Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát thải khí ch4 và n2o trong lĩnh vực trồng trọt vùng đồng bằng sông hồng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát thải khí CH4 và N2O trong trồng trọt vùng đồng bằng sông Hồng, góp phần bảo vệ môi trường nông nghiệp.

• Tác giả: Bùi Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Mai Văn Trịnh
• Trường học: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu phát thải khí CH4 và N2O trong trồng trọt tại đồng bằng sông Hồng
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT
• 1.1. Tổng quan về phát thải khí nhà kính
• 1.2. Một số khái niệm
• 1.3. Nguyên nhân và các nguồn phát thải khí nhà kính
• 1.4. Hiện trạng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt
• 1.5. Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH4 và N2O
• 1.6. Tổng quan về phương pháp quan trắc tính toán phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt
• 1.7. Phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa
• 1.8. Phát thải khí nhà kính từ canh tác cây trồng cạn hàng năm
• 1.9. Tổng quan về phương pháp mô hình hoá và phân tích không gian tính toán phát thải KNK trong lĩnh vực trồng trọt
• 1.10. Các mô hình tiềm năng có thể sử dụng tính toán phát thải khí nhà kính
• 1.11. Kết hợp sử dụng mô hình DNDC và phân tích không gian trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính trên Thế giới
• 1.12. Kết hợp mô hình DNDC và phân tích không gian trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính tại Việt Nam
• 1.13. Tổng quan hiện trạng các biện pháp canh tác giảm phát thải khí nhà kính tại vùng đồng bằng sông Hồng
• 1.14. Hiện trạng các biện pháp canh tác lúa giảm phát thải khí nhà kính
• 1.15. Hiện trạng các biện pháp canh tác cây trồng cạn hàng năm giảm phát thải khí nhà kính
• 1.16. Tổng quan vùng đồng bằng sông Hồng
• 1.17. Vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên
• 1.18. Hiện trạng sử dụng đất vùng đồng bằng sông Hồng
• 1.19. Tính chất đất vùng đồng bằng sông Hồng
• 1.20. TIỂU KẾT CHƯƠNG I
• 2. CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT TẠI VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
• 2.1. Trình tự các bước tiến hành nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp thu thập và tổng hợp số liệu
• 2.4. Phương pháp quan trắc, lấy mẫu và phân tích mẫu khí
• 2.5. Phương pháp lấy mẫu đất và phân tích mẫu đất
• 2.6. Phương pháp mô hình hóa sử dụng mô hình DNDC
• 2.7. Phương pháp phân tích không gian sử dụng hệ thống thông tin địa lý
• 2.8. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.9. TIỂU KẾT CHƯƠNG II
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ ĐẤT TRỒNG LÚA VÀ CÂY TRỒNG CẠN HÀNG NĂM TẠI VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
• 3.1. Đặc tính lý hóa của đất tại các điểm thí nghiệm
• 3.2. Phát thải CH4 và N2O từ đất trồng lúa và ngô tại các điểm thí nghiệm
• 3.3. Phát thải CH4 từ đất trồng lúa
• 3.4. Phát thải N2O từ đất trồng lúa
• 3.5. Diễn biến phát thải CH4 và N2O từ bốn loại đất chính trồng lúa
• 3.6. Phát thải N2O từ cây ngô trên đất phù sa sông Hồng
• 3.7. Đánh giá độ nhạy, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình DNDC phục vụ tính toán phát thải khí nhà kính
• 3.7.1. Độ nhạy của các thông số đối với phát thải CH4
• 3.7.2. Độ nhạy của các thông số đối với phát thải N2O
• 3.7.3. Hiệu chỉnh mô hình DNDC phục vụ tính toán phát thải KNK
• 3.7.4. Bộ thông số sau khi hiệu chỉnh mô hình DNDC
• 3.7.5. Kiểm định mô hình DNDC
• 3.8. Xây dựng bộ số liệu đầu vào cho mô hình
• 3.8.1. Số liệu khí tượng
• 3.8.2. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất vùng Đồng bằng sông Hồng
• 3.8.3. Bản đồ đất vùng Đồng bằng sông Hồng
• 3.8.4. Bản đồ tổ hợp Khí tượng - Đất - Sử dụng đất
• 3.9. Phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm theo không gian
• 3.9.1. Phát thải khí nhà kính theo loại đất
• 3.9.2. Tiềm năng nóng lên toàn cầu
• 3.9.3. Bản đồ phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm vùng Đồng bằng sông Hồng
• 3.10. TIỂU KẾT CHƯƠNG III
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt

Nghiên cứu về phát thải khí nhà kính (KNK) trong lĩnh vực trồng trọt tại vùng đồng bằng sông Hồng đã chỉ ra rằng, khí metan (CH4) và khí nitrous oxide (N2O) là hai loại khí chính phát thải từ hoạt động nông nghiệp. Theo số liệu thống kê, phát thải từ ngành nông nghiệp chiếm khoảng 27,92% tổng lượng phát thải KNK quốc gia, trong đó CH4 từ canh tác lúa nước đóng góp 49,4%. Việc hiểu rõ cơ chế hình thành và giải phóng các loại khí này là rất quan trọng để có thể đưa ra các biện pháp giảm thiểu hiệu quả. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, các yếu tố như phương pháp canh tác, loại đất và điều kiện khí hậu đều ảnh hưởng đến lượng phát thải khí nhà kính. Do đó, việc áp dụng các công nghệ xanh trong nông nghiệp là cần thiết để giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.1. Nguyên nhân và các nguồn phát thải khí nhà kính

Các nguồn phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp chủ yếu đến từ việc sử dụng phân bón và các hoạt động canh tác. Việc bón phân quá mức không chỉ làm tăng lượng N2O phát thải mà còn ảnh hưởng đến chất lượng đất. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng các biện pháp canh tác bền vững có thể giảm thiểu đáng kể lượng khí thải này. Các biện pháp như giảm bón phân hóa học, sử dụng phân hữu cơ và áp dụng công nghệ canh tác thông minh có thể giúp cải thiện tình hình phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.

1.2. Hiện trạng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt

Tại vùng đồng bằng sông Hồng, hiện trạng phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa và cây trồng cạn hàng năm đang ở mức cao. Các nghiên cứu cho thấy, lượng phát thải CH4 từ đất trồng lúa có thể lên tới hàng trăm kg/ha/năm. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn tác động đến sức khỏe của người dân. Việc theo dõi và đánh giá thường xuyên tình trạng phát thải khí nhà kính là cần thiết để có thể đưa ra các giải pháp kịp thời nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Phương pháp nghiên cứu phát thải khí nhà kính

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận án này bao gồm việc thu thập và phân tích số liệu từ các điểm quan trắc tại vùng đồng bằng sông Hồng. Các phương pháp như quan trắc, lấy mẫu và phân tích mẫu khí được thực hiện để xác định lượng phát thải CH4 và N2O từ đất trồng lúa và cây trồng cạn. Mô hình DNDC (DeNitrification-DeComposition) được sử dụng để tính toán phát thải khí nhà kính, cho phép đánh giá chính xác lượng khí thải theo không gian và thời gian. Việc áp dụng mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng phát thải khí nhà kính từ các hệ sinh thái nông nghiệp.

