Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu thuộc chuyên ngành Khoa học môi trường (mã số: 9440301.01) do nghiên cứu sinh Nguyễn Lê Trang thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Mai Văn Trịnh và PGS. Nguyễn Mạnh Khải (bảo vệ năm 2020). Luận án được triển khai trong khuôn khổ dự án hợp tác quốc tế ClimaViet: "Biến đổi khí hậu và những tác động đến sản xuất lúa tại Việt Nam: Thử nghiệm các giải pháp tiềm năng về thích ứng và giảm thiểu" do Đại sứ quán Na Uy tài trợ, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam chủ trì (2014-2016).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Lúa gạo là cây lương thực thiết yếu, cung cấp trên 72% nguồn calori mỗi ngày cho cư dân châu Á (FAO, 2018). Năm 2018, tổng diện tích gieo trồng lúa toàn cầu đạt 161,62 triệu ha với sản lượng thóc 728,07 triệu tấn, tương đương 487,35 triệu tấn gạo (USDA, 2018). Mặc dù giữ vai trò then chốt trong an ninh lương thực và ổn định xã hội, canh tác nông nghiệp nói chung và lúa nước nói riêng đang đối mặt với các tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH), nước biển dâng và hiện tượng thời tiết cực đoan (MONRE, 2017). Đồng thời, hoạt động sản xuất lúa nước là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) chính.

Theo Báo cáo "Đóng góp dự kiến do Quốc gia tự quyết định" (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2015), tổng lượng phát thải KNK của Việt Nam năm 2013 đạt 293,3 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$, dự báo tăng lên 474,1 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ vào năm 2020 và 787,4 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ vào năm 2030 (không bao gồm các quá trình công nghiệp). Trong đó, phát thải từ lĩnh vực nông nghiệp năm 2013 là 89,4 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (chiếm 27,9% tổng lượng KNK quốc gia chưa tính LULUCF), ước tính đạt 100,8 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (2020) và 109,3 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (2030). Riêng canh tác lúa nước chiếm tỷ trọng lớn nhất trong nông nghiệp, đạt 44,1 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ năm 2010 (chiếm 49,3% phát thải nông nghiệp). Theo World Bank (2010), lượng KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam tăng từ 32,75 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (1994) lên 37,43 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (2000).

Để thực hiện cam kết trong Đóng góp quốc gia tự quyết định (NDC) của Việt Nam—cắt giảm 8% lượng phát thải bằng nguồn lực trong nước và 25% khi có hỗ trợ quốc tế—việc định lượng phát thải và tìm giải pháp kỹ thuật giảm phát thải trong canh tác lúa là yêu cầu cấp bách. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là:

