Nghiên cứu xây dựng bản đồ phát thải khí nhà kính cho canh tác lúa tại tỉnh Thái Bình

• Tác giả: Vũ Thị Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. Mai Văn Trịnh
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Bản đồ phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa tại Thái Bình
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CÁM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về khí nhà kính
• 1.2. Tổng quan về cơ chế hình thành, phát thải khí CH4 và N2O từ ruộng lúa nước
• 1.3. Phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa nước ở Việt Nam
• 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ phát thải KNK (CH4, N2O) trên ruộng lúa nước
• 1.5. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu
• 1.5.1. Điều kiện tự nhiên
• 1.5.2. Các điều kiện kinh tế- xã hội
• 1.6. Hiện trạng canh tác lúa tại tỉnh Thái Bình
• 1.7. Diễn biến khí hậu, thời tiết tại tỉnh Thái Bình
• 1.7.1. Các tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp tại Thái Bình
• 1.8. Tổng quan các mô hình tính toán phát thải KNK cho canh tác lúa
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN HIỆN TRẠNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG CANH TÁC LÚA NƯỚC TẠI TỈNH THÁI BÌNH
• 2.1. Ứng dụng mô hình DNDC tính toán phát thải KNK trên đất lúa tỉnh Thái Bình
• 2.2. Tổng hợp và nhập các dữ liệu - thông số đầu vào của mô hình
• 2.2.1. Các dữ liệu về khí tượng
• 2.2.2. Các dữ liệu về điều kiện thổ nhưỡng
• 2.2.3. Các dữ liệu về điều kiện canh tác
• 2.3. Chạy mô hình DNDC
• 2.4. Hiệu chỉnh mô hình. Kiểm định mô hình
• 2.5. Kết quả mô phỏng sự phát thải của KNK bằng mô hình DNDC trên đất trồng lúa nước tại tỉnh Thái Bình
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Bản đồ phân vùng khí hậu
• 3.2. Bản đồ đất trồng lúa
• 3.3. Bản đồ đơn vị các tổ hợp điều kiện tự nhiên (Khí tượng - Đất - Canh tác)
• 3.4. Xây dựng bản đồ phát thải khí nhà kính
• 3.4.1. Bản đồ phát thải CH4
• 3.4.2. Bản đồ phát thải N2O
• 3.4.3. Bản đồ phát thải KNK
• 3.4.4. Kết quả tính toán tổng lượng phát thải KNK
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu tổng quan về phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc đánh giá và quản lý phát thải khí nhà kính từ các hoạt động nông nghiệp, đặc biệt là canh tác lúa, trở nên cấp thiết. Tại Việt Nam, lĩnh vực nông nghiệp đóng góp một phần lớn vào tổng lượng phát thải khí nhà kính. Theo số liệu năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính từ nông nghiệp chiếm 33,20%, trong đó canh tác lúa là một trong những nguồn phát thải chính. Tỉnh Thái Bình với diện tích lúa lớn, cũng là khu vực có mức phát thải đáng kể, nhưng chưa có báo cáo chi tiết về bản đồ phát thải khí nhà kính. Do đó, việc xây dựng bản đồ phát thải là cần thiết để cung cấp thông tin cho các chính sách quản lý môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa phát thải khí nhà kính

Nghiên cứu áp dụng mô hình DNDC (Denitrification-Decomposition) để tính toán lượng khí nhà kính phát thải từ canh tác lúa. Mô hình này cho phép dự đoán lượng carbon trong đất và các khí như CO2, CH4, N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp. Dữ liệu đầu vào bao gồm thông tin về điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và kỹ thuật canh tác. Việc thu thập dữ liệu từ các trạm khí tượng và các báo cáo nông nghiệp địa phương giúp đảm bảo tính chính xác của mô hình. Kết quả tính toán sẽ được so sánh với số liệu thực địa để hiệu chỉnh mô hình, từ đó xây dựng bản đồ phát thải chi tiết cho từng khu vực tại Thái Bình.

III. Kết quả và phân tích phát thải khí nhà kính

Kết quả tính toán cho thấy mức phát thải khí CH4 và N2O từ canh tác lúa tại Thái Bình rất cao, đặc biệt trong điều kiện ngập nước. Bản đồ phát thải cho thấy sự phân bố không đồng đều của lượng khí nhà kính, phản ánh sự khác biệt về điều kiện đất đai và kỹ thuật canh tác giữa các vùng. Việc sử dụng công nghệ nông nghiệp thông minh có thể giúp giảm thiểu lượng phát thải, đồng thời tăng năng suất lúa. Các biện pháp như cải tiến kỹ thuật tưới tiêu và lựa chọn giống cây trồng phù hợp cũng đã được đề xuất nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường.

IV. Đề xuất biện pháp giảm phát thải khí nhà kính

Để giảm thiểu lượng phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa, cần áp dụng các biện pháp như cải thiện quản lý nước, sử dụng phân bón hợp lý và áp dụng các phương pháp canh tác bền vững. Chính sách nông nghiệp cũng cần hướng tới việc khuyến khích nông dân áp dụng các kỹ thuật nông nghiệp thông minh và bền vững. Việc xây dựng các chương trình đào tạo và nâng cao nhận thức cho nông dân về tác động của khí nhà kính đến môi trường cũng rất quan trọng. Từ đó, có thể tạo ra một mô hình nông nghiệp bền vững hơn, giảm thiểu phát thải và bảo vệ môi trường.

Tổng quan nghiên cứu

Trong năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính (KNK) tại Việt Nam đạt khoảng 2.468 triệu tấn CO(_2) tương đương, trong đó lĩnh vực nông nghiệp chiếm 33,20% tổng lượng phát thải không tính sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF). Riêng phát thải khí mê-tan (CH(_4)) từ canh tác lúa nước là khoảng 44,61 triệu tấn, trong đó lúa ngập nước thường xuyên phát thải 4,31 triệu tấn và lúa nhờ nước trời phát thải 0,34 triệu tấn. Tỉnh Thái Bình, thuộc vùng đồng bằng sông Hồng, với diện tích trồng lúa năm 2013 là 161,8 nghìn ha và sản lượng đạt 1.091,3 nghìn tấn, được xác định là một trong những địa phương phát thải lượng lớn KNK từ canh tác lúa nước. Tuy nhiên, hiện tại tỉnh chưa có báo cáo kiểm kê phát thải KNK chi tiết trong lĩnh vực này.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng bản đồ hiện trạng phát thải KNK (CH(_4), N(_2)O) trong canh tác lúa nước tại tỉnh Thái Bình, sử dụng mô hình DNDC kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS). Nghiên cứu nhằm định lượng phát thải theo các điều kiện khí hậu, loại đất và mức độ thâm canh, từ đó làm cơ sở cho việc kiểm kê KNK và đề xuất các biện pháp giảm thiểu phát thải phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng canh tác lúa nước của tỉnh Thái Bình trong giai đoạn 2013-2015, với dữ liệu khí tượng, đất đai và canh tác được thu thập từ các trạm khí tượng và các báo cáo địa phương.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác, có độ phân giải cao về phát thải KNK trong canh tác lúa nước, góp phần hỗ trợ hoạch định chính sách giảm nhẹ biến đổi khí hậu, đồng thời nâng cao nhận thức và hiệu quả quản lý môi trường trong nông nghiệp tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp: Khí CH(_4) được hình thành chủ yếu qua quá trình phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí của đất lúa ngập nước, với sự tham gia của vi khuẩn methanogens. Khí N(_2)O phát sinh từ quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong đất, chịu ảnh hưởng bởi điều kiện oxy hóa-khử, pH, hàm lượng hữu cơ và quản lý phân bón.

• Mô hình DNDC (Denitrification-Decomposition): Mô hình sinh địa hóa mô phỏng chu trình cacbon và nitơ trong đất, dự báo phát thải CO(_2), CH(_4), N(_2)O theo ngày và theo giai đoạn sinh trưởng cây trồng. DNDC tích hợp các thông số về khí hậu, đất đai, canh tác và sinh trưởng cây trồng, cho phép hiệu chỉnh theo dữ liệu thực địa để nâng cao độ chính xác.

• Khái niệm chính:

  • Phát thải khí nhà kính (KNK): Bao gồm CH(_4), N(_2)O và CO(_2) quy đổi.
  • Tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP): Chỉ số quy đổi các khí nhà kính về tương đương CO(_2).
  • Điều kiện yếm khí và oxy hóa-khử: Ảnh hưởng đến quá trình sinh học tạo khí CH(_4) và N(_2)O.
  • Quản lý canh tác: Bao gồm kỹ thuật tưới nước, bón phân, xử lý phế phụ phẩm ảnh hưởng đến phát thải KNK.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khí tượng (nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ mặt trời, tốc độ gió) từ 4 trạm khí tượng tại Thái Bình và vùng lân cận giai đoạn 2013-2015; dữ liệu đất đai (loại đất, pH, độ xốp, hàm lượng hữu cơ, độ mặn) từ các báo cáo địa phương và Bảo tàng Đất Việt Nam; dữ liệu canh tác (giống lúa, lịch thời vụ, phân bón, tưới nước) từ Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Thái Bình.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình DNDC để mô phỏng phát thải KNK theo ngày và theo giai đoạn sinh trưởng của cây lúa, hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu đo thực địa tại xã Phú Lương năm 2016. Đánh giá độ chính xác mô hình qua hệ số xác định (R^2) và chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSI).

• Phương pháp mô hình hóa và bản đồ: Kết hợp mô hình DNDC với hệ thống GIS để không gian hóa kết quả phát thải KNK, xây dựng bản đồ phân vùng khí hậu, bản đồ đất trồng lúa và bản đồ phát thải KNK theo đơn vị hành chính tỉnh Thái Bình.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ 2013-2015, chạy mô hình và hiệu chỉnh năm 2016, tổng hợp kết quả và xây dựng bản đồ trong năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lượng phát thải CH(_4) và N(_2)O từ canh tác lúa nước tại Thái Bình: Mô hình DNDC tính toán phát thải CH(_4) trung bình khoảng 184,4 kg/ha/vụ với phương thức rút nước định kỳ, giảm 13% so với tưới ngập thường xuyên (217,2 kg/ha/vụ). Phát thải N(_2)O dao động theo mùa vụ và mức độ bón phân, chiếm khoảng 22,9 nghìn tấn CO(_2) tương đương năm 2010.

2. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu và đất đai: Các vùng khí hậu khác nhau trong tỉnh có sự biến động nhiệt độ từ 8,9°C đến 38,7°C và lượng mưa trung bình năm khoảng 1.900 mm, ảnh hưởng trực tiếp đến phát thải KNK. Đất phù sa với độ mặn và pH khác nhau cũng làm thay đổi mức độ phát thải, trong đó đất có độ mặn cao và pH thấp có xu hướng tăng phát thải N(_2)O.

3. Phân bố phát thải theo địa lý: Bản đồ phát thải KNK cho thấy các huyện có diện tích lúa lớn như Đông Hưng, Thái Thụy và Tiền Hải có mức phát thải cao nhất, với tổng lượng phát thải CO(_2)-e trung bình giai đoạn 2013-2015 đạt khoảng 65 nghìn tấn.

4. Hiệu quả mô hình DNDC: Mô hình được hiệu chỉnh với hệ số xác định (R^2) đạt trên 0,85 và chỉ số NSI trên 0,7, cho thấy độ tin cậy cao trong dự báo phát thải KNK theo ngày và theo giai đoạn sinh trưởng cây lúa.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc áp dụng mô hình DNDC kết hợp GIS là phương pháp hiệu quả để đánh giá phát thải KNK trong canh tác lúa nước với độ phân giải không gian và thời gian cao. Việc rút nước định kỳ giữa vụ giúp giảm phát thải CH(_4) đáng kể, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy giảm từ 10-60% phát thải CH(_4) khi áp dụng kỹ thuật này. Sự khác biệt phát thải giữa các vùng khí hậu và loại đất phản ánh ảnh hưởng phức tạp của điều kiện tự nhiên đến quá trình sinh học trong đất.

So sánh với các nghiên cứu tại Nhật Bản và Trung Quốc, phát thải KNK tại Thái Bình có mức độ tương đồng, tuy nhiên cần lưu ý các yếu tố đặc thù như xâm nhập mặn và biến đổi khí hậu đang tác động mạnh đến năng suất và phát thải. Bản đồ phát thải cung cấp công cụ trực quan hỗ trợ hoạch định chính sách và lựa chọn biện pháp giảm phát thải phù hợp theo vùng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phát thải theo tháng, bản đồ phân bố phát thải KNK theo huyện và bảng so sánh phát thải giữa các phương thức canh tác, giúp minh họa rõ ràng các xu hướng và điểm nóng phát thải.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng kỹ thuật tưới nước rút nước định kỳ (AWD): Khuyến khích nông dân tỉnh Thái Bình áp dụng kỹ thuật AWD để giảm phát thải CH(_4) ít nhất 10-15% trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp phối hợp với các trung tâm khuyến nông.

2. Quản lý phân bón hợp lý: Giảm lượng phân đạm bón vượt mức cần thiết, ưu tiên sử dụng phân bón có khả năng giảm phát thải N(_2)O, đồng thời kết hợp với xử lý phế phụ phẩm hữu cơ. Mục tiêu giảm phát thải N(_2)O khoảng 10% trong 5 năm. Chủ thể là các hộ nông dân và doanh nghiệp phân bón.

3. Xây dựng bản đồ phát thải KNK định kỳ: Cập nhật bản đồ phát thải KNK hàng năm để theo dõi biến động và đánh giá hiệu quả các biện pháp giảm phát thải. Chủ thể thực hiện là Viện Môi trường Nông nghiệp và Sở Tài nguyên Môi trường.

4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa tập huấn về kỹ thuật canh tác giảm phát thải KNK cho nông dân và cán bộ kỹ thuật trong vòng 2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả áp dụng biện pháp kỹ thuật.

5. Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng giống lúa ít phát thải: Hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giống lúa có khả năng giảm phát thải CH(_4) và N(_2)O, đồng thời duy trì năng suất cao. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trung tâm giống cây trồng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và môi trường: Sử dụng kết quả để xây dựng các chính sách giảm phát thải KNK, phát triển nông nghiệp bền vững và ứng phó biến đổi khí hậu.

2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành môi trường, nông nghiệp: Tham khảo phương pháp mô hình hóa DNDC kết hợp GIS, dữ liệu thực địa và phân tích phát thải KNK trong canh tác lúa nước.

3. Cơ quan quản lý địa phương và sở ngành tỉnh Thái Bình: Áp dụng bản đồ phát thải KNK để quản lý vùng canh tác, triển khai các biện pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương.

4. Nông dân và tổ chức khuyến nông: Nắm bắt các biện pháp canh tác giảm phát thải khí nhà kính, nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình DNDC có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình DNDC mô phỏng chi tiết các quá trình sinh địa hóa trong đất, cho phép tính toán phát thải KNK theo ngày và theo giai đoạn sinh trưởng cây trồng, có thể hiệu chỉnh theo dữ liệu thực địa, giúp nâng cao độ chính xác và phù hợp với quy mô vùng và địa phương.

2. Phát thải khí CH(_4) từ canh tác lúa nước bị ảnh hưởng bởi yếu tố nào?
   Phát thải CH(_4) phụ thuộc vào điều kiện yếm khí trong đất, hàm lượng hữu cơ, chế độ tưới nước (ngập hay rút nước), nhiệt độ và kỹ thuật canh tác như bón phân và xử lý phế phụ phẩm.

3. Làm thế nào để giảm phát thải N(_2)O trong canh tác lúa?
   Giảm phát thải N(_2)O có thể thực hiện bằng cách quản lý phân bón hợp lý, tránh bón thừa đạm, sử dụng phân bón có hiệu ứng giảm phát thải, kết hợp với kỹ thuật tưới nước phù hợp và xử lý phế phụ phẩm hữu cơ.

4. Bản đồ phát thải KNK có vai trò gì trong quản lý nông nghiệp?
   Bản đồ giúp xác định các vùng phát thải cao, hỗ trợ hoạch định chính sách, lựa chọn biện pháp giảm phát thải phù hợp theo vùng, đồng thời theo dõi hiệu quả các biện pháp đã triển khai.

5. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất lúa tại Thái Bình như thế nào?
   Biến đổi khí hậu gây ra hiện tượng xâm nhập mặn, hạn hán, thay đổi lượng mưa và nhiệt độ, ảnh hưởng đến diện tích, năng suất và chất lượng lúa, đồng thời làm tăng phát thải KNK từ canh tác lúa nước.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công bản đồ hiện trạng phát thải khí nhà kính (CH(_4), N(_2)O) trong canh tác lúa nước tại tỉnh Thái Bình dựa trên mô hình DNDC kết hợp GIS.
• Phát thải CH(_4) có thể giảm khoảng 13% khi áp dụng kỹ thuật rút nước định kỳ so với tưới ngập thường xuyên.
• Điều kiện khí hậu, loại đất và kỹ thuật canh tác ảnh hưởng rõ rệt đến mức độ phát thải KNK.
• Mô hình DNDC được hiệu chỉnh với độ chính xác cao, phù hợp để áp dụng cho các nghiên cứu kiểm kê phát thải KNK quy mô vùng và địa phương.
• Khuyến nghị triển khai các biện pháp kỹ thuật giảm phát thải, đồng thời cập nhật bản đồ phát thải định kỳ để hỗ trợ quản lý và hoạch định chính sách.

Next steps: Triển khai áp dụng kỹ thuật tưới nước rút nước định kỳ, đào tạo nông dân, cập nhật dữ liệu và bản đồ phát thải hàng năm, nghiên cứu phát triển giống lúa ít phát thải.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và nông dân cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần giảm phát thải KNK và phát triển nông nghiệp bền vững tại Thái Bình.