Luận án tiến sĩ mô phỏng phát thải khí nhà kính CH4, N2O đất lúa lưu vực Vu Gia - Thu Bồn, Quảng Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính CH4, N2O trong môi trường đất lúa tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, Quảng Nam.

• Tác giả: Ngô Đức Minh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
• Đề tài: Nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính (CH4, N2O) trong môi trường đất lúa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 2.1. Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu
• 2.2. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam
• 2.2.1. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới
• 2.2.2. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp tại Việt Nam
• 2.3. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới và ở Việt Nam
• 2.3.1. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới
• 2.3.2. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa tại Việt Nam
• 2.4. Cơ chế hình thành và phát thải khí CH4 và N2O trong môi trường đất lúa ngập nước
• 2.4.1. Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH4
• 2.4.2. Cơ chế hình thành và giải phóng khí N2O
• 2.5. Một số yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 và N2O từ đất lúa
• 2.5.1. Biện pháp canh tác
• 2.5.2. Tính chất đất
• 2.6. Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa
• 2.6.1. Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa trên thế giới
• 2.6.2. Ứng dụng mô hình DNDC trong ước lượng phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam
• 2.7. Nhận xét chung rút ra từ tổng quan nghiên cứu
• 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Phương pháp thu thập thông tin và điều tra nông hộ
• 3.2.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng
• 3.2.3. Phương pháp mô hình hoá
• 3.2.4. Hệ thống thông tin địa lý và kĩ thuật bản đồ
• 3.2.5. Phương pháp kiểm soát/hạn chế độ không chắc chắn của mô hình
• 3.2.6. Phương pháp xử lý thống kê
• 3.3. Đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu
• 3.3.1. Địa hình, địa mạo
• 3.3.2. Khí hậu và thủy văn
• 3.3.3. Tài nguyên đất
• 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc điểm canh tác lúa vùng nghiên cứu
• 4.1.1. Hiện trạng sản xuất lúa vùng nghiên cứu
• 4.1.2. Đặc điểm môi trường đất lúa điểm thí nghiệm
• 4.2. Kiểm định khả năng áp dụng mô hình DNDC để tính toán phát thải KNK của mô hình DNDC
• 4.2.1. Phát thải khí CH4
• 4.2.2. Phát thải khí N2O
• 4.3. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đối với kết quả đầu ra của mô hình
• 4.4. Ứng dụng mô hình DNDC tính toán phát thải CH4 và N2O quy mô vùng
• 4.4.1. Tính toán phát thải CH4 và N2O quy mô vùng
• 4.4.2. Bản đồ phát thải CH4 và N2O quy mô vùng
• 4.4.3. Bản đồ tổng lượng phát thải CH4, N2O và GWP quy mô vùng
• 4.5. Đề xuất hệ số phát thải trong tính toán kiểm kê KNK và lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm nước cho vùng nghiên cứu
• 4.5.1. Đề xuất hệ số phát thải CH4 sử dụng trong tính toán kiểm kê KNK theo phương pháp bậc 2 (Tier 2) cho vùng nghiên cứu
• 4.5.2. Đề xuất lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm cho vùng nghiên cứu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Tổng quan về phát thải khí nhà kính CH4 và N2O trong đất lúa

Nghiên cứu về phát thải khí nhà kính, đặc biệt là khí metan (CH4) và nitrous oxide (N2O), trong đất lúa tại Quảng Nam đang trở thành một vấn đề cấp thiết. Việt Nam là một trong những quốc gia có diện tích canh tác lúa lớn, và việc phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Theo các nghiên cứu, canh tác lúa nước là nguồn phát thải chính của CH4 và N2O, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng lượng khí thải từ nông nghiệp. Việc hiểu rõ về cơ chế phát thải và các yếu tố ảnh hưởng là rất quan trọng để đưa ra các biện pháp giảm thiểu hiệu quả.

1.1. Khái niệm về khí nhà kính và tác động của chúng

Khí nhà kính là những khí có khả năng giữ nhiệt trong khí quyển, góp phần vào hiệu ứng nhà kính. CH4 và N2O là hai loại khí nhà kính quan trọng, có tác động lớn đến biến đổi khí hậu. CH4 có khả năng giữ nhiệt gấp 25 lần so với CO2 trong vòng 100 năm, trong khi N2O có khả năng giữ nhiệt gấp 298 lần. Sự phát thải từ canh tác lúa không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn đến sức khỏe con người và sự phát triển bền vững của nông nghiệp.