2.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp số liệu

Việc thu thập số liệu được thực hiện thông qua các trạm quan trắc khí tượng và các điểm nghiên cứu cụ thể. Số liệu khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, và lượng mưa được ghi nhận để phục vụ cho việc phân tích. Bên cạnh đó, các thông tin về loại đất, phương pháp canh tác cũng được tổng hợp để đánh giá ảnh hưởng đến phát thải khí nhà kính. Sự kết hợp giữa số liệu thực địa và mô hình hóa giúp cung cấp cái nhìn tổng quan về tình trạng phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.

2.2. Phương pháp mô hình hóa và phân tích không gian

Mô hình DNDC được áp dụng để tính toán phát thải khí nhà kính từ các loại đất trồng lúa và cây trồng cạn. Mô hình này cho phép đánh giá sự thay đổi của phát thải khí theo thời gian và không gian, từ đó đưa ra các kịch bản phát thải khác nhau. Phân tích không gian cũng giúp xác định các vùng có mức phát thải cao, từ đó đề xuất các biện pháp giảm thiểu hiệu quả. Việc sử dụng công nghệ GIS trong nghiên cứu cũng giúp tạo ra bản đồ phát thải khí nhà kính, hỗ trợ cho công tác quản lý và quy hoạch nông nghiệp.

III. Kết quả nghiên cứu phát thải khí nhà kính

Kết quả nghiên cứu cho thấy, lượng phát thải CH4 và N2O từ đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm tại vùng đồng bằng sông Hồng có sự biến động lớn theo từng mùa vụ. Đặc biệt, phát thải CH4 từ đất trồng lúa trong mùa mưa cao hơn so với mùa khô. Điều này cho thấy, điều kiện khí hậu và phương pháp canh tác có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng phát thải khí nhà kính. Các số liệu thu thập được sẽ là cơ sở để xây dựng các phương án giảm phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.

3.1. Đặc tính lý hóa của đất tại các điểm thí nghiệm

Đặc tính lý hóa của đất tại các điểm thí nghiệm cho thấy, đất phù sa có khả năng phát thải khí nhà kính cao hơn so với các loại đất khác như đất xám hay đất mặn. Các yếu tố như độ pH, độ ẩm và hàm lượng hữu cơ trong đất đều ảnh hưởng đến khả năng phát thải khí CH4 và N2O. Việc hiểu rõ đặc tính của từng loại đất sẽ giúp đưa ra các biện pháp canh tác phù hợp nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

3.2. Đánh giá độ nhạy và hiệu chỉnh mô hình DNDC

Đánh giá độ nhạy của các thông số trong mô hình DNDC cho thấy, các yếu tố như hàm lượng phân bón, độ ẩm đất và nhiệt độ đều có ảnh hưởng lớn đến phát thải khí nhà kính. Việc hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực địa giúp cải thiện độ chính xác trong việc tính toán phát thải khí. Kết quả này sẽ là cơ sở để xây dựng các kịch bản phát thải khí nhà kính trong tương lai, từ đó đề xuất các giải pháp giảm phát thải hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường (mã số: 9850101) với đề tài "Nghiên cứu phát thải khí CH4 và N2O trong lĩnh vực trồng trọt vùng Đồng bằng sông Hồng" do nghiên cứu sinh Bùi Thị Thu Trang thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu (Bộ Tài nguyên và Môi trường), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Mai Văn Trịnh và TS. Đinh Thái Hưng, bảo vệ năm 2021.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sản xuất nông nghiệp vừa là đối tượng chịu tác động nặng nề của biến đổi khí hậu, vừa là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) lớn. Theo Báo cáo Kiểm kê KNK Quốc gia năm 2014 do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2019, tổng phát thải từ lĩnh vực nông nghiệp của Việt Nam đạt 89.751,8 nghìn tấn CO2 tương đương ($CO_2tđ$), chiếm 27,92% tổng lượng phát thải KNK toàn quốc. Trong đó, phát thải khí mê-tan ($CH_4$) từ canh tác lúa nước ngập chiếm 49,4% (đạt 44,2 triệu tấn $CO_2tđ$) và phát thải oxit nitơ ($N_2O$) từ đất nông nghiệp chiếm 27,8% (đạt 23,95 triệu tấn $CO_2tđ$) tổng phát thải ngành nông nghiệp.

Mặc dù Việt Nam đã tham gia các cam kết quốc tế về giảm nhẹ phát thải KNK (đặt mục tiêu đến năm 2030 giảm 8% bằng nguồn lực trong nước và có thể nâng lên 25% khi có hỗ trợ quốc tế), công tác kiểm kê KNK từ năm 1994 đến Thông báo Quốc gia lần thứ ba vẫn chủ yếu dựa trên phương pháp bậc 1 (Tier 1) với hệ số phát thải mặc định của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC, 1997). Phương pháp này không phản ánh được sự khác biệt về điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, loại cây trồng, chế độ tưới tiêu và mức độ thâm canh giữa các tiểu vùng sinh thái. Trong khi việc quan trắc trực địa trên diện rộng đòi hỏi chi phí và nguồn lực lớn, việc ứng dụng mô hình sinh thái kết hợp phân tích không gian là hướng tiếp cận cần thiết để lượng hóa chính xác phát thải KNK theo cả không gian và thời gian. Vùng Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là trọng điểm sản xuất lúa và cây màu nhưng còn thiếu các bộ dữ liệu phát thải chi tiết theo từng loại đất và tiểu vùng khí hậu.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu cụ thể:

1. Xác định được lượng phát thải khí nhà kính từ hoạt động canh tác lúa và các cây trồng cạn hàng năm tại vùng Đồng bằng sông Hồng.
2. Xây dựng được bản đồ phát thải khí nhà kính cho các vùng trồng lúa và các cây trồng cạn hàng năm theo các điều kiện khí hậu và đất đai khác nhau tại vùng Đồng bằng sông Hồng.

Các luận điểm bảo vệ

Tác giả xây dựng ba luận điểm bảo vệ chính:

• (1) Phát thải khí nhà kính có thể khác nhau theo không gian, tùy thuộc vào sự khác nhau của các điều kiện khí hậu, loại đất, cây trồng và biện pháp canh tác (quản lý nước, phân bón), và từ đó có thể định lượng, xác định được sự phân bố của chúng.
• (2) Tốc độ phát thải khí nhà kính thay đổi theo thời gian, các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng, theo sự thay đổi của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, lượng mưa, bốc thoát hơi, chế độ nước, pH môi trường, chế độ bón phân.
• (3) Có thể tính phát thải khí nhà kính một cách chính xác cho mọi điểm trong không gian khi có các dữ liệu về khí hậu, thổ nhưỡng, cây trồng và các hoạt động canh tác, đặc biệt khi có các số liệu quan trắc thực địa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Khí mê-tan ($CH_4$) và khí oxit nitơ ($N_2O$) phát sinh từ đất trồng lúa nước; khí oxit nitơ ($N_2O$) phát thải từ đất trồng ngô và cây trồng cạn hàng năm. Các loại cây trồng khảo sát gồm cây lúa, cây ngô (giống LVN17) và các cây trồng cạn hàng năm khác. Các nhóm đất chính gồm đất phù sa, đất xám bạc màu, đất mặn và đất phèn thuộc vùng ĐBSH.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ vùng Đồng bằng sông Hồng. Các điểm bố trí thí nghiệm quan trắc thực địa đại diện đặt tại:
  • Hà Nội: Huyện Thanh Trì (đất phù sa, 2 vụ lúa), huyện Sóc Sơn (đất xám bạc màu, 2 vụ lúa), huyện Đan Phượng (đất phù sa, chuyên canh ngô).
  • Nam Định: Thị trấn Thịnh Long, huyện Hải Hậu (đất phù sa, 2 vụ lúa); xã Hải Phúc, huyện Hải Hậu (đất mặn, 2 vụ lúa); huyện Nghĩa Hưng (đất mặn, 2 vụ lúa).
  • Thái Bình: Thành phố Thái Bình (đất phèn, 2 vụ lúa); huyện Vũ Thư (đất phù sa, 2 vụ lúa); huyện Kiến Xương (đất phù sa, luân canh 2 vụ lúa - 1 vụ màu); huyện Tiền Hải (đất mặn, 2 vụ lúa).
  • Hải Dương: Huyện Nam Sách (đất phù sa, luân canh 2 vụ lúa - 1 vụ màu).
• Phạm vi thời gian: Số liệu và quá trình nghiên cứu thực hiện từ tháng 01/2016 đến tháng 10/2021; chuỗi số liệu khí hậu sử dụng giai đoạn 2010–2020.

Nội dung nghiên cứu chính

1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về phát thải KNK trong lĩnh vực trồng trọt trên thế giới và tại Việt Nam.
2. Xây dựng phương pháp luận tính toán lượng phát thải $CH_4$ và $N_2O$ từ đất trồng lúa và cây trồng cạn theo điều kiện khí hậu, đất đai và không gian.
3. Nghiên cứu thực trạng và diễn biến phát thải $CH_4$, $N_2O$ từ lúa và ngô tại các điểm quan trắc thực địa đại diện ở ĐBSH.
4. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu đầu vào theo không gian (khí tượng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ đất, bản đồ tổ hợp Khí tượng – Đất – Sử dụng đất).
5. Nghiên cứu cơ chế vận hành của mô hình DNDC, đánh giá độ nhạy thông số, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình phục vụ tính toán phát thải KNK cho cây trồng tại vùng ĐBSH.
6. Tính toán, lượng hóa mức phát thải KNK và xây dựng bản đồ phân bố phát thải KNK cho đất trồng lúa và cây trồng cạn toàn vùng ĐBSH.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

Tác giả hệ thống hóa các nghiên cứu về cơ chế, phương pháp đo đạc và mô hình hóa phát thải KNK trong nông nghiệp:

• Về tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP): Luận án trích dẫn các hệ số quy đổi $GWP_{100}$ qua các Báo cáo Đánh giá của IPCC (SAR 1995, AR4 2007, AR5 2014), trong đó chỉ ra theo AR5, tiềm năng giữ nhiệt của $CH_4$ gấp 28 lần $CO_2$ và của $N_2O$ gấp 265 lần $CO_2$.

Khí nhà kính	Công thức hóa học	SAR (IPCC, 1995)	AR4 (IPCC, 2007)	AR5 (IPCC, 2014)
Các-bon đioxit	$CO_2$	1	1	1
Mê-tan	$CH_4$	21	25	28
Nitơ oxit	$N_2O$	310	298	265

• Về cơ chế phát sinh và con đường thoát khí:
  • Khí $CH_4$: Được sinh ra do sự phân hủy kị khí chất hữu cơ khi thế oxy hóa khử đất hạ thấp ($Eh < -150\text{ mV}$) thông qua hai con đường hóa sinh chính: phản ứng khử $CO_2$ với $H_2$ ($CO_2 + 4H_2 \rightarrow CH_4 + 2H_2O$) và phản ứng khử nhóm carboxyl của axit axetic ($CH_3COOH \rightarrow CH_4 + CO_2$) (Conrad, 2002; Angenent, 2004; Patrick, 1978). Trong ruộng lúa ngập nước, $CH_4$ thoát vào khí quyển qua ba cơ chế: bọt khí (chiếm 8–9%, Butterbach-Bahl và cs, 1997), khuếch tán qua bề mặt nước (chiếm 1–2%, Daniel và cs, 1983) và vận chuyển qua hệ mô khí (aerenchyma) của thân cây lúa (chiếm tới 90%, Seiler, 1978; Cicerone và Shetter, 1981; Schütz và cs, 1989; Yagi, 1997).
  • Khí $N_2O$: Hình thành qua hai quá trình sinh học gồm nitrat hóa hiếu khí từ $NH_4^+$ thành $NO_2^-$ và $NO_3^-$ (do vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện) và phản nitrat hóa kị khí từ $NO_3^-$ thành $NO_2^-$, $NO$, $N_2O$, $N_2$ (do vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus thực hiện) (Hua và cs, 1997; Fillery và cs, 1984; Ngô Ngọc Hưng, 2009; Wassmann, 2000). Trên đất ngập, hơn 80% $N_2O$ thoát qua mô khí cây lúa, còn trên đất cạn, khí khuếch tán trực tiếp qua các khe nứt và khoang rỗng của đất mặt.
• Về quan trắc thực nghiệm:
  • Nghiên cứu quốc tế: Koyama (1963) lần đầu tính toán phát thải $CH_4$ từ lúa nước tại Nhật Bản; Ehhalt và Schmidt (1978), Cicerone và Shetter (1981), Seiler (1984), Schutz (1989), IPCC (1997) xác định tổng lượng phát thải $CH_4$ từ lúa toàn cầu đạt 20–100 triệu tấn/năm. Phương pháp buồng kín tĩnh được chuẩn hóa bởi Rolston (1986) và hướng dẫn của Viện Nghiên cứu Môi trường Nhật Bản (2015). Đối với cây trồng cạn, các nghiên cứu của Hutchinson và Mosier (1981), Ortiz-Gonzalo và cs (2018), Ma và cs (2012), Neville và cs (2010), Bruce Linquist và cs (2011), Harmanjit và cs (2016), Carmo và cs (2013), Signor và cs (2013), Anne Baily (2014) khảo sát quan trắc $N_2O$ từ đất trồng cà phê, ngô, mía và mối tương quan phi tuyến giữa lượng phân đạm bón với lưu lượng phát thải $N_2O$.
  • Nghiên cứu tại Việt Nam: Nguyễn Văn Tỉnh (2004) nghiên cứu tại Hoài Đức chỉ ra việc rút nước định kỳ giúp giảm 10% lượng $CH_4$ phát thải ($469,6\text{ kg/ha/vụ}$) so với ngập liên tục ($515,3\text{ kg/ha/vụ}$). Nguyễn Hữu Thành và cs (2012) áp dụng buồng kín lấy mẫu định kỳ 0, 10, 20 phút. Mai Văn Trịnh và cs (2012, 2013) tại Thanh Trì đánh giá ảnh hưởng của phân chuồng ($18,3\text{ tấn } CO_2tđ/\text{ha}$), phân compost ($10,3\text{--}14,6\text{ tấn } CO_2tđ/\text{ha}$) và than sinh học biochar ($6,4\text{--}7,3\text{ tấn } CO_2tđ/\text{ha}$) đến phát thải KNK. Chu Sỹ Huân và cs (2020) so sánh phát thải trên đất phù sa, đất mặn, đất phèn tại Thái Bình.
• Về ứng dụng mô hình sinh thái: Luận án rà soát các mô hình DNDC (Li và cs, 1992, 1994, 2000), CANDY (Franko và cs, 1995), DAISY (Hansen và cs, 1991), SUNDIAL, ECOSYS (Shaffer và cs, 2001). Sự phát triển của mô hình DNDC kết hợp viễn thám và GIS được ghi nhận qua các công trình của Cai và cs (2003, 2007), Pathak và cs (2005), Babu và cs (2006), Fumoto và cs (2008, 2010 - phiên bản DNDC-Rice) và Smith và cs (2010).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Các công trình tại Việt Nam trước đây chủ yếu dừng lại ở các thí nghiệm cục bộ trên quy mô đồng ruộng nhỏ lẻ, tập trung đơn lẻ vào khí $CH_4$ từ lúa nước mà chưa quan trắc đồng bộ cả $CH_4$ và $N_2O$ trên nhiều loại đất chính và chưa mở rộng sang cây trồng cạn hàng năm (như ngô). Đồng thời, chưa có công trình nào thực hiện quy trình hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số chuẩn cho mô hình DNDC tại ĐBSH để tích hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS), phục vụ việc mô phỏng phát thải động thái theo ngày và lập bản đồ không gian mức độ phát thải ở cấp độ vùng (phương pháp kiểm kê bậc 3 - Tier 3).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình sinh địa hóa