  • Thiếu các dữ liệu thực nghiệm đồng ruộng đồng thời về sự phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ dưới tác động của các dạng phân đạm chậm tan mới (chứa chất ức chế men urease) và các loại vật liệu hữu cơ (than sinh học, phân hữu cơ) trên các nhóm đất đặc trưng của vùng Đồng bằng sông Hồng.
  • Chưa có nghiên cứu tích hợp giữa số liệu quan trắc thực tế, mô hình sinh địa hóa (DNDC) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) để mô phỏng, thành lập bản đồ phân bố không gian phát thải KNK ở quy mô cấp tỉnh phục vụ công tác quản lý tại Nam Định.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu sự phát thải khí nhà kính ($\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) trong hệ canh tác lúa nước dưới ảnh hưởng của các loại phân đạm chậm tan, vật liệu hữu cơ qua khảo nghiệm một số công thức thí nghiệm trên quy mô đồng ruộng tại Nam Định.
  2. Mô phỏng và tính toán được lượng $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ phát thải từ các hệ thống cây trồng có lúa tại vùng ven biển và trên toàn tỉnh Nam Định.
  3. Đánh giá tiềm năng giảm phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ của các biện pháp canh tác cải tiến được xây dựng; từ đó đề xuất một số giải pháp giảm thiểu phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ tiềm năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Sự phát thải khí nhà kính ($\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) trong hệ canh tác đất lúa trên nền các vật liệu hữu cơ (phân chuồng, phân hữu cơ, than sinh học/biochar) và phân đạm chậm tan (Urea 46A+, Urea-NEB26) ở quy mô đồng ruộng.
  • Phạm vi không gian: Tỉnh Nam Định, đại diện cho hệ thống đất lúa vùng hạ lưu Đồng bằng sông Hồng. Địa điểm bố trí thí nghiệm thực địa gồm:
    • Xã Thịnh Long, huyện Hải Hậu: Đại diện cho nhóm đất phù sa điển hình, thành phần cơ giới nhẹ.
    • Nông trường Rạng Đông, huyện Nghĩa Hưng: Đại diện cho nhóm đất phù sa nhiễm mặn, thành phần cơ giới nặng.
    • Điểm tham chiếu: Xã Hải Phúc, huyện Hải Hậu (thu thập từ dự án do ADB tài trợ của Viện Môi trường Nông nghiệp, áp dụng công thức bón phân NPK chuẩn).
  • Phạm vi thời gian: Thí nghiệm đồng ruộng được theo dõi trong 2 vụ liên tiếp: Vụ Mùa 2014 và Vụ Xuân 2015.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu chính trong tài liệu tổng quan

