Luận án Tiến sĩ: nghiên cứu một số biện pháp canh tác hạn chế phát thải

Luận án tiến sĩ nghiên cứu một số biện pháp canh tác hạn chế phát thải khí mê tan trên đất trồng lúa nước vùng đồng bằng phục vụ n

• Tác giả: Nguyễn Đức Hùng
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Hữu Thành
• Trường học: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Khoa học đất
• Đề tài: Nghiên cứu một số biện pháp canh tác hạn chế phát thải khí mê tan trên đất trồng lúa nước vùng Đồng bằng sông Hồng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của biện pháp canh tác hạn chế phát thải khí mê tan

Khí mê tan (CH4) là một trong những khí gây hiệu ứng nhà kính chính, có tiềm năng nóa lên toàn cầu cao gấp 25 lần so với khí cacbonic trong vòng 100 năm. Ruộng lúa nước vùng Đồng bằng sông Hồng là một nguồn phát thải khí mê tan đáng kể, đóng góp vào biến đổi khí hậu toàn cầu. Các biện pháp canh tác hiệu quả không chỉ giúp giảm lượng phát thải mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất lúa, bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững. Nghiên cứu của Nguyễn Đức Hùng tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tập trung vào việc xác định và áp dụng những kỹ thuật canh tác tiên tiến để hạn chế phát thải trên các loại đất phù sa.

1.1. Nguồn gốc và tác động của phát thải khí mê tan từ ruộng lúa

Ruộng lúa nước tạo ra một môi trường thiếu oxy lý tưởng cho hoạt động của vi khuẩn methanogenic. Các con đường phát thải chính bao gồm khuếch tán qua nước, vận chuyển qua cây lúa, và bong tróc từ trầm tích. Lượng phát thải phụ thuộc vào pH đất, thế ôxy hoá - khử (Eh), nhiệt độ, loại đất và quản lý chế độ nước. Việc hiểu rõ những yếu tố này giúp phát triển các biện pháp hạn chế hiệu quả và bền vững cho vùng Đồng bằng sông Hồng.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ góc độ khoa học, luận án cung cấp dữ liệu cụ thể về các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 trên đất phù sa vùng đồng bằng. Về mặt thực tiễn, các kỹ thuật canh tác được đề xuất có thể được áp dụng rộng rãi, giúp nông dân giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất, và đóng góp vào mục tiêu giảm khí nhà kính quốc gia.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải khí mê tan trong sản xuất lúa nước

Phát thải khí mê tan từ ruộng lúa không phải là ngẫu nhiên mà được kiểm soát bởi nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Các yếu tố đất đai như pH, thành phần cơ giới, loại đất và thế ôxy hoá - khử đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra, bón phân, vật liệu hữu cơ, thuốc bảo vệ thực vật và mật độ cấy cũng ảnh hưởng đáng kể đến lượng khí phát thải. Nhiệt độ là yếu tố khí hậu chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của vi khuẩn. Việc nắm vững các yếu tố này là nền tảng để phát triển các biện pháp canh tác thích hợp cho từng loại đất và điều kiện sản xuất cụ thể.

2.1. Ảnh hưởng của đặc tính đất và chế độ nước

pH đất và thế ôxy hoá - khử trực tiếp quy định hoạt động của vi khuẩn methanogenic. Đất có Eh thấp tạo môi trường khuyến khích phát thải CH4. Chế độ nước tưới ảnh hưởng đến độ bão hoà oxy trong đất, do đó là yếu tố quyết định. Quản lý chế độ nước hợp lý, như thoát nước định kỳ, có thể giảm phát thải đến 30-50% mà không ảnh hưởng đến năng suất lúa.

2.2. Tác động của bón phân và vật liệu hữu cơ

Bón phân nitơ tăng cơ chất cho vi khuẩn methanogenic, do đó tăng phát thải. Tuy nhiên, bón phân hợp lý kết hợp với quản lý chế độ nước có thể giảm thiểu tác động này. Vật liệu hữu cơ như rơm hay than sinh học cần được ủ compost hoặc xử lý trước để tránh tăng phát thải. Các hợp chất hóa học khác cũng được nghiên cứu để hạn chế hoạt động của vi khuẩn phát thải mê tan.

III. Các biện pháp canh tác chính để giảm phát thải khí mê tan

Để hạn chế phát thải CH4 từ ruộng lúa, nghiên cứu đã tập trung vào nhiều biện pháp canh tác khác nhau. Lựa chọn giống lúa có phát thải thấp như Bắc Thơm 7 (BT7) là một giải pháp hiệu quả. Kỹ thuật canh tác hợp lý bao gồm điều chỉnh mật độ cấy, quản lý chế độ nước, và bón phân hợp lý. Sử dụng than sinh học được sản xuất từ rơm hoặc các vật liệu khác có khả năng hấp thụ khí mê tan và cải thiện đất. Ủ phân compost từ rơm trước khi bón giảm phát thải so với sử dụng rơm tươi trực tiếp. Các biện pháp này có thể áp dụng riêng rẽ hoặc kết hợp để đạt hiệu quả tối ưu.

3.1. Quản lý chế độ nước tưới biện pháp cơ bản

Thoát nước định kỳ hoặc tưới gián đoạn là biện pháp hiệu quả nhất để giảm phát thải khí mê tan. Khi đất được thoát nước, oxy xâm nhập làm giảm điều kiện khuyến khích phát thải. Tuy nhiên, cần cân bằng giữa giảm phát thải và duy trì năng suất lúa. Quy trình thoát nước cần được thiết kế khoa học để tránh ảnh hưởng tiêu cực.

3.2. Lựa chọn giống lúa và kỹ thuật canh tác khác

Giống lúa khác nhau có mức phát thải CH4 khác nhau do đặc điểm sinh lý, kiến trúc cây và hệ rễ. Mật độ cấy hợp lý không chỉ giảm phát thải mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng và chất dinh dưỡng. Kết hợp với bón phân hợp lý, cơ giới hoá và kỹ thuật canh tác tiên tiến khác tạo nên hệ thống sản xuất bền vững và hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn và đề xuất giải pháp cho vùng Đồng bằng sông Hồng

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, luận án đã đề xuất một số kỹ thuật canh tác giảm thiểu phát thải khí mê tan trên đất phù sa trung tính vùng Đồng bằng sông Hồng. Các giải pháp này được xây dựng dựa trên đặc điểm tự nhiên, hiện trạng canh tác lúa nước và cơ cấu giống lúa theo mùa vụ tại vùng. Ứng dụng thực tiễn của các biện pháp canh tác này có thể giảm phát thải 30-50% mà vẫn duy trì hoặc tăng năng suất. Để thành công, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ, khuyến cáo từ chuyên gia và sự tham gia của nông dân. Các phòng nông nghiệp cần tổ chức đào tạo để giúp nông dân nắm vững các kỹ thuật mới.

4.1. Giải pháp tối ưu cho điều kiện Đồng bằng sông Hồng

Vùng Đồng bằng sông Hồng có khí hậu ấm và tài nguyên nước dồi dào, thích hợp áp dụng tưới gián đoạn kết hợp với lựa chọn giống lúa phát thải thấp. Sử dụng than sinh học từ rơm địa phương có thể giảm chi phí sản xuất. Quản lý rơm và rác thải nông nghiệp bằng compost hoá trước khi bón giảm phát thải và cải thiện đất.

4.2. Hướng phát triển và khuyến nghị chính sách

Cần khuyến khích nông dân áp dụng biện pháp canh tác bền vững thông qua chính sách hỗ trợ tài chính và xây dựng các mô hình trình diễn. Các cơ quan quản lý nên hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về sinh lý cây trồng và vi sinh vật đất. Việc giáo dục và nâng cao nhận thức của nông dân về biến đổi khí hậu là chìa khoá dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN ĐỨC HÙNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BIỆN PHÁP CANH TÁC HẠN CHẾ PHÁT THẢI KHÍ MÊ TAN TRÊN ĐẤT TRỒNG LÚA NƯỚC VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NHÀ XUẤT BẢN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP – 2021 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN ĐỨC HÙNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BIỆN PHÁP CANH TÁC HẠN CHẾ PHÁT THẢI KHÍ MÊ TAN TRÊN ĐẤT TRỒNG LÚA NƯỚC VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Ngành: Khoa học đất Mã số: 9.03 Người hướng dẫn khoa học: GS. Nguyễn Hữu Thành HÀ NỘI, 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận án trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong Luận án này đều được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Hùng i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy giáo, cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.

Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn sâu sắc tới Giáo sư, Tiến sĩ Nguyễn Hữu Thành là thầy hướng dẫn của tôi, người đã dành nhiều công sức, thời gian, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện Luận án nghiên cứu này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, bộ môn Khoa học đất, Khoa Tài nguyên Môi trường - Học viện Nông nghiệp Việt Nam, các cơ quan, phòng nông nghiệp trên địa bàn nghiên cứu đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành Luận án. Cuối cùng, xin cảm ơn bố, mẹ, vợ, con, những người thân trong gia đình và bạn bè gần xa đã tích cực giúp đỡ, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành Luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Hùng ii MỤC LỤC Lời cam đoan.

ii Mục lục. iii Danh mục chữ viết tắt. vi Danh mục bảng. vii Danh mục đồ thị.

viii Danh mục hình. ix Trích yếu luận án. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu của đề tài.