Luận án dựa trên lý thuyết chu trình chuyển hóa các-bon và nitơ trong hệ sinh thái nông nghiệp, chịu sự chi phối của các yếu tố sinh vật (vi khuẩn sinh mê-tan, vi khuẩn oxy hóa mê-tan, vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn phản nitrat hóa) và phi sinh vật (nhiệt độ, độ ẩm, chế độ nước, thế oxy hóa khử $Eh$, hàm lượng các-bon hữu cơ hòa tan $DOC$, hàm lượng đạm khoáng $NH_4^+$, $NO_3^-$, pH).

Để mô phỏng quá trình này, mô hình DNDC (DeNitrification-DeComposition) được lựa chọn. Luận án tiến hành so sánh cấu trúc và đặc tính của DNDC với các mô hình tính toán KNK hiện nay:

Mô hình	Bước thời gian	Yêu cầu dữ liệu đầu vào	Khả năng tương tác cạn - ngập	Ứng dụng quy mô	Đánh giá ưu / nhược điểm chính
DNDC	Giờ / Ngày (mô hình động)	Chi tiết: Khí tượng ngày, lý hóa đất, quản lý canh tác	Có (tích hợp đầy đủ quá trình hiếu khí và kị khí)	Thửa ruộng, vùng, quốc gia	Ưu điểm: Tính toán theo ngày, mô phỏng cả $C$ và $N$, tài liệu rõ ràng, linh hoạt. Hạn chế: Yêu cầu chuỗi số liệu khí tượng ngày.
CANDY	Năm (mô hình tĩnh)	Khí tượng cơ bản, chỉ số thực vật	Không xem xét hệ sinh thái ngập nước	Vùng	Hạn chế: Không có tài liệu cụ thể, thuật toán phức tạp, tính linh động kém.
DAISY	Năm	Khí tượng, nước, năng lượng, $C$, $N$	Giới hạn ở hệ sinh thái cạn ôn đới	Trang trại, kết hợp GIS	Hạn chế: Không mô phỏng phát thải $N_2O$ gián tiếp, không xét tương tác thủy sinh.
SUNDIAL	Năm	Dữ liệu quản lý nitơ chi tiết	Hệ thống canh tác cạn	Thửa ruộng, nông trại	Hạn chế: Hướng dẫn khó tiếp cận, bộ dữ liệu đòi hỏi phức tạp.
ECOSYS	Giờ / Ngày	Chi tiết nhiệt, ẩm, ion khoáng	Hệ sinh thái cạn tự nhiên và nông nghiệp	Điểm, vùng	Hạn chế: Yêu cầu nhiều thông số vật lý phức tạp, không tối ưu cho ruộng lúa ngập.

Mô hình DNDC được chọn do khả năng mô phỏng theo bước thời gian ngày, tích hợp các phương trình sinh địa hóa cho cả hệ sinh thái đất ngập nước (canh tác lúa) và đất cạn (trồng ngô, rau màu), phù hợp với điều kiện nông nghiệp nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp các phương pháp thực nghiệm và mô hình hóa không gian:

1. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Thu thập chuỗi số liệu khí tượng ngày (nhiệt độ tối cao, tối thiểu, lượng mưa, bức xạ, độ ẩm) giai đoạn 2010–2020 từ các trạm khí tượng đại diện trong vùng; thu thập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ đất ĐBSH tỷ lệ 1:250.000 từ Tổng cục Quản lý Đất đai và Viện Thổ nhưỡng Nông hóa.
2. Phương pháp quan trắc, lấy mẫu và đo đạc khí:
   • Sử dụng phương pháp buồng kín tĩnh (static closed chamber) theo tiêu chuẩn của Rolston (1986) và hướng dẫn của Viện Nghiên cứu Môi trường Nhật Bản.
   • Cấu tạo thiết bị: Gồm chân đế cắm sâu $10\text{ cm}$ vào đất và hộp đo khí chụp phía trên có thể tháo rời, trang bị quạt gió khuấy đảo khí, nhiệt kế đo nhiệt độ bên trong buồng và cổng lấy mẫu có màng cao su trung tính.
   • Quy trình lấy mẫu: Mẫu khí được rút bằng xi lanh chuyên dụng tại các thời điểm 0 phút, 10 phút và 20 phút sau khi chụp buồng, bơm chuyển vào các lọ thủy tinh vô trùng thể tích $20\text{ ml}$ đã hút chân không.
   • Phân tích sắc ký: Mẫu khí được phân tích trên hệ thống máy sắc ký khí (Gas Chromatography - GC) với đầu dò FID (Flame Ionization Detector) đo $CH_4$ và đầu dò ECD (Electron Capture Detector) đo $N_2O$.
3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích đất: Lấy mẫu đất tầng mặt ($0\text{--}20\text{ cm}$) trước và sau các vụ canh tác. Phân tích các chỉ tiêu: thành phần cơ giới (tỷ lệ sét, limon, cát), dung trọng, độ ẩm, pH ($H_2O$ và $KCl$), $Eh$, tổng các-bon hữu cơ (SOC), đạm tổng số, $NH_4^+$ và $NO_3^-$.
4. Phương pháp mô hình hóa và hiệu chỉnh mô hình DNDC:
   • Phân tích độ nhạy (Sensitivity analysis) của các thông số đầu vào tác động đến lưu lượng phát thải $CH_4$ và $N_2O$.
   • Hiệu chỉnh (Calibration) các thông số đất và cây trồng dựa trên số liệu quan trắc thực nghiệm tại các điểm đại diện vụ xuân và vụ mùa.
   • Kiểm định (Validation) mô hình bằng cách so sánh số liệu mô phỏng với số liệu đo đạc thực tế thông qua các chỉ số thống kê sai số và hệ số tương quan ($R^2$).
5. Phương pháp phân tích không gian (GIS): Sử dụng phần mềm GIS để chồng xếp các lớp thông tin không gian gồm: Bản đồ khí hậu (vùng ảnh hưởng của các trạm khí tượng), Bản đồ đất (các loại đất chính) và Bản đồ hiện trạng sử dụng đất (đất chuyên lúa, lúa màu, chuyên màu). Tạo lập bản đồ các đơn vị tổ hợp Khí tượng – Đất – Sử dụng đất, gán các kết quả mô phỏng từ DNDC vào từng đơn vị không gian để thành lập bản đồ phân bố phát thải $CH_4$, $N_2O$ và tổng KNK quy đổi ($CO_2tđ$) cho toàn vùng ĐBSH.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan nghiên cứu về phát thải khí nhà kính từ lĩnh vực trồng trọt

