Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung

Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_

N GÔ ĐỨC MINH

KÍNH (CH4, N2O) TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM

Hà N ội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGÔ ĐỨC MINH

KÍNH (CH4, N2O) TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước

Mã số: 62 44 03 03

N GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải

PGS.TS Mai Văn Trịnh

Hà N ội - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết

quả nêu trong luận án là trung thực từ đề tài nghiên cứu của tôi Một số kết quả đã được tôi công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phù hợp với các quy định hiện hành Các số liệu, thông tin tham khảo,

chứng minh và so sánh từ các nguồn khác đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn theo đúng quy định Việc sử dụng các nguồn thông tin, số liệu trích dẫn này chỉ phục vụ cho mục đích nghiên cứu và học thuật

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan và các kết quả nghiên

cứu trong luận án này

Hà N ội, ngày … tháng 12 năm 2018

Nghiên c ứu sinh

Ngô Đức Minh

L ỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi luôn nhận được

sự giúp đỡ về nhiều mặt của các cấp lãnh đạo, các tập thể và cá nhân

Trước hết, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc và chân thành nhất tới PGS.TS Nguyễn

Mạnh Khải (Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội), PGS.TS Mai Văn Trịnh (Viện Môi trường Nông nghiệp), TS Reiner Wassmann (Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế - IRRI), các Thầy hướng dẫn khoa học đã hết lòng định hướng, chỉ dẫn tôi trong suốt quá trình xây dựng đề cương, triển khai nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Quốc Gia Hà Nội, Ban giám hiệu Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Phòng Đào tạo Sau đại học, các

thầy/cô giáo Khoa Môi trường, Bộ Môn Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều

kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tại Trường

Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại IRRI, GS.TS Trần Đăng Hòa

và các cán bộ/sinh viên khoa Nông học - Đại học Nông lâm Huế, lãnh đạo và nông dân các địa phương của tỉnh Quảng Nam đã nhiệt tình cộng tác, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đồng ruộng và trong phòng thí nghiệm

Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn đến lãnh đạo và đồng nghiệp tại Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, các nhà khoa học và bạn

bè đồng nghiệp tại các cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho đề tài nghiên cứu và hoàn thiện luận án

Cuối cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng con nên người; người thân hai bên gia đình và đặc biệt là vợ

và 2 con gái yêu quý đã luôn ở bên động viên và khích lệ về mọi mặt để tôi nỗ lực hoàn thành luận án này

Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ hợp phần WT4 (do IRRI

chủ trì), thuộc dự án “Quan hệ tương tác giữa biến đổi khí hậu và sử dụng đất ở

miền Trung, Việt Nam - LUCCi” được tài trợ bởi Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Cộng

hoà Liên bang Đức Tôi xin trân trọng cảm ơn./

Hà Nội, ngày… tháng 12 năm 2018

Nghiên c ứu sinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

2.2 Nội dung nghiên cứu 4

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5

3.1 Ý nghĩa khoa học 5

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 5

4 Đóng góp mới của luận án: 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 7

1.1 Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu 7

1.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam 10

1.2.1 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới 10

1.2.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp tại Việt Nam 13

1.3 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới và ở Việt Nam 16

1.3.1 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới 16

1.3.2 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa tại Việt Nam 19

1.4 Cơ chế hình thành và phát thải khí CH4 và N2O trong môi trường đất lúa ngập nước 25

1.4.1 Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH4 25

1.4.2 Cơ chế hình thành và giải phóng khí N2O 28

1.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 và N2O từ đất lúa 31

1.5.1 Biện pháp canh tác 32

1.5.5 Tính chất đất 35

1.6 Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa 43

1.6.1 Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa trên thế giới 43

1.6.2 Ứng dụng mô hình DNDC trong ước lượng phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam 45

1.7 Nhận xét chung rút ra từ tổng quan nghiên cứu 48

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 50

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 50

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 50

2.2 Phương pháp nghiên cứu: 50

2.2.1 Phương pháp thu thập thông tin và điều tra nông hộ: 50

2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 52

2.3.3 Phương pháp mô hình hoá 59

2.3.4 Hệ thống thông tin địa lý và kĩ thuật bản đồ 64

2.3.5 Phương pháp kiểm soát/hạn chế độ không chắc chắn của mô hình 67

2.3.6 Phương pháp xử lý thống kê 68

2.4 Đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu 68

2.4.1 Địa hình, địa mạo 68

2.4.2 Khí hậu và thủy văn 69

2.4.3 Tài nguyên đất 71

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 73

3.1 Đặc điểm canh tác lúa vùng nghiên cứu 73

3.1.1 Hiện trạng sản xuất lúa vùng nghiên cứu 73

3.1.2 Đặc điểm môi trường đất lúa điểm thí nghiệm 79

3.2 Kiểm định khả năng áp dụng mô hình DNDC để tính toán phát thải KNK của mô hình DNDC 86

3.2.1 Phát thải khí CH4 86

3.2.2 Phát thải khí N2O 100

3.2.3 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đối với kết quả đầu ra của mô hình 114

3.3 Ứng dụng mô hình DNDC tính toán phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 1213.3.1 Tính toán phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 1213.3.2 Bản đồ phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 1293.3.3 Bản đồ tổng lượng phát thải CH4, N2O và GWP quy mô vùng 1363.4 Đề xuất hệ số phát thải trong tính toán kiểm kê KNK và lộ trình áp dụng chế

độ tưới tiết kiệm nước cho vùng nghiên cứu 1443.4.1 Đề xuất hệ số phát thải CH4 sử dụng trong tính toán kiểm kê KNK theo phương pháp bậc 2 (Tier 2) cho vùng nghiên cứu 1443.4.2 Đề xuất lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm cho vùng nghiên cứu 146

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148

1 Kết luận 148

2 Kiến nghị 149DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 151

CO2tđ : CO2 equivalent (CO2 tương đương - CO2 tđ)

DNDC : DeNitrification-DeComposition (Mô hình sinh địa hóa)

DOC : Dissolve Organic Carbon (Các-bon hữu cơ hòa tan)

EF Efficiency Factor (Hệ số hiệu quả - trong phân tích thống kê)

EFi : Emission Factor (Hệ số phát thải khí)

FAO : Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức

Nông lương Liên Hiệp Quốc) GIS : Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý)

GWP : Global Warming Potential (Tiềm năng gây ấm toàn cầu)

SRI : System of Rice Intensification (Hệ thống canh tác lúa cải tiến) SOC/OC : Soil Organic Carbon (Các-bon hữu cơ trong đất)

Tier 1 : Phương pháp tính toán kiểm kê khí nhà kính bậc 1 (của IPCC) Tier 2 : Phương pháp tính toán kiểm kê khí nhà kính bậc 2 (của IPCC) Tier 3 : Phương pháp tính toán kiểm kê khí nhà kính bậc 3 (của IPCC)

UNFCCC : United Nations Framework Convention on Climate Change (Công

ước khung của Liên Hiệp Quốc về biến đổi khí hậu)

US EPA : United States Environmental Protection Agency (Cục Bảo vệ Môi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một số đặc trưng của các KNK chính 8

Bảng 1.2: Giá trị tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (GWP) của các KNK chính 9

Bảng 1.3: Dự tính phát thải KNK trong lĩnh vực nông nghiệp (1000 tấn CO2tđ) 15

Bảng 1.4: Phát thải KNK năm 2013 trong lĩnh vực nông nghiệp 15

Bảng 1.5: Diện tích canh tác lúa của Việt Nam năm 2013 (1000 ha) 19

Bảng 1.6: Diện tích lúa ngập nước thường xuyên và ngập gián đoạn năm 2013 20

\Bảng 1.7: Phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam năm 2013 21

Bảng 1.8: Các phản ứng khử trong các khoảng giá trị Eh 26

Bảng 1.9: Động thái các chất trong đất theo mức giảm điện thế 37

Bảng 2.1: Một số thông tin chung về 2 điểm thí nghiệm đồng ruộng 53

Bảng 2.2: Phương pháp lấy mẫu và phân tích đất trước thí nghiệm 56

Bảng 2.3: Các tính chất đất sử dụng để tính toán phát thải tối đa và tối thiểu 67

Bảng 3.1: Chuyển đổi lịch canh tác lúa ở Quảng Nam 76

Bảng 3.2: Lượng phân vô cơ bón cho lúa ở Quảng Nam (kg/ha) 76

Bảng 3.3: Mức bón phân cho lúa theo khuyến cáo (kg/ha) 77

Bảng 3.4: Các phương thức sử dụng rơm rạ ở Quảng Nam 78

Bảng 3.5: Lý do nông dân chọn giống lúa 79

Bảng 3.6: Một số tính chất đất lúa (tầng 0-20 cm) tại điểm thí nghiệm 80

Bảng 3.7: Tương quan giữa cường độ phát thải CH4 với Eh và pH đất 93

Bảng 3.8: Phân tích thống kê tương quan giữa số liệu phát thải CH4 tính toán bằng mô hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 94

Bảng 3.9: Tổng phát thải CH4 tích lũy theo vụ tại các điểm thí nghiệm 97

Bảng 3.10: Tổng phát thải CH4 theo vụ được đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng và ước lượng/tính toán bằng mô hình (kg CH4/ha/vụ) 99

Bảng 3.11: Tương quan giữa cường độ phát thải N2O với Eh và pH đất 107

Bảng 3.12: Phân tích thống kê tương quan giữa số liệu phát thải N2Otính toán bằng mô hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 108

Bảng 3.13: Tổng phát thải N2O tích lũy theo vụ tại các điểm thí nghiệm 111

Bảng 3.14: Tổng phát thải N2O theo vụ được đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng và ước lượng/tính toán bằng mô hình (kg N2O/ha/vụ) 113

Bảng 3.15: Các kịch bản đánh giá mức độ nhạy cảm của các yếu tố đầu vào mô hình áp dụng cho hệ canh tác lúa có tưới 114

Bảng 3.16: Tính chất vật lý đất (của các nhóm đất trồng lúa) đầu vào mô hình 122

Bảng 3.17: Tính chất hóa học đất (của các nhóm đất trồng lúa) đầu vào mô hình 122 Bảng 3.18 Các thông số đầu vào mô hình về sinh khối cây trồng 123

Bảng 3.19: Mức phát thải CH4 từ canh tác lúa ở các chế độ tưới khác nhau 124

Bảng 3.20: Mức phát thải N2O từ canh tác lúa ở các chế độ tưới khác nhau 125

Bảng 3.21: Mức phát thải CH4 của các nhóm đất lúa khác nhau 127

Bảng 3.22: Mức phát thải N2O của các nhóm đất lúa khác nhau 128

Bảng 3.23: Tổng lượng phát thải khí CH4 từ canh tác lúa 136

Bảng 3.24: Tổng lượng phát thải khí N2O từ canh tác lúa 139

Bảng 3.25: Tổng GWP từ canh tác lúa 142

Bảng 3.26: Hệ số phát thải CH4 từ canh tác lúa ngập nước liên tục (không bón phân hữu cơ) vùng nghiên cứu 145

Bảng 3.27: Hệ số tỷ lệ cho các chế độ tưới tiêu (SFw) áp dụng trong canh tác lúa ngập nước vùng nghiên cứu 145

Bảng 3.28: Giá trị GWP do canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN cho vùng nghiên cứu theo lộ trình thời gian 146

DA NH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Tỷ lệ % tăng/giảm phát thải CH4 và N2O từ hoạt động nông nghiệp (năm

2020 so với 1990) 11

Hình 1.2: Mức thải N2O từ hoạt động sản xuất nông nghiệp (1000-2000) 13

Hình 1.3: Xu thế phát thải/hấp thụ KNK trong các kỳ kiểm kê 14

Hình 1.4: Cơ cấu phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp năm 2013 21

Hình 1.5: Cơ chế hình thành và phát tán CH4trong đất lúa nước 27

Hình 1.6: Các quá trình chuyến hóa nitơ trong đất 29

Hình 1.7: Vòng tuần hoàn nitơ trong đất lúa nước 30

Hình 2.1: Vị trí và địa hình điểm thí nghiệm 52

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đồng ruộng tại điểm thí nghiệm 1 54

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đồng ruộng tại điểm thí nghiệm 2 54

Hình 2.4: Lịch điều tiết nước và bón phân trong thí nghiệm vụ Đông Xuân 55

Hình 2.5: Lịch điều tiết nước và bón phân trong thí nghiệm vụ Hè Thu 55

Hình 2.6: Cấu trúc của mô hình DNDC 61

Hình 2.7: Trình tự ứng dụng mô hình DNDC để tính toán phát thải KNK 64

Hình 2.8: Vị trí khu vực nghiên cứu 69

Hình 2.9: Phân bố lượng mưa các tháng trong năm 70

Hình 3.1: Phân bố đất lúa lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn 73

Hình 3.2: Biến động diện tích lúa gieo trồng hàng năm (2000-2015) 74

Hình 3.3: Động thái Eh đất thí nghiệm vụ Đông Xuân 82

Hình 3.4: Động thái Eh đất thí nghiệm vụ Hè Thu 82

Hình 3.5: Động thái pH đất thí nghiệm vụ Đông Xuân 83

Hình 3.6: Động thái pH đất thí nghiệm vụ Hè Thu 83

Hình 3.7: Động thái nhiệt độ đất thí nghiệm điểm nghiên cứu 1 85

Hình 3.8: Động thái nhiệt độ đất thí nghiệm điểm nghiên cứu 2 85

Hình 3.9 (a, b, c, d): Động thái phát thải CH4 trong vụ Đông Xuân 90

Hình 3.10 (a, b, c, d): Động thái phát thải CH4 vụ Hè Thu 91

Hình 3.11 (a, b, c, d, e, f, g, h): Tương quan giữa giá trị phát thải CH4 ước lượng/tính toán bằng mô hình và đo đạc tại điểm nghiên cứu 1 95

Hình 3.12 (a, b, c, d, e, f, g, h): Tương quan giữa giá trị phát thải CH4 ước lượng/tính toán bằng mô hình và đo đạc tại điểm nghiên cứu 2 96

Hình 3.13 (a, b, c, d): Động thái phát thải N2O vụ Đông Xuân 105

Hình 3.14 (a, b, c, d): Động thái phát thải N2O vụ Hè Thu 106

Hình 3.15 (a, b, c, d, e, f, g, h): Tương quan giữa giá trị phát thải N2O ước lượng/tính toán bằng mô hình và đo đạc tại điểm nghiên cứu 1 109

Hình 3.16 (a, b, c, d, e, f, g, h) Tương quan giữa giá trị phát thải N2O ước lượng/tính toán bằng mô hình và đo đạc tại điểm nghiên cứu 2 110

Hình 3.17: Ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến phát thải CH4 116

Hình 3.18: Ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến phát thải N2O 119

Hình 3.19: Bản đồ phát thải CH4 từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới TN 131

Hình 3.20: Bản đồ phát thải CH4 từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN 131

Hình 3.21: Bản đồ phát thải CH4 từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 2RN 132

Hình 3.22: Bản đồ phát thải CH4 từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 3RN 132

Hình 3.23: Bản đồ phát thải N2O từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới TN 134

Hình 3.24: Bản đồ phát thải N2O từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN 134

Hình 3.25: Bản đồ phát thải N2O từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 2RN 135

Hình 3.26: Bản đồ phát thải N2O từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 3RN 135

Hình 3.27: Bản đồ tổng phát thải CH4 (theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới TN 137

Hình 3.28: Bản đồ tổng phát thải CH4 (theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN 137

Hình 3.29: Bản đồ tổng phát thải N2O(theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng dưới chế độ tưới TN 140

Hình 3.30: Bản đồ tổng phát thải N2O(theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN 140

Hình 3.31: Bản đồ tổng GWP (theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới TN 143

Hình 3.32: Bản đồ tổng GWP (theo huyện) từ canh tác lúa áp dụng chế độ tưới 1RN 143

Hình 3.33 (a1, a2, a3, b1, b2, b3): Biểu đồ lộ trình đề xuất áp dụng chế độ tưới tiết kiệm 1RN cho vùng nghiên cứu 147

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Việt Nam hiện là một trong những nước sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu

thế giới [IRRI, 2015] với diện tích canh tác lúa hàng năm đạt trên 7,7 triệu ha [Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2017] Lúa là cây lương thực chính của Việt Nam, hàng năm tạo ra khoảng 44 triệu tấn lúa, tương đương khoảng 70% tổng sản lượng lương

thực [Tổng cục Thống kê, 2017; Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2017] Tuy nhiên, canh tác lúa được xem là nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) lớn nhất trong ngành sản

xuất nông nghiệp ở Việt Nam với lượng phát thải ước tính là 37,4 triệu tấn CO2tương đương (CO2tđ), chiếm 58% tổng lượng KNK từ nông nghiệp và 26,1% tổng lượng KNK quốc gia [Bộ TNMT, 2014] Bên cạnh nhận thức vai trò quan trọng của

sản xuất lúa gạo đối với an ninh lương thực và nền kinh tế quốc dân, các vấn đề về môi trường liên quan đến việc phát thải KNK từ canh tác lúa đã và đang được Chính phủ Việt Nam quan tâm và hiện trở thành một phần quan trọng của Chương trình Mục tiêu Quốc gia Ứng phó với Biến đổi khí hậu Trên 85% diện tích đất lúa hàng năm ở Việt Nam là đất lúa nướcáp dụng chế độ tưới ngập thường kì, là điều

kiện thuận lợi cho phát thải CH4 [IAE, 2011] Việt Nam đã đặt mục tiêu giảm 20% lượng khí thải mê tan (CH4) và nitơ ôxít (N2O) từ hoạt động canh tác lúa đến năm

2020 [Bộ Nông nghiệp & PTNT, 2013]

Hiện nay, phát thải KNK trong sản xuất nói chung và trong nông nghiệp nói riêng đã trở thành vấn đề toàn cầu Lúa nước hiện là một trong những cây lương

thực chính của thế giới nhưng phát thải CH4 và N2O từ canh tác lúa nước đang góp

phần đáng kể vào quá trình ấm lên toàn cầu [Bronson và nnk, 1997] Do vậy, việc xác định mức độ phát thải trong mỗi điều kiện canh tác đặc thù, từ đó thay đổi chế

độ canh tác (tưới, bón phân, sử dụng rơm rạ) phù hợp nhằm duy trì năng suất lúa đồng thời đảm bảo giảm thiểu mức thải phát thải KNK [Zhang và nnk, 2011] hiện đang được quan tâm nghiên cứu Nhiều trung tâm, tổ chức khoa học trên thế giới đang tiến hành các nghiên cứu về vấn đề này trên quy mô và phương thức khác nhau Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI), Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (UN-FAO), Liên minh toàn cầu nghiên cứu giảm phát thải KNK trong nông nghiệp (GRA) cũng đã thành lập một nhóm chuyên gia (Paddy Rice Research Group) tập trung nghiên cứu về vấn đề này

Khí CH4 là sản phẩm của quá trình phân huỷ kị khí chất hữu cơ bởi vi khuẩn sinh mê-tan Thông thường, môi trường có ôxy đầy đủ, hầu hết các C trong chất hữu

cơ sẽ bị phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 Tuy nhiên, trong trường hợp không có hoặc thiếu ôxy, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ không được thực hiện triệt để và C được giải phóng dưới dạng CH4 Trong khi đó, Khí N2O phát thải từ môi trường đất lúa là sản phẩm trung gian và được hình thành từ quá trình nitrat hóa (quá trình ôxy hóa sinh học NH4+ thành NO2- và NO3- trong điều kiện háo khí) và quá trình phản nitrat hóa (là quá trình khử NO3- hoặc NO2- thành khí N2 trong điều

kiện yếm khí) và đều được tiến hành bởi các nhóm vi khuẩn trong đất Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa xảy ra gần như song song nhau trong đất lúa Tầng đất

có ôxy, nơi xảy ra quá trình nitrat hóa, rất mỏng và NO3- nhanh chóng bị phân tán vào tầng đất yếm khí bên dưới, nơi mà sự khử nitrat xảy ra, biến đổi NO3- thành N2

và N2O trên thực tế lượng khí CH4 và N2O được tạo ra ở trong đất có thể lớn hơn nhiều so với lượng phát thải thực tế vào khí quyển do có thể bị giữ lại trong đất và

tiếp tục chuyển thành các khí khác Vì vậy, việc lượng hóa chính xác phát thải khí

CH4 và N2O từ canh tác lúa khá phức tạp do biến động về điều kiện và phương thức canh tác (bón phân, chế độ tưới…), do sự khác nhau về đặc điểm sinh trưởng trong các giai đoạn khác nhau của cây lúa

Trong khi việc quan trắc, đo đạc phát thải KNK trên đồng ruộng rất tốn kém, thì áp dụng mô hình trong định lượng mức phát thài KNK là giải pháp khả thi đáp ứng cả yêu cầu về kĩ thuật và kinh tế Mô hình DeNitrification-DeComposition (DNDC), một dạng mô hình sinh địa hóa, là công cụ đang được ứng dụng khá nhiều trong tính toán phát thải KNK từ các hệ sinh thái nông nghiệp Hầu hết các kết quả cho thấy, mô hình DNDC phù hợp cho nghiên cứu sự phát thải KNK từ các hệ sinh thái nông nghiệp trong đó có lúa nước, mặc dù còn tồn tại sự khác biệt trong một số trường hợp nghiên cứu Cho đến nay, việc áp dụng mô hình DNDC để ước lượng phát thải CH4, N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp đã dần được quan tâm tại Việt Nam William Salas (2013) đưa ra đề xuất ý tưởng tích hợp mô hình DNDC trong

hệ thống giám sát KNK phát thải từ các vùng canh tác lúa của Việt Nam Viện Môi trường Nông nghiệp cũng áp dụng DNDC trong tính toán, dự báo lượng phát thải KNK trong một số hoạt động kiểm kê KNK gần đây… Tuy nhiên, do thiếu dữ

liệu/thông số thực tế để kiểm định và hiệu chỉnh mô hình cho phù hợp với từng đối tượng cây trồng và đặc điểm của vùng cụ thể ở Việt Nam, nên phần lớn các nghiên

cứu trên vẫn phải sử dụng các thông số mặc định hay dữ liệu tham khảo để chạy mô hình DNDC

Hiện nay, Việt Nam đã có khá nhiều nghiên cứu về phát thải KNK (đặc biệt

là các nghiên cứu trên đồng ruộng) nhưng tập trung chủ yếu tại đồng bằng sông

Hồng và đồng bằng sông Cửu Long, hai vùng canh tác lúa chính chiếm trên 70%

tổng diện tích lúa của Việt Nam Các kết quả đã chỉ ra mức độ phát thải và phân bố không gian của các khu vực phát thải CH4, N2O từ các vùng lúa của hai vựa lúa này Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải CH4, N2O tại các vùng trồng lúa nhỏ hơn (như lưu vực sông VG-TB, một trong những lưu vực sông lớn nhất và vùng lúa

trọng điểm ở khu vực Nam Trung Bộ), với các đặc điểm rất khác về điều kiện khí

hậu, đất đai, tập quán canh tác… hầu chưa được tiến hành Bên cạnh đó, mặc dù kỹ thuật, quy trình đo và quan trắc KNK quy mô điểm trong canh tác lúa gần đây đã được cải thiện đáng kể, nhưng những dự báo phát thải KNK trong canh tác lúa quy

mô vùng sinh thái hay toàn quốc vẫn còn khá nhiều hạn chế do thiếu phương pháp/công cụ tính toán đủ tin cậy và toàn diện

Xuất phát từ những vấn đề lý luận trên cùng với yêu cầu cấp bách về việc lựa

chọn, hoàn thiện phương pháp tính toán đủ tin cậy, nhanh chóng, ít chi phí để phục

vụ cho nghiên cứu động thái phát thải KNK trong đất lúa ở quy mô điểm, tính toán

mức phát thải và phân bố không gian phát thải KNK từ canh tác lúa ở quy mô vùng, đồng thời đưa ra được lựa chọn biện pháp canh tác tối ưu để sản xuất lúa ổn định về năng suất, bền vững về môi trường (giảm phát thải khí nhà kính), nghiên cứu sinh

tiến hành đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính (CH 4 , N 2 O) trong môi trường đất lúa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam”

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này được thực hiện với các mục tiêu sau:

- Đánh giá hiện trạng, đặc điểm về canh tác lúa tại các vùng trồng lúa chính ở lưu vực sông VG-TB và xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình DNDC

- Xác định động thái phát thải CH4 và N2O từ môi trường đất lúa nước trong

mối quan hệ với biện pháp canh tác (chế độ tưới, sử dụng phân bón), yếu tố mùa vụ, giai đoạn sinh trưởng của lúa và một số tính chất đất cơ bản (pH, Eh, nhiệt độ đất)

- Kiểm định khả năng ước lượng/tính toán phát thải CH4, N2O của mô hình DNDC và xác định mức tác động/nhạy cảm của một số biện pháp canh tác, tính chất đất, yếu tố khí tượng đến kết quả ước lượng phát thải CH4, N2O bằng mô hình

- Xác định phát thải CH4 và N2O quy mô vùng bằng mô hình DNDC đã kiểm định và lập bản đồ phát thải CH4, N2O, bản đồ tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP) vùng nghiên cứu (tập trung vào sự thay đổi chế độ tưới)

- Đề xuất hệ số phát thải (Emission factor) của CH4 từ canh tác lúa, hệ số tỷ lệ (Scaling factor) của các chế độ tưới và đề xuất lộ trình thời gian áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) cho toàn vùng nghiên cứu để vừa giảm phát thải KNK, vừa duy trì được năng suất lúa

2.2 Nội dung nghiên cứu

Căn cứ vào mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nghiên cứu sinh tiến hành các các nội dung nghiên cứu sau:

- Rà soát, điều tra và thu thập các tài liệu, số liệu, dữ liệu về phương thức canh tác tại các vùng lúa chính của tỉnh Quảng Nam, số liệu khí tượng, đất đai… và xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào (của mô hình DNDC) để tính toán phát thải CH4,

N2O từ canh tác lúa cho toàn lưu vực sông VG-TB

- Xây dựng thí nghiệm đồng ruộng để đánh giá ảnh hưởng của biện pháp canh tác (chế độ tưới, sử dụng phân bón), thời vụ, tính chất đất (pH, Eh, nhiệt độ đất), đến động thái phát thải CH4, N2O từ môi trường đất lúa điển hình tại lưu vực sông VG-TB

- Tiến hành kiểm định mô hình DNDC thông qua đánh giá tương quan thống

kê giữa số liệu phát thải CH4, N2O quan trắc/đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng với

số liệu tính toán/ước lượng bởi mô hình Đồng thời, thực hiện kiểm tra độ nhạy (sensitive test) mô hình đối với các nhóm yếu tố đầu vào chính (biện pháp canh tác, tính chất đất, số liệu khí tượng) nhằm xác định những yếu tố có tác động/ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả phát thải CH4, N2O

- Sử dụng mô hình DNDC đã kiểm định để tính toán/ước lượng phát thải

CH4, N2O trên quy mô vùng và lập bản đồ phát thải CH4, N2O và tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP) (tập trung vào các kịch bản thay đổi chế độ tưới) cho toàn lưu vực sông VG-TB;

- Đề xuất hệ số phát thải CH4, hệ số tỷ lệ của các chế độ tưới trong canh tác lúa ở lưu vực sông VG-TB; đồng thời đề xuất lộ trình thời gian áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ, hướng tới canh tác lúa phát thải thấp ở vùng nghiên cứu

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

3.1 Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu cung cấp dữ liệu phát thải quan trắc từ thí nghiệm đồng ruộng

có độ tin cậy cao phục vụ cho việc hiệu chỉnh, kiểm định độ chính xác của mô hình DNDC (Phần mềm kiểm kê KNK từ canh tác lúa) Từ đó, sử dụng mô hình đã kiểm định để tính toán mức phát thải KNK và tiềm năng giảm phát thải của các biện pháp canh tác cải tiến (trong đó có tưới nước tiết kiệm) cho những vùng có điều kiện tương tự như lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn (VG-TB)

- Nghiên cứu cung cấp thêm các cơ sở khoa học và dữ liệu tham khảo cho các nghiên cứu giảm phát thải KNK trong nông nghiệp ở Việt Nam

- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và đề xuất biện pháp canh tác phù hợp cho sản xuất lúa bền vững, phát thải các-bon thấp (vừa đảm

bảo được năng suất, vừa giảm phát thải KNK) tại lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Những kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ là dữ liệu cơ sở có giá trị trong công tác kiểm kê KNK từ sản xuất nông nghiệp nói chung và sản xuất lúa nói riêng của toàn vùng và các khu vực có điều kiện tương tự ở Việt Nam

- Các kết quả nghiên cứu còn có thể được sử dụng trong lập kế hoạch quản

lý, sử dụng đất nông nghiệp với trọng tâm là các lồng ghép các chiến lược thích ứng

và giảm nhẹ biến đổi khí hậu (BĐKH) vào trong các dự án, chương trình phát triển

sản xuất nông nghiệp ở khu vực ven biển miền Trung Việt Nam

4 Đóng góp mới của luận án:

- Nghiên cứu đầu tiên ở lưu vực sông VG-TB kết hợp 3 thành phần trong

một nghiên cứu điển hình: (i) dữ liệu thực địa về lượng phát thải KNK theo các cách quản lý khác nhau (quản lý nước, sử dụng phân bón) ở địa điểm nghiên cứu; (ii) dữ liệu về phương thức canh tác được thu thập từ nông dân địa phương và đặc trưng về khí hậu, đất đai… (iii) các kết quả định lượng về phát thải KNK được tính

toán bằng mô hình DNDC đã được kiểm định và hiệu chỉnh phù hợp các điều kiện

thực tế (tập quán canh tác, đất đai, khí hậu…) của địa phương

- Sử dụng dữ liệu không gian và kỹ thuật GIS để tích hợp kết quả tính toán từ

mô hình DNDC vào bản đồ để mô tả phân bố không gian mức độ phát thải CH4,

N2O và tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP) dưới các chế độ tưới khác nhau, từ đó

thấy rõ tiềm năng giảm phát thải CH4, N2O của các biện pháp quản lý tưới trong canh tác lúa nước tại vùng nghiên cứu

- Đề xuất hệ số phát thải mê tan (EFi) và hệ số tỷ lệ đối với các chế độ tưới (SFw) (sử dụng để tính toán kiểm kê KNK theo Tier 2 của IPCC) và đề xuất lộ trình

áp dụng tưới tiết kiệm cho khu vực nghiên cứu, từ góp phần hoàn thiện bộ cơ sở dữ

liệu quốc gia về phát thải KNK trong nông nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu

Biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu đang trở thành một vấn đề “thời sự” trong khoa học và chính trị hiện nay Có rất nhiều tranh luận về nguyên nhân gây ra BĐKH là do hoạt động của con người hay vận động của tự nhiên Tuy nhiên, qua các quan trắc và nghiên cứu lâu dài trên phạm vi toàn cầu, các kết quả đã chứng minh rằng: sự thay đổi khí hậu đương đại (ví dụ như tăng nhiệt độ) chủ yếu là do sự phát thải các khí nhà kính (KNK) từ các hoạt động của con người, bao gồm: gồm hơi nước (H2O), cácbon điôxít (CO2), mê-tan (CH4), ôxit-nitơ (N2O), ôzôn(O3), các khí chlorofluorocacbon (CFC)… [IPCC, 2007] Đây là những khí có khả năng hấp

thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt trái đất khi được mặt

trời chiếu sáng Các KNK trong khí quyển cho phép bức xạ sóng ngắn (< 0,7µm)

từ mặt trời đi qua, nhưng hấp thụ bức xạ song dài (≥ 0,7µm) đi từ bề mặt trái đất

Nhiệt độ trung bình toàn cầu được xác định bởi sự cân bằng giữa năng lượng

từ mặt trời và năng lượng nhiệt từ mặt đất Hiện tượng các tia bức xạ sóng ngắn của

mặt trời xuyên qua bầu khí quyển đến mặt đất, được phản xạ trở lại thành các bức

xạ nhiệt sóng dài, tiếp đó được các KNK trong bầu khí quyển hấp thụ và phân tán nhiệt trở lại trái đất và làm nóng bầu khí quyển, được gọi là “hiệu ứng nhà kính tự nhiên” [IPCC, 2007] Hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ bề

mặt trái đất và thay đổi hình thái khí hậu [IPCC, 2007] Các nghiên cứu đã chứng minh rằng sự gia tăng nồng độ CH4 và N2O trong khí quyển do các hoạt động của con người có liên quan đến sự thay đổi khí hậu toàn cầu Môi trường đất được coi là

một nguồn lưu giữ KNK trong hầu hết các hệ sinh thái trên cạn Theo tính toán của IPCC năm 2007, mức đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của CO2 khoảng 36-70% (trung bình 60%), CH4 khoảng 9-26% (trung bình 15%), N2O khoảng 3-7% (trung bình 5%), O3 khoảng 4 - 9% (trung bình 6%) [Barker và nnk, 2007; IPCC, 2007] Khí CH4 và N2O liên quan đến sự suy giảm lớp ôzôn (O3) ở tầng bình lưu của bầu khí quyển [IPCC, 1996]

Tác động của hiệu ứng nhà kính đã làm tăng nhiệt độ toàn cầu trung bình trong khoảng 0,3-0,6°C trong thế kỷ trước và dự đoán sẽ tăng từ 1,1°C đến 6,4°C vào năm 2100 trong đó nhiệt độ ở vùng có vĩ độ trung và cao tăng lên càng nhiều [IPCC, 2007] Các nhà khoa học dự đoán rằng: nếu nồng độ CO2 tiếp tục tăng lên

thì sau 100 năm nữa hoặc trong thời gian ngắn hơn, mức độ hiệu ứng nhà kính

giống như kỷ Jura sẽ tái xuất hiện Lúc đó băng ở hai cực của trái đất sẽ tan ra, đất

liền sẽ bị thu hẹp, nhiệt độ tăng cao và một lượng lớn sinh vật sẽ bị huỷ diệt Vùng

Bắc cực nóng lên nhanh gấp 2 lần mức nóng trung bình trên toàn cầu Diện tích của

Biển Bắc cực được bao phủ bởi băng trong mỗi mùa hè đang thu nhỏ lại Tính từ năm 1980, vùng Bắc Âu đã mất khoảng 20-30% lượng băng trên biển Trong vòng

100 năm qua, mực nước biển trên phạm vi toàn cầu đã tăng từ 1-2 mm mỗi năm

Nếu tính từ năm 1993, mực nước biển tăng khoảng 3,1 mm/năm Mực nước biển tăng, cư dân sống ở các đảo thấp và các thành phố ven biển đối mặt với tình trạng

ngập lụt [Church và White, 2011]

Nồng độ KNK tương đối ổn định trong khoảng một nghìn năm trước cuộc cách mạng công nghiệp và sau đó đã tăng lên đáng kể: nồng độ CO2 trong khí quyển tăng gần 30%, nồng độ CH4 tăng hơn 200%, và nồng độ N2O đã tăng khoảng 15% [IPCC, 2001] Nồng độ CO2 trong khí quyển tăng từ giá trị tiền công nghiệp khoảng 280 ppm đến 379 ppm, CH4 từ 0,715 ppm lên 1,775ppm và N2O từ 0,270 ppmlên 0.319 ppm trong năm 2005 [IPCC, 2007]

[Nguồn: IPCC, 2007] Các KNK khác nhau về khả năng hấp thụ nhiệt trong khí quyển Tác động

của phát thải KNK lên khí quyển không chỉ liên quan đến tính chất bức xạ, mà còn liên quan đến thời gian chất khí tồn tại trong khí quyển, yếu tố chính trong việc xác định hiệu ứng gây nóng bầu khí quyển Ví dụ, khí CO2 có thể tồn tại trong khí quyển khoảng 120 năm và tiếp tục đóng góp vào quá trình bức xạ nhiệt (với tác động giảm dần) trong nhiều thập kỷ; một số khí CFCs có thời gian tồn tại rất dài và

có thể góp phần làm nóng trái đất trong nhiều thế kỷ [IPCC, 2001]

Tiềm năng gây ấm toàn cầu (Global Warming Potential – GWP) của một

chất KNK nào đó được định nghĩa là tỉ số đo khả năng bẫy nhiệt của một đơn vị

khối lượng của chất khí đó với một đơn vị khối lượng khí CO2 trong cùng một thời gian (năm) so sánh (ngắn có thể là 20 năm, thông thường là 100 năm hoặc dài hơn đến 500 năm) Nói cách khác, GWP là một chỉ số được sử dụng để ước lượng các tác động tiềm tàng trong tương lai của các loại KNK khác nhau đối với khí hậu toàn

cầu theo nghĩa tương đối (IPCC, 2001) Ví dụ: Tính trên một đơn vị khối lượng cơ

sở của chất khí và trong một khoảng thời gian 100 năm, GWP (hay khả năng giữ nhiệt trong khí quyển) của CH4 cao gấp 25 lần so với CO2 và GWP của N2O cao

gấp 298 lần so với CO2 [IPCC, 2007]

B ảng 1.2: Giá trị tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (GWP) của các KNK chính

[Nguồn: Báo cáo thường niên lần 4, IPCC, 2007]

Nếu như sự gia tăng nồng độ khí CO2 trong khí quyển chủ yếu do sử dụng nhiên liệu hoá thạch và thay đổi sử dụng đất, thì CH4 và N2O phát thải chủ yếu từ

hoạt động nông nghiệp [IPCC, 2007]

Khí CH4 hình thành từ sự phân hủy yếm khí các chất hữu cơ, các xác bã thực

vật và động vật ở đất ngập nước và ruộng lúa, sự lên men đường ruột trong dạ dày

của các loài đại gia súc móng guốc [Maunder, 1992] Các hoạt động sinh nhiều khí

CH4 gồm canh tác lúa nước, chăn nuôi, chôn lấp rác thải và sự phân hủy tự nhiên

của tàn dư thực vật trong hệ sinh thái đầm lầy Khí CH4 còn bị rò rỉ từ trong lòng địa quyển ra khí quyển qua các hoạt động khai khoáng hoặc chế biến khoáng sản (than đá, dầu khí…) Đất lúa ngập nước là một trong những nguồn phát thải CH4 đáng kể do môi trường kị khí trong đất ngập nước là điều kiện lý tưởng cho quá trình sản sinh và phát thải khí CH4 (methanogenesis) [Corton và nnk, 2000] Theo

Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA, 2016), hoạt động của con người đóng

góp khoảng 50% lượng CH4 trong khí quyển, còn lại là từ sự rò rỉ ở các lớp thổ nhưỡng và đại dương Tổng lượng khí CH4 phát thải hàng năm trên toàn cầu ước tính khoảng 30 – 60 tỉ tấn hằng năm, tương đương khoảng 750 – 1.250 tỉ tấn CO2tđ [Soyez và Graßl, 2008], trong đó khoảng 60% liên quan đến hoạt động của con người như nông nghiệp, sử dụng nhiên liệu hoá thạch và xử lý chất thải Khí CH4được xem là khí gây hiệu ứng nhà kính quan trọng thứ hai Từ năm 1750 đến năm

1998, nồng độ khí CH4 tăng khoảng 150%, lên mức 1745 ppb [IPCC, 2001] Theo quan sát của Dlugokencky và nnk (2003), từ năm 1985 đến năm 2000 nồng độ khí

CH4 trong không khí gia tăng liên tục nhưng trong khoảng vài năm sau đó, sự gia tăng này dường như diễn ra chậm lại Theo báo cáo của NOAA (2008), nồng độ

CH4 trong khí quyển đã đạt đến mức 1.800 ppm vào năm 2008

Khí N2O sản sinh từ nguồn gốc tự nhiên và từ nhân tạo (hoạt động nông nghiệp và công nghiệp) Nguồn thải N2O chủ yếu hiện nay từ sử dụng phân bón hóa

học trong nông nghiệp, do đốt các nhiên liệu hóa thạch, phân giải các hợp chất hữu

cơ, sản xuất các chất nylon, đốt sinh khối, phá rừng [Li và nnk, 2000]… Theo kết

quả công bố bản Báo cáo Đánh giá thứ hai của IPCC [1996] về Tiềm năng gây nóng toàn cầu (GWP), khí N2O có khả năng giữ nhiệt trong khí quyển gấp 298 lần so với khí CO2 trong thời gian 100 năm Khí N2O có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại nhưng lại kém hoạt động (khí trơ) trong tầng bình lưu Trong tầng đối lưu N2O bị phá huỷ bởi các nguyên tử ôxy (O) hình thành NO Chất khí này sẽ phản ứng với O3

dẫn đến làm phá huỷ tầng ôzôn (O3) trong khí quyển Vì thời gian tồn tại của N2O trong khí quyển vào khoảng hơn 100 năm nên có ảnh hưởng lâu dài đối với nhiệt độ trái đất Khí N2O là loại khí tham gia khoảng 6-8% thành phần gây hiệu ứng nhà kính Nồng độ N2O trong khí quyển năm 2005 là 0,319 ppm, tăng gần 1,2 lần so với

thời kỳ tiền công nghiệp (Bảng 1.1) Hàng năm, tổng lượng N2O được thải vào bầu khí quyển khoảng 17,7 Gg N [Mosier và nnk, 1998]

1.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới

Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng đối với của hầu hết các quốc gia trên

thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển Hơn 60% dân số thế giới sống ở nông thôn và các sản phẩm nông nghiệp giúp duy trì an ninh lương thực Tuy nhiên, các

hoạt động nông nghiệp cũng ảnh hưởng đến môi trường toàn cầu thông qua các tác

động đến khí quyển, môi trường đất, nước và các hệ sinh thái tự nhiên Liên quan đến sự ấm lên toàn cầu, nhiều nghiên cứu gần đây đã khẳng định rằng nông nghiệp chính là một trong những nguồn phát thải KNK chính và là bể chứa các-bon

Theo IPCC, 3 loại KNK được quan tâm nhất trong nông nghiệp là CO2(45%), CH4 (44%) và N2O (11%); trong đó 57,5% phát thải từ canh tác lúa nước; 21,8% phát thải từ đất; 17,2% phát thải từ chăn nuôi; 3,5% từ đốt phụ phẩm nông nghiệp, đốt đồng cỏ… Trong trồng trọt, lượng phát thải KNK trung bình từ canh tác lúa là 20 tấn CO2tđ/ha, từ mía là 28 tấn CO2tđ/ha, từ đậu tương là 17 tấn CO2tđ/ha,

từ sắn là 12 tấn CO2tđ/ha, từ lạc là 10 tấn CO2tđ/ha, từ ngô là 7 tấn CO2tđ/ha… [dẫn

bởi Nguyễn Văn Bộ và nnk, 2016] Theo tính toán của US-EPA (2016), đến năm

2020, lượng phát thải khí CH4 và N2O từ nông nghiệp sẽ tăng từ 10-40% so với năm

1990, chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển (Hình 1.1)

Hình 1.1: T ỷ lệ % tăng/giảm phát thải CH4 và N 2 O t ừ hoạt động nông nghiệp

(năm 2020 so với 1990)

[Nguồn: US-EPA, 2016]

Nông nghiệp không phải là nguồn phát thải CO2 chủ yếu, nhưng lại là nguồn phát thải khí CH4 và khí N2O chính [Watson và nnk, 1996] Ước tính 30% CH4 và 90% N2O trong khí quyển có nguồn gốc từ hoạt động sản xuất nông nghiệp [Bouwman, 1998] Theo thống kê của IPCC, nông nghiệp đóng góp 84% tổng

lượng N2O phát thải và 47% tổng lượng CH4 phát thải vào khí quyển hàng năm [IPCC, 2007] Theo ước tính của Tổ chức nông lương của Liên Hiệp Quốc (FAO) , khoảng 25% CO2 trong khí quyển được tạo ra từ các hoạt động nông nghiệp; hầu

hết khí CH4 trong khí quyển là từ các động vật nhai lại, cháy rừng, canh tác lúa nước và sự phân hủy các sản phẩm phế thải; 70% khí N2O phát thải từ canh tác nông nghiệp truyền thống và sử dụng phân bón trong nông nghiệp [IFA và FAO, 2001] Một nghiên cứu của Mosier và nnk (1991, 1998) cho thấy khí N2O thải ra từ chăn nuôi và trồng trọt chiếm xấp xỉ 70% nguồn N2O nhân tạo toàn cầu hàng năm

và sẽ tăng lên trong tương lai khi phân bón nitơ sử dụng ngày càng nhiều nhằm tăng năng suất cây trồng, đáp ứng nhu cầu nuôi sống con người Theo số liệu của Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI), hàng năm riêng sản xuất lúa sử dụng gần 20% tổng lượng phân bón nitơ toàn cầu, từ đó phát thải lượng N2O đáng kể vào khí quyển [Wassmann và Dobermann, 2006] Smith và nnk (2007) ước tính nông nghiệp thải

ra khoảng 60% lượng N2O và khoảng 50% lượng CH4 nhân tạo Theo Denman và nnk (2007), đất nông nghiệp được coi là nguồn phát thải N2O chính vào khí quyển, đóng góp 67% lượng khí thải do con người tạo ra Căn cứ vào dự báo nhu cầu tiêu

thụ phân khoáng nitơ và diện tích đất canh tác, Hiệp hội phân bón quốc tế (IFA) và

Tổ chức Nông lương Liên Hiệp Quốc (FAO) ước tính lượng phát thải N2O từ sản

xuất nông nghiệp có thể tăng tới 90% trong giai đoạn từ 1996-2026 [IFA và FAO, 2001]

Trong phương pháp kiểm kê KNK, IPCC phân chia hình thức phát thải N2O

từ nông nghiệp thành 2 dạng: phát thải trực tiếp và gián tiếp Phát thải N2O trực tiếp

là phát thải có nguồn gốc từ phân bón N vô cơ và phân hữu cơ, được dự báo là sẽ tăng do nhu cầu sử dụng phân bón tăng lên Phát thải N2O gián tiếp bao gồm 3

phần: từ quá trình tổng hợp N từ khí quyển, chất thải/phân của vật nuôi và con người, và N bị mất do rửa trôi, xói mòn Dạng N2O phát thải gián tiếp chiếm 1/3

tổng lượng N2O phát thải từ nông nghiệp, trong đó 75% đến từ các vùng đồng bằng, nơi NO3- bị thất thoát do rửa trôi và NH4+ bị nitrat hóa chuyển thành N2O và N2(Zaman và nnk, 2012.)

Khoảng 45% khí thải CH4 có nguồn gốc từ các hoạt động nông nghiệp, trong khi 90% khí thải N2O bắt nguồn từ quá trình nitrat hóa và phản nitrat trong đất, một

phần là do việc sử dụng phân bón vô cơ ngày càng tăng lên [Steven, 1998] Theo báo cáo mới nhất của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), hoạt động của con người

(chăn nuôi, canh tác lúa, sử dụng nhiên liệu hóa thạch, đốt phế phụ phẩm nông nghiệp, chôn lấp rác thải) tạo ra 60% tổng lượng CH4 phát thải toàn cầu Mê-tan phát thải từ hoạt động trồng lúa, phân hủy chất thải động vật và đốt sinh khối đóng góp 8-10% tổng lượng CO2tđ và N2O từ trồng trọt (đốt nhiên liệu hóa thạch, nhiên

liệu sinh học và bón phân) đóng góp 3-5% tổng lượng CO2tđ Thêm vào đó, khoảng 30% lượng khí CO2 trong khí quyển tăng hàng năm là do sự mất cácbon trong đất liên quan đến phá rừng, làm đất canh tác và các mục đích khác [WMO, 2016]

Hình 1.2: M ức thải N2 O t ừ hoạt động sản xuất nông nghiệp (1000-2000)

[Nguồn: WMO, 2016]

Giám sát sự phát thải KNK từ hoạt động của nông nghiệp là một trong những chiến lược quan trọng giúp các nhà hoạch định chính sách kiểm soát và đáp ứng các nghĩa

vụ quốc tế trong cắt giảm phát thải KNK trên quy mô toàn cầu

1.2.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp tại Việt Nam

Trong giai đoạn từ năm 1994 đến 2013, tổng lượng phát thải KNK ở Việt Nam (bao gồm cả lĩnh vực sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp - LULUCF) tăng hơn hai lần, từ 103,8 triệu tấn CO2tđ lên 259,0 triệu tấn CO2tđ Phát

thải trong lĩnh vực năng lượng tăng nhanh nhất (gấp gần sáu lần từ 25,6 triệu tấn

CO2tđ lên 151,4 triệu tấn CO2tđ) do nhu cầu năng lượng tăng nhanh chóng Xu thế

phát thải/hấp thụ KNK qua các kỳ kiểm kê được thể hiện tại Hình 1.3 [Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2017]

Hình 1.3: Xu th ế phát thải/hấp thụ KNK trong các kỳ kiểm kê

[Nguồn: Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2017]

Theo kết quả kiểm kê KNK năm 1994, lượng KNK phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 52,45 triệu tấn CO2tđ, chiếm 50,50% tổng lượng KNK phát thải của

cả nước; trong lĩnh vực lâm nghiệp & thay đổi sử dụng đất là 19,38 triệu tấn CO2tđ, chiếm 18,70% tổng lượng KNK phát thải của cả nước Đến năm 2005, lượng KNK phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 80,58 triệu tấn CO2tđ, chiếm 49,37% tổng lượng KNK phát thải của cả nước (trong đó, phát thải từ trồng lúa chiếm 44,49%; từ đất nông nghiệp 32,22%; từ lên men tiêu hóa của động vật nhai lại là 11,54%, còn

lại là từ quản lý phân bón, đốt phụ phẩm nông nghiệp và đốt đồng cỏ); trong lĩnh

vực lâm nghiệp, thay đổi sử dụng đất hấp thụ 36,67 triệu tấn CO2tđ Năm 2010,

tổng lượng phát thải khí nhà kính ở Việt Nam là 246,8 triệu tấn CO2tđ (bao gồm cả

sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp - LULUCF) hoặc 266 triệu tấn

CO2tđ (không bao gồm LULUCF), trong đó phát thải KNK từ ngành nông nghiệp chiếm 36,7% tổng lượng phát thải KNK quốc gia, là nguồn phát thải KNK lớn thứ 2

ở Việt Nam (87,7 triệu tấn CO2tđ) Đến năm 2013, lượng KNK phát thải trong lĩnh

vực nông nghiệp là 89,7 triệu tấn CO2tđ, tương đương 34,6% tổng lượng KNK phát thải quốc gia; Lĩnh vực LULUCF đã chuyển từ phát thải sang hấp thụ KNK vào

năm 2010 và tiếp tục tăng hấp thụ lên 34,2 triệu tấn CO2tđ vào năm 2013 do thực

hiện tốt các hoạt động trồng và bảo vệ rừng [Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

B ảng 1.3: Dự tính phát thải KNK trong lĩnh vực nông nghiệp (1000 tấn CO2tđ)

dự kiến sẽ giảm từ 50,5% năm 2010 (44,6 triệu tấn CO2tđ) xuống còn 39,1% năm

2020 (39,4 triệu tấn CO2tđ) và 36,5% vào năm 2030 (39,9 triệu tấn CO2tđ) Đốt cháy phế phụ phẩm nông nghiệp có thể sẽ gia tăng lượng KNK phát thải nhưng tỷ lệ đóng góp vào tổng phát thải quốc gia không lớn, dao động từ 2,1-2,4% (Bảng 1.3)

B ảng 1.4: Phát thải KNK năm 2013 trong lĩnh vực nông nghiệp

(1000 tấn CO2tđ)

Tổng lượng KNK phát thải trong năm 2010 từ nông nghiệp là 88,35 triệu tấn CO2tđ, trong đó canh tác trồng lúa đóng góp 44,6 triệu tấn CO2tđ (chiếm 50,49%); còn lại 10,72% tổng lượng KNK phát thải từ quá trình lên men của động vật nhai lại trong chăn nuôi:, 9,69% từ phân chuồng, 26,95% từ đất nông nghiệp và 2,15% từ phế phụ

phẩm nông nghiệp Tổng lượng phát thải KNK từ lĩnh vực nông nghiệp trong năm

2013 là 96,47 triệu tấn CO2tđ Nguồn phát thải lớn nhất vẫn là phát thải CH4 từ canh tác lúa, là 44,7 triệu tấn CO2tđ (chiếm 50,3%) Nguồn phát thải lớn thứ hai là phát thải N2O từ đất canh tác nông nghiệp khác với 24,04 triệu tấn CO2tđ [Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

1.3 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.1 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới

Lúa là cây lương thực chính của gần 50% dân số thế giới [Fageria và nnk, 2011] Gần 90% sản lượng lúa gạo của thế giới được sản xuất và tiêu thụ ở Châu Á [FAO, 1998] Sản xuất lúa gạo được dự báo sẽ tăng trong những thập kỷ tới để đảm

bảo an ninh lương thực trước áp lực gia tăng dân số thế giới Tuy nhiên, nhiệt độ toàn cầu tăng, chế độ mưa thay đổi và diễn biến thời tiết biến đổi khó lường có thể

sẽ ảnh hưởng đến năng suất và sản lượng lúa toàn cầu [Wassmann và nnk, 2010]

Các các hệ thống canh tác có lúa được coi là một nguồn phát thải KNK quan

trọng [Neue và nnk, 1994, IPCC, 1996, Neue & Sass, 1998; Wassmann và nnk, 1998] Canh tác lúa nước là nguồn phát thải CH4 chủ yếu của nông nghiệp nói chung và trồng trọt nói riêng [IPCC, 2007] Hệ canh tác lúa nước cung cấp gần 90% sản lượng gạo toàn cầu [Fageria và nnk, 2011] nhưng đóng góp 80% tổng lượng CH4 phát thải từ tất các loại hình canh tác lúa trên thế giới [Majumdar, 2003]

và đóng góp 18% hiệu ứng nóng lên toàn cầu [Denman và nnk, 2007] Theo báo cáo

của IRRI, phát thải CH4 từ ruộng lúa nước đã được phát hiện lần đầu tiên ở ở Mỹ và Châu Âu Sau đó những nghiên cứu chi tiết được tiến hành tại Ý, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc, và các quốc gia Đông Nam Á

Đầu những năm 1960, tác giả Koyama tiến hành nghiên cứu sự hình thành và phát thải CH4trong đất lúa ở Nhật Bản quy mô thí nghiệm Từ số liệu quan trắc tại

Nhật Bản, Koyama đã ước tính lượng CH4từ canh tác lúa toàn cầu phát thải vào trong khí quyển khoảng 190 triệu tấn CH4/năm Đến giữa thập kỉ 1970, Ehhalt và Schmidt (1978) ước tính lượng CH4sản sinh từ đất trồng lúa khoảng 280 triệu

tấn/năm, tương đương 50% tổng lượng CH4 toàn cầu được phát thải vào khí quyển cùng thời điểm Dựa trên số liệu quan trắc từ các cánh đồng trồng lúa tại California (Mỹ) năm 1980, Cicerone và Shetter (1981) ước tính lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa trên thế giới khoảng 59 triệu tấn/năm Năm 1984,từ số liệu trong thí nghiệm

ở Tây Ban Nha, Seiler đã tính toán và đưa ra giá trị phát thải CH4 từ trồng lúa dao động 35 - 59 triệu tấn/năm Dựa trên các số liệu thí nghiệm tại Italia, Schutz (1989) ước tính lượng CH4 phát thải từ diện tích đất lúa trên toàn thế giới khoảng 100 ± 50 triệu tấn/năm Theo số liệu của IPCC, tổng lượng CH4 phát thải từ hoạt động canh tác lúa toàn cầu dao động từ 20-100 triệu tấn CH4/năm (trung bình 60 triệu tấn

CH4/năm) tương đương 15% đến 20% tổng lượng CH4 do con người tạo ra, dù diện tích đất trồng lúa này chỉ chiếm 0,3% diện tích bề mặt trái đất [IPCC, 1996]

Mặc dù nhiều nghiên cứu về phát thải N2O từ canh tác lúa được thực hiện trong 2 thập kỷ gần đây, nhưng đến nay vẫn chưa có số liệu chính thức về lượng

N2O phát thải từ canh tác lúa vào khí quyển trên quy mô toàn cầu [Majumdar, 2009] Quan trắc phát thải N2O từ canh tác lúa không được thực hiện rộng rãi như

CH4, do N2O là sản phẩm trung gian của quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, rất

biến động trong môi trường kị khí của đất lúa ngập nước và dễ dàng bị khử thành

N2 Các nỗ lực để tính toán phát thải N2O thông qua các mô hình mô phỏng cũng đang được tiến hành nhưng rất khó chính xác vì sự hình thành và giải phóng N2O từ đất lúa chịu ảnh hưởng của khá nhiều các yếu tố tự nhiên và nhân tạo [Majumdar, 2009] Theo IPCC (1994), tổng lượng phát thải N2O từ canh tác lúa thấp hơn nhiều

tổng lượng phát thải N2O từ tất cả diện tích trồng trọt (1,8–5,3 triệu tấn/năm) Theo ước tính của IPCC (2000), chỉ có dưới 1% N bị mất thông qua thất thoát N2O từ

ruộng lúa nên tổng lượng phát thải N2O từ canh tác lúa sẽ thấp hơn lượng phát thải

CH4, loại KNK chính phát thải từ ruộng lúa Theo hướng dẫn kiểm kê KNK năm

1997, IPCC đã sử dụng hệ số phát thải (EF) mặc định tương đương 1,25% lượng N đầu vào từ phân bón và mức phát thải nền đối với phát thải trực tiếp từ đất nông nghiệp là 1 kg N/ha/năm [IPCC,1997] Cách tính toán này áp dụng chung cho mọi

loại hình canh tác, không phân biệt đất trồng lúa nước hay đất trồng cạn Tuy nhiên, theo báo cáo của Bouwman và nnk (2002) dựa vào số liệu công bố trước năm 1999,

mức phát thải N2O từ đất lúa (0,7 kg N2O-N/ha/năm) thấp hơn so với đất trồng cạn, bao gồm cả đồng cỏ (1,1 đến 2,9 kg N2O-N/ha/năm) Trên cơ sở số liệu được công

bố trước năm 2000, Yan và nnk (2003) ước tính hệ số phát thải N2O từ ruộng lúa

chỉ ở mức 0,25% tổng lượng N bón vào đất (thấp hơn so với mức phát thải canh tác cây trồng cạn) và mức phát thải nền của đất lúa nước là 1,22 kg N2O-N/ha/năm Đến năm 2006, IPCC điều chỉnh hệ số phát thải EF xuống còn 1% tổng lượng N đầu vào (bao gồm từ phân khoáng, phân/chất hữu cơ được xử lý, tàn dư thực vật và

N được khoáng hóa từ đất) [IPCC, 2006] Dựa vào đó, theo tính toán mới nhất của IPCC, đất canh tác nông nghiệp trên toàn thế giới phát thải khoảng 2,8 TgN khí

N2O mỗi năm, tương đương khoảng 42% lượng N2O do con người gây ra, hoặc khoảng 16% lượng khí N2O toàn cầu, tuy nhiên phát thải N2O từ đất lúa nước vẫn chưa được tách riêng khỏi đất trồng cạn [Denman và nnk., 2007] Trên thực tế, nhiều quan trắc phát thải N2O từ đất lúa đã được thực hiện, nhưng vẫn còn tương đối ít so với số liệu quan trắc phát thải CH4 từ đất lúa hoặc phát thải N2O từ canh tác cây trồng cạn do những đặc thù phức tạp của hệ sinh thái đất lúa nước

Tuy vẫn còn nhiều khác biệt trong tính toán tổng phát thải CH4 và N2O từ canh tác lúa trên thế giới do có nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến lượng phát

thải [Neue và nnk, 1997], nhưng phải khẳng định rằng canh tác lúa bền vững phải hướng tới mục tiêu giảm phát thải khí CH4 và N2O, đặc biệt là đối với nền sản xuất thâm canh cao Do đó, nếu các chiến lược giảm nhẹ phù hợp không được xây dựng

và áp dụng triệt để thì việc tăng cường sản xuất lúa gạo cũng sẽ dẫn đến việc tăng phát thải khí CH4 và N2O [Xie và nnk, 2009]

Hiện nay việc thực hiện kiểm kê KNK của các quốc gia thường theo các hướng dẫn của IPCC [IPCC 2000, 2006] Tuỳ từng mức độ sẵn có của số liệu đầu vào mà mỗi quốc gia có thể lựa chọn phương pháp/bậc tính toán (Tier) khác nhau Hướng dẫn kiểm kê KNK của IPCC (2006) giới thiệu 3 Tiers, với mức độ phức tạp

và yêu cầu về dữ liệu và độ chính xác gia tăng Các Tier này cho kết quả kiểm kê KNK với sai số trong kiểm kê từ mức độ tối đa tới mức độ tối thiểu

Phương pháp bậc 1 (Tier 1): Là hướng dẫn đơn giản và cơ bản nhất và yêu

cầu ít dữ liệu nhất Dữ liệu tính toán và các hệ số phát thải được lấy từ nguồn dữ

liệu công bố toàn cầu Sử dụng Tier 1 để tính toán kiểm kê phát thải KNK thì kết

Phương pháp bậc 3 (Tier 3): là phương pháp tính toán bậc cao nhất, bao gồm

dữ liệu từ hệ thống quan trắc phát thải đồng bộ trên thực địa và/hay có thể áp dụng các mô hình để tính toán cho từng trường hợp cụ thể, với dữ liệu có độ phân giải cao được chi tiết hoá ở cấp vùng sinh thái, tỉnh hoặc huyện Phương pháp bậc này

sẽ cho kết quả ước tính với độ chắc chắn cao hơn Tier 1 và Tier 2

1.3.2 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa tại Việt Nam

Việt Nam hiên có hơn 7 triệu ha đất nông nghiệp trong 4,2 triệu ha là đất lúa

Sản xuất lúa gạo đóng một vai trò quan trọng trong đảm bảo an ninh lương thực, an sinh xã hội và duy trì sự ổn định nền kinh tế (tạo việc làm ở nông thôn, thu ngoại

tệ…) của Việt Nam Diện tích lúa gieo trồng hàng năm đã tăng từ 6,8 triệu ha năm

1995 lên gần 7,8 triệu ha vào năm 2016, chiếm gần 60% tổng diện tích gieo trồng hàng năm (Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2017) và hiện giữ ổn định ở mức này Năm

2016, Việt Nam sản xuất được khoảng 43,6 triệu tấn lúa, tương đương 28,3 triệu tấn

gạo, xuất khẩu được trên 6 triệu tấn gạo [Tổng cục Thống kê, 2017]

Trong điều kiện Việt Nam, việc kiểm kê phát thải KNK chủ yếu được tính theo Tier 1 hoặc Tier 2 với các hệ số phát thải mặc định áp dụng chung cho toàn

quốc, không thể hiện được sự khác nhau về địa hình, thời tiết, thổ nhưỡng, cây

trồng, mức độ thâm canh… Việt Nam hiện chưa thể đầu tư các hệ thống quan trắc phát thải rộng khắp, lặp lại định kỳ ngoài hiện trường Do vậy, phương pháp mô hình hóa đang được xem xét áp dụng để nhằm mô phỏng động thái và tính toán mức phát thải KNK ở mức cơ sở và mức dự báo

B ảng 1.5: Diện tích canh tác lúa của Việt Nam năm 2013 (1000 ha)

Miền Lúa nước có tưới chủ động Lúa nước tưới nhờ nước trời/mưa Lúa nương

tích các loại hình canh tác lúa, trong khi diện tích lúa nước tưới nhờ nước trời/mưa

và lúa nương chỉ chiếm 10% Diện tích lúa áp dụng chế độ tưới ngập thường xuyên chiếm gần 96% tổng diện tích canh tác lúa nước toàn quốc Diện tích lúa áp dụng

ngập nước gián đoạn (rút nước một lần hoặc nhiều lần) chỉ chiếm chưa đầy 5% tổng

diện tích lúa nước gieo trồng năm 2013 Phần lớn diện tích lúa nước áp dụng chế độ tưới rút nước giữa vụ thuộc các vùng đang áp dụng kĩ thuật canh tác cải tiến (SRI),

3 giảm-3 tăng, 1 phải-5 giảm… [Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

B ảng 1.6: Diện tích lúa ngập nước thường xuyên và ngập gián đoạn năm 2013

Khu vực

Diện tích canh tác lúa (1.000 ha)

Ngập nước thường xuyên Ngập nước gián đoạn – rút nước một lần Ngđoạn – rút nước ập nước gián

tổng lượng KNK phát thải của ngành nông nghiệp và chiếm 17,2% tổng lượng phát

thải KNK của Việt Nam (Bảng 1.7; Hình 1.4) Sản xuất lúa dự kiến sẽ vẫn là nguồn phát thải KNK lớn nhất trong lĩnh vực nông nghiệp với 39,1 triệu tấn CO2tđ vào năm 2020, và 40,0 triệu tấn CO2tđ năm 2030 (Bảng 1.3)

Năm 2013, tổng phát thải CH4 từ canh tác lúa là 1,789 triệu tấn CH4 (tương đương 44,7 triệu tấn CO2tđ) Phát thải CH4 từ canh tác lúa tưới ngập nước thường xuyên là 1,650 triệu tấn (chiếm 92% tổng phát thải CH4 từ tất cả các hệ canh tác lúa), trong khi phát thải CH4 từ lúa tưới ngập nước gián đoạn – rút nước một lần là 24,5 nghìn tấn từ lúa tưới ngập nước gián đoạn – rút nước nhiều lần là 2,1 nghìn

tấn, phát thải từ lúa tưới nhờ nước trời là 112,5 nghìn tấn [Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

Hình 1.4: Cơ cấu phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp năm 2013

[Nguồn: Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

Trong những năm gần đây, Việt Nam đã tiến hành nhiều nghiên cứu về phát

thải KNK từ canh tác nông nghiệp (trong đó tập trung nhiều vào canh tác lúa) tại các vùng sinh thái nông nghiệp khác nhau với các phương thức canh tác khác nhau Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu được thực hiện là thí nghiệm trên quy mô nhỏ, làm riêng rẽ và chủ yếu nghiên cứu về phát thải CH4

\B ảng 1.7: Phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam năm 2013

Chế độ quản lý nước

Phát thải (1000

tấn CH4)

Phát thải (1000

tấn N2O)

Quy đổi (1000 tấn

CO2tđ)

(ktt: không tính toán) [Nguồn: Bộ Tài nguyên Môi trường, 2017]

Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Hữu Thành và nnk (2011) về phát thải khí mê-tan trên đất lúa (thời kỳ lúa đẻ nhánh rộ) tại các tỉnh vùng đồng bằng sông Hồng cho thấy: Trong vụ mùa, cường độ phát thải khí CH4 đạt cao nhất ở 5 tuần sau cấy (thời kỳ đẻ nhánh rộ), dao động từ 66,0-72,3 mg CH4/m2/giờ, sau đó giảm dần tới

cuối vụ Trong vụ xuân, cường độ phát thải cao nhất vào 9 tuần sau cấy, đạt 53,6 mg CH4/m2/giờ Cường độ phát thải khí CH4 vụ xuân thấp hơn 15-20% so với

44,7-vụ mùa Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy tốc độ phát thải mê-tan tương quan nghịch với Eh (R2

từ -0,55 đến -0,85) và có tương quan thuận với hàm lượng chất

hữu cơ trong đất (R2

=0,6)

Theo Nguyễn Văn Tỉnh và Nguyễn Việt Anh (2006), biện pháp rút nước

giữa vụ có thể giúp giảm đến 60kg CH4/ha/năm Mục tiêu của biện pháp là chủ động tưới tiêu nước trên ruộng theo yêu cầu sinh trưởng của cây lúa, áp dụng hình

thức tưới ngập, kết hợp rút cạn nước phơi ruộng ở một số giai đoạn phát triển của lúa, vừa thúc đẩy cây lúa phát triển đạt năng suất cao, đồng thời cản trở và kìm hãm quá trình sản sinh CH4, giúp giảm đáng kể lượng KNK phát thải từ ruộng lúa Trong

tất cả các giai đoạn rút cạn nước phơi ruộng, cường độ phát thải CH4 đều nhỏ hơn

so với tưới ngập nước thường xuyên, nhưng giảm rõ nhất ở giai đoạn lúa hồi xanh đến làm đòng

Từ kết quả nghiên cứu chế độ nước mặt ruộng hợp lý để giảm thiểu phát thải khí CH4 trên ruộng lúa, Nguyễn Việt Anh (2010) đã xác định được khoảng thế ôxy-hóa khử (Eh) tối ưu (-176 mVđến -287 mV, điều kiện pH=7) cho phát thải CH4 trong đất phù sa trung tính ít chua đồng bằng sông Hồng Tác giả cũng chỉ ra rằng

nếu áp dụng tưới nông-lộ-phơi sẽ giảm thiểu lượng CH4 phát thải trung bình toàn vụ mùa là 11,25%, vụ xuân là 8,97% so với công thức tưới ngập thường xuyên Kết

quả phân tích cho thấy tương quan thuận và chặt (R2 từ 0,73-0,87) giữa cường độ phát thải CH4 và cường độ bốc thoát hơi nước trong giai đoạn sinh trưởng từ cấy-hồi xanh đến đứng cái - làm đòng

Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ tưới cho lúa đến sự phát

thải khí CH4 ở đất trồng lúa huyện Bố Trạch, tỉnh Quảng Bình của Nguyễn Thị Thúy Hằng (2014) cho thấy: tưới nông-lộ-phơi sẽ giảm thiểu lượng CH4 phát thải từ 15-20% so với tưới ngập thường xuyên Các kết quả cho thấy mối tương quan

nghịch chặt (R2 từ <-0,8) giữa cường độ phát thải CH4 với Eh đất và tương quan thuận với nhiệt độ

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của phân bón đến sự phát thải khí CH4 trên đất lúa nước (đất thịt pha cát) ở Thái Nguyên của Vũ Vân Anh (2015) cho thấy: cường độ phát thải CH4 đều đạt giá trị cao nhất trong giai đoạn đẻ nhánh rộ và làm đòng (khoảng 45-70 ngày sau khi cấy) và thấp nhất vào giai đoạn hạt vào chắc và chín Bón phân đầy đủ cho lúa giúp tối ưu hóa năng suất nhưng cũng làm tăng đáng

kể lượng CH4 phát thải (353,7 kg/ha/vụ) so với không bón phân (78,7 kg/ha/vụ) Trong suốt quá trình sinh trưởng của lúa, Eh của đất giảm dần từ đầu vụ và đạt thấp

nhất (-224 mV đến -163 mV) ở thời kỳ lúa đẻ nhánh rộ, tương ứng với thời điểm cường độ phát thải CH4 đạt đỉnh cao nhất, sau đó tăng dần tới cuối vụ Tốc độ phát

thải CH4 trong ruộng thí nghiệm tương quan nghịch với Eh nhưng tương quan thuận

với hàm lượng Mn dễ tiêu và nhiệt độ môi trường

Theo nghiên cứu của Vũ Thắng và nnk, đất phù sa trồng lúa ở đồng bằng sông Hồng có tiềm năng phát thải CH4/đơn vị diện tích lớn hơn (9%) nhưng lượng

CH4 phát thải/đơn vị sản phẩm lại thấp hơn (-57%) so với đất xám bạc màu trồng lúa miền Bắc Bón phân cho lúa để tối ưu năng suất làm tăng lượng phát thải

CH4/đơn vị diện tích (15,4% ở đất phù sa, 25,5% ở đất xám) nhưng lại làm giảm lượng phát thảiCH4/đơn vị sản phẩm (30% ở đất phù sa, 59% ở đất xám) Do vậy,

việc đầu tư thâm canh trong thực tế sản xuất hiện nay có thể triệt tiêu sự khác nhau

về phát thải CH4/đơn vị diện tích hoặc CH4 phát thải/đơn vị sản phẩm giữa hai loại đất Ở cả hai loại đất, tổng lượng CH4 phát thải/đơn vị diện tích ở vụ xuân có xu hướng cao hơn ở vụ mùa nhưng CH4 phát thải/đơn vị sản phẩm không khác nhau đáng kể giữa 2 vụ Cường độ phát thải CH4 cao nhất thường xuất hiện vào khoảng 45-60 ngày sau khi cấy, giai đoạn lúa đẻ nhánh tối đa đến kết thúc phân hóa đòng

Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu và số liệu tính toán chính xác về lượng phát thải N2O từ trồng trọt ở Việt Nam Tuy nhiên, với trên 10 triệu

tấn phân bón các loại được sử dụng hàng năm (trên 20% sử dụng cho trồng lúa), trong đó có 2,2 triệu tấn phân urea (chưa kể lượng lớn phân đạm chứa trong phân DAP và tổng hợp NPK các loại), hiệu suất sử dụng phân bón chỉ từ 45-50% thì một

phần không nhỏ nitơ bị thất thoát dưới dạng NH3 và các ôxyt nitơ (NO, N2O) Không kể thất thoát xói mòn, rửa trôi thì riêng lượng phân N bị mất do bốc hơi cũng chiếm đến 15-20% số lượng phân N còn lại, tương đương với hơn 500.000 tấn phân

urê/năm Đây là số lượng thất thoát khá lớn, trong đó phần đóng góp vào phát thải KNK là rất đáng kể [Nguyễn Văn Bộ và nnk, 2016]

Hiện nay việc áp dụng biện pháp canh tác lúa tiên tiến để sử dụng nước, phân bón hiệu quả, tiết kiệm và giảm phát thải KNK đang là giải pháp mang tính chiến lược trước mắt và lâu dài Kỹ thuật tưới nước ướt khô xen kẽ (hay còn gọi là ngập khô xen kẽ, nông lộ phơi - AWD) là kỹ thuật quản lý nước tiết kiệm trong trồng lúa

Kỹ thuật này sử dụng chu trình rút nước và tưới nước xen kẽ nhau, giữ mực nước trong ruộng ở mức độ tốt nhất cho sự sinh trưởng của cây lúa trong suốt một vụ Kỹ thuật này đang được Cục Bảo vệ thực vật, Viện Nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) và các chuyên gia trồng trọt khuyến cáo nhiều nhất bởi vì giúp tiết kiệm 30-35% lượng nước sử dụng, giảm phát thải KNK từ 46-69% và tăng năng suất bình quân 9–15% [Mai Văn Trịnh và nnk, 2015] Tuy nhiên đến nay Việt Nam mới chỉ áp dụng biện pháp tưới ướt khô xen kẽ (đầy đủ) trên 3,22% tổng diện tích gieo trồng lúa toàn

quốc (7.753.200 ha) với quy mô nhỏ lẻ, chủ yếu ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung [Mai Văn Trịnh và nnk, 2015]

Theo kết quả của Huỳnh Quang Tín và nnk (2015) về áp dụng tưới ướt khô xen kẽ cho lúa tại Tiền Giang, nếu áp dụng triệt để đúng quy trình tưới “ngập khô xen kẽ” kết hợp chăm sóc lúa đúng quy trình 1 Phải-5 Giảm (1P-5G), sẽ giúp giảm 5,9 tấn CO2tđ/ha/vụ, tiết kiệm 50% lượng nước tưới và tăng năng suất lúa 15-25%

Số liệu từ mô hình 100 ha của Huỳnh Quang Tín và nnk (2012) tại An Giang cho

thấy áp dụng tưới ướt khô xen kẽ và bón phân đạm theo bảng so màu lá (LCC) giúp tăng năng suất lúa 0,6 giảm hơn 19-31% so với mô hình đối chứng (tưới ngập và bón phân theo nông dân)

Kết quả nghiên cứu của Trần Đăng Hòa vào nnk (2015) tại huyện Duy Xuyên, tỉnh Quảng Nam cho thấy: tưới ướt khô xen kẽ và tưới vừa đủ ẩm không ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển và năng suất lúa, nhưng giảm phát thải KNK

so với biện pháp tưới ngập thường xuyên Lượng phát thải CH4 ở chế độ tưới ướt khô xen kẽ giảm 19 - 34%; chế độ tưới nước vừa đủ ẩm giảm 15- 19% so với tưới

ngập thường xuyên Tưới nước vừa đủ ẩm tiết kiệm 31 - 35%, tưới ướt khô xen kẽ

tiết kiệm được 26-32% lượng nước tưới so với tưới ngập thường xuyên Tuy nhiên,

áp dụng chế độ tưới ướt khô xen kẽ và tưới đủ ẩm sẽ tăng phát thải N2O so với tưới

ngập thường xuyên từ 25-45%

Nghiên cứu của Tô Lan Phương và nnk (2012) thực hiện tại đồng bằng sông

Cửu Long cho thấy: kết hợp bón phân hữu cơ vi sinh BioGro và áp dụng tưới ướt khô xen kẽ giúp giảm 50% lượng phân N, giảm được 3 lần bơm tưới, tiết kiệm 22% lượng nước tưới ở vụ hè thu, đồng thời làm tăng năng suất 170 kg/ha Áp dụng tưới

tiết kiệm nước ngập khô xen kẽ làm giảm lượng khí CH4 sinh ra nhưng làm tăng phát thải khí N2O ở giai đoạn lúa đẻ nhánh

Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của urea 46A+ Agrotain (Đạm vàng) đến phát thải trên ruộng lúa tại Nam Định của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam cho thấy: có thể tiết kiệm được ít nhất 30% phân đạm với hầu hết các loại cây

trồng dựa vào cơ chế giảm quá trình thủy phân urea, qua đó cũng có thể giảm được 1,4-31,4% lượng CH4 và 6,2-42,7% lượng N2O phát thải trong điều kiện thí nghiệm đồng ruộng [Nguyễn Văn Bộ và nnk, 2016]

1.4 Cơ chế hình thành và phát thải khí CH4 và N 2O trong môi trường đất lúa ngập nước

1.4.1 Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH 4

Mê-tan (CH4) được sản sinh trong đất khi chất hữu cơ bị phân hủy dưới điều

kiện kị khí Thông thường, môi trường có ôxy đầy đủ, hầu hết các C trong chất hữu

cơ sẽ bị phân huỷ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 Tuy nhiên, trong trường hợp không có ôxy, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ không được thực hiện triệt để và C được giải phóng dưới dạng CH4 Nói cách khác, khí CH4 là sản phẩm của quá trình phân huỷ kị khí chất hữu cơ bởi cổ khuẩn sinh mê-tan (methanogens - nhóm vi

khuẩn kị khí bắt buộc) [Neue, 1993] trong điều kiện thế ôxy hóa khử thấp 150mV, Eh) xảy ra sau khi đất bị ngập trong vài ngày Mê-tan còn được sản sinh ra

(<-bởi nhóm các chủng vi sinh vật phức tạp bao gồm các vi sinh vật thủy phân, lên

men (Homoacetogenic) làm phân huỷ chất hữu cơ dưới điều kiện kị khí [Fey và Conrad, 2000]

Hai con đường chính tạo ra CH4 trong đất ngập nước [Conrad, 2002, Sahrawat, 2004]:

(1) CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

(2) CH3COOH CH4 + CO2

Lượng khí CH4 và N2O được tạo ra ở trong đất có thể lớn hơn nhiều so với lượng phát thải thực tế vào khí quyển do bị giữ lại trong đất [Neue, 1993], và có thể

bị tiếp tục ôxy hóa (chuyển từ CH4 thành CO2) và khử (N2O thành N2) Do đó, lượng CH4 phát thải thực tế từ ruộng lúa vào khí quyển là sự cân bằng của hai quá trình đối lập, tức là khử để tạo ra CH4 và ôxy hóa CH4 thành CO2[Wassmann và Aulakh, 2000] Quá trình giải phóng CH4 từ đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Theo Sebacher và nnk (1986) khi đất bị ngập nước trên 10 cm ít có tác động làm tăng quá trình giải phóng CH4 Còn khi mực nước dưới 10 cm thì quá trình giải phóng CH4, tương quan thuận với độ sâu tầng đất ngập

B ảng 1.8: Các phản ứng khử trong các khoảng giá trị Eh

Fe2+, Mn4+ và vẫn còn tồn tại NO3- Tiếp theo là tầng khử SO42- và cuối cùng là tầng

sản sinh khí CH4, đây cũng là tầng có điện thế oxy hóa khử thấp Một phần CH4được hình thành ở tầng sản sinh CH4 có thể bị phân hủy ngay ở tầng đất oxy hóa và

thực tế chỉ có khoảng 23% lượng CH4 sinh ra được thoát vào khí quyển Trong

trường hợp không có cây lúa, khoảng 35% lượng CH4 sẽ phát thải vào khí quyển [Holzapfel - Pschoru và nnk, 1986]

Hình 1.5 : Cơ chế hình thành và phát tán CH4 trong đất lúa nước

[Nguồn: Yagi và nnk., 1997; Le Mer và nnk, 2001]

Khí CH4được giải phóng vào khí quyển theo 3 con đường sau:

• Sủi bọt (Ebullition): Là hiện tượng hình thành bọt khí CH4 thoát ra từ bề

mặt nước ruộng Lượng khí CH4 đi vào khí quyển ở dạng bọt khí chỉ chiếm khoảng 1-2% tổng lượng phát thải từ đất lúa [Butterbach-Bahl và nnk, 1997]

• Khuếch tán (Diffusion): CH4 khuếch tán (gradient nồng độ) vào nước từ

lớp nước tiếp giáp với bề mặt đất, sau đó thoát dần vào khí quyển Hiện tượng khuếch tán CH4 đóng góp khoảng 8-9% tổng lượng khí CH4 [Sebacher và nnk, 1983; Butterbach-Bahl và nnk, 1997]

• Vận chuyển thông qua hệ mô khí (lỗ khí) của thân cây (Aerenchyma system), từ đó phát tán qua lóng và phiến lá lúa (De Bont và nnk, 1978; Seiler, 1978) Lượng khí CH4 phát tán thông qua hệ mô khí của thân cây lúa chiếm 90%

tổng lượng phát thải CH4 của đất lúa ngập nước [Cicerone và Shetter, 1981; Holzapfel-Pschorn và Seiler, 1986; Schütz và nnk, 1989] Ở giai đoạn đầu của quá