Phạm vi nghiên cứu. Những đóng góp mới của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Ý nghĩa khoa học.

Ý nghĩa thực tiễn. Tổng quan nghiên cứu. Phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu. Mê tan, khí gây hiệu ứng nhà kính.

Các nguồn phát thải khí CH4. Ruộng lúa là một nguồn phát thải khí mê tan. Các con đường phát thải khí ch4 từ ruộng lúa. Các yếu tố Ảnh hưởng tới sự phát thải khí CH4.

Ảnh hưởng của pH đất và thế năng oxy hoá - khử (Eh) của đất. Ảnh hưởng của thành phần cơ giới đất. Ảnh hưởng của loại đất. Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Ảnh hưởng của bón phân và vật liệu hữu cơ. Ảnh hưởng của thuốc bảo vệ thực vật. Ảnh hưởng của các biện pháp canh tác khác. Một số phương pháp xác định ch4 phát thải từ đất.

Một số biện pháp làm giảm phát thải CH4. Quản lý chế độ nước tưới. Áp dụng kỹ thuật canh tác hợp lý. Lựa chọn giống lúa trồng có phát thải khí mê tan thấp từ đất.

Bón phân hợp lý làm giảm phát thải khí mê tan. Sử dụng một số hợp chất khác bón vào đất làm giảm phát thải CH4. Nhận xét chung về tổng quan tài liệu và vấn đề nghiên cứu sinh hướng tới trong nghiên cứu. Nội dung và phương pháp nghiên cứu.

Địa điểm nghiên cứu. Thời gian nghiên cứu. Vật liệu thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp. Phương pháp bố trí thí nghiệm. Phương pháp lấy mẫu.

Phương pháp phân tích. Phương pháp tính tổng lượng khí CH4 phát thải. Phương pháp đo một số yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí mê tan. Phương pháp sản xuất than sinh học.

Phương pháp ủ phân compost từ rơm. Phương pháp xử lý số liệu và phân tích thống kê tương quan hồi quy. Kết quả nghiên cứu và thảo luận. Đặc điểm tự nhiên vùng đồng bằng sông Hồng.

Khái quát chung về vùng đồng bằng sông Hồng. Đặc điểm khí hậu. Tài nguyên nước. Hiện trạng sử dụng đất và diện tích các nhóm đất chính trồng lúa.

Hiện trạng canh tác lúa nước vùng đồng bằng sông Hồng. Diện tích đất lúa nước vùng đồng bằng sông Hồng. Đặc điểm canh tác lúa nước vùng đồng bằng sông Hồng. Cơ cấu giống lúa theo mùa vụ vùng đồng bằng sông Hồng.

Ảnh hưởng của một số biện pháp kỹ thuật canh tác đến phát thải khí CH4 từ đất. Đặc điểm của đất thí nghiệm và diễn biến nhiệt độ khi lấy mẫu. Sử dụng giống lúa có lượng phát thải CH4 thấp. Ảnh hưởng của mật độ cấy tới phát thải khí CH4 từ đất.

Ảnh hưởng của vật liệu hữu cơ bón vào đất tới lượng CH4 phát thải. Đề xuất một số kỹ thuật canh tác giảm thiểu phát thải khí mê tan trên đất phù sa trung tính vùng đồng bằng sông Hồng. Kết luận và đề nghị .106 Danh mục công trình đã công bố liên quan đến luận án .108 Tài liệu tham khảo .121 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt BĐKH Biến đổi khí hậu BT7 Giống Bắc Thơm số 7 BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường CH4 Khí mê tan CO2 Khí cacbonic CS Cộng sự CT Công thức ĐBSH Đồng bằng sông Hồng ĐC Đối chứng Eh Thế ôxy hoá - khử FID Flame ionlized Detector (Đầu dò ion hóa ngọn lửa) GC Gas chromatoghraphy (Sắc ký khí) TKST Thời kỳ sinh trưởng Gt Gigaton - 109 (Tỷ tấn) GWP Global warming potentials (Tiềm năng nóng lên toàn cầu) IPCC Intergovermental Panel on Climate Change (Cơ quan liên chính phủ về biến đổi khí hậu) IRRI International Rice Research Institute (Viện lúa quốc tế) KD18 Giống Khang Dân 18 KNK Khí nhà kính ppb Parts per billion (Phần tỷ) ppm Parts per million (Phần triệu) ppmv Parts per million volume (Phần triệu thể tích) Q5 Giống Q5 SRI System rice intensification) (Hệ thống thâm canh lúa cải tiến) TB Trung bình Tg Teragam - 1012 (Triệu tấn) UNFCCC United nations framwork convention on climate change (Công ước khung của Liên hợp quốc tế về Biến đổi khí hậu) vi DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang 2. Phát thải Khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực nông nghiệp.

Phát thải khí nhà kính các năm 1994, 2000, 2010 theo lĩnh vực. Ước tính lượng thải khí mê tan từ các nguồn khác nhau. Một số phản ứng oxy hóa-khử quan trọng trong đất. Thành phần cơ giới của 3 loại đất nghiên cứu tại Texas, Mỹ.

CH4 phát thải và thành phần cơ giới đất. Một số tính chất của vật liệu hữu cơ được chế biến từ rơm rạ. Hiện trạng sử dụng đất vùng đồng bằng sông Hồng. Diện tích các nhóm đất chính trồng lúa vùng đồng bằng sông Hồng.

Diện tích, năng suất và sản lượng và hệ số sử dụng đất lúa các vùng trên toàn quốc năm 2018. Liều lượng NPK bón cho lúa trong vùng nghiên cứu. Liều lượng phân ngành nông nghiệp khuyến cáo bón cho lúa. Cơ cấu giống lúa và diện tích gieo trồng vùng đồng bằng sông Hồng năm 2014.

Một số tính chất lý hoá đất trước thí nghiệm. Cơ cấu giống lúa thuần vùng đồng bằng sông Hồng. Lượng CH4 phát thải trung bình từ đất trồng giống lúa thí nghiệm. Ước tính lượng CH4 phát thải hằng năm của 3 giống lúa thí nghiệm vùng đồng bằng sông Hồng.

Các yếu tố cấu thành năng suất 3 giống lúa thí nghiệm. Các yếu tố cấu thành năng suất lúa ở các mức mật độ cấy khác nhau. Năng suất lúa trồng mật độ khác nhau trên đất phù sa sông Hồng. Lượng CH4 phát thải so với năng suất lúa.

Hệ số tương quan Pearson giữa phát thải CH4 với Eh đất, nhiệt độ và mực nước mặt ruộng. Ảnh hưởng của vật liệu hưu cơ tới phát thải CH4 và năng suất lúa .102 vii DANH MỤC ĐỒ THỊ TT Tên đồ thị Trang 2. Tỷ lệ khí nhà kính phát thải trên thế giới. Phát thải CH4 trong nông nghiệp.

Phương trình tương quan giữa lượng CH4 phát thải với % cát. Diễn biến một số yếu tố khí tượng vùng đồng bằng sông Hồng năm 2015, 2016. Cơ cấu đất đai vùng đồng bằng sông Hồng. Nhiệt độ đất và không khí thời điểm lấy mẫu vụ xuân và mùa 2015, 2016.

Giá trị Eh và mực nước mặt ruộng của các công thức thí nghiệm. Động thái phát thải CH4 của 3 giống lúa KD18, BT7, Q5. Diễn biến Eh đất tại điểm thí nghiệm. Động thái phát thải CH4 tại các công thức thí nghiệm.

Tổng lượng phát thải CH4 tại các công thức thí nghiệm. Động thái biến đổi Eh đất và mực nước mặt ruộng thí nghiệm. Động thái phát thải CH4 tại công thức thí nghiệm. Tổng luỹ kế lượng CH4 phát thải từ đất theo thời gian .101 viii DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang 2.

Sơ đồ vận chuyển khí CH4 từ đất trồng lúa theo 3 con đường. Sơ đồ vận chuyển CH4 qua thân cây lúa. Phương pháp lấy mẫu khí CH4 bằng buồng kín. Một trạm đo các thông số đa biến trong không gian tại Philippin.

Cấu tạo của buồng kín lấy mẫu. Hình ảnh thực tế quá trình lấy mẫu khí CH4 từ ruộng lúa. Sơ đồ di chuyển khí mê tan từ đất vào khí quyển qua thân cây lúa. 84 ix TRÍCH YẾU LUẬN ÁN Tên tác giả: Nguyễn Đức Hùng Tên luận án: Nghiên cứu một số biện pháp canh tác hạn chế phát thải khí mê tan trên đất trồng lúa nước vùng đồng bằng sông Hồng.

Ngành: Khoa học đất Mã số: 9.03 Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng 3 biện pháp canh tác nhằm hạn chế phát thải khí mê tan từ ruộng trồng lúa nước trên đất phù sa trung tính vùng đồng bằng sông Hồng. Khảo sát, sử dụng giống lúa thuần có lượng phát thải khí mê tan thấp (Oryza sativa L. Cấy mật độ khác nhau; 3.