Trong Chương 1, tác giả đã hệ thống hóa các tài liệu khoa học trong nước và quốc tế theo 5 nhóm chủ đề:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và tổ chức tiêu biểu Nội dung chính được điểm luận
Bản chất KNK và kiểm kê phát thải IPCC (2001, 2007, 2013); MONRE (2015, 2017); FAO (2015, 2017, 2018); World Bank (2010); Hannah Ritchie & Max Roser (2019). Nồng độ khí quyển, thời gian lưu và tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP); hiện trạng kiểm kê KNK quốc gia và toàn cầu trong lĩnh vực nông nghiệp.
Cơ chế hóa học và điện thế oxy hóa khử Patrick (1978); Ponnamperuma (1972); Yu et al.; Hou et al. (2000); Minamikawa (2006). Trình tự khử ion vô cơ theo điện thế Eh trong đất ngập nước; các ngưỡng thế oxy hóa khử chi phối hoạt động vi sinh vật sinh methane và chuyển hóa nitơ.
Quản lý nước và kỹ thuật tưới tiết kiệm Mai Văn Trịnh và cs. (2013, 2015, 2016); Phạm Phước Nhẫn và cs. (2013); Huỳnh Quang Tín và cs. (2015); Ngô Ngọc Hưng và cs. (2011); Towprayoon et al. (2005); Minamikawa (2018). Tác động của chế độ tưới khô ướt xen kẽ (AWD), kỹ thuật SRI đến quá trình ức chế vi sinh vật sinh $\text{CH}_4$ và nguy cơ gia tăng phát thải $\text{N}_2\text{O}$.
Quản lý phân bón và chất hữu cơ John Hassell (2013); Cai et al. (2007); Banger et al. (2012); Trần Viết Cường (2016); Lâm Văn Tân và cs. (2014); Nguyễn Thành Hối (2008); Lehmann et al. (2003, 2006); Zhang et al. (2011, 2012). Cơ chế ức chế enzyme urease của hoạt chất Agrotain; sự phân giải cácbon hữu cơ hòa tan (DOC); vai trò cố định dinh dưỡng và giảm phát thải khí của than sinh học (biochar).
Mô hình hóa sinh địa hóa và GIS Li et al. (1995, 2000); ISEOS (2007, 2012); Jagadeesh Babu et al. (2006); Trần Văn Thể và cs. (2017); Rosenstock et al. (2016). Cấu trúc mô hình DNDC; khả năng mô phỏng các dòng phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ từ dữ liệu đất, khí hậu và canh tác; liên kết GIS thành lập bản đồ phát thải.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các kỹ thuật như tưới ngập khô xen kẽ (AWD) đã được nghiên cứu nhiều tại Nam Bộ và một số tỉnh miền Bắc, việc khảo nghiệm các chế phẩm phân đạm chậm tan (Urea 46A+, Urea-NEB26) kết hợp với các nguồn vật liệu hữu cơ mới (than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp) trên các loại đất có tính chất cơ giới và độ mặn khác nhau tại vùng Đồng bằng sông Hồng còn thiếu số liệu đo đạc trực tiếp. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách đo đạc định lượng thực tế dòng khí phát thải, phân tích cơ chế hóa lý trong đất và ứng dụng mô hình DNDC được hiệu chỉnh từ số liệu địa phương để mô phỏng trên toàn bộ diện tích đất trồng lúa của tỉnh Nam Định.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế sinh $\text{CH}_4$ trong đất ngập nước: Khi đất lúa bị ngập nước, sự khuếch tán oxy bị ngăn cản, các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ hết oxy hòa tan, làm giảm điện thế oxy hóa khử (Eh). Theo Patrick (1978), các chất bị khử theo thứ tự: $\text{O}_2 \rightarrow \text{NO}_3^- \rightarrow \text{Mn}^{4+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} \rightarrow \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{CO}_2$. Khi Eh giảm xuống dưới -150 mV, vi sinh vật kỵ khí sinh methane (methanogens) sử dụng chất hữu cơ để sản sinh $\text{CH}_4$. Khí $\text{CH}_4$ được vận chuyển lên khí quyển chủ yếu qua hệ thống gian bào (aerenchyma) của cây lúa, sủi bọt hoặc khuếch tán.
  • Cơ chế phát thải $\text{N}_2\text{O}$: Quá trình hình thành $\text{N}_2\text{O}$ diễn ra thông qua hai phản ứng sinh hóa: nitrat hóa (nitrification: chuyển hóa $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_3^-$ trong điều kiện hiếu khí) và khử nitrat (denitrification: khử $\text{NO}_3^-$ thành $\text{N}_2$ trong điều kiện kỵ khí, với $\text{N}_2\text{O}$ là sản phẩm trung gian). Khi đất luân phiên ngập và rút nước, phát thải $\text{N}_2\text{O}$ có xu hướng tăng cao.
  • Chỉ số GWP và quy đổi $\text{CO}_2\text{e}$: Theo khung đánh giá của IPCC (2013), tiềm năng làm nóng toàn cầu trong khung thời gian 100 năm của $\text{CH}_4$ gấp 28 lần $\text{CO}_2$ và của $\text{N}_2\text{O}$ gấp 265 lần $\text{CO}_2$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp với điều tra xã hội học và mô hình hóa không gian:

  1. Thu thập dữ liệu sơ cấp và thứ cấp:

    • Điều tra 120 nông hộ tại các điểm nghiên cứu về hiện trạng sử dụng đất, tập quán bón phân, tưới tiêu, năng suất và nhận thức về biến đổi khí hậu (số liệu điều tra năm 2013).
    • Thu thập chuỗi số liệu khí tượng (nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ) giai đoạn 2014-2015 từ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Nam Định; số liệu bản đồ thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất (2015) từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nam Định.
  2. Bố trí thí nghiệm đồng ruộng:

    • Thí nghiệm 1 (Đạm chậm tan): Đánh giá ảnh hưởng của 3 nguồn phân đạm: Urea thông thường (đối chứng), Urea 46A+ (bổ sung hoạt chất ức chế Agrotain), và Urea-NEB26.
    • Thí nghiệm 2 (Vật liệu hữu cơ): Đánh giá tác động của 3 công thức: Đối chứng (chỉ bón phân khoáng NPK), Phân chuồng/hữu cơ hoai mục, Than sinh học (biochar sản xuất từ trấu/phụ phẩm).
    • Các công thức được bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD), lặp lại 3 lần trên cả 2 địa bàn: Thịnh Long (đất phù sa) và Rạng Đông (đất phù sa nhiễm mặn) trong 2 vụ liên tiếp (Mùa 2014 và Xuân 2015).
  3. Kỹ thuật quan trắc và đo đạc khí nhà kính:

    • Áp dụng phương pháp hộp thu khí kín (closed chamber method) theo quy trình chuẩn của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) và Viện Môi trường Nông nghiệp (Mai Văn Trịnh, 2016).
    • Hộp thu khí làm bằng vật liệu acrylic, có quạt khuấy khí và lớp cách nhiệt. Mẫu khí được lấy bằng xilanh chuyên dụng tại các thời điểm 0, 10, 20, 30 phút sau khi đóng nắp hộp, vào các khung giờ cố định trong ngày.
    • Mẫu khí được phân tích trên máy sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) sử dụng đầu dò FID (đo $\text{CH}_4$) và đầu dò ECD (đo $\text{N}_2\text{O}$). Tần suất lấy mẫu được phân bổ theo các giai đoạn sinh trưởng của lúa (DAT).
  4. Phân tích hóa lý đất:

    • Đo đạc các chỉ tiêu: Eh (điện cực redox tại hiện trường), pH, dung trọng, hàm lượng cácbon hữu cơ tổng số (SOC), cácbon hữu cơ hòa tan (DOC), đạm tổng số, khả năng trao đổi cation (CEC) và độ mặn ($EC_e$).
  5. Ứng dụng mô hình DNDC và công nghệ GIS:

    • Mô hình DNDC (DeNitrification-DeComposition phiên bản 9.5) được thiết lập thông số đầu vào gồm: khí hậu hàng ngày, tính chất vật lý - hóa học các loại đất tại Nam Định và tập quán canh tác thực tế.
    • Kiểm định và hiệu chỉnh mô hình thông qua so sánh đối chứng giữa kết quả mô phỏng với số liệu đo đạc thực tế tại 3 điểm (Thịnh Long, Rạng Đông, Hải Phúc).
    • Liên kết kết quả mô hình với phần mềm ArcGIS để xây dựng các bản đồ chuyên đề: phân vùng khí hậu, hiện trạng đất lúa, bản đồ phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ và tổng lượng $\text{CO}_2\text{e}$ trên toàn địa bàn tỉnh Nam Định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tập trung tổng kết cơ sở lý luận về khí nhà kính và biến đổi khí hậu; hiện trạng sản xuất lúa và lượng phát thải KNK ở cấp độ toàn cầu, khu vực và Việt Nam.

  • Biến động nồng độ khí nhà kính: Trình bày số liệu lịch sử từ thời kỳ tiền công nghiệp đến năm 2011 theo Báo cáo Đánh giá lần thứ 5 của IPCC (2013):
Khí nhà kính Nồng độ thời tiền công nghiệp (ppm) Nồng độ năm 2011 (ppm) Thời gian tồn tại trong khí quyển (năm)
Carbon dioxide ($\text{CO}_2$) 280 391 5 – 200
Methane ($\text{CH}_4$) 0,715 1,803 12
Nitrous oxide ($\text{N}_2\text{O}$) 0,270 0,324 114
  • Phát thải từ sản xuất lúa: Nêu rõ các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ phát thải KNK trong ruộng lúa gồm: loại đất, độ mặn, nhiệt độ, chế độ nước ngập, loại phân bón vô cơ, việc quản lý rơm rạ và các tàn dư hữu cơ.
  • Chính sách quốc gia: Phân tích Chiến lược quốc gia về BĐKH, các kịch bản phát thải theo Báo cáo cập nhật hai năm một lần (BUR1, BUR2) của Bộ Tài nguyên và Môi trường gửi Ban Thư ký UNFCCC.
  • Biện pháp quản lý kỹ thuật: Đánh giá các giải pháp giảm thiểu: tưới khô ướt xen kẽ (AWD), quản lý cây trồng tổng hợp (ICM), hệ thống canh tác lúa cải tiến (SRI), bón phân theo vùng đặc thù (SSNM) và sử dụng phân đạm có hoạt chất ức chế men urease (Agrotain).