Chương I tập trung tổng hợp cơ sở lý luận về biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và phân tích các nguồn phát thải KNK trong sản xuất nông nghiệp toàn cầu và tại Việt Nam.

• Thực trạng phát thải nông nghiệp Việt Nam: Dẫn liệu từ Báo cáo Kiểm kê KNK Quốc gia năm 2014 của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2019):

Nguồn phát thải trong nông nghiệp	Phát thải từ $CH_4$ ($1000\text{ tấn } CO_2tđ$)	Phát thải từ $N_2O$ ($1000\text{ tấn } CO_2tđ$)	Tổng lượng phát thải ($1000\text{ tấn } CO_2tđ$)
Tiêu hóa thức ăn	10.200,6	-	10.200,6
Quản lý chất thải chăn nuôi	704,6	8.294,6	8.999,2
Đất canh tác nông nghiệp	-	23.955,5	23.955,5
Đốt đồng cỏ (savana)	0,9	0,1	1,0
Đốt phụ phẩm nông nghiệp ngoài đồng	2.013,6	423,1	2.436,7
Canh tác lúa nước	44.200,0	-	44.200,0
Tổng cộng	57.751,8	32.000,0	89.751,8

• Cơ chế hóa sinh: Luận giải chi tiết sự hình thành $CH_4$ trong điều kiện kị khí sâu ($Eh < -150\text{ mV}$) và sự tạo thành $N_2O$ qua giao diện hiếu khí - kị khí của tầng đất mặt ruộng lúa cũng như đất canh tác cây trồng cạn.
• Tổng quan các mô hình và phương pháp luận: Phân tích ưu nhược điểm của các mô hình toán học (DNDC, CANDY, DAISY, SUNDIAL, ECOSYS) và khẳng định tính phù hợp của DNDC trong việc kết hợp GIS để mô phỏng phát thải động thái.
• Hiện trạng vùng ĐBSH: Phân tích điều kiện địa hình, đặc tính thổ nhưỡng (đất phù sa ven sông, đất phù sa glêi, đất xám bạc màu, đất mặn ven biển, đất phèn), khí hậu nhiệt đới gió mùa có mùa đông lạnh và cơ cấu luân canh cây trồng (2 vụ lúa, 2 lúa - 1 vụ màu vụ đông).

Chương II: Phương pháp nghiên cứu phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt tại vùng Đồng bằng sông Hồng

Chương II thiết lập quy trình nghiên cứu toàn diện từ thu thập dữ liệu, quan trắc thực địa, chạy mô hình DNDC đến xử lý không gian GIS.

• Bố trí điểm quan trắc thực địa:
  • 10 điểm nghiên cứu phát thải trên lúa: Thanh Trì, Sóc Sơn (Hà Nội); Hải Hậu (2 điểm: đất phù sa và đất mặn), Nghĩa Hưng (Nam Định); TP. Thái Bình, Vũ Thư, Kiến Xương, Tiền Hải (Thái Bình); Nam Sách (Hải Dương).
  • Điểm nghiên cứu phát thải trên cây trồng cạn: Thí nghiệm trồng ngô giống LVN17 trên đất phù sa sông Hồng tại Đan Phượng (Hà Nội).
• Quy chuẩn đo đạc và phân tích:
  • Thiết kế buồng đo và chân hộp cho lúa và cây ngô. Lịch lấy mẫu khí vụ xuân và vụ mùa: đo theo các giai đoạn sinh trưởng chính (bén rễ hồi xanh, đẻ nhánh, làm đòng, trỗ bông, chín) và sau các đợt bón phân lót, bón thúc đạm.
  • Phân tích mẫu đất lý hóa theo các phương pháp tiêu chuẩn quốc gia (TCVN).
• Quy trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình DNDC:
  • Xây dựng 11 kịch bản đánh giá độ nhạy của mô hình đối với các thông số: SOC, pH, dung trọng, nhiệt độ, lượng mưa, lượng đạm bón, độ sâu cày xới, chế độ tưới nước.
  • Thiết lập quy trình liên kết cơ sở dữ liệu GIS (bản đồ đất, sử dụng đất, trạm khí tượng) với mô hình DNDC để chạy mô phỏng phân tán theo không gian.

Chương III: Kết quả nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm tại vùng Đồng bằng sông Hồng

Chương III trình bày toàn bộ các phát hiện thực nghiệm, kết quả mô hình hóa và bản đồ phân bố phát thải.

• Đặc tính lý hóa đất tại các điểm nghiên cứu: Ghi nhận sự khác biệt rõ rệt về dung trọng, tỷ lệ cấp hạt sét, hàm lượng các-bon hữu cơ (SOC dao động từ mức thấp ở đất xám Sóc Sơn đến mức cao ở đất phèn Thái Bình và đất mặn Nam Định).
• Diễn biến phát thải từ quan trắc thực địa:
  • Phát thải $CH_4$ từ lúa: Lưu lượng phát thải $CH_4$ trong vụ mùa cao hơn vụ xuân do nhiệt độ môi trường và nhiệt độ đất vụ mùa cao hơn rõ rệt, thúc đẩy hoạt động phân hủy của vi sinh vật kị khí. Phát thải $CH_4$ tăng mạnh ở giai đoạn lúa đẻ nhánh rộ đến làm đòng và giảm xuống khi ruộng rút nước hoặc lúa vào giai đoạn chín. Cường độ phát thải giữa các loại đất có sự khác nhau: đất phèn > đất mặn > đất phù sa 2 lúa 1 màu > đất phù sa 2 lúa > đất xám.
  • Phát thải $N_2O$ từ lúa: Biến động mạnh sau các đợt bón phân đạm và các thời kỳ tháo cạn nước giữa vụ. Ruộng ngập nước liên tục có phát thải $N_2O$ rất thấp; khi ruộng cạn nước, phát thải $N_2O$ tăng vọt do thúc đẩy quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa gián đoạn.
  • Phát thải $N_2O$ từ đất trồng ngô (Đan Phượng): Đỉnh phát thải $N_2O$ xuất hiện ngay sau các đợt bón lót và bón thúc phân đạm từ 2 đến 5 ngày, sau đó giảm dần.
• Độ nhạy, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình DNDC:
  • Phân tích độ nhạy xác định SOC, nhiệt độ và chế độ quản lý nước là các yếu tố nhạy cảm nhất đối với phát thải $CH_4$; lượng phân đạm bón, độ ẩm đất và pH là các yếu tố nhạy cảm nhất đối với phát thải $N_2O$.
  • Sau khi hiệu chỉnh, mô hình DNDC tái hiện sát diễn biến thực tế phát thải $CH_4$ và $N_2O$ tại 10 điểm thí nghiệm trồng lúa và điểm thí nghiệm trồng ngô với hệ số tương quan $R^2$ cao ($R^2 > 0,80$), sai số tương đối ở mức chấp nhận được.
• Lượng hóa và phân bố không gian phát thải KNK:
  • Luận án tổng hợp số liệu diện tích các loại đất, diện tích gieo trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm trên 11 tỉnh/thành phố vùng ĐBSH.
  • Xây dựng hệ thống các bảng tính toán phát thải $CH_4$, $N_2O$ và tổng $CO_2tđ$ cho từng tổ hợp Khí tượng – Đất – Sử dụng đất.
  • Thành lập hệ thống bản đồ chuyên đề tỷ lệ vùng gồm: Bản đồ phát thải $CH_4$ từ đất lúa ($kg/ha/năm$), Bản đồ phát thải $N_2O$ từ đất lúa ($kg/ha/năm$), Bản đồ phát thải $N_2O$ từ đất trồng cây trồng cạn ($kg/ha/năm$), Bản đồ tổng lượng phát thải KNK quy đổi từ đất lúa ($kgCO_2tđ/ha/năm$), Bản đồ tổng lượng phát thải KNK quy đổi từ đất cây trồng cạn ($kgCO_2tđ/ha/năm$) và Bản đồ tổng lượng phát thải KNK từ toàn bộ đất trồng trọt vùng ĐBSH.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Làm rõ quy luật và cơ chế phát thải: Đã xác định được thực trạng, quy luật biến động và cơ chế phát thải khí mê-tan ($CH_4$) và khí oxit nitơ ($N_2O$) theo các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trên 4 loại đất chính (phù sa, xám bạc màu, mặn, phèn) và phát thải $N_2O$ của cây ngô trên đất phù sa vùng ĐBSH theo các mùa vụ (vụ xuân, vụ mùa, vụ đông).
2. Xác lập bộ thông số chuẩn cho mô hình DNDC: Phân tích độ nhạy chi tiết và tìm ra bộ thông số tối ưu để hiệu chỉnh và kiểm định thành công mô hình DNDC phục vụ tính toán phát thải KNK từ đất nông nghiệp trong điều kiện nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam.
3. Phát triển phương pháp luận lượng hóa không gian (DNDC - GIS): Hoàn thiện phương pháp luận tích hợp mô hình DNDC với phân tích không gian GIS để lượng hóa phát thải KNK từ cấp điểm thí nghiệm lên quy mô toàn vùng sinh thái dựa trên các lớp dữ liệu khí tượng ngày, thổ nhưỡng, loại cây trồng và kỹ thuật canh tác.
4. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu và bản đồ phát thải: Cung cấp bộ dữ liệu phát thải chi tiết và hệ thống bản đồ phân bố phát thải $CH_4$, $N_2O$, tổng $CO_2tđ$ cho đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm cho toàn vùng ĐBSH.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Áp dụng phương pháp mô hình hóa DNDC kết hợp GIS để nâng cấp quy trình kiểm kê khí nhà kính quốc gia trong nông nghiệp từ bậc 1 (Tier 1) lên bậc 3 (Tier 3), giúp phản ánh chính xác các đặc trưng sinh thái và hoạt động canh tác thực tế.
• Khuyến nghị chuyển đổi các biện pháp canh tác lúa truyền thống (ngập liên tục) sang kỹ thuật tưới khô ướt xen kẽ (AWD), kỹ thuật thâm canh lúa cải tiến (SRI) và quản lý phân bón hợp lý (giảm bón thừa phân đạm vô cơ, tăng cường phân hữu cơ hoai mục, than sinh học) nhằm giảm thiểu phát thải cả $CH_4$ và $N_2O$ trên đồng ruộng.
• Ứng dụng bộ thông số mô hình và bản đồ phát thải phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất nông nghiệp thích ứng với biến đổi khí hậu và xây dựng kế hoạch giảm nhẹ KNK của ngành nông nghiệp vùng ĐBSH.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Nghiên cứu thực nghiệm tập trung tại vùng Đồng bằng sông Hồng; đối tượng cây trồng cạn khảo sát thực địa chuyên sâu chủ yếu là cây ngô (đại diện trên đất phù sa), chưa mở rộng quan trắc thực địa đối với các cây màu khác (mía, sắn, đậu tương, rau màu các loại).
• Mô hình DNDC đòi hỏi bộ dữ liệu khí tượng đầu vào liên tục theo ngày và số liệu lý hóa đất chi tiết, gây khó khăn nhất định khi nhân rộng ở những địa bàn thiếu trạm quan trắc khí tượng hoặc thiếu bản đồ đất độ phân giải cao.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Kế thừa phương pháp luận DNDC - GIS và quy trình hiệu chỉnh bộ thông số để mở rộng tính toán phát thải KNK cho các vùng sinh thái nông nghiệp khác của Việt Nam (Đồng bằng sông Cửu Long, Duyên hải Miền Trung, Tây Nguyên, Trung du và Miền núi phía Bắc).
• Tiếp tục thực hiện các quan trắc thực địa đo đạc phát thải $N_2O$ và $CO_2$ trên các đối tượng cây trồng cạn chủ lực khác (mía, cây ăn quả, cây công nghiệp ngắn ngày) và trong các hệ thống luân canh phức tạp.
• Sử dụng mô hình DNDC đã hiệu chỉnh để mô phỏng, dự báo các kịch bản giảm phát thải KNK theo các chiến lược thích ứng với biến đổi khí hậu và chuyển đổi cơ cấu cây trồng trong tương lai.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo khoa học hữu ích cho nhiều đối tượng:

• Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở TN&MT, Sở NN&PTNT các tỉnh ĐBSH): Tham khảo bộ dữ liệu phát thải và hệ thống bản đồ phân bố để phục vụ công tác kiểm kê KNK quốc gia (MRV), xây dựng Báo cáo Đóng góp do quốc gia tự quyết định (NDC) và hoạch định chính sách phát triển nông nghiệp các-bon thấp.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Quản lý tài nguyên, Khoa học môi trường, Biến đổi khí hậu, Nông học: Kế thừa phương pháp luận tích hợp mô hình sinh thái DNDC với GIS, quy trình phân tích độ nhạy, phương pháp đo đạc buồng kín tĩnh tại thực địa và bộ thông số chuẩn đã được hiệu chỉnh cho điều kiện Việt Nam.
• Các tổ chức nghiên cứu và phát triển: Tham khảo số liệu phát thải thực nghiệm để đánh giá hiệu quả môi trường của các biện pháp canh tác lúa tiên tiến (tưới khô ướt xen kẽ, bón phân thông minh, xử lý phụ phẩm nông nghiệp).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất trong lĩnh vực nông nghiệp Việt Nam theo số liệu của luận án là gì?

Theo số liệu kiểm kê KNK quốc gia năm 2014 được luận án trích dẫn từ Bộ Tài nguyên và Môi trường (2019), tổng phát thải từ nông nghiệp là 89.751,8 nghìn tấn $CO_2tđ$ (chiếm 27,92% tổng phát thải quốc gia). Trong đó, nguồn phát thải lớn nhất là khí $CH_4$ từ quá trình canh tác lúa nước, đạt 44.200 nghìn tấn $CO_2tđ$, chiếm 49,4% tổng lượng phát thải của toàn ngành nông nghiệp. Nguồn lớn thứ hai là phát thải $N_2O$ từ đất canh tác nông nghiệp, chiếm 27,8% ($23.955,5\text{ nghìn tấn } CO_2tđ$).

2. Khí CH4 thoát từ đất ruộng lúa ngập nước vào khí quyển chủ yếu qua con đường nào?

Khí $CH_4$ phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển qua ba con đường: hiện tượng sủi bọt khí (chiếm 8–9%), khuếch tán qua bề mặt nước (chiếm 1–2%) và vận chuyển qua hệ mô khí (aerenchyma) của thân cây lúa. Trong đó, con đường vận chuyển qua hệ mô khí của thân cây lúa là chủ yếu, chiếm tới 90% tổng lượng phát thải $CH_4$ từ ruộng lúa ngập nước vào khí quyển (Cicerone và Shetter, 1981; Schütz và cs, 1989).

3. Tại sao luận án lựa chọn mô hình DNDC thay vì các mô hình khác hoặc phương pháp bậc 1 của IPCC?

Phương pháp bậc 1 (Tier 1) của IPCC chỉ sử dụng hệ số phát thải mặc định cho toàn quốc, không phản ánh được sự biến động của khí hậu, đất đai và tập quán canh tác. Các mô hình khác (như CANDY, DAISY, SUNDIAL) phần lớn là mô hình tĩnh, chỉ tính toán theo năm hoặc chỉ áp dụng cho đất cạn. Mô hình DNDC là mô hình động, mô phỏng các quá trình sinh vật lý hóa theo bước thời gian ngày, tính toán được cả chu trình $C$ và $N$ trong cả hai điều kiện hiếu khí (đất cạn) và kị khí (đất ngập nước), cho phép tính toán phát thải $CH_4$, $N_2O$, $CO_2$ chi tiết theo không gian và thời gian.

4. Nghiên cứu thực địa ngoài đồng ruộng được tiến hành tại các địa bàn cụ thể nào?

Quan trắc thực địa của luận án được triển khai tại 10 điểm nghiên cứu phát thải lúa và 1 điểm nghiên cứu phát thải ngô:

• Huyện Thanh Trì (đất phù sa, 2 vụ lúa) và huyện Sóc Sơn (đất xám, 2 vụ lúa), TP. Hà Nội.
• Thị trấn Thịnh Long (đất phù sa, 2 vụ lúa), xã Hải Phúc (đất mặn, 2 vụ lúa) thuộc huyện Hải Hậu và huyện Nghĩa Hưng (đất mặn, 2 vụ lúa), tỉnh Nam Định.
• Thành phố Thái Bình (đất phèn, 2 vụ lúa), huyện Vũ Thư (đất phù sa, 2 vụ lúa), huyện Kiến Xương (đất phù sa, 2 lúa 1 màu) và huyện Tiền Hải (đất mặn, 2 vụ lúa), tỉnh Thái Bình.
• Huyện Nam Sách (đất phù sa, 2 lúa 1 màu), tỉnh Hải Dương.
• Huyện Đan Phượng, TP. Hà Nội (nghiên cứu phát thải $N_2O$ trên cây ngô trồng trên đất phù sa sông Hồng).

5. Phát thải CH4 từ đất trồng lúa có sự khác biệt như thế nào giữa các mùa vụ và các loại đất?

Lưu lượng phát thải $CH_4$ trong vụ mùa cao hơn rõ rệt so với vụ xuân do nhiệt độ đất và không khí vụ mùa cao hơn, thúc đẩy hoạt động phân giải kị khí của vi sinh vật. Về loại đất, cường độ phát thải $CH_4$ giữa các nhóm đất chính tại ĐBSH có xu hướng: Đất phèn > Đất mặn > Đất phù sa > Đất xám bạc màu.

---

Kết luận

Luận án của tác giả Bùi Thị Thu Trang đã giải quyết vấn đề định lượng và phân bố không gian phát thải khí nhà kính ($CH_4$ và $N_2O$) trong lĩnh vực trồng trọt tại vùng Đồng bằng sông Hồng. Bằng việc kết hợp quan trắc thực địa buồng kín tại 10 điểm đại diện với mô hình sinh địa hóa DNDC và hệ thống thông tin địa lý (GIS), công trình đã xác lập bộ thông số chuẩn cho mô hình và xây dựng thành công hệ thống bản đồ phát thải chi tiết cho đất trồng lúa và cây trồng cạn hàng năm. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để nâng cao độ chính xác của công tác kiểm kê khí nhà kính quốc gia theo phương pháp bậc 3 (Tier 3), đồng thời hỗ trợ xây dựng các giải pháp kỹ thuật canh tác giảm nhẹ biến đổi khí hậu trong nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỪ LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT 1. Tổng quan về phát thải khí nhà kính 1. Một số khái niệm Hiệu ứng nhà kính: Hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân tăng nhiệt độ ở bề mặt trái đất và thay đổi dạng khí hậu. 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 và được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài rồi được một số khí trong bầu khí quyển hấp thụ từ đó làm cho khí quyển nóng lên, được gọi là hiệu ứng nhà kính. Khí nhà kính (KNK): là những khí, thành phần của khí quyển, được tạo ra do tự nhiên và các hoạt động của con người. Chúng có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài được phản xạ từ bề mặt Trái đất khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, sau đó phân tán nhiệt lại cho Trái đất, gây nên hiệu ứng nhà kính. Các KNK được qui định trong Công ước khí hậu bao gồm: các-bon đioxit (CO2), nitơ oxit (N2O), mê- tan (CH4), hidro-florua-cácbon (HFCs), perfloro-cácbon (PFCs), sulfur hexaflorit (SF6) (IPCC, 2013).