1.2. Tình hình phát thải khí nhà kính tại Quảng Nam

Quảng Nam là một trong những tỉnh có diện tích canh tác lúa lớn tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê, lượng phát thải khí CH4 và N2O từ canh tác lúa ở đây chiếm tỷ lệ cao trong tổng lượng phát thải khí nhà kính của tỉnh. Việc áp dụng các phương pháp canh tác truyền thống, như tưới ngập nước, đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát thải khí nhà kính. Do đó, việc nghiên cứu và tìm ra các biện pháp giảm thiểu phát thải là rất cần thiết.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc xác định chính xác mức độ phát thải. Các yếu tố như điều kiện khí hậu, loại đất, và phương pháp canh tác đều ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. Hơn nữa, việc thiếu dữ liệu thực tế và thông số để hiệu chỉnh mô hình cũng là một trong những khó khăn lớn. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp mới và hiệu quả hơn để đo đạc và ước lượng phát thải.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải khí CH4 và N2O

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến mức độ phát thải khí CH4 và N2O trong đất lúa, bao gồm độ ẩm đất, nhiệt độ, và chế độ tưới. Các nghiên cứu cho thấy, khi đất ẩm ướt và thiếu oxy, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ tạo ra nhiều CH4 hơn. Ngược lại, trong điều kiện có oxy, N2O sẽ được hình thành từ quá trình nitrat hóa. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình canh tác và giảm thiểu phát thải.

2.2. Thách thức trong việc đo đạc và ước lượng phát thải

Việc đo đạc phát thải khí nhà kính trên đồng ruộng thường rất tốn kém và phức tạp. Các phương pháp truyền thống không thể cung cấp dữ liệu chính xác trong thời gian ngắn. Do đó, việc áp dụng các mô hình sinh địa hóa như DNDC để ước lượng phát thải là một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh mô hình cho phù hợp với điều kiện thực tế tại Quảng Nam vẫn là một thách thức lớn.

III. Phương pháp nghiên cứu phát thải khí nhà kính trong đất lúa

Để nghiên cứu phát thải khí nhà kính trong đất lúa, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng mô hình DeNitrification-DeComposition (DNDC). Mô hình này giúp ước lượng lượng phát thải CH4 và N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp. Ngoài ra, việc thu thập dữ liệu thực địa và phân tích mẫu đất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chính xác mức độ phát thải.

3.1. Ứng dụng mô hình DNDC trong nghiên cứu

Mô hình DNDC đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa. Mô hình này cho phép mô phỏng các quá trình sinh địa hóa trong đất, từ đó ước lượng lượng phát thải khí CH4 và N2O. Các nghiên cứu cho thấy, mô hình DNDC có thể cung cấp kết quả gần đúng với thực tế, giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các biện pháp giảm thiểu hiệu quả.

3.2. Phương pháp thu thập dữ liệu thực địa

Việc thu thập dữ liệu thực địa là rất quan trọng trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính. Các nhà nghiên cứu cần tiến hành đo đạc các thông số như độ ẩm, pH, và nhiệt độ đất. Ngoài ra, việc lấy mẫu đất và phân tích các chỉ tiêu hóa học cũng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải khí nhà kính. Dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và đưa ra các kết luận chính xác.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy, lượng phát thải khí CH4 và N2O từ canh tác lúa tại Quảng Nam là rất cao. Các yếu tố như chế độ tưới, loại đất, và phương pháp canh tác đều có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát thải. Việc áp dụng các biện pháp canh tác bền vững, như tưới tiết kiệm nước và sử dụng phân bón hợp lý, có thể giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn trong việc xây dựng các chính sách bảo vệ môi trường.

4.1. Đánh giá mức độ phát thải khí CH4 và N2O

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mức độ phát thải khí CH4 và N2O từ canh tác lúa tại Quảng Nam cao hơn so với các khu vực khác. Điều này cho thấy, cần có các biện pháp can thiệp kịp thời để giảm thiểu phát thải. Các số liệu thu thập được từ nghiên cứu sẽ là cơ sở để xây dựng các chính sách và chương trình giảm phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng vào thực tiễn thông qua việc xây dựng các chương trình đào tạo cho nông dân về các phương pháp canh tác bền vững. Ngoài ra, các chính sách hỗ trợ từ chính phủ cũng cần được triển khai để khuyến khích nông dân áp dụng các biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Việc này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu phát thải khí nhà kính

Nghiên cứu về phát thải khí nhà kính CH4 và N2O trong đất lúa tại Quảng Nam đã chỉ ra nhiều vấn đề cần được giải quyết. Việc áp dụng các mô hình sinh địa hóa như DNDC là một bước tiến quan trọng trong việc ước lượng phát thải. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các mô hình và thu thập thêm dữ liệu thực tế. Tương lai, việc phát triển các công nghệ mới và phương pháp canh tác bền vững sẽ là chìa khóa để giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực phát thải khí nhà kính

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện các mô hình ước lượng phát thải khí nhà kính, đồng thời nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến phát thải. Việc áp dụng công nghệ mới trong canh tác cũng cần được xem xét để tìm ra các giải pháp hiệu quả hơn.

5.2. Tầm quan trọng của việc giảm thiểu phát thải khí nhà kính

Giảm thiểu phát thải khí nhà kính không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp. Các chính sách và chương trình hỗ trợ từ chính phủ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc khuyến khích nông dân áp dụng các biện pháp canh tác bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Canh tác lúa nước là nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) lớn nhất trong ngành sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam, với lượng phát thải ước tính khoảng 37,4 triệu tấn $\text{CO}_2$ tương đương ($\text{CO}_2\text{tđ}$), chiếm 58% tổng lượng KNK từ nông nghiệp và 26,1% tổng lượng KNK quốc gia (theo số liệu kiểm kê KNK năm 2013, phát thải từ trồng lúa đạt 44,7 triệu tấn $\text{CO}_2\text{tđ}$, chiếm 50,3% KNK nông nghiệp). Trong khi trên 85% diện tích đất lúa của Việt Nam duy trì chế độ tưới ngập thường xuyên tạo điều kiện yếm khí thuận lợi cho việc hình thành mê-tan ($\text{CH}_4$), Việt Nam đã đặt mục tiêu giảm 20% lượng phát thải $\text{CH}_4$ và nitơ ôxít ($\text{N}_2\text{O}$) từ canh tác lúa đến năm 2020.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định gồm hai vấn đề chính:

1. Các nghiên cứu định lượng phát thải KNK đồng ruộng trước đây tập trung chủ yếu tại hai vựa lúa lớn là đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long (nơi chiếm trên 70% diện tích lúa cả nước). Những khu vực canh tác lúa có quy mô nhỏ hơn nhưng có đặc thù về khí hậu, đất đai và tập quán canh tác riêng biệt như lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (vùng lúa trọng điểm của khu vực Nam Trung Bộ) hầu như chưa được nghiên cứu chi tiết.
2. Việc đo đạc KNK trực tiếp trên đồng ruộng đòi hỏi kinh phí lớn và quy trình kỹ thuật phức tạp nên khó triển khai diện rộng định kỳ. Ứng dụng mô hình sinh địa hóa (như mô hình DNDC) trong kiểm kê KNK tại Việt Nam thường phải sử dụng thông số mặc định hoặc dữ liệu tham khảo do thiếu dữ liệu thực nghiệm để hiệu chỉnh và kiểm định cho từng vùng sinh thái cụ thể.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 5 mục tiêu cụ thể:

1. Đánh giá hiện trạng, đặc điểm về canh tác lúa tại các vùng trồng lúa chính ở lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn và xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình DNDC.
2. Xác định động thái phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ từ môi trường đất lúa nước trong mối quan hệ với biện pháp canh tác (chế độ tưới, sử dụng phân bón), yếu tố mùa vụ, giai đoạn sinh trưởng của lúa và một số tính chất đất cơ bản (pH, Eh, nhiệt độ đất).
3. Kiểm định khả năng ước lượng/tính toán phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ của mô hình DNDC và xác định mức tác động/nhạy cảm của một số biện pháp canh tác, tính chất đất, yếu tố khí tượng đến kết quả ước lượng phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ bằng mô hình.
4. Xác định phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ quy mô vùng bằng mô hình DNDC đã kiểm định và lập bản đồ phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$, bản đồ tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP) vùng nghiên cứu (tập trung vào sự thay đổi chế độ tưới).
5. Đề xuất hệ số phát thải ($\text{EF}$) của $\text{CH}_4$ từ canh tác lúa, hệ số tỷ lệ ($\text{SF}_w$) của các chế độ tưới và đề xuất lộ trình thời gian áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) cho toàn vùng nghiên cứu nhằm giảm phát thải KNK và duy trì năng suất lúa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quá trình phát thải khí $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ trong môi trường đất lúa ngập nước; mô hình sinh địa hóa DNDC (DeNitrification-DeComposition); các yếu tố canh tác (chế độ tưới, phân bón, quản lý rơm rạ) và các đặc tính lý - hóa - sinh của đất lúa.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ vùng canh tác lúa thuộc lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam; các thí nghiệm đồng ruộng chi tiết được thực hiện tại 2 điểm thí nghiệm đại diện trên địa bàn tỉnh.
• Phạm vi thời gian: Thực nghiệm đồng ruộng được tiến hành theo các vụ lúa chính (Đông Xuân và Hè Thu); chuỗi số liệu thống kê sản xuất nông nghiệp, diện tích và khí tượng phục vụ mô hình hóa được thu thập trong giai đoạn 2000–2015.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng quan hệ thống các nghiên cứu về phát thải KNK trong nông nghiệp và canh tác lúa trên thế giới và tại Việt Nam:

Nghiên cứu trên thế giới:

• Nghiên cứu định lượng $\text{CH}_4$: Koyama (đầu thập niên 1960) lần đầu ước tính phát thải $\text{CH}_4$ từ lúa toàn cầu đạt khoảng 190 triệu tấn/năm. Ehhalt và Schmidt (1978) ước tính 280 triệu tấn/năm (~50% lượng $\text{CH}_4$ toàn cầu). Cicerone và Shetter (1981) đo đạc tại California ước tính 59 triệu tấn/năm. Seiler (1984) tại Tây Ban Nha tính toán mức 35–59 triệu tấn/năm. Schutz (1989) tại Ý ước tính $100 \pm 50$ triệu tấn $\text{CH}_4$/năm. IPCC (1996, 2007) xác định lượng $\text{CH}_4$ từ lúa nước dao động 20–100 triệu tấn/năm (trung bình 60 triệu tấn/năm).
• Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến $\text{CH}_4$: Neue (1993), Neue và nnk (1994, 1997, 1998) phân tích quá trình sinh mê-tan của vi khuẩn kị khí khi $\text{Eh} < -150\text{ mV}$ và phân loại đất lúa thành 3 nhóm theo tiềm năng sinh $\text{CH}_4$. Conrad (2002), Sahrawat (2004) xác định hai con đường phản ứng sinh $\text{CH}_4$ chính từ $\text{CO}_2/\text{H}_2$ và $\text{CH}_3\text{COOH}$. Wassmann và nnk (1993, 1996, 1998, 2000) chứng minh bón phân hữu cơ làm tăng phát thải $\text{CH}_4$ từ 2,7 đến 4,1 lần, trong khi phân bón chứa gốc sunphat giúp giảm phát thải $\text{CH}_4$ từ 2 đến 4 lần.
• Nghiên cứu phát thải $\text{N}_2\text{O}$: Mosier và nnk (1991, 1998) chỉ ra nông nghiệp đóng góp khoảng 70% lượng $\text{N}_2\text{O}$ nhân tạo; Bouwman và nnk (2002), Yan và nnk (2003) phân tích hệ số phát thải $\text{N}_2\text{O}$ nền và tỷ lệ phát thải từ phân đạm bón vào đất lúa ($0,25%$ lượng N bón, phát thải nền $1,22\text{ kg }\text{N}_2\text{O-N/ha/năm}$). Denman và nnk (2007) tính toán phát thải $\text{N}_2\text{O}$ từ đất nông nghiệp toàn cầu đạt 2,8 Tg N/năm.

Nghiên cứu tại Việt Nam:

• Đo đạc thực nghiệm và điều tiết nước: Nguyễn Hữu Thành và nnk (2011) tại ĐBSH xác định đỉnh phát thải $\text{CH}_4$ ở tuần thứ 5 (vụ mùa: 66,0–72,3 $\text{mg CH}_4/\text{m}^2/\text{h}$) và tuần thứ 9 (vụ xuân: 44,7–53,6 $\text{mg CH}_4/\text{m}^2/\text{h}$), tương quan nghịch với $\text{Eh}$ ($R^2$ từ -0,55 đến -0,85). Nguyễn Văn Tỉnh và Nguyễn Việt Anh (2006, 2010) ghi nhận rút nước giữa vụ giúp giảm $60\text{ kg CH}_4/\text{ha/năm}$, xác định thế $\text{Eh}$ tối ưu từ $-176\text{ mV}$ đến $-287\text{ mV}$ cho phát sinh $\text{CH}_4$. Nguyễn Thị Thúy Hằng (2014) tại Quảng Bình chỉ ra tưới nông-lộ-phơi giảm 15–20% $\text{CH}_4$. Vũ Vân Anh (2015) tại Thái Nguyên ghi nhận bón phân đầy đủ làm tăng phát thải $\text{CH}_4$ lên $353,7\text{ kg/ha/vụ}$ so với không bón ($78,7\text{ kg/ha/vụ}$). Trần Đăng Hòa và nnk (2015) tại Duy Xuyên (Quảng Nam) xác định tưới ướt khô xen kẽ giảm 19–34% $\text{CH}_4$, tiết kiệm 26–32% nước nhưng làm tăng phát thải $\text{N}_2\text{O}$ từ 25–45%. Huỳnh Quang Tín và nnk (2012, 2015), Tô Lan Phương và nnk (2012), Mai Văn Trịnh và nnk (2015) nghiên cứu kỹ thuật AWD, SRI, 1P-5G và bón đạm theo bảng so màu lá (LCC).
• Ứng dụng mô hình DNDC: William Salas (2013) đề xuất tích hợp mô hình DNDC vào hệ thống giám sát KNK lúa tại Việt Nam; Viện Môi trường Nông nghiệp ứng dụng DNDC trong kiểm kê nhưng phần lớn chạy trên các tham số mặc định.

Tác giả / Tổ chức	Địa bàn / Quy mô	Nội dung chính và phát hiện thực nghiệm
IPCC (2007)	Toàn cầu	Xác định GWP 100 năm: $\text{CH}_4 = 25$, $\text{N}_2\text{O} = 298$. Nông nghiệp đóng góp 84% $\text{N}_2\text{O}$ và 47% $\text{CH}_4$.
Wassmann và nnk (1996, 2000)	Quốc tế / IRRI	Bón phân hữu cơ làm tăng $\text{CH}_4$ 2,7–4,1 lần; phân chứa sunphat giảm $\text{CH}_4$ 2–4 lần; 90% $\text{CH}_4$ phát tán qua mô khí lúa.
Nguyễn Hữu Thành và nnk (2011)	Đồng bằng sông Hồng	Đỉnh phát thải $\text{CH}_4$ ở thời kỳ đẻ nhánh rộ; tương quan nghịch với $\text{Eh}$ ($R^2 = -0,55$ đến $-0,85$), tương quan thuận với chất hữu cơ ($R^2 = 0,6$).
Trần Đăng Hòa và nnk (2015)	Duy Xuyên, Quảng Nam	Tưới ướt khô xen kẽ giảm 19–34% $\text{CH}_4$, tiết kiệm 26–32% nước, tăng $\text{N}_2\text{O}$ 25–45% so với tưới ngập liên tục.
Bộ TNMT (2014, 2017)	Việt Nam	Kiểm kê KNK BUR2: phát thải trồng lúa năm 2013 đạt 44,7 triệu tấn $\text{CO}_2\text{tđ}$ (chiếm 50,3% KNK nông nghiệp).

Khoảng trống luận án giải quyết: Luận án giải quyết sự thiếu hụt về cơ sở dữ liệu thực nghiệm đo đạc đồng bộ $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ tại miền Trung, thực hiện hiệu chỉnh - kiểm định mô hình DNDC dựa trên số liệu đất đai, khí hậu và canh tác bản địa, từ đó mô phỏng không gian và xây dựng hệ số phát thải bậc 2 (Tier 2) cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

1. Cơ chế sinh và phát thải khí $\text{CH}_4$: Mê-tan được tạo ra từ sự phân giải kị khí chất hữu cơ bởi các vi sinh vật sinh mê-tan (methanogens) qua 2 con đường hóa sinh chính: $$\text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$ $$\text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{CO}_2$$ Lượng $\text{CH}_4$ giải phóng vào khí quyển qua 3 con đường:

• Sủi bọt (ebullition): chiếm 1–2% tổng lượng phát thải.
• Khuếch tán (diffusion) qua tầng nước mặt: chiếm 8–9% tổng lượng phát thải.
• Vận chuyển qua hệ mô khí (aerenchