý hợp lý không những duy trì và nâng cao năng suất cây trồng mà còn phải duy trì và nâng cao lượng các bon trong đất Nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất trong nông nghiệp đến lượng các bon trong đất là một trong

các hướng được nhiều nước quan tâm Tuy nhiên, vấn đề trên ở nước ta vẫn còn bỏ ngỏ

Quảng Trị cùng với sự phát triển kinh tế của cả nước đã có nhiều thay đổi về kinh

tế, xã hội và môi trường Những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã và đang được áp dụng rộng rãi trên địa bàn tỉnh nhằm tăng năng suất cây trồng Đất nông nghiệp của tỉnh tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng ven biển (ĐBVB) Diện tích đất vùng ĐBVB chiếm 9,53% diện tích đất tự nhiên của tỉnh Vùng ĐBVB gồm 5 hệ canh tác chính: (1) lúa - lúa - để trống (lúa - lúa); ngô - đậu - để trống (ngô - đậu); lạc - để trống (lạc); lạc - khoai lang - để trống (lạc - khoai lang); sắn - để trống (sắn) Cùng với xu thế chung của cả nước, diện tích đất nông nghiệp vùng ĐBVB có xu hướng giảm trong những năm gần đây do quá trình đô thị hoá, áp lực gia tăng dân số Bên cạnh đó, điều kiện nhiệt ẩm và thổ nhưỡng ở khu vực này rất thuận lợi cho quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong đất

Hiện nay ở nước ta việc xác định lượng SOC theo các hệ sinh thái nông nghiệp ở quy mô vùng vẫn chưa được nghiên cứu Nói cách khác sự thay đổi lượng SOC theo không gian trong các hệ sinh thái nông nghiệp của Việt Nam vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết và tính toán một cách định lượng Thêm vào đó sự thay đổi lượng SOC ở các hệ sinh thái nông nghiệp theo thời gian cũng cần phải được dự báo Đây là cơ sở xem xét khả năng sản xuất của đất trong tương lai cũng như mức độ bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp đó Xuất phát từ những lý do trên đề tài “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP VÙNG ĐỒNG BẰNG VEN BIỂN TỈNH QUẢNG TRỊ ĐẾN LƯỢNG CÁC BON TRONG ĐẤT” đã được thực hiện

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Định lượng hóa lượng SOC ở các HCT nông nghiệp (HCT cây trồng hàng năm) ở ĐBVB tỉnh Quảng Trị và những ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến lượng các bon trong đất

Các mục tiêu cụ thể:

- Mô phỏng và tính toán được lượng các bon trong đất cho các hệ canh tác cây trồng hàng năm năm 2010 nhằm xác định những thay đổi theo không gian lượng các bon trong đất nông nghiệp ở ĐBVB tỉnh Quảng Trị

- Mô phỏng và tính toán được lượng các bon trong đất cho các hệ canh tác cây trồng hàng năm trong quá khứ (năm 2000) nhằm xác định những thay đổi theo thời gian lượng các bon trong đất nông nghiệp ở ĐBVB tỉnh Quảng Trị

- Mô phỏng và tính toán được lượng các bon trong đất cho các hệ canh tác cây trồng hàng năm theo một số kịch bản canh tác trong tương lai, trên cơ sở đó đưa ra một số khuyến nghị nhằm phát triển bền vững các hệ sinh thái nông nghiệp trong địa bàn nghiên cứu

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần xác định các giải pháp của ngành sản xuất nông nghiệp trong xu thế biến đổi khí hậu toàn cầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐẤT VÀ CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT

1.1.1 Khái niệm

Chất hữu cơ trong đất (SOM) nói chung, các bon hữu cơ trong đất (SOC) nói riêng đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ sinh thái cạn SOC ảnh hưởng đến cấu trúc đất, khả năng giữ nước của đất, khả năng hình thành các phức chất với các ion kim loại, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng Hiện nay, thuật ngữ SOC

và SOM thường được sử dụng thay đổi nhau trong một số nghiên cứu Tuy nhiên, trong những năm gần đây thuật ngữ SOC được sử dụng nhiều hơn khi nghiên cứu vòng tuần hoàn các bon toàn cầu Vòng tuần hoàn này có ảnh hưởng lớn đến giới sinh vật nói chung, loài người nói riêng

Thuật ngữ SOM được sử dụng để mô tả thành phần hữu cơ của đất SOM gồm các nguyên tố C, H, O, N, P và S Do vậy khó có thể đo đạc chính xác hàm lượng SOM, nên SOC được xác định, từ đó ước lượng hàm lượng SOM thông qua hệ số chuyển đổi

Theo Stevenson, chất hữu cơ trong đất là toàn bộ vật liệu hữu cơ trong đất gồm các tàn tích sinh vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, sinh khối vi sinh vật, chất hữu

cơ hoà tan, và chất mùn [77] Trong khi đó, Baldock và Skjemstad cho rằng SOM là thành phân hữu cơ ở trong đất gồm các tàn tích thực vật và động vật ở các giai đoạn phân huỷ khác nhau, các sản phẩm phân huỷ từ các mô động vật và thực vật chết, sinh khối của vi sinh vật đất [28], [81] Ingham cho rằng SOM bao gồm tất cả các chất hữu cơ trong hoặc trên đất và tỷ lệ giữa các hợp phần SOM được thể hiện trong Hình 1 1 [43]

Trần Văn Chính cũng có cùng quan điểm với Ingham, ông cho rằng hất hữu cơ trong đất cũng được hiểu là toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong đất [9] Trần Văn Chính đã chia SOM thành 2 phần gồm: (1) tàn tích hữu cơ chưa bị phân giải (rễ, thân,

lá cây, xác động vật) và những chất hữu cơ đã được phân giải (các chất hữu cơ ngoài mùn có cấu tạo đơn giản: protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, sáp, nhựa, este, rượu, axit hữu cơ, anđehit… và (2) các chất hữu cơ mùn có cấu tạo phức tạp

Hình 1 1 Tỷ lệ giữa các hợp phần của chất hữu cơ trong đất (nguồn: [43])

Như vậy, SOM có thể chia thành sinh khối của vi sinh vật đất, tàn tích thực động vật ở giai đoạn phân huỷ khác nhau, chất hữu cơ hoà tan và mùn (chất hữu cơ phân huỷ triệt để và có tính ổn định cao) Chú ý, thân và lá rụng trên mặt đất không phải là một phần của SOM

Các bon trong đất tồn tại ở 2 dạng: vô cơ và hữu cơ Ngoài đất tích vôi, các bon trong đất tồn tại chủ yếu ở dạng hữu cơ, hay còn gọi là SOC [64] Các bon là một hợp phần của SOM Thông thường chất hữu cơ trong đất chứa khoảng 58% lượng các bon hữu cơ Hệ số Van Bemmelen (1,724) đã được sử dụng nhiều để thể hiện mối quan hệ giữa SOC va SOM, mặc dù Jain và nnk [47] và Westman và nnk [82] đã khẳng định

hệ số này không phù hợp cho tất cả các loại đất và theo độ sâu tầng đất Như vậy có thể hiểu SOC là lượng các bon tồn tại trong chất hữu cơ ở trong đất

Hàm lượng SOC được quyết định bởi tỷ lệ giữa lượng các bon hữu cơ đầu vào và đầu ra Lượng các bon hữu cơ đầu vào gồm phân bón hữu cơ và/hoặc tàn tích sinh vật Lượng các bon đầu ra là do hoạt động phân huỷ của vi sinh vật và quá trình rửa trôi (theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của phẫu diện đất) [28]

1.1.2 Chu trình các bon

Chu trình các bon là quá trình chuyển đổi liên tục các hợp chất hữu cơ và vô cơ bởi thực vật, sinh vật giữa đất, thực vật và khí quyển [35] Thực vật, nấm, rêu, vi khuẩn tự quang hợp, tảo sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi CO2 từ khí quyển

Vi sinh vật sống:

< 5% Tàn tích

thực vật:

< 10%

Mùn (chất hữu cơ

ổn đinh):

33 - 50%

Chất hữu

cơ dễ phân huỷ: 33

- 50%

thành hydratcacbon Sau đó, các tàn tích sinh vật trên và trong đất, các chất hữu cơ được giải phóng vào đất khác trong quá trình phát triển của sinh vật sẽ trải qua quá trình phân huỷ chất hữu cơ.Theo Brussaard, quá trình phân huỷ chất hữu cơ là quá trình sinh học phụ thuộc vào yếu tố sinh vật đất, môi trường tự nhiên, và chất lượng chất hữu cơ [29] Trong quá trình phân huỷ, CO2, năng lượng, nước, các chất dinh dưỡng và các hợp chất các bon hữu cơ được giải phóng Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ ở giai đoạn tiếp theo hình thành chất mùn (quá trình mùn hoá) Vi sinh vật đất

sử dụng SOM làm thức ăn và phá vỡ các chất hữu cơ này, từ đó các chất dinh dưỡng như N, P, S được giải phóng vào trong đất ở dạng thực vật có thể hấp thu được (quá trình khoáng hoá) Các chất thải được tạo ra bởi các vi sinh vật cũng là SOM nhưng khả năng phân huỷ kém hơn, và chúng có thể được sử dụng bởi các sinh vật khác trong đất

Theo Phan Tuấn Triều, các bon hữu cơ trong đất biến đổi theo chu trình sinh địa hoá gồm nhiều quá trình khác nhau [19] Các bon hữu cơ trong các tàn tích sinh vật bị chuyển hoá dưới tác động trực tiếp của vi sinh vật, động vật, oxy không khí và nước trong đất thành các hợp chất hoạt tính hơn và dễ hoà tan hơn Sau quá trình chuyển hoá xảy ra 3 quá trình tiếp theo gồm: (1) quá trình khoáng hoá hoàn toàn một số hợp chất thành một số hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số khí, cung cấp dinh dưỡng cho sinh vật; (2) quá trình tổng hợp protit, lipit, gluxit và một số hợp chất mới của các vi sinh vật đất, khi chết xác vi sinh vật tiếp tục quay trở lại tàn tích sinh vật; (3) quá trình mùn hoá tạo thành các hợp chất cao phân tử có cấu tạo phức tạp (mùn) Hợp chất mùn trong đất gồm 3 thành phần chính là axit humic, axit fulvic và hợp chất humin (có khả năng phản ứng với ion kim loại, các oxit, hydroxit, các hợp chất hữu

cơ, khoáng, cả chất ô nhiễm để hình hành các phức chất tan và không tan)

Quá trình khoáng hoá tàn tích sinh vật là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ thành các hợp chất khoáng đơn giản, nước và một số chất khí Quá trình khoáng hoá này gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Các tàn tích sinh vật (protit, gluxit, lipit, linhin, tanin, nhựa) dưới tác động của các men do vi sinh vật tiết ra bị thuỷ phân tạo ra sản phẩm có cấu tạo đơn giản hơn gồm đường hexoza, pentoza, sacaroza, xenluloza, axit amin mạch vòng

và mạch thẳng, amin, các gốc purin và pirimidin, axit uronic, axit béo, glixerin, polyphenol

- Giai đoạn 2: Dưới tác động của phản ứng oxy hoá khử, các sản phẩm của giai đoạn 1 tiếp tục biến đổi thành các axit hữu cơ mạch vòng và mạch thẳng, axit vô cơ, axit béo, axit hữu cơ dạng bay hơi, axit không no, andehit, rượu, các sản phẩm oxy hoá khử dạng phenol, quinol

1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lượng các bon hữu cơ trong đất

Li và nnk đã kết luận động học các bon hữu cơ trong đất ở các hệ canh tác được điều chỉnh bởi 2 quá trình: (1) nhận các bon thông qua lượng tàn tích cây trồng, phân bón hữu cơ được sử dụng và (2) mất các bon do phân huỷ SOC và xói mòn đất [54]

a Nhiệt độ

Nhiệt độ được xem như là nhân tố điều chỉnh tốc độ phân huỷ các tàn dư thực vật Tốc độ phân huỷ ở vùng nhiệt đới nhanh hơn vùng ôn đới [35] Nhiệt độ thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật 25° - 30°C, do đó khoáng hoá xảy ra mạnh mẽ Đây cũng là nhiệt độ thích hợp cho quá trình mùn hoá [19] Như vậy điều kiện nhiệt

độ của nước ta rất thích hợp để quá trình khoáng hoá diễn ra mạnh làm cho chất hữu

cơ và mùn trong đất bị phân giải nhanh chóng

b Độ ẩm và mức độ bão hoà nước trong đất

SOM có xu hướng tăng khi lượng mưa trung bình năm tăng [35] Không khí trong đất và độ ẩm đất quyết định hoạt động sinh học trong đất Điều kiện ẩm tối ưu cho hoạt động của vi khuẩn trong đất là gần với độ ẩm đồng ruộng, tương đương khoảng 60% không gian lỗ hổng trong đất chứa nước [60] Đất bão hoà nước làm giảm không khí trong đất, ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là các vi sinh vật hiếu khí

Điều kiện thoáng khí, độ ẩm đất thích hợp có ảnh hưởng tích cực đến quá trình khoáng hoá Độ ẩm quá cao gây ra yếm khí, vi sinh vật khó hoạt động Theo Phan Tuấn Triều, độ ẩm không khí khoảng 70% là thích hợp cho quá trình khoáng hoá [19]

Trong điều kiện thường xuyên ngập nước, quá trình mùn hoá được thực hiện dưới tác động của vi sinh vật yếm khí Kết quả là các axit hữu cơ và các chất khử như CH4,

H2S được hình thành Các chất này kìm hãm sự hoạt động của vi sinh vật làm cho tốc

độ mùn hoá chậm hẳn và than bùn dần được hình thành

c Thành phần cơ giới đất

SOM có xu hướng tăng khi hàm lượng sét trong đất tăng [35] Liên kết giữa bề mặt hạt sét và chất hữu cơ làm giảm quá trình phân huỷ chất hữu cơ Thêm vào đó, đất có hàm lượng sét cao làm tăng khả năng hình thành đoàn lạp đất Theo Rice, các đại đoàn lạp có tác dụng bảo vệ các phân tử chất hữu cơ trong quá trình khoáng hoá chất hữu cơ bởi các vi khuẩn [74] Prasad và Power đã kết luận, trong cùng điều kiện khí hậu, hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần có giới mịn (hàm lượng sét cao) sẽ cao hơn 2 đến 4 lần hàm lượng chất hữu cơ trong đất có thành phần cơ giới thô (đất cát - hàm lượng sét thấp) [70]

Khoáng sét kaolinit có diện tích bề mặt, khả năng trao đổi dinh dưỡng thấp hơn nhiều so với hầu hết các khoáng sét khác Do vậy đất kaolinit chứa ít phức sét mùn hơn Khoáng sét kaolinit rất phổ biến ở khu vực đất đồi núi vùng nhiệt đới

Theo Phan Tuấn Triều, quá trình phân giải xác hữu cơ trong đất sét và sét pha chậm hơn ở đất cát và cát pha Nghĩa là các chất hữu cơ từ tàn dư sinh vật trong đất cát và cát pha sẽ bị phân giải nhanh hơn trong đất sét và sét pha Nhưng hàm lượng mùn lại được tích luỹ nhiều hơn trong đất sét và sét pha vì quá trình khoáng hoá trong đất sét, sét pha yếu hơn nhiều, giữ mùn tốt hơn trong phức mùn sét [19]

d Địa hình

Sự tích luỹ chất hữu cơ thường xảy ra ở chân đồi, hay ở nơi thấp trong một cảnh quan nào đó Ở vị trí thấp, độ ẩm đất cao hơn vị trí cao và chất hữu cơ được vận chuyển đến các điểm thấp trong một khu vực bởi dòng chảy và xói mòn Theo Quideau, hàm lượng SOM ở sườn bắc (ở Bắc bán cầu) thường cao hơn ở sườn nam

do nhiệt độ ở sườn bắc thấp hơn và ở Nam bán cầu thì ngược lại [73]

e Độ mặn và độ chua của đất

Độ mặn và độ chua của đất liên quan đến pH đất, ảnh hưởng đến năng suất sinh khối và lượng chất hữu cơ bổ sung vào đất pH cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành mùn trong đất Trong đất có tính axit hoặc bazơ cao không thuận lợi cho vi sinh vật đất phát triển Theo Phan Tuấn Triều, pH 6,5 - 7,5 thích hợp cho sự hoạt động của

vi sinh vật và quá trình khoáng hoá [19]

f Thực vật và năng suất sinh khối

Mức độ tích luỹ chất hữu cơ trong đất phụ thuộc nhiều vào số lượng và chất lượng chất hữu cơ bổ sung vào đất Tốc độ phân huỷ chất hữu cơ trong đất tuỳ thuộc vào cấu trúc, thành phần hoá học của chất hữu cơ Các chất hữu cơ phân huỷ nhanh gồm đường, tinh bột, protein (cấu trúc đơn giản, sinh vật có thể tiêu thụ trực tiếp); các chất hữu cơ phân huỷ chậm gồm xenlulo, chất béo, sáp, nhựa; các chất hữu cơ phân huỷ rất chậm là linhin

Trong vùng nhiệt đới, các chất hữu cơ có tỷ lệ C:N thấp thuận lợi cho phân huỷ

và làm tăng hàm lượng nitơ trong đất trong thời gian ngắn Các chất hữu cơ có tỷ lệ C:N cao (thân cây ngũ cốc, cỏ) thuận lợi cho quá trình cố định chất dinh dưỡng, tích luỹ chất hữu cơ và hình thành mùn

1.1.4 Mối quan hệ giữa C hữu cơ và N trong đất

C hữu cơ và N trong đất có quan hệ mật thiết với nhau C và N là vật liệu cơ sở cho xây dựng cấu trúc và sự chuyển hoá của các dạng sống trên trái đất Khi thực vật phát triển thông qua đồng hoá CO2, chúng cần có N để hình thành các axit amin và các hợp chất quan trọng khác Khi các mô thực vật chết được kết hợp với đất, các sinh vật phân huỷ tách C và N thành CO2 và N vô cơ

Nitơ trong đất tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, ở dạng ion (NH4+

, NO3-…) và trong SOM (dạng protein, axit amin) Các axit amin trong đất được phân giải thành

NH3 hoặc NH4+ nhờ vi khuẩn amon hoá axit amin Các protein được phân giải nhờ quá trình amon hoá protein thành axit amin, một phần axit amin được các vi sinh vật

sử dụng để tổng hợp protein của chúng, một phần được phân giải thành NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác NO3-

có thể bị khử thành N phân tử thông qua quá

trình khử nitrat Ngoài ra, hàm lượng N trong đất còn ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và điều này ảnh hưởng đến lượng chất hữu cơ bổ sung vào trong đất

Trong đất, tỷ lệ C:N có ảnh hưởng quan trọng đối với nhóm vi sinh vật phân huỷ protein Nếu như tỷ lệ C:N quá cao, trong khi đó trong đất quá ít đạm thì vi sinh vật

sẽ tranh chấp thức ăn đạm với cây trồng, chúng phân huỷ được bao nhiêu là hấp thụ hết vào tế bào Khi tỷ lệ C:N quá thấp, lượng đạm dư thừa thì quá trình phân huỷ chất hữu cơ sẽ chậm lại, dẫn đến cây trồng không có đạm khoáng để hấp thụ

Li và nnk đã kết luận sự suy giảm SOC ở các hệ canh tác ảnh hưởng đến chu trình nitơ trong đất, lượng SOC và lượng phụ phẩm nông nghiệp để lại đồng ruộng thấp làm giảm quá trình khoáng hoá nitơ [55] Nếu tăng lượng phụ phẩm nông nghiệp

để lại đồng ruộng (được đưa vào trong đất) từ 15% lên 90% thì tỷ lệ khoáng hoá nitơ tăng khoảng 10 - 25% (phụ thuộc vào khí hậu, đất, cây trồng) trong năm tiếp theo [54]

1.1.5 Các biện pháp nâng cao hàm lƣợng các bon hữu cơ trong đất

Để chỉ ra các biện pháp nâng cao hàm lượng SOC trước tiên cần tìm hiểu các hoạt động và các biện pháp sử dụng đất làm giảm hàm lượng SOC FAO đã chỉ ra 3 nhóm yếu tố làm giảm SOC: (1) giảm năng suất sinh khối, (2) giảm nguồn cung cấp các bon hữu cơ, (3) làm tăng tốc dộ phân huỷ SOC [35]

(1) Giảm năng suất sinh khối biểu hiện rất rõ khi chuyển đổi, thay thế thảm thực vật tự nhiên (hỗn hợp gồm nhiều tầng tán) bằng HCT đơn canh hoặc đồng cỏ Quá trình chuyển đổi làm mất lớp vật liệu rơi rụng ở thảm thực vật tự nhiên, làm giảm sự

đa dạng khu hệ động vật đất Dịch rễ tiết ra ở HCT đơn canh chỉ hấp dẫn được ít loài

vi khuẩn, nhiều loại bệnh ở rễ cây có nhiều cơ hội để phát triển

(2) Giảm nguồn cung cấp các bon hữu cơ

Giảm nguồn cung cấp các bon hữu cơ cho đất có thể do đốt thảm thực vật tự nhiên hoặc phụ phẩm cây trồng Hoạt động đốt phụ phẩm cây trồng có thể làm giảm nguy cơ dịch bệnh và thuận lợi cho hoạt động làm đất, trồng trọt ở vụ tiếp sau Tuy nhiên hoạt động này cũng làm mất lớp vật liệu rơi rụng bề mặt đất và loại bỏ một lượng đáng kể chất hữu cơ bổ sung vào đất Các sinh vật sinh sống ở lớp vật liệu rơi rụng bề mặt và ở mặt đất cũng bị loại bỏ

Hoạt động chăn thả quá mức và đưa các phụ phẩm nông nghiệp ra khỏi đồng ruộng sau thu hoạch cũng làm giảm nguồn cung cấp chất hữu cơ cho đất Do tập quán canh tác nên người nông dân, đặc biệt ở các nước đang phát triển thường tận thu các phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch phục vụ nhu cầu năng lượng hoặc chăn nuôi (3) Các hoạt động làm gia tăng mức độ phân huỷ SOC

- Cày bừa là một trong hoạt động chính làm giảm lượng SOC Khi đất được cày bừa, các phụ phẩm cây trồng được vùi kết hợp trong đất, cùng với không khí và nhiều

vi sinh vật tiếp xúc với các phụ phẩm này Hệ quả là quá trình phân huỷ các bon hữu

cơ nhanh hơn, hình thành các chất mùn kém ổn định và quá trình giải phóng CO2 vào khí quyển cũng tăng lên Kết quả là lượng SOC giảm Ngược lại, các phụ phẩm cây trồng trên mặt đất (trường hợp không cày bừa) hạn chế tiếp xúc với vi sinh vật đất, quá trình phân huỷ sẽ chậm hơn, hình thành các chất mùn ổn định hơn, lượng CO2giải phóng vào khí quyển cũng giảm

- Mức độ thoát nước, quá trình phân huỷ các bon hữu cơ sẽ chậm hơn ở đất thoáng khí và ngược lại Do đó, chất hữu cơ tính luỹ nhiều trong môi trường ẩm ướt Khả năng thoát nước của đất bị ảnh hưởng mạnh do địa hình Vùng đất thấp thường

ẩm hơn vùng đất cao

- Bón phân và sử dụng thuốc bảo vệ thực vật: sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật giúp nâng cao năng suất cây trồng Mặc dù vậy, việc sử dụng phân bón, đặc biệt phân đạm và thuốc trừ sâu có thể làm tăng hoạt động của vi sinh vật đất, làm quá trình phân huỷ SOC tăng Phân đạm bón cho cây trồng có thể được vi sinh vật đất sử dụng dễ dàng, đặc biệt trong đất có tỷ lệ C:N cao Nhóm vi sinh vật phân huỷ protein

sẽ tranh chấp thức ăn đạm đối với cây trồng trong đất có tỷ lệ C:N cao vì chúng phân huỷ được bao nhiêu là hấp thụ hết vào tế bào

Milne đã đưa ra một số phương thức canh tác duy trì và nâng cao hàm lượng SOC như trong Bảng 1.1 [64]

Nâng cao năng suất cây trồng: để nâng cao năng suất cây trồng, trước tiên cần

phải cải thiện hệ thống thuỷ lợi, đảm bảo nguồn nước cho canh tác Từ đó năng suất cây trồng được cải thiện, phụ phẩm nông nghiệp, rễ cây trồng, môi trường hoạt động của sinh vật đất được cải thiện Sử dụng phân bón hợp lý để tăng năng suất cây trồng,

đặc biệt ở các HCT trên các loại đất bạc màu, hàm lượng dinh dưỡng thấp [17]

Bảng 1.1 Một số phương thức canh tác duy trì và nâng cao hàm lượng các bon hữu cơ

trong đất

Giảm lƣợng SOC bị mất Nâng cao đầu vào SOC

Giảm cày bừa hoặc không cày bừa Sử dụng phân bón hữu cơ, phân ủ (compost)

Sử dụng cây trồng tạo bóng Sử dụng cây trồng tạo bóng

Phương pháp giảm xói mòn (sử dụng lớp

phủ bề mặt, canh tác theo đường bình độ)

Để lại nhiểu phụ phẩm nông nghiệp tại đồng ruộng

Giảm thời gian để đất trống Nâng cao năng suất cây trồng

Giảm đốt các phụ phẩm nông nghiệp

Nguồn [64]

Cây trồng tạo bóng, giúp ngăn chặn xói mòn, rửa trôi, làm giảm tác động trực

tiếp của hạt mưa vào đất Cây trồng tạo bóng bổ sung chất hữu cơ vào đất, cung cấp nơi ở cho các loài cồn trùng và sinh vật có ích Một số cây trồng tạo bóng họ đ ậu còn

bổ sung lượng đạm cho đất thông qua các vi khuẩn cố định đạm

Giảm thời gian để đất trống, thực hiện luân canh hợp lý, đặc biệt kết hợp luân

chuyển cây trồng với cây trồng họ Đậu để tận dụng nguồn đạm mà cây trồng họ Đậu mang lại, giảm sử dụng phân đạm vô cơ Hoạt động luân canh làm giảm thời gian để đất trống, làm giảm tốc độ phân huỷ SOM, quá trình khoáng hoá SOC [34]

Giảm cày bừa hoặc không cày bừa, nhằm mục đích giảm sự xáo trộn sinh vật

đất, nơi sinh sống và cung cấp thức ăn cho sinh vật đất để tăng số lượng và khả năng hoạt động của sinh vật đất

Để lại nhiều phụ phẩm nông nghiệp tại đồng ruộng và sử dụng phân bón hữu cơ: sử dụng phân ủ để nâng cao lượng các bon hữu cơ trong đất, cung cấp nguồn

thức ăn cho sinh vật đất đã được nhiều nghiên cứu khuyến cáo Li và nnk đã khẳng định việc quản lý phụ phẩm cây trồng là yếu tố quyết định đến trữ lượng các bon và nitơ của hệ sinh thái nông nghiệp [55] Phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng vừa là nguồn bổ sung trực tiếp các bon và nitơ cho đất, vừa là nguồn nitơ vô cơ gián tiếp thông qua quá trình khoáng hoá Lal đã khẳng định việc kết hợp phụ phẩm cây trồng

để lại đồng ruộng vào trong đất là một trong các biện pháp hiệu quả nhất để ngăn chặn đà suy giảm SOM [51] Trong nghiên cứu “Nâng cao lượng các bon bằng cách kết hợp phụ phẩm cây trồng trong các vùng đất canh tác ở Trung Quốc”, Li đã kết

luận phụ phẩm cây trồng và phân hữu cơ là các nguồn các bon đầu vào duy nhất cho đất nông nghiệp, do vậy việc quản lý các phụ phẩm nông nghiệp hoặc phân bón hữu

cơ đã ảnh hưởng đến động học SOC trong vùng [58]

Các nhà nghiên cứu đều thống nhất, biện pháp quản lý tốt nhất để nâng cao lượng SOC là tăng lượng các bon hữu cơ bổ sung vào đất và/hoặc giảm mức độ phân huỷ SOM, [50], [51], [64], [67]

1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT

1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước

a Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến lượng SOC

Nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi (không gian và thời gian) sử dụng đất đến lượng SOC đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới như Lal [50], [51], Guo và Gifford [39], Fisseha và nnk [36], Ciric và nnk [32], Lei và nnk [52], Drewniak và nnk [33] Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ xem xét chuyển đổi sử dụng đất từ đất rừng, đất trồng cỏ thành đất nông nghiệp hoặc ngược lại Ví dụ, trong nghiên cứu của Lal, biến động sử dụng đất được xem xét gồm phá rừng, đốt cây (rừng và nông nghiệp), chuyển đổi hệ sinh thái rừng thành nông nghiệp, cải tạo khả năng thoát nước của vùng đất ngập nước và hoạt động canh tác

Drewniak và nnk đã nghiên cứu tác động của phương thức quản lý gồm sử dụng phân bón, tỷ lệ phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng đối với lượng SOC trong đất canh tác ở Mỹ trong khoảng thời gian gần 170 năm Kết quả đã chỉ ra lượng SOC của

Mỹ bị giảm khoảng 10% do hoạt động canh tác so với đất trồng cỏ Các tác giả cũng cho rằng việc quản lý phụ phẩm cây trồng có ảnh hưởng lớn đến lượng SOC Lượng phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng ở mức trung bình và thấp đã làm cho lượng SOC tại vị trí canh tác ở Mỹ giảm khoảng 3,5 - 5% so với vị trí trồng cỏ, lượng phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng ở mức cao đã làm cho lượng SOC tại vị trí canh tác

ở Mỹ tăng 2% Nghiên cứu cũng chỉ ra, phân đạm cũng có tác động tới lượng SOC Với lượng phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng hiện tại của Mỹ, nếu không bón phân đạm sẽ làm cho lượng SOC giảm 5% [33]

Guo và Gifford đã dựa trên 74 kết quả nghiên cứu đã công bố để đánh giá ảnh

hưởng của thay đổi sử dụng đất đối với lượng SOC Các tác giả đã chỉ ra lượng SOC giảm khoảng 10% khi chuyển đổi từ trồng cỏ thành rừng trồng, giảm khoảng 13% khi chuyển đổi từ rừng tự nhiên thành rừng trồng, giảm 42% khi chuyển từ rừng tự nhiên thành cây trồng, giảm 59% khi chuyển từ trồng cỏ thành cây trồng Ngược lại lượng SOC tăng khoảng 8% khi chuyển từ rừng tự nhiên thành trồng cỏ, tăng 19% khi chuyển từ cây trồng thành trồng cỏ, tăng 18% khi chuyển từ cây trồng thành rừng trồng và tăng 53% khi chuyển từ cây trồng thành rừng tái sinh [39]

Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sử dụng đất khác nhau (đất canh tác, đất trồng cỏ, đất rừng) và loại đất khác nhau ở vùng bán khô hạn, Ciric và nnk đã chỉ ra loại đất là yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng SOC Các tác giả đã sắp xếp các loại đất theo mức độ giảm hàm lượng SOC như sau: đất nứt nẻ (Vertisols) có lượng SOC là 93 tấn/ha, đất đen (Chernozems) 68 tấn/ha, đất kiềm mặn (Solonetz) 65 tấn/ha, đất phù sa (Fluvisols) 48 tấn/ha Hơn nữa, các tác giả cũng khẳng định việc chuyển đổi hệ sinh thái rừng và đồng cỏ (hệ sinh thái tự nhiên) thành hệ sinh thái nông nghiệp làm cho lượng SOC giảm mạnh, mức độ giảm tuỳ thuộc vào từng loại đất Chuyển đổi từ hệ sinh thái tự nhiên thành hệ sinh thái nông nghiệp trên đất đen làm cho lượng SOC giảm 16 - 18%, trên đất nứt nẻ giảm 15 - 17%, đất phù sa giảm

13 - 22% và trên đất kiểm mặn giảm 1 - 3% [32]

Lei và nnk đã tổng hợp 135 công trình công bố gần đây về sự chuyển đổi đất canh tác thành đất trồng cỏ, cây bụi hoặc đất lâm nghiệp ở Trung Quốc và ảnh hưởng của sự chuyển đổi đến lượng SOC Kết quả đã chỉ ra sự chuyển đổi đã tạo ra sự thay đổi tích cực về lượng SOC Lượng SOC giảm trong 5 năm đầu sau chuyển đổi, sau đó tăng dần theo sự phục hồi và phát triển của thảm thực vật Tốc độ thay đổi lượng SOC ở bề mặt (0 - 20cm) nhanh hơn ở dưới bề mặt (20 - 100cm) [52]

b Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến lượng SOC

Nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp, đặc biệt là ảnh hưởng của phương thức canh tác đến lượng SOC đã được thực hiện từ khá sớm Các nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của phương thức canh tác đến lượng SOC ở các

hệ sinh thái nông nghiệp đã được các nhà khoa học trên thế giới triển khai từ những năm đầu của thế kỷ 20 như trạm nghiên cứu ở Rothamsted (Anh), Urbana, Illinois

(Mỹ) Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở trạm nghiên cứu ở Rothamsted, năm 1991, Jenkinson đã chỉ ra, lượng SOC tăng lên gấp 3 lần ở ô bón phân hữu cơ trong thời gian 140 năm [48] Odell và nnk đã cho rằng luân canh và bón phân hợp lý làm tăng năng suất cây trồng, duy trì hàm lượng SOC ở mức cao [68] Kết luận dựa trên kết quả thực nghiệm 70 năm ở HCT ngô tại Urbana, Illinois

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm khác của các nhà khoa học trên thế giới đã chỉ ra rằng lượng SOC có thể tăng thông qua thay đổi phương thức canh tác như giảm mức

độ cày bừa, sử dụng cây trồng tạo bóng, bón phân hữu cơ, tăng lượng phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng như Lal [50], [51], Li và nnk [55], Milne [64]

Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến SOC cũng được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu như Cai [30], Qiu và nnk [71], Tang và nnk [80], Shi

và nnk [75], Zhang và nnk [88], Xu và nnk [84] Các nghiên cứu đã đánh giá sự thay đổi lượng SOC theo không gian, thời gian ở các vùng đất canh tác của Trung Quốc Cai xem xét ảnh hưởng của sử dụng đất đến giá trị SOC trung bình dựa trên kết quả điều tra, phân tích mẫu đất lần 2 của Trung Quốc Ông đã nhận thấy giá trị SOC trung bình ở đất trồng lúa nước bằng 1/2 giá trị này ở thảm thực vật tự nhiên Giá trị SOC trung bình ở đất trồng lúa nương bằng 1/2 giá trị SOC ở đất trồng lúa nước [30] Su

và nnk dựa trên kết quả điều tra, phân tích mẫu đất ở vùng Dongguan, phía nam Trung Quốc đã kết luận phương thức quản lý có tác động to lớn đến hàm lượng SOC, đặc biệt là lớp đất bề mặt [78]

Liu và nnk đã kết luận biện pháp cày bừa ảnh hưởng chủ yếu đến sự phân bố các bon, nitơ trong đất và tốc độ phân huỷ SOM và quá trình khoáng hoá nitơ Bên cạnh

đó, việc luân canh hợp lý có thể làm tăng và duy trì chất lượng, số lượng SOM, cải thiện tính chất hoá, lý đất Việc bón phân vô cơ, phân ủ hợp lý và đầy đủ có thể làm tăng dinh dưỡng đất, hàm lượng SOC Các tác giả cũng khẳng định nếu chỉ sử dụng phân hữu cơ (phân chuồng, phân ủ) hoặc chỉ sử dụng phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng thì sẽ không đủ để duy trì SOC Lượng SOC được duy trì tốt nhất khi luân canh, kết hợp với giảm mức độ cày bừa, bổ sung phân vô cơ và hữu cơ hợp lý [61], [62]

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của phương thức canh tác đến năng suất cây trồng hoặc/và dinh dưỡng trong đất ở quy

mô điểm (sites) [14], [16], [18], [21] Các kết quả nghiên cứu được đúc rút từ các nghiên cứu, đo đạc thực nghiệm ngoài thực địa Trong công trình “Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ đất, chống xói mòn cho cà phê và một số cây ngắn ngày trên đất dốc vùng Tây Nguyên”, Lương Đức Loan và nnk đã đưa ra kết luận về ảnh hưởng của các biện pháp canh tác đến tích chất hoá học đất ở hệ canh tác cà phê trên đất bazan Kết quả phân tích mẫu đất trước và sau 6 năm thí nghiệm (1992 - 1996) cho thấy ở các ô trồng cà phê không bảo vệ, hàm lượng SOM giảm 0,4%, ở các ô trồng cà phê áp dụng các biện pháp bảo vệ như cà phê trồng xen ngô, lạc, hàm lượng SOM tăng 0,41% (tầng đất 0 - 20cm) [14] Năm 1998, Trần Đức Toàn và nnk đã chỉ ra, ở các ô trồng sắn xen đỗ đen trên đất đồi thoái hoá ở Tam Đảo, hàm lượng SOC đều tăng (0,21 - 0,4%), trong khi đó ở các ô trồng sắn thuần của người nông dân, hàm lượng SOM giảm 0,09% trong thời gian 6 năm (1992 - 1996) Ở các ô thí nghiệm trên, lượng phân chuồng bón là 4 - 8 tấn/ha, lượng phân đạm bón là 15 - 60 kg N/ha [18] Trong đánh giá hiệu quả của một số biện pháp canh tác, bón phân đến bảo vệ đất và năng suất cây trồng trên đất đồi thoái hoá, Nguyễn Tử Siêm và Thái Phiên đã kết luận phân bón có hiệu lực và hiệu quả kinh tế cao trên đất đồi (hàm lượng SOC thấp) Các tác giả khẳng định các loại phân bón hữu cơ và vô cơ không thể thay thế hoàn toàn cho nhau, trên nền hữu cơ được cải thiện cần sử dụng một lượng phân khoáng hợp lý Phân bón hữu cơ có ảnh hưởng quan trọng đến chất hữu cơ và đạm trong đất [16] Các tác giả khẳng định quá trình canh tác làm cho chất hữu cơ chuyển biến theo hướng bị giảm dần do khoáng hoá và xói mòn rửa trôi hoặc theo hướng cải thiện, duy trì và nâng cao hàm lượng chất hữu cơ trong đất Các tác giả cũng kết luận: phân hữu cơ có tác dụng duy trì và nâng cao độ phì nhiêu đất thông qua tăng C, N tổng số, P, K dễ tiêu, giảm nhẹ độ chặt của đất; bón phối hợp NPK với phân chuồng hoặc với vôi trên đất phiến thạch đều tăng chất hữu cơ, đạm tổng số, độ dễ tiêu của lân và kali trong đất; phân hữu cơ tăng năng suất cây trồng đáng kể ở cơ cấu lạc xen sắn Trong nghiên cứu

“Ảnh hưởng của sử dụng phụ phẩm nông nghiệp đến lý, hoá tính đất và năng suất lúa,

ngô trên đất phù sa sông Hồng và đất xám bạc màu”, Hoàng Ngọc Thuận đã kết luận việc vùi phụ phẩm nông nghiệp liên tục gồm rơm, rạ, thân, lá ngô, trên đất phù sa sông Hồng và đất bạc màu Bắc Giang, trên hệ canh tác lúa - lúa - ngô đã làm SOC tăng Nghiên cứu cũng đưa ra sự gia tăng của các yếu tố dinh dưỡng đất khác như N,

P2O5, K2O… , và việc vùi phụ phẩm, bón NPK và phân chuồng có thể giảm lượng phân khoáng 20% mà vẫn đạt năng suất lúa, ngô cao so với chỉ bón NPK [17]

Ngoài các nghiên cứu theo hướng trên, một số nghiên cứu khác tập trung vào ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp (theo không gian) đến lượng các bon trong đất Đáng lưu ý nhất là công trình của Phạm Quang Hà, tác giả nghiên cứu khá

kỹ mối quan hệ giữa thay đổi đất nông nghiệp và hàm lượng các bon trong đất ở một diện tích giới hạn Trong công trình “Các bon trong các loại đất của Việt Nam và các kinh nghiệm cải tạo lượng các bon trong đất” được công bố năm 2010, Phạm Quang

Hà đã xác định hàm lượng các bon trong đất phù sa (Fluvisols) ở Việt Nam của 6 hệ canh tác cây trồng hàng năm gồm: dâu tằm, rau - ngô - đậu, lúa - rau hoặc ngô hoặc đậu, lúa - lúa, lúa - lúa - rau hoặc ngô hoặc đậu, lúa - lúa - lúa bằng phương pháp thu thập mẫu đất và phân tích trong phòng thí nghiệm Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng các bon trong đất phù sa lớn nhất của Việt Nam là ở hệ canh tác lúa - lúa (2,09%), thấp nhất ở hệ canh tác rau - ngô - đậu (0,76%) Điều này đã cho thấy ảnh hưởng của hệ canh tác đến hàm lượng các bon trong đất phù sa Cũng trong nghiên cứu này Phạm Quang Hà đã dựa vào 1271 mẫu đất được thu thập từ 6 nhóm đất chính của Việt Nam gồm đất phù sa (Fluvisols), đất xám (Acrisols), đất đỏ vàng (Ferrasols), đất cát (Arenosols), đất phèn (Thionic Fluvisols), đất mặn (Salic Fluvisols) được sử dụng cho canh tác nông nghiệp để xác định hàm lượng các bon trung bình trong 6 nhóm đất trên Kết quả là nhóm đất phèn có hàm lượng các bon lớn nhất (trung bình là 3,8%) và đất cát có hàm lượng các bon thấp nhất (0,68%) [40] Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đưa ra được khối lượng cụ thể về lượng các bon trong đất (bao nhiêu tấn) của các nhóm đất chính trong các hệ canh tác cho toàn vùng nghiên cứu Tác giả mới chỉ đưa ra những so sánh về hàm lượng các bon giữa nhóm đất trên

Như vậy, ở quy mô vùng với sự không đồng nhất về không gian về đất đai, khí hậu, cơ cấu cây trồng và phương thức canh tác cần phải được quan tâm khi nghiên

cứu cũng như tính toán lượng các bon trong đất Để giải quyết được vấn đề này nhiều tác giả trên thế giới đã áp dụng các mô hình để tính toán và dự báo lượng các bon trong đất để giảm chi phí về công sức, thời gian, tiền khi triển khai các thí nghiệm nông nghiệp ngoài đồng ruộng theo các phương thức canh tác khác nhau ở quy mô lớn Một trong những mô hình được áp dụng khá phổ biến và đã được kiểm chứng bởi nhiều nhà khoa học là mô hình DNDC (Denitrification - Decomposition) (khử nitrat - phân huỷ)

1.3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT NÔNG NGHIỆP ĐẾN LƯỢNG CÁC BON HỮU CƠ TRONG ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH

1.3.1 Các mô hình tính toán, mô phỏng lƣợng các bon hữu cơ trong đất

Hiện nay có nhiều mô hình tính toán, mô phỏng SOC ở các hệ sinh thái cạn Theo như thống kê của Smith và nnk năm 1997, một số mô hình tính toán, mô phỏng lượng SOC ở các hệ sinh thái cạn tiêu biểu gồm CANDY, CENTURY, DAISY, DNDC, NCSOIL, RothC, SOMM, ITE, Verberne [76] Những năm 2000, mô hình DSSAT được hoàn thiện và tham gia vào hệ thống các mô mình tính toán, mô phỏng lượng SOC ở các hệ sinh thái cạn Tuy nhiên, mô hình DSSAT cũng sử dụng mô hình CENTURY như là một mô đun trong mô hình Như vậy, hiệu quả sử dụng của mô hình DSSAT tính toán, mô phỏng lượng SOC tương tự như mô hình CENTURY

Mô hình CANDY (Carbon and Nitrogen Dynamics - động học nitơ và các bon), CANDY là mô hình động học C và N trong đất, bao gồm một hệ thống các mô đun

và hệ thống cơ sở dữ liệu (CSDL) các thông số mô hình, các giá trị đo đạc, các giá trị ban đầu, dữ liệu về thời tiết và quản lý đất đai [37] Mô hình CANDY thường được

áp dụng cho các hệ sinh thái cạn

Mô hình CENTURY tính toán, mô phỏng động học SOM, sự phát triển của thực vật, chu trình N, P và S ở các hệ sinh thái cạn (đồng cỏ, nông nghiệp, rừng, savan) [69]

Mô hình DAISY cho phép tính toán, mô phỏng sản lượng cây trồng, động học nước và nitơ trong đất ở các hệ sinh thái nông nghiệp [41] Mô hình này áp dụng phù hợp cho hệ sinh thái nông nghiệp và đồng cỏ

Mô hình DNDC tính toán, mô phỏng sự phát thải khí nhà kính từ các hệ sinh thái nông nghiệp như CO2, CH4, N2O, N2, và SOC [45] Mô hình DNDC phù hợp cho tính toán SOC ở các hệ sinh thái nông nghiệp và đồng cỏ Mô hình DNDC là mô hình sinh địa hóa trong đất Cấu trúc của mô hình gồm 2 hợp phần: (1) hợp phần phụ gồm mô hình khí hậu, đất, cây trồng và mô hình phân huỷ; (2) hợp phần phụ gồm mô hình nitirat hoá, khử nitirat và mô hình oxy hoá khử Hợp phần thứ nhất được sử dụng để ước lượng nhiệt độ, độ ẩm, thế oxy hoá khử của đất và biến trình của các yếu tố trong phẫu diện đất, trong đó có lượng C Các thông số này chịu sự tác động của đặc trưng khí hậu, đất, cây trồng và hoạt động của con người Hợp phần thứ hai giúp ước lượng

sự phát thải các khí CO2, CH4, NH3, NO, N2O, N2 từ các hệ canh tác nông nghiệp Mối quan hệ giữa các chu trình sinh địa hoá của C, N và các yếu tố sinh thái đã được

mô hình hoá trong mô hình DNDC

Mô hình ITE là sự kết hợp của mô hình Hurley Pasture và Forest của Viện Sinh thái cạn - Edinburgh Mô hình Hurley Pasture và Forest cùng chung mô hình phụ đất, ngoài ra còn có các mô hình phụ tiêu thụ của động vật chăn thả, mô hình phụ sự phát triển của thực vật và mô hình phụ SOM Mô hình ITE giúp tính toán, mô phỏng các dòng C và N trong các hệ sinh thái đồng cỏ và rừng [76]

Mô hình NCSOIL là mô hình động học C và N trong đất cho phép tính toán, mô phỏng N và C thông qua sinh vật đất các hợp phần hữu cơ [66] Mô hình CNSOIL phù hợp cho tất cả các hệ sinh thái cạn

Mô hình ROTHC (Rothamsted Các bon), ban đầu được xây dựng để tính toán,

mô phỏng động thái SOC trong tầng đất bề mặt ở hệ sinh thái nông nghiệp từ trạm nghiên cứu thực nghiệm Rothamsted, Anh Sau này, mô hình này được kiểm chứng

và áp dụng ở một số loại đất ở điều kiện khí hậu Trung và Tây Âu [38]

Mô hình SOMM, được áp dụng để tính toán, mô phỏng SOM ở các hệ sinh thái rừng Mô hình gồm 3 hợp phần: vật liệu rơi rụng chưa phân huỷ, vật liệu rơi rụng đã phân huỷ một phần, mùn và các quá trình khoáng hoá, mùn hoá chịu ảnh hưởng của hàm lượng N, C trong vật liệu rơi rụng, điều kiện nhiệt, ẩm đất, tỷ số C/N đất [31]

Mô hình Verberne mô phỏng cân bằng N và nước trong hệ sinh thái đồng cỏ để tính toán năng suất, lượng N được hấp thụ, lượng N bị rửa trôi, lượng N khoáng hoá

và lượng N hữu cơ tích luỹ trong đất [49]

Các mô hình trên đã được kiểm chứng và áp dụng để tính toán SOC bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới, tuy nhiên các công trình nghiên cứu so sánh độ chính xác, hiệu quả của các mô hình đối với việc tính toán SOC ở các hệ sinh thái cạn không nhiều Công trình điển hình nhất là “So sánh hiệu suất của 9 mô hình SOM sử dụng tập dữ liệu từ 7 trạm nghiên cứu dài hạn” của Smith và nnk [76] Trong công trình này, Smith và nnk đã đưa ra các kết luận quan trọng sau:

Mô hình CANDY, CENTURY, RothC không thể hiện xu hướng so với kết quả

đo đạc Kết quả tính toán SOC của mô hình DNDC có xu hướng lớn hơn giá trị đo đạc nhưng không đáng kể, trong khi đó kết quả của mô hình DAISY, SOMM và Verberne có xu hướng nhỏ hơn giá trị đo đạc nhưng không lớn Kết quả của mô hình NCSOIL thấp hơn giá trị đo đạc, mô hình ITE cao hơn giá trị đo đạc Dựa vào giá trị sai số bình phương trung bình, Smith và nnk đã chia 9 mô hình trên thành 2 nhóm: (1) các mô hình có kết quả ước lượng SOC chính xác hơn gồm CANDY, CENTURY, NCSOIL, DNDC, DAISY và RothC; (2) các mô hình có kết quả ước lượng kém chính xác gồm: Verberne, ITE và SOMM Các tác giả cũng đưa ra lý do dẫn đến kết quả trên chính là mức độ hiệu chỉnh mô hình ở các vị trí nghiên cứu, nghĩa là mức độ cho phép hiệu chỉnh của mỗi mô hình có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả tính toán Như vậy, mô hình DNDC là một trong các mô hình phù hợp cho tính toán, mô phỏng lượng SOC trong các hệ sinh thái nông nghiệp, tuy nhiên khi áp dụng cho mỗi đối tượng nghiên cứu và địa bàn nghiên cứu cần thiết phải kiểm chứng lại khả năng

áp dụng của mô hình dựa trên các thông số hiệu chỉnh từ chính đối tượng và địa bàn nghiên cứu đó Hơn nữa, các tổng kết ở phần tiếp theo về các nghiên cứu ứng dụng

mô hình DNDC đánh giá ảnh hưởng thay đối sử dụng đất nông nghiệp đến SOC cũng

bổ sung cơ sở khoa học lựa chọn mô hình DNDC để thực hiện luận án

Kiểm nghiệm mô hình DNDC để tính toán hàm lượng các bon trong đất đầu tiên được thực hiện bởi Li và nnk, năm 1994 ở Mỹ [54] Tiếp sau đó nhiều nhà khoa học khác đã áp dụng và kiểm chứng mô hình này như Smith và nnk [76], Qiu và nnk [71], [72], Yunhui và nnk [86], Ligang và nkk [59], Syeda [79]

Cho đến nay, việc áp dụng các mô hình DNDC ước lượng hàm lượng SOC ở

nước ta chưa được áp dụng Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC để đánh giá

sự phát thải khí nhà kính từ các hệ sinh thái nông nghiệp đã được một số nhà nghiên cứu Việt Nam áp dụng như Mai Văn Trịnh và nnk [20]

1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC đánh giá ảnh hưởng của thay

đổi sử dụng đất nông nghiệp đến lượng các bon hữu cơ trong đất

Mô hình DNDC đã được nhiều nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến SOC như Li và nnk [54], Smith và nnk [76], Qiu và nnk [71], Liu và nnk [61], Tang và nnk [80], Zhang và nnk [87], Shi và nnk [75], Syeda [79], Zhang và nnk [88], Xu và nnk [84] Các nghiên cứu trên đã đánh giá sự thay đổi lượng SOC theo không gian, thời gian ở các vùng đất canh tác

Li và nnk đã sử dụng phương thức canh tác năm 1990 để đánh giá sự thay đổi SOC ở các vùng đất canh tác của Trung Quốc Các tác giả đã kết luận đất canh tác của Trung Quốc mất 1,6% lượng SOC (0 - 30cm) năm 1990, trong khi đó đất canh tác của Mỹ chỉ mất 0,1% năm 1990 Lý do được các tác giả đưa ra là 25% phụ phẩm cây trồng trên mặt đất ở Trung Quốc được để lại đồng ruộng sau thu hoạch, nhưng ở

Mỹ là 90% [55]

Năm 2005, Qiu và nnk đã sử dụng mô hình trên để dự báo lượng các bon trong đất của các vùng đất canh tác nông nghiệp ở phía bắc Trung Quốc và trên phạm vi toàn bộ Trung Quốc Các tác giả đã chỉ ra tổng lượng SOC trong đất nông nghiệp ở các tỉnh Heilongjiang, Jilin và Liaoning là 1.243,48 × 106 tấn (0 - 30cm); với điều kiện canh tác hiện tại, lượng SOC mất hàng năm là 31,22 x 106 tấn/năm [71] Nghiên cứu cũng đưa ra kết luận với các biện pháp như bón phân hữu cơ, để lại nhiều phụ phẩm cây trồng tại đồng ruộng sau thu hoạch, giảm cày bừa rất hữu ích cho việc nâng cao lượng SOC trong vùng Tang và nnk đã kết luận hàng năm các vùng đất canh tác của Trung Quốc mất khoảng 78,89 x106 tấn các bon [80] Liu và nnk đã áp dụng mô hình DNDC để dự báo hàm lượng các bon trong đất cũng như đánh giá mức độ thay đổi lượng các bon trong đất khi thay đổi sử dụng đất ở tỉnh Quzhou, Trung Quốc Họ cũng kết luận mô hình DNDC mang lại kết quả có thể chấp nhận được khi được áp dụng ở quy mô tỉnh [61] Năm 2006, Zhang và nnk đã sử dụng mô hình DNDC để đánh giá tác động của các phương thức canh tác đến lượng SOC ở các vùng nông trại

phía bắc Trung Quốc [87] Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng phương pháp nhân tố nhạy cảm nhất (MSF) của Li đưa ra năm 2004 để xác định khoảng biến thiên của kết quả ước lượng SOC Tổng lượng SOC (0 - 50cm) ở 3 triệu ha đất nông trại với 45 hệ canh tác ở Shaanxi năm 2000 đã được xác định bằng mô hình DNDC ở quy

hô hấp di dưỡng của vi khuẩn cao và lượng chất hữu cơ để lại đồng ruộng thấp Lượng SOC tiếp tục giảm với tốc độ trung bình (giai đoạn 1970 - 2010) do mức độ

hô hấp dị dưỡng của vi khuẩn trong đất giảm Mức độ hô hấp của vi khuẩn trong đất

và lượng chất hữu cơ kết hợp vào đất tiến đến cân bằng sau năm 2010 Với kịch bản 50%, lượng các bon kết hợp ở trong đất lớn hơn lượng CO2 phát thải từ hệ canh tác sau năm 2010 dẫn đến các bon hữu cơ được tích luỹ trong đất Quá trình hô hấp dị dưỡng của vi khuẩn đất gây ra sự phát thải khí CO2 cũng tăng dần cùng với sự gia tăng hàm lượng SOC Hàm lượng SOC đạt đến mức cân bằng vào khoảng năm 2060

do sự cân bằng giữa lượng SOC kết hợp ở trong đất bằng sự kết hợp phụ phẩm cây trồng để lại đồng ruộng vào đất và lượng SOC bị mất do hoạt động hô hấp di dưỡng của vi khuẩn trong đất

Sau những nghiên cứu trên, các nghiên cứu áp dụng mô hình DNDC ở quy mô

vùng tập trung vào các nghiên cứu chuyên sâu hơn cho đất trồng lúa ở Trung Quốc

Cụ thể, năm 2010, Shi và nnk đã mô phỏng lượng SOC trên bề mặt đất (0 - 15cm) ở quy mô vùng cho đất trồng lúa nước ở vùng Wixi và Changzhau từ năm 1982 đến năm 2000 Kết quả xác định lượng SOC dao động trong khoảng 10,26 to 50,40 tấn/ha, độ lệch chuẩn 1,6 và 2,5 tấn/ha [75] Họ cũng khẳng định rằng lượng phụ phẩm nông nghiệp để lại đồng ruộng và phân chuồng sử dụng điều chỉnh lượng SOC Zhang và nnk đã áp dụng mô hình DNDC để tính toán SOC ở vùng đất trồng lúa ở Tai-Lake, Trung Quốc Các tác giả cũng kết luận độ phân giải không gian của dữ liệu đất có ảnh hưởng lớn đến kết quả của mô hình [89] Kết quả sử dụng mô hình DNDC

đã chỉ ra lượng SOC ở 45 triệu ha đất trồng lúa nước ở Trung Quốc là 2,51x109

tấn năm 1980 (22,22 tấn C/ha) và 2,65x109

tấn năm 2008, tốc độ cố định các bon trung bình 5x106 tấn/năm [88] Trong nghiên cứu về động học SOC trong HCT lúa ở Trung Quốc, Xu và nnk đã kết luận 83,3% diện tích đất trồng lúa cố định các bon, 16,1% diện tích đất trồng lúa mất các bon, 0,6% diện tích đất trồng lúa ở trạng thái cân bằng trong khoảng thời gian 28 năm [84]

Trong nghiên cứu mới nhất về việc áp dụng mô hình DNDC ở quy mô vùng, Zhang và nnk đã kết luận, kết quả ước lượng SOC ở quy mô vùng bị ảnh hưởng rất lớn bởi đơn vị cơ sở (khoanh vị) và mức độ chi tiết của các số liệu của các khoanh vi đất đầu vào [88] Kết luận này cũng đã được một số tác giả đề cập đến trong các nghiên cứu áp dụng mô hình DNDC ở quy mô vùng như Xu và nnk [85]

Ngoài các nghiên cứu trên một số nghiên cứu ứng dụng mô hình DNDC đã được

áp dụng ở châu Âu Leip và nnk đã xây dựng khung mô hình liên kết giữa mô hình kinh tế và mô hình DNDC để dự báo dòng phát thải khí nhà kính, sự thay đổi lượng các bon và quỹ nitơ trong các HCT nông nghiệp ở châu Âu [53]

Ở các nghiên cứu trên, lượng SOC được tính toán dựa trên đơn vị cơ sở là đơn vị hành chính Kết quả là tổng khối lượng SOC cho đơn vị hành chính đó, không phải cho từng đơn vị canh tác Các nghiên cứu trên chưa chỉ ra được khi một HCT chuyển đổi thành HCT khác trong một giai đoạn thì lượng SOC sẽ thay đổi thế nào? Nghĩa là

sự tăng giảm diện tích các HCT tác có ảnh hưởng như thế nào đến lượng SOC

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Rà soát các tài liệu, số liệu và dữ liệu liên quan hiện có, điều tra, thu thập bổ sung các dữ liệu liên quan đến thông số đất đầu vào (lấy mẫu đất), khí hậu (tại các trạm khí tượng) và cây trồng (thời gian gieo trồng, năng suất, phân bón, thủy lợi, biện pháp làm đất) nhằm kiểm chứng mô hình DNDC và tính toán lượng SOC ở các HCT vùng nghiên cứu

- Xây dựng CSDL (đất: đơn vị đất, pH, hàm lượng sét, hàm lượng các bon ; khí hậu: nhiệt độ ngày, lượng mưa; HCT: thời gian gieo trồng, phân bón, thủy lợi ) phục

vụ việc mô phỏng và tính toán lượng các bon trong đất cho các HCT chính vùng nghiên cứu năm 2000, 2010, 2020

- Xác định lượng các bon trong đất của HCT cây trồng hàng năm 2000, 2010 và một số kịch bản trong tương lai bằng mô hình DNDC

- Đánh giá sự thay đổi theo không gian và thời gian về lượng các bon trong đất của các HCT cây trồng hàng năm tại địa bàn nghiên cứu

- Đánh giá một số kịch bản canh tác trong các HCT cây trồng hàng năm trong tương lai và đưa ra một số khuyến nghị nhằm phát triển bền vững các hệ sinh thái nông nghiệp này

2.2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu:

- Các HCT nông nghiệp vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị;

- Lượng SOC ở các HCT nông nghiệp chính vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị;

- Mối quan hệ giữa thay đổi sử dụng đất với lượng SOC ở các HCT nông nghiệp vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị;

- Mối quan hệ giữa thay đổi phương thức canh tác với lượng SOC ở các HCT nông nghiệp vùng ĐBVB tỉnh Quảng Trị

Phạm vi nghiên cứu:

-Về không gian, luận án tập trung vào khu vực ĐBVB tỉnh Quảng Trị do khu vực này là một vùng nông nghiệp quan trọng của tỉnh ĐBVB ở đây gồm vùng cát ven biển và vùng đồng bằng ngập lụt của 3 hệ thống sông chính của Quảng Trị (Bến Hải,

Thạch Hãn, Ô Lâu) Lượng SOC được tính ở tầng bề mặt 0 - 30cm, đây là tầng đất ở

đó lượng SOC thay đổi nhanh theo hoạt động canh tác

Do đó lượng các bon trong đất của các HCT này thay đổi nhanh và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng đất và năng suất cây trồng Ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp được xem xét dưới 3 khía cạnh: (1) ảnh hưởng của thay đổi phương thức canh tác cây trồng hàng năm, (2) ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo không gian; (3) ảnh hưởng của thay đổi cây trồng hàng năm theo thời gian Các kết quả nghiên cứu cũng được trình bày theo 3 khía cạnh này

2.3 QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Quy trình nghiên cứu

Sơ đồ quy trình nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến lượng SOC được thể hiện trong Hình 2.1

Hình 2.1 Quy trình nghiên cứu ảnh hưởng của sử dụng đất nông nghiệp đến các bon

hữu cơ trong đất

Hình 2.1 cho thấy để có được kết quả nghiên cứu cần phải triển khai 3 bước: (1) chuẩn bị các dữ liệu cần thiết cho các đơn vị tính toán SOC ở các HCT; (2) kiểm chứng mô hình DNDC và tính SOC cho mỗi đơn vị tính toán; (3) liên kết kết quả tính toán với các đơn vị tính toán trong môi trường GIS và xem xét ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến SOC Các đơn vị tính toán được xác định qua 2 giai đoạn: (1) xác định biến động sử dựng đất trong giai đoạn 2000 - 2010 và giai đoạn

2010 - 2020; (2) dữ liệu về biến động sử dụng đất được kết hợp với dữ liệu các đơn vị

Bản đồ HCT 2000 Bản đồ HCT 2010 Bản đồ HCT 2020

GIS: Arcview 3.2;

Arcgis 10.1 Thay đổi SDĐ giai đoạn

2000 - 2010, 2010 - 2020

Bản đồ các đơn vị đất Phương thức canh tác của

các HCT

GIS: Arcgis 10.1, Mapinfo 8.5

SOC cho mỗi đơn vị

Các đơn vị tính toán với giá trị SOC đầu vào, hàm lượng sét, pH, dung trọng min và max

Bản đồ SOC ở các HCT năm 2000, 2010, 2020

Ảnh hưởng thay đổi sử dụng

đất nông nghiệp đến SOC

Mô hình DNDC đã

phương thức canh tác tại 5 điểm mẫu

đất, ranh giới huyện để xác định các đơn vị tính toán Trên mỗi đơn vị tính toán giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của các thông số đất đầu vào gồm lượng SOC đầu vào, hàm lượng sét, pH đất được xác định dựa trên kết quả phân tích mẫu đất ở các phẫu diện năm 2000 Sau khi mô hình được kiểm chứng, với các dữ liệu đầu vào ở các đơn vị tính toán và dữ liệu khí hậu, SOC của mỗi năm sẽ được tính cho mỗi đơn vị tính toán trong giai đoạn 2000 - 2020 Kết quả tính cho mỗi đơn vị tính toán sẽ được liên kết trở lại trong môi trường GIS để xem xét ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp đến SOC Để hoàn thành các nhiệm vụ trên, các phương pháp sau đây đã được

sử dụng trong luận án:

2.3.2 Nhóm phương pháp liên quan đến mô hình DNDC

2.3.2.1 Phương pháp mô hình hoá

Thực chất việc áp dụng mô hình DNDC để tính toán lượng SOC là phương pháp

mô hình hóa vì các quá trình sinh địa hóa trong đất đã được mô hình hóa trong mô hình này thông qua các phương trình thực nghiệm Hai phương trình chính được sử dụng trong mô hình DNDC là phương trình nhiệt động học Nernst và Michaelis-Menten Phương trình Nernst là phương trình nhiệt động học nhằm xác định hiện trạng thế oxy hoá khử (Eh) của môi trường dựa vào nồng độ chất oxy hoá và chất khử chiếm ưu thế cùng tồn tại trong hệ thống (Pt1)

Eh = E0 + RT/nF x ln([O]/[W]) (Pt1)

Trong đó, Eh là thế oxy hoá khử (v), E0: thế oxy hoá khử chuẩn (v), R: hằng số khí, T: nhiệt độ (K), n: số electron trao đổi trong phản ứng oxy hoá khử, F: hằng số Faraday, [O]: Nồng độ chất oxy hoá (mol/l); [W]: Nồng độ chất khử (mol/l)

Phương trình Michaelis-Menten là phương trình được áp dụng rộng rãi để mô tả động học phát triển của vi khuẩn với các chất dinh dưỡng kép trong sinh học (Pt2)

R = Rmax x DOC/(Ka + DOC) x [O]/(Kb + [O]) (Pt2)

R: tốc độ phản ứng, Rmax: tốc độ phản ứng lớn nhất, DOC: Nồng độ các bon hữu

cơ hoà tan, [O]: Nồng độ chất oxy hoá (mol/l), Ka, Kb: hằng số bán bão hoà cho các chất nền DOC, chất oxy hoá

2 phương trình trên đều sử dụng nồng độ chất oxy hoá trong các công thức tính,

do đó một hệ thống động học “anaerobic balloon - quả bóng kỵ khí” đã được tạo ra

trong mô hình DNDC để tích hợp 2 phương trình trên với nhau “Anaerobic balloon”

là phần thể tích của vi vị trí kỵ khí trong đất hoặc phân bón Kích thức của balloon (quả bóng) thay đổi từ 0 đến 1 0 là điều kiện thoáng khí hoàn toàn, 1 là điều kiện kỵ khí hoàn toàn [58] Dựa vào kích thước của “anaerobic balloon”, các chất nền (như DOC, NH4+, NO3- ) sẽ được phân chia vào các phần thoáng khí (vi vị trí ngoài balloon) hay kỵ khí (vi vị trí trong balloon) Các chất nền được phân chia vào trong phần kỵ khí sẽ tham gia trong các phản ứng khử (denitrification, tạo CH4), các chất nền được phân chia vào trong phần thoáng khí sẽ tham gia trong các phản ứng oxy hoá (nitrification…) Hàm lượng chất nền trong phần thoáng khí và kỵ khí, tốc độ của các phản ứng khử, oxy hoá được tính toán dựa trên phương trình Michaelis-Menten Cùng với các phản ứng oxy hoá khử, các chất nền sẽ tham gia phản ứng dẫn đến thay đổi Eh của môi trường, được tính toán theo phương trình Nernst Do đó, quá trình tính toán theo vòng lặp “Xác định Eh - phân phối chất nền - phản ứng oxy hoá khử - tiêu tốn chất nền - Xác định lại Eh”, DNDC chỉ ra tiến trình Eh và các phản ứng oxy hoá khử với trung gian là các vi khuẩn để tạo ra CO2, N2O hoặc CH4

Để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả sử dụng phương pháp mô hình hoá, cần thiết phải tìm hiểu các dữ liệu đầu vào của mô hình và các dữ liệu có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả của mô hình Ở mô hình DNDC, dữ liệu đầu vào của mô hình gồm nhóm dữ liệu khí hậu, đất, cây trồng và phương thức canh tác Các dữ liệu khí hậu quan trọng nhất gồm dữ liệu nhiệt độ trung bình ngày, lượng mưa ngày Trong nhóm

dữ liệu đất, dữ liệu về loại sử dụng đất, thành phần cơ giới đất, dung trọng đất, pH đất, hàm lượng sét, hàm lượng SOC đầu vào, độ dốc có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả của mô hình Dữ liệu về số lần cày bừa, độ sâu cày bừa, nước tưới, số lần bón phân đạm, phân chuồng, lượng phân đạm, phân chuồng được bón, tỷ lệ C/N của phân chuồng, số lần ngập lụt, độ sâu ngập lụt là các dữ liệu rất quan trọng trong nhóm dữ liệu về phương thức canh tác, có ảnh hưởng quan trọng đến kết quả của mô hình Tỷ

lệ hạt, thân, lá, rễ, gốc cũng như tỷ lệ C/N của các hợp phần thân, lá, rễ, gốc quyết định đến nguồn C đầu vào của mô hình, đến nguồn thức ăn của vi sinh vật đất Các

dữ liệu khí hậu, đất, phương thức canh tác ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ, độ ẩm, thế oxy hoá khử của đất và biến trình của các yếu tố trong phẫu diện đất, ảnh hưởng