Phát thải khí nhà kính: là sự sinh ra các khí nhà kính từ bề mặt trái đất vào khí quyển và đóng góp vào hiệu ứng khí nhà kính (Collin dictionary). Tiềm năng gây nóng lên toàn cầu (Global Warming Potential – GWP): Tiềm năng gây nóng toàn cầu 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 của CH4 cao gấp 28 lần so với CO2 và GWP của N2O cao gấp 2265 lần so với CO2 (IPCC, 2014).

luan an 8 Bảng 1.1: Giá trị quy đổi tiềm năng nóng lên toàn cầu của một số KNK chính Tiềm năng gây nóng lên toàn cầu Công thức trong 100 năm (GWP100) Khí nhà kính hóa học SAR AR4 AR5 (IPCC, 1995) (IPCC, 2007) (IPCC, 2014) Các-bon đioxit CO2 1 1 1 Mê-tan CH4 21 25 28 Nitơ oxit N2 O 310 298 265 Căn cứ theo nguồn gốc phát sinh, mức độ phát thải tuyệt đối và xu hướng phát thải cũng như mức độ ảnh hưởng đến tổng tiềm năng phát thải KNK của các quốc gia, các nguồn phát thải được chia thành 4 nhóm chính: Năng lượng; Quy trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm; Nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất; Chất thải. Nguyên nhân và các nguồn phát thải khí nhà kính Các nguyên nhân chính gây gia tăng phát thải khí nhà kính được liệt kê sau đây: - Phát thải từ năng lượng: Là một trong những nguồn phát thải KNK lớn nhất hiện nay với tỷ trọng lớn nhất là 53,05% tổng lượng phát thải (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014). Phát thải trong lĩnh vực năng lượng chia thành 3 nhóm: phát thải do đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (trong các ngành công nghiệp năng lượng, hoạt động giao thông vận tải.); Phát thải tức thời (tức là lượng khí, hơi thải ra từ các thiết bị nén do rò rỉ, không mong muốn hoặc không thường xuyên từ quá trình khai thác, chế biến, vận chuyển nhiên liệu.) và hoạt động thu hồi và lưu trữ các bon. Trong đó, phát thải từ đốt nhiên liệu hóa thạch đóng góp đến 70% tổng lượng phát thải, tiêu biểu là từ các nhà máy điện và nhà máy lọc dầu… - Phát thải từ các quá trình công nghiệp và sử dụng sản phẩm (IPPU): phát thải từ lĩnh vực IPPU phát sinh trong các quy trình xử lý công nghiệp; việc sử dụng KNK trong các sản phẩm và sử dụng các bon trong các nhiên liệu hóa thạch không nhằm mục đích sản xuất năng lượng.

Trong suốt các quy trình này, nhiều loại KNK được tạo ra bao gồm: CO2, CH4, N2O, HFCs và PFCs. Lĩnh vực IPPU đóng góp khoảng 7% lượng khí thải tạo ra từ các nước trong phụ lục I (UNFCCC, 2008) và xấp xỉ 6% ở các nước không thuộc phụ lục I. luan an 9 - Phát thải từ nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất: các nguồn chủ yếu gây phát thải bao gồm phát thải CH4 và N2O từ chăn nuôi, trồng lúa nước, đất canh tác nông nghiệp, hoạt động đốt trong sản xuất nông nghiệp; Phát thải/hấp thụ CO2 trong lĩnh vực nông, lâm nghiệp và thay đổi sử dụng đất. Nói chung, lĩnh vực nông nghiệp, lâm nghiệp và sử dụng đất đóng góp khoảng 30% lượng phát thải KNK toàn cầu, chủ yếu là do CO2 phát thải từ những thay đổi trong sử dụng đất (phần lớn là do phá rừng nhiệt đới) và CH4, N2O từ trồng trọt và chăn nuôi gia súc.

Tổng phát thải khí nhà kính năm 2010 trong lĩnh vực nông nghiệp Việt Nam là 89.751,8 ngàn tấn CO2 tương đương, trong đó phát thải từ canh tác lúa nước chiếm 49,4%, từ quá trình tiêu hóa thức ăn: 10,72%, từ quản lý phân bón: 9,69%, từ đất nông nghiệp: 26,95%, từ đốt phụ phẩm nông nghiệp: 2,15 % (Bộ TNMT, 2014). - Phát thải từ chất thải: Các loại KNK có thể phát sinh trong lĩnh vực chất thải bao gồm: CO2, CH4 và N2O. Các nguồn phát sinh KNK chính trong lĩnh vực chất thải được ghi nhận là từ: chôn lấp chất thải rắn; xử lý sinh học chất thải rắn; thiêu hủy và đốt theo phương thức đốt mở chất thải; xử lý và xả nước thải. Thông thường, CH4 phát thải từ các bãi chôn lấp chất thải rắn chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng lượng KNK của lĩnh vực này.

CH4 trong xả và xử lý nước thải cũng đóng một vai trò tương đối quan trọng. Những nguồn KNK và hoạt động sau của con người gây phát thải KNK được liệt kê sau đây: - Các-bon đioxit (CO2): đốt nhiên liệu hóa thạch, chất thải rắn, gỗ và các sản phẩm từ gỗ; sản xuất xi măng. Hoạt động của con người cũng có thể ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ CO2 trong khí quyển của cây xanh và đất (ví dụ phá rừng hoặc tái trồng rừng). - Mê-tan (CH4): khai thác than, sản xuất khí đốt tự nhiên, phân hủy rác bằng cách vùi lấp trong đất, và khí thải do tiêu hóa của động vật.

Ngoài ra, đầm lầy và tổ mối cũng là những nguồn chứa khí tự nhiên tiềm năng. - Oxit nitơ (N2O): sử dụng phân đạm, sản xuất công nghiệp, đốt chất thải rắn và nhiên liệu hóa thạch. luan an 10 - Chloro-fluoro-cácbon (CFC), hydro-chloro-fluoro-cácbon (HCFC), hydro-fluoro- cácbon (HFCs), perfluoro-cácbon (PFCs), sulfur hexa-fluoride (SF6): có trong các sản phẩm thương mại, sản phẩm công nghiệp và sản phẩm gia dụng. 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.

Khí CO2, CH4 và N2O là các khí nhà kính góp phần gây ra hiệu ứng ấm lên toàn cầu lần lượt ở mức 60%, 15% và 5% (IPCC, 2007). Khí CH4 và N2O còn liên quan đến sự suy giảm lớp ôzôn (O3) ở tầng bình lưu của bầu khí quyển (IPCC, 1997). Khí CH4 hình thành chủ yếu 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 lúa nước là điều kiện lý tưởng cho quá trình sản sinh và phát thải khí CH4 (Corton, 1995). Theo Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA, 2016), hoạt động của con người đóng góp khoảng 50% lượng CH 4 trong khí quyển, còn lại là từ sự rò rỉ ở các lớp thổ nhưỡng và đại dương. Tổng lượng khí CH 4 phát thải hàng năm trên toàn cầu ước tính khoảng 30 – 60 tỉ tấn, tương đương khoảng 750 – 1.250 tỉ tấn CO2tđ (Soyez and Grab, 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 CH4 được xem là khí gây hiệu ứng nhà kính quan trọng thứ hai. 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, 2000). Theo kết quả công bố bản Báo cáo Đánh giá thứ hai của IPCC (1996) về Tiềm năng gây nóng toàn cầu luan an 11 (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. Lượng N2O trong khí quyển hấp thụ trong tầng bình lưu là 10,5 Tg/năm. 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. Hàng năm, tổng lượng N2O thải vào bầu khí quyển khoảng 17,7 Gg N2O (Mosier và cộng sự, 1998).

Hiện trạng phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực trồng trọt Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng đối với hầu hết các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển.