Luận văn Sử dụng tư liệu ảnh modis và mô hình dndc tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng Sông Hồng

.......................................................................... 9 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 9 Cấu trúc của luận văn ................................................................................................ 9 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 10 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC .......................................... 10 1.1. Phát thải Methane từ canh tác lúa nước ............................................................ 10 1.1.1. Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa ........................................................... 11 1.1.2. Cơ chế hình thành và phát thải mêtan ........................................................ 18 1.2. Tách chiết lúa từ ảnh MODIS ........................................................................... 19 1.3. Các mô hình phát thải khí nhà kính .................................................................. 25 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 28 2 TÍNH TOÁN PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA THEO MÔ HÌNH DNDC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG ....................................................................................... 28 2.1 Khu vực nghiên cứu.......................................................................................... 29 2.1.1. Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên ................................................ 29 2.1.2. Đặc điểm về kinh tế xã hội ........................................................................ 32 2.1.3. Tình hình sản xuất lúa và đặc điểm mùa vụ lúa đồng bằng sông Hồng .... 34 2.2 Sử dụng tư liệu MODIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước .. 36 2.2.1 Cơ sở dữ liệu nghiên cứu ........................................................................... 36 2.2.2 Phân loại đa thời gian và thành lập bản đồ vùng trồng lúa ........................ 47 2.2.3 Ứng dụng mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 ........................ 58 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 66 PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC Ở ĐÔNG BẰNG SÔNG HỒNG .... 66 3.1 Kết quả phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ...................................................... 66 3.2 Kiểm chứng kết quả .......................................................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 78 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 88 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 .................... 13 Bảng 2.1: Nông lịch cấy lúa ở Đồng bằng sông Hồng................................................... 35 Bảng 2.2: Bảy kênh phổ đầu tiên của MODIS ............................................................... 37 Bảng 2.3: Tên các loại đất trên đồng bằng sông Hồng theo hệ phân loại Việt Nam ......... 40 Bảng 2.4 : Ký hiệu và một vài tính chất lý - hóa học của đất tại Hà Nội .......................... 41 Bảng 2.4: Lịch gieo trồng của một số tỉnh trên đồng bằng sông Hồng ......................... 45 Bảng 2.5: Lượng phân bón theo điều tra phỏng vấn của một số tỉnh [6] ...................... 46 Bảng 2.6. Ma trận đánh giá sai số giữa thực tế và kết quả từ MODIS [1] .................... 55 Bảng 2.7: Tổng hợp dữ liệu và nguồn dữ liệu cho vùng đồng bằng sông Hồng. .......... 61 Bảng 2.8: File biên tập dữ liệu khí tượng cho từng trạm khí tượng .............................. 64 Bảng 3.1: Lượng phát thải CH4 trung bình trên đồng bằng sông Hồng......................... 66 Bảng 3.2: Lượng phát thải CH4 trung bình theo từng tỉnh ............................................. 69 Bảng 3.3: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm ............................. 73 Bảng 3.4: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm ............................. 75 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp ...................................................... 11 Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường ........................ 14 Hình 1.3. Quan sát vùng lũ và lúa mới cấy sử dụng dữ liệu VGT tổ hợp 10 ngày ........ 23 Hình 1.4. Sự biến động của các chỉ số thực vật (NDVI, EVI) và chỉ số nước bề mặt (LSWI) trong 1 pixel đất trồng lúa chọn làm mẫu ở Indonesia ..................................... 25 Hình 2.1: Sơ đồ khối tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ..................... 28 Hình 2.2: Vị trí các tỉnh đồng bằng sông Hồng trong Việt Nam ................................... 30 Hình 2.3: Diện tích trồng lúa trên đồng bằng sông Hồng từ 1995 – 2014 [2] ............... 35 Hình 2.4: Bản đồ đất đồng bằng sông Hồng .................................................................... 39 Hình 2.5: Nhiệt độ và lượng mưa hàng ngày các trạm khí tượng năm 2010 ................. 43 Hình 2.6: Minh họa mô phỏng lớp nước mặt ruộng (chế độ ngập nước thường xuyên). ........................................................................................................................................ 44 Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp tách chiết lúa từ ảnh MODIS ......................................... 50 Hình 2.8: Tính toán các chỉ số LSWI, NDVI, EVI ........................................................ 51 Hình 2.9: Đồ thị phổ theo mùa của các giá trị LSWI, NDVI, EVI theo mùa của khu vực Đồng bằng sông Hồng .................................................................................................... 53 Hình 2.10: Sơ đồ tuyến thực địa kiểm chứng trên Đồng bằng sông Hồng [1] .............. 54 Hình 2.11: Các điểm mẫu lúa thu thập trên ĐBSH ........................................................ 54 Hình 2.12: Bản đồ lúa vụ Đông Xuân trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 ............... 56 Hình 2.13: Bản đồ lúa vụ Hè Thu trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 ...................... 57 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mô hình DNDC .................................................................... 59 Hình 2.15: Sơ đồ kết hợp cấu trúc dữ liệu để chạy mô hình DNDC ở qui mô vùng áp dụng cho đồng bằng sông Hồng ..................................................................................... 63 Hình 3.1: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Đông Xuân ..... 67 Hình 3.2: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Hè Thu ............ 68 Hình 3.3: Phát thải CH4 trung bình từng tỉnh trên đồng bằng sông Hồng ..................... 70 Hình 3.4: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi lượng phát thải giữa 2 mùa vụ ......................... 71 Hình 3.5: Cường độ khí CH4 phát thải (mgC/m2/giờ) trên ruộng lúa vụ Mùa [6] ........ 74 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ĐBSH Đồng bằng sông Hồng GOS Tổng cục thống kê CH4 Mê tan DNDC DeNitrification - DeComposition MODIS Dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS GIS Hệ thông tin địa lý FAO Tổ chức nông lương thế giới ĐHNN Đại học Nông nghiệp CLT&TP Cây lương thực và Thực phẩm CH4 Khí Methane 6 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Trên thế giới, cây lúa được 250 triệu nông dân trồng, đây là nguồn lương thực chính của 1,3 tỉ người nghèo nhất trên thế giới, chiếm tới trên 11% diện tích cây trồng trên toàn thế giới , là sinh kế chủ yếu của người nông dân. Ở Việt Nam, lúa gạo cũng là nguồn lương thực chính của 100% người dân. Từ các cánh đồng lúa ở vùng đồng bằng cho đến những thửa ruộng bậc thang vùng miền núi, việc trồng lúa nước từ lâu đã là một đặc trưng cơ bản của nền nông nghiệp Việt Nam (Castella and Erout 2002), mà cụ thể là ở đồng bằng sông Hồng. Vì vậy tìm hiểu sự phân bố không gian của các cánh đồng lúa là vấn đề rất quan trọng để đánh giá sản lượng lúa hàng năm, chế độ nước tưới, nguồn nước, và quản lí sử dụng đất. Thêm vào đó các nghiên cứu còn chỉ ra rằng lúa đóng góp một phần quan trọng trong việc phát thải khí nhà kính mà đặc biệt là khí Methane (CH4). Methane (CH4) là một trong ba loại khí nhà kính (Methane, nitơ oxit N2O và carbon dioxide CO2) đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide.. CH4 có lượng phát thải đáng kể bắt nguồn từ hệ sinh thái nông nghiệp. Do đó, nông nghiệp là một trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính. Khí CH4 được phát thải qua quá trình biến đổi sinh học trong môi trường yếm khí như ờ đẩm lầy, đất ngập nước. Sự phát thải Methane chủ yếu là từ canh tác lúa nước, chăn nuôi gia súc, các vùng đất ngập nước và các ngành công nghiệp than đá, khí. Trong đó, canh tác lúa nước đóng góp phần lớn vào sự tăng lên của CH4 trong khí quyển suốt thế kỷ qua (IPCC, 2007). Vì vậy việc tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước và đánh giá khả năng giảm thiểu lượng khí CH4 thông qua quản lý nguồn nước tưới, chế độ canh tác và đề xuất một chế độ canh tác khoa học nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi 7 trường (giảm Methane phát thải) cho từng vùng đất trồng lúa là rất có ý nghĩa và cần thiết. Ở Việt Nam, dữ liệu về lúa được cung cấp qua 2 nguồn: thống kê nông nghiệp hàng năm từ Tổng cục thống kê vàkiểm kê sử dụng đất năm năm một lần. Chính vì thế rất khó để có thể kịp thời có được thông tin về thống kê và không gian của cây lúa trong 1 khoảng thời gian nhất định, mặc dù lúa gạo có vai trò to lớn trong an ninh lương thực. Những năm qua, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang có nhiều nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đa thời gian trong theo dõi mùa màng nói chung và mùa vụ lúa nói riêng. Tùy vào yêu cầu về mức độ chi tiết của nghiên cứu mà dữ liệu viễn thám với độ phân giải không gian khác nhau có thể được lựa chọn. Các tư liệu viễn thám quang học độ phân giải cao như Landsat, SPOT và siêu cao như IKONOS và Quickbird có thể sử dụng để theo dõi chi tiết từng thửa ruộng. Tuy nhiên với giá thành cao và phần lớn thời gian mà mùa vụ lúa trồng ở miền nhiệt đới là vào mùa mưa, thời gian mà hiếm khi có được ảnh quang học không bị mây che phủ nên tư liệu viễn thám độ phân giải cao hiện thường được sử dụng cho khu vực nông nghiệp quy mô nhỏ. Đối với việc giám sát vùng trồng lúa rộng lớn, thì những tư liệu viễn thám có độ phân giải không gian trung bình hoặc thấp (250 – 1000 m) và chu kỳ lặp lại nhanh (hàng ngày) như ảnh NOAA/AVHRR hoặc MODIS thường được sử dụng cho việc theo dõi sự tăng trưởng của mùa vụ lúa. Từ những nhận định trên khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có mối quan hệ như thế nào? và Ảnh hưởng của chế độ tưới tiêu, phân bón, đất, tới lượng phát thải CH4 trên đồng bằng sông Hồng ra sao? với mục đích nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi trường (giảm Methane phát thải) cho từng vùng đất trồng lúa có ý nghĩa như thế nào. Để trả lời các câu hỏi trên học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng dữ liệu MODIS và mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng”. 8 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá phát thải khí Methane CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước. Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập, phân tích, đánh giá hiện trạng canh tác lúa trên đồng bằng sông Hồng, phân tích những nét đặc trưng riêng của vùng. - Thu thập lịch thời vụ, lịch gieo trồng, số liệu khí tượng, thống kê số liệu về việc trồng và sản xuất lúa. - Thu thập số liệu tính toán phát thải từ các đề tài, báo cáo trước nhằm mục đích kiểm chứng độ chính xác của mô hình. - Đánh giá phân bố không gian của các vùng trồng lúa trên Đồng bằng sông Hồng theo mùa vụ dựa vào phân tích dữ lệu MODIS. - Dự đoán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước tại vùng đồng bằng sông Hồng bằng việc áp dụng mô hình tính toán lượng phát thải kết hợp với viễn thám và GIS. - Tìm hiểu thông tin về: chế độ canh tác, nông lịch, chế độ tưới tiêu, phân bón, các đặc tính của đất - Đánh giá ảnh hưởng của đất, chế độ canh tác, chế độ tưới tiêu, lượng phân bón đến lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước từ đó đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu lượng phát thải. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu MODIS. Phương pháp phân tích thống kê. Phương pháp bản đồ: thể hiện bản đồ phân bố lượng phát thải CH4, và bản đồ phân bố lúa qua các thời kỳ, mùa vụ. Phương pháp phân tích không gian (GIS). Phương pháp viễn thám 9 Phương pháp điều tra thực địa: điều tra, phỏng vấn. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: Khu vực Đồng bằng sông Hồng Phạm vi thời gian: Tính toán, phân tích lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 sử dụng tư liệu MODIS. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đã chỉ ra được việc kết hợp giữa tư liệu viễn thám và mô hình nhằm tính toán được lượng phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp mà cụ thể là tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu viễn thám MODIS. Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đã tính toán được lượng phát thải CH4 từ lúa từ đó làm cơ sở cho việc đánh giá hiện trạng, dự báo và tìm ra các giải pháp nhằm giảm thiểu lượng CH4 phát thải thông qua các biện pháp canh tác thích hợp. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo. Dưới đây là tiêu đề các chương: Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu mô hình tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước. Chương 2: Tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa theo mô hình DNDC ở đồng bằng sông Hồng. Chương 3: Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng. 10 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC 1.1. Phát thải Methane từ canh tác lúa nước Trong những năm gần đây, hàm lượng Methane CH4 trong khí quyển tăng lên rất nhanh, gấp 3 lần kể từ thời kỳ tiền công nghiệp trong đó con người đóng góp 1/5, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu. Mật độ trung bình CH4 trên bề mặt trái đất là 1745 ppb. Gần đây, nồng độ phát thải Methane tăng chứng tỏ tỷ lệ phát thải Methane từ bề mặt Trái đất gần cân bằng với tỷ lệ phân hủy Methane trong khí quyển. Tuy nhiên, kể từ đầu năm 2007, sự cân bằng này bị phá vỡ dẫn đến có thêm hàng triệu tấn Methane thải vào khí quyển. Nguồn phát thải Methane (CH4) là các vùng đất ngập nước, vựa lúa, gia súc và các ngành công nghiệp than đá và khí. Sự gia tăng phát thải Methane ở bán cầu Bắc do thời tiết ấm lên nhiều theo quan trắc ở Sibêri năm 2007, sẽ làm cho vi khuẩn ở các vùng đất ngập nước thải ra nhiều khí Methane hơn [6]. Methane là khí thải nhà kính quan trọng và đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide. Tiềm năng làm ấm toàn cầu của Methane là 75 (tính trung bình qua 20 năm) hay 25 (tính trung bình qua 100 năm). Chúng ta phải sử dụng các biện pháp giảm thải Methane. Đất ngập nước trong đó có đất lúa nước được coi là một trong những nguồn phát thải Methane chính, góp tới 10% tổng lượng thải của bề mặt trái đất mặc dù loại đất này chỉ chiếm 0,3% diện tích bề mặt. Vì là một dạng khí nhà kính tiềm năng nên việc giảm Methane có một tác động đến biến đổi khí hậu to lớn hơn là giảm carbon dioxide. Ngoài ra, Methane có thời gian tồn lưu tương đối ngắn, khoảng 12 năm so với carbon dioxide- 120 năm [5, 6]. Methane, nitơ oxit cũng như carbon dioxide là nguồn khí thải đang được sự chú ý và quan tâm thông qua các tác động của chúng trên bức xạ hóa học và bức xạ của khí quyển dẫn đến sự nóng lên toàn cầu. Hơn nữa, cả ba loại khí nhà kính quan trọng nhất 11 có lượng phát thải đáng kể từ hệ sinh thái nông nghiệp. Do đó, nông nghiệp là một trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính [8]. Trong suốt những năm 1980, phát thải cacbon từ thay đổi sử dụng đất ở Việt Nam được ước tính khoảng 58 triệu tấn/ năm, gấp mười lần lượng khí thải carbon từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Phát thải Methane từ chăn nuôi và trồng lúa (nguyên nhân chính) đã được ước tính khoảng 3.000.000 tấn/năm. Các kết quả từ Báo cáo thống kê quốc gia về khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 1994 cho thấy, tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính khí 103,8 triệu tấn CO2 tương đương, và 1,4 tấn CO2 tương đương bình quân đầu người, trong đó nông nghiệp đóng góp 50,5% tổng số khí nhà kính phát thải. Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp (Nguồn: Thông báo quốc gia Việt Nam (Bộ TN & MT, 2003)) 1.1.1. Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa 1.1.1.1. Phát thải Mêtan (CH4) trên ruộng lúa nước Bên cạnh CO2, khí Methane cũng đóng góp một vai trò lớn của việc nóng lên toàn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí Methane (CH4) toàn cầu thấp hơn phát thải khí CO2 nhiều nhưng CH4 là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn; một tấn khí CH4 12 gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO2 đến 23 lần. Giống như CO2, khoảng 60% lượng phát thải khí CH4 toàn cầu có từ các nguồn do con người gây ra và hàm lượng CH4 trong khí quyển đã tăng lên khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về thay đổi khí hậu - Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996) [6]. Phát thải CH4 trên ruộng lúa nước đã được phát hiện từ lâu, theo IRRI thì một lượng lớn CH4 phát thải lần đầu tiên được phát hiện ở vùng trồng lúa của Mỹ và Châu Âu. Sau đó những nghiên cứu chi tiết được tiến hành ở Ý, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Đông Nam Á. Theo đánh giá của ban liên ngành chính phủ về biến đổi khí hậu (IPPC, 1996) thì tổng lượng CH4 phát thải từ các vùng trồng lúa nước dao động từ 200 – 100 Tg/năm (Tg – triệu tấn) [7]. Ở Việt Nam, theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí nhà kính phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 52,32 triệu tấn Các bon, chiếm 51% tổng lượng khí nhà kính phát thải của cả nước (Nguyễn Mộng Cường vcs, 1999). Đến năm 2000, qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cácbon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn quốc. Theo các số liệu kiểm kê năm 1994 thì phát thải lớn nhất là CH4 trong đó trồng lúa phát thải 1559,7 nghìn tấn các bon/năm (chiếm 62,4%). Lượng phát thải từ lĩnh vực chăn nuôi chiếm 18,7%. Phát thải từ diện tích đất nông nghiệp khác chiếm 15,4%, còn lại là do đốt phế thải. Điều đó cho thấy trong nông nghiệp thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu. Lượng CH4 phát thải và khí quyển do trồng lúa ở Việt Nam chiếm tỷ trọng lớn so với các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác. Trong năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính tại Việt Nam là 246,8 triệu tấn CO2 tương đương bao gồm lĩnh vực Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) và 266 triệu tấn CO2 tương đương không bao gồm LULUCF. Phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực năng lượng chiếm tỷ trọng lớn nhất là 53,05% của tổng lượng phát thải không tính LULUCF, tiếp theo là lĩnh vực nông nghiệp chiếm 33,20%. 13 Phát thải từ các lĩnh vực quá trình công nghiệp và chất thải tương ứng là 7,97% và 5,78%. Bảng 1.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 CH4 (Gg) N4O (Gg) CO (Gg) Oxit nitrogen NOx CO2 tổng cộng (Tg) % Trồng lúa 1.782,37 37,43 57,5 Chăn nuôi gia súc - Tiêu hóa thức ăn - Quản lý chất thải 368,12 164,16 7,73 3,45 11,88 5,30 Đất nông nghiệp 45,87 14,22 21,85 Đất Savan đồng cỏ 9,97 1,23 261,71 4,46 0,59 0,91 Đốt các phế thải trên đồng ruộng 59,13 1,39 1.241,68 50,28 1,67 2,75 Tổng số 2.383,75 48,49 1.503,39 54,74 65,09 100,0 1.1.1.2. Các con đường hình thành khí CH4 trên ruộng lúa Khí CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển theo ba con đường chính là: từ bọt khí CH4 dưới đất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thông qua khí khổng của cây. Nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ đóng góp khoảng 1% tổng lượng khí CH4, trong khi khí CH4 đi vào khí quyển ở dạng bọt khí chiếm tới 10% tổng lượng phát thải từ đất lúa, phần chủ yếu phát tán là thông qua thân cây lúa chiếm 90% tổng lượng phát thải của đất lúa ngập nước [6]. Con đường chính phát thải CH4 từ ruộng lúa là qua cây lúa chứ không chỉ từ đất. Nguyên nhân phát thải khí nhà kính gồm có: các quá trình tự nhiên (hoạt động phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí) và hoạt động của con người (đốt cháy 14 nguyên liệu hoá thạch như than, dầu mỏ, khí đốt; sản xuất xi măng; chăn nuôi; các hoạt động nông nghiệp khác, phân giải chất thải hữu cơ) [6]. Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường (Theo Schutz và cộng sự, 1989). 1.1.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí CH4 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phát thải như: chế độ nước, phân bón, tính chất đất, quá trình sinh trưởng của cây lúa có ảnh hưởng đến Eh. Khi động thái của Eh thay đổi thì sự phát thải của CH4 cũng thay đổi theo. Nói cách khác, những yếu tố ảnh hưởng đến Eh cũng chính là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải của CH4. Vấn đề này trong những năm gần đây cũng được nhiều tác giả nghiên cứu. Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không khí vào đất nên ngăn cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ của đất, kết quả là các chất hữu cơ này lên men yếm khí và tạo ra khí CH4. Vì vậy, chế độ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên 15 nhân dẫn tới sự phát thải khí CH4. Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào một số yếu tố như quản lý, điều tiết chế độ nước trên mặt ruộng, lượng phân hữu cơ và vô cơ bón vào ruộng, đặc tính của giống lúa và môi trường tự nhiên [6]. Ấn Độ là một nước đông dân thứ hai, đồng thời là nước sản xuất lúa gạo quan trọng trên thế giới. Đất lúa tại Ấn Độ được phân thành: đất canh tác lúa nhờ nước tưới, nhờ mưa, ngập sâu và canh tác ở vùng cao. Canh tác lúa ngập sâu nghĩa là các ruộng lúa ngập 50 – 100cm. Hầu hết các ruộng lúa nước là được tưới nhờ nước mưa, ngập sâu và chỉ có khoảng 15% đất lúa là canh tác ở vùng cao, loại đất lúa này không được coi là nguồn phát thải khí Methane vì ở đây không được cung cấp đủ nước tưới trên mặt ruộng. Vùng đất lúa ngập nước mới là nguồn phát thải CH4 chính. Chính vì vậy, tưới nước là một yếu tố quan trọng quyết định đến sự phát thải khí CH4 [6]. Trong mô hình nghiên cứu của Granberg và cộng sự (2001) thì mực nước trên ruộng là yếu tố quan trọng nhất và duy nhất để dự báo lượng khí phát thải ở những vùng đầm lầy ở miền Bắc Thuỵ Điển (r2=0,58). Phân đạm có ảnh hưởng hoặc giảm sự oxy hoá CH4 trong đất. Ảnh hưởng của phân đạm có thể do giảm lượng oxy trong đất làm cho các phản ứng của chấ hữu cơ trong đất ở điều kiện yếm khí và tăng khả năng nitrit hoá dẫn tới làm tăng các enzym Methane hoá. Bằng chứng của cơ chế này cũng được khẳng định khi người ta bón phân nitrat vào đất so với đất không được bón phân trong thí nghiệm trồng hành ở Nhật Bản. Việc trồng lúa theo các phương thức: cấy mạ 30 ngày tuổi; gieo sạ trên đất ngập nước; gieo sạ trên đất ẩm làm giảm lượng CH4 tương đương 5%; 13% và 37%, khi so sánh với việc trồng lúa bằng mạ 8 ngày tuổi [6]. Thí nghiệm đo CH4 phát thải tại Bắc Kinh (Trung Quốc) được tiến hành từ năm 1995 – 1998, ruộng cấy 1 vụ lúa (từ tháng 5 đến tháng 10), sau đó bỏ hoang. Khí hậu khô ẩm và cận nhiệt đới bán khô với lượng mưa trung bình năm 541mm, nhiệt độ cao nhất 17,800C (tháng 6) và thấp nhất 7,100C (tháng1). Đất thịt nặng, pH = 7,0 hàm lượng cacbon hữu cơ 0,99%, đạm tổng số 0,09%. Canh tác truyền thống của nông dân 16 theo hình thức tưới ngập và kết hợp tiêu giữa vụ, bón phân chuồng (phân lợn). Lượng CH4 phát thải biến động 6 -503 kg/ha/vụ, trung bình 109 kg/ha/vụ. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, rút cạn nước giữa vụ có tác dụng giảm 23% lượng CH4 phát thải so với tưới ngập thường xuyên. Bón phân gà có thể giảm lượng CH4 phát thải 77,5% so với phân lợn và giảm 69,5% so với bón phân rơm rạ [6]. Điều kiện thí nghiệm trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 1 đến tháng 4) và vụ mùa (từ tháng 7 đến tháng 10) tại Los Banos (Philipin) từ năm 1994 – 1997, với khí hậu nhiệt độ ẩm và ấm, lượng mưa trung bình năm 2027mm, nhiệt độ cao nhất 30,600C (tháng 5) và thấp nhất 23,200C (tháng 2), đất sét nhẹ, pH = 6,60, hàm lượng cacbon hữu cơ 1,2%, đạm tổng số 0,138%, trên ruộng đại trà tưới ngập thường xuyên và bón phân đạm,