Chương 2: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp luận, bố trí thực nghiệm và các công cụ phân tích:

  • Đặc điểm địa bàn nghiên cứu: Phân tích sự khác biệt về thổ nhưỡng giữa Thịnh Long (đất phù sa ven sông, thoát nước tốt hơn) và Rạng Đông (đất phù sa chua mặn, thành phần sét cao, khả năng thoát khí kém).
  • Quy trình thí nghiệm: Thiết lập các công thức bón phân với liều lượng chuẩn hóa (NPK cân đối). Thí nghiệm phân đạm chậm tan thử nghiệm Urea 46A+ (chứa hoạt chất NBPT - $N$-(n-butyl) thiophosphoric triamide) và Urea-NEB26 nhằm giảm tốc độ thủy phân ure thành amoni. Thí nghiệm hữu cơ so sánh phân chuồng hoai mục với than sinh học (biochar).
  • Lấy mẫu khí: Mô tả chi tiết quy cách hộp thu khí kín, vị trí cắm chân đế trong ruộng lúa, cách thức lấy mẫu khí định kỳ theo lịch thời vụ (vụ Mùa từ tháng 7 đến tháng 10, vụ Xuân từ tháng 2 đến tháng 6).
  • Quy trình mô hình hóa: Mô tả sơ đồ khối tích hợp mô hình DNDC với các lớp dữ liệu không gian trong GIS (bản đồ đất, bản đồ nhiệt độ, lượng mưa, hệ số phân bón) để mô phỏng phát thải KNK trên diện rộng.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và mô phỏng:

  1. Hiện trạng canh tác và sử dụng phân bón tại Nam Định:

    • Dữ liệu điều tra cho thấy diện tích đất lúa của tỉnh giai đoạn 2010-2015 duy trì quanh mức 75.000 - 78.000 ha. Nông dân địa phương có xu hướng bón thừa phân đạm vô cơ (từ 110 đến 140 kg N/ha), tỷ lệ sử dụng phân hữu cơ giảm, trong khi tập quán vùi rơm rạ tươi ngay sau thu hoạch vụ trước còn phổ biến.
  2. Ảnh hưởng của phân đạm chậm tan đến phát thải khí nhà kính:

    • Phát thải $\text{CH}_4$: Việc sử dụng Urea 46A+ và Urea-NEB26 không làm thay đổi đáng kể tổng lượng phát thải $\text{CH}_4$ so với bón Urea thông thường, do cơ chế phát thải $\text{CH}_4$ chủ yếu phụ thuộc vào chế độ nước ngập và cơ chất carbon trong đất.
    • Phát thải $\text{N}_2\text{O}$: Phân đạm chậm tan làm giảm rõ rệt đỉnh phát thải $\text{N}_2\text{O}$ sau các đợt bón thúc. Hoạt chất Agrotain làm chậm quá trình thủy phân urea, duy trì nồng độ amoni ở mức vừa phải, giảm lượng cơ chất cung cấp cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Tổng phát thải $\text{N}_2\text{O}$ ở các công thức bón Urea 46A+ giảm từ 15% đến 25% so với Urea thông thường trên cả hai vụ và hai điểm nghiên cứu.
    • Tổng phát thải quy đổi $\text{CO}_2\text{e}$: Nhờ giảm $\text{N}_2\text{O}$, tổng lượng phát thải tính theo $\text{CO}_2\text{e}$ của các công thức phân đạm chậm tan giảm có ý nghĩa so với đối chứng.
  3. Ảnh hưởng của các vật liệu hữu cơ đến phát thải khí nhà kính:

    • Phát thải $\text{CH}_4$: Bón phân chuồng và vùi rơm rạ tươi làm tăng đột biến cường độ phát thải $\text{CH}_4$ (tăng từ 30% đến 60% so với đối chứng không bón hữu cơ), đặc biệt trong điều kiện ngập nước liên tục ở giai đoạn đầu vụ (đẻ nhánh). Ngược lại, công thức sử dụng than sinh học (biochar) có lượng phát thải $\text{CH}_4$ thấp hơn đáng kể so với phân chuồng, do cấu trúc xốp của biochar giúp cải thiện độ thoáng khí của đất và tăng cường hoạt động của vi sinh vật oxy hóa methane (methanotrophs).
    • Phát thải $\text{N}_2\text{O}$: Than sinh học giúp cố định một phần đạm khoáng trong đất, giảm thất thoát $\text{N}_2\text{O}$ so với việc bón phân chuồng tươi.
  4. Tác động đến năng suất lúa:

    • Các công thức sử dụng đạm chậm tan (Urea 46A+) duy trì hoặc tăng nhẹ năng suất lúa (tăng từ 3,5% đến 6,2%) so với bón Urea thường, do cây lúa hấp thu dinh dưỡng đạm đều đặn theo các giai đoạn sinh trưởng, giảm hiện tượng mất phân do bay hơi hoặc rửa trôi.
    • Bón than sinh học kết hợp NPK vô cơ cho năng suất tương đương hoặc cao hơn nhẹ so với bón phân chuồng truyền thống.
  5. Kết quả mô phỏng DNDC và xây dựng bản đồ phát thải:

    • Kiểm định mô hình: Hệ số tương quan giữa số liệu phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ đo đạc thực tế tại hiện trường với số liệu mô phỏng từ mô hình DNDC đạt độ tin cậy cao ($R^2 > 0,75 - 0,85$), khẳng định mô hình DNDC phù hợp để mô phỏng phát thải khí nhà kính cho đất lúa Nam Định.
    • Bản đồ phát thải cấp tỉnh: Luận án đã thành lập hệ thống bản đồ phân bố không gian:
      • Phát thải $\text{CH}_4$ tập trung cao nhất ở các huyện phía nam tỉnh (Hải Hậu, Nghĩa Hưng, Giao Thủy) tại các vùng đất phù sa nhiễm mặn, trũng thấp có thời gian ngập nước dài.
      • Phát thải $\text{N}_2\text{O}$ cao hơn ở các huyện phía bắc tỉnh, nơi có địa hình cao hơn và áp dụng chế độ tưới tiêu chủ động xen kẽ rút nước.
  6. Đề xuất giải pháp giảm phát thải:

    • Tác giả đề xuất quy trình canh tác tổng hợp: Thay thế urea thường bằng urea chậm tan (giảm 10-15% lượng đạm nguyên chất); chuyển đổi tập quán xử lý tàn dư rơm rạ sang ủ hoai mục hoặc nhiệt phân thành than sinh học; kết hợp áp dụng kỹ thuật tưới khô ướt xen kẽ (AWD) trong các vùng thủy lợi chủ động.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm định lượng về dòng phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ trên hai nhóm đất đại diện (đất phù sa và đất phù sa nhiễm mặn) tại vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng dưới tác động của các loại phân đạm chậm tan (Urea 46A+, Urea-NEB26) và các dạng vật liệu hữu cơ khác nhau.
  2. Làm rõ cơ chế giảm phát thải $\text{N}_2\text{O}$ của phân đạm chậm tan chứa chất ức chế urease (Agrotain) trong môi trường đất lúa ngập nước, chứng minh tính khả thi của việc giảm phát thải KNK mà không làm suy giảm năng suất lúa.
  3. Ứng dụng thành công phương pháp tích hợp giữa mô hình sinh địa hóa DNDC và GIS để lượng hóa và số hóa phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ và tổng lượng $\text{CO}_2\text{e}$ dưới dạng bản đồ chuyên đề ở cấp độ toàn tỉnh.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Giải pháp bón phân: Khuyến cáo áp dụng phân đạm chậm tan (Urea 46A+) nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng đạm, giảm lượng bón từ 10% đến 20%, giảm phát thải $\text{N}_2\text{O}$ từ 15% đến 25%.
  • Quản lý chất hữu cơ: Hạn chế vùi rơm rạ tươi trực tiếp vào đất lúa ngập nước; khuyến khích áp dụng công nghệ nhiệt phân phụ phẩm thành than sinh học (biochar) để bón cho đất nhằm cải tạo đất nhiễm mặn và giảm phát thải $\text{CH}_4$.
  • Cơ sở xây dựng kế hoạch hành động: Bản đồ phát thải KNK cấp tỉnh cung cấp công cụ trực quan giúp các cơ quan quản lý nông nghiệp và tài nguyên môi trường tại Nam Định xác định các khu vực ưu tiên để triển khai các dự án giảm phát thải theo kế hoạch thực hiện NDC quốc gia.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Dữ liệu quan trắc thực địa tập trung trong 2 vụ liên tiếp (Mùa 2014 và Xuân 2015), do đó chưa phản ánh hết các biến động thời tiết cực đoan qua chuỗi nhiều năm.
    • Các công thức thí nghiệm tập trung chủ yếu vào yếu tố phân bón (đạm chậm tan, vật liệu hữu cơ) trên nền chế độ nước cố định tại địa phương, chưa mở rộng nghiên cứu ma trận kết hợp đa yếu tố đồng thời giữa tất cả các chế độ tưới nước (AWD các mức độ) với các mức phân bón khác nhau.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiếp tục quan trắc dài hạn để đánh giá sự tích lũy cácbon hữu cơ (SOC) và biến động phát thải KNK khi bón than sinh học liên tục qua nhiều năm.
    • Mở rộng phạm vi mô phỏng DNDC và GIS cho các hệ thống luân canh lúa - màu (lúa - ngô, lúa - rau) trên toàn vùng Đồng bằng sông Hồng.
    • Đánh giá hiệu quả kinh tế - xã hội và chi phí giảm thiểu (marginal abatement cost) khi áp dụng diện rộng các gói kỹ thuật phân bón chậm tan và than sinh học cho nông hộ.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Nông hóa – Thổ nhưỡng, Biến đổi khí hậu và Quản lý tài nguyên đất: Tham khảo phương pháp thu mẫu khí bằng buồng kín, kỹ thuật phân tích GC, phương pháp chuẩn hóa dữ liệu cho mô hình DNDC và xử lý không gian bằng GIS.
    • Các nhà hoạch định chính sách tại Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Nam Định: Sử dụng số liệu và bản đồ phát thải để xây dựng kịch bản giảm nhẹ KNK cấp địa phương phục vụ mục tiêu NDC.
    • Hệ thống khuyến nông và các tổ chức phát triển nông nghiệp bền vững: Tiếp nhận cơ sở khoa học để hoàn thiện quy trình canh tác lúa thông minh thích ứng với biến đổi khí hậu (CSA).
  • Phần đáng tham khảo: Phương pháp đo đạc khí nhà kính đồng ruộng tại Chương 2 và bộ dữ liệu so sánh phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ theo từng công thức phân bón tại Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án nghiên cứu những loại khí nhà kính nào và trên những nhóm đất nào tại Nam Định?

Luận án tập trung đo đạc và mô phỏng 2 loại khí nhà kính chính phát sinh từ đất canh tác lúa nước là methane ($\text{CH}_4$) và nitrous oxide ($\text{N}_2\text{O}$), sau đó quy đổi về tổng lượng phát thải carbon dioxide tương đương ($\text{CO}_2\text{e}$). Nghiên cứu được tiến hành trên 2 nhóm đất chính của tỉnh Nam Định: đất phù sa điển hình (tại xã Thịnh Long, huyện Hải Hậu) và đất phù sa nhiễm mặn (tại Nông trường Rạng Đông, huyện Nghĩa Hưng).

2. Các loại phân bón và vật liệu thử nghiệm cụ thể trong luận án gồm những gì?

  • Phân đạm chậm tan: Urea thông thường (đối chứng), Urea 46A+ (chứa hoạt chất ức chế urease Agrotain) và Urea-NEB26.
  • Vật liệu hữu cơ: Đối chứng không bón hữu cơ, Phân chuồng hoai mục và Than sinh học (biochar sản xuất từ phụ phẩm nông nghiệp).

3. Mô hình toán học nào được tác giả sử dụng để mô phỏng phát thải và kiểm định ra sao?

Tác giả sử dụng mô hình sinh địa hóa DNDC (DeNitrification-DeComposition, phiên bản 9.5). Mô hình được kiểm định bằng cách so sánh các giá trị phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ tính toán từ mô hình với chuỗi số liệu đo đạc thực tế tại 3 điểm (Thịnh Long, Rạng Đông và Hải Phúc), cho kết quả tương quan tốt ($R^2$ đạt từ 0,75 đến 0,85).

4. Canh tác lúa nước đóng góp bao nhiêu vào tổng lượng phát thải khí nhà kính nông nghiệp Việt Nam theo dữ liệu nêu trong luận án?

Theo số liệu từ Báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2015) và World Bank được trích dẫn trong luận án, năm 2013 lĩnh vực nông nghiệp phát thải 89,4 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ (chiếm 27,9% tổng phát thải quốc gia chưa tính LULUCF). Trong đó, canh tác lúa nước là nguồn lớn nhất, phát thải 44,1 triệu tấn $\text{CO}_2\text{e}$ vào năm 2010, chiếm 49,3% tổng lượng phát thải của toàn ngành nông nghiệp.

5. Dự án nào đã tài trợ và hỗ trợ nghiên cứu sinh thực hiện đề tài luận án này?

Đề tài được thực hiện trong khuôn khổ dự án hợp tác quốc tế ClimaViet mang tên: "Biến đổi khí hậu và những tác động đến sản xuất lúa tại Việt Nam: Thử nghiệm các giải pháp tiềm năng về thích ứng và giảm thiểu" do Đại sứ quán Na Uy tài trợ, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam chủ trì trong giai đoạn 2014-2016. Ngoài ra, tác giả có tham khảo số liệu từ dự án canh tác lúa bền vững vùng Đồng bằng sông Hồng do Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) tài trợ tại Viện Môi trường Nông nghiệp.


Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Lê Trang đã định lượng được dòng phát thải khí nhà kính ($\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$) trong canh tác lúa nước tại Nam Định trên các nhóm đất phù sa và phù sa nhiễm mặn. Kết quả thực nghiệm khẳng định việc ứng dụng phân đạm chậm tan (Urea 46A+) giúp giảm 15-25% phát thải $\text{N}_2\text{O}$ và duy trì năng suất lúa, trong khi than sinh học (biochar) thể hiện ưu thế kiểm soát phát thải $\text{CH}_4$ so với việc bón phân chuồng và vùi rơm rạ tươi. Việc tích hợp thành công mô hình sinh địa hóa DNDC và GIS đã cho phép lượng hóa và xây dựng hệ thống bản đồ phát thải khí nhà kính cấp tỉnh, cung cấp cơ sở khoa học trực quan phục vụ việc thực hiện cam kết Đóng góp quốc gia tự quyết định (NDC) trong lĩnh vực nông nghiệp tại Việt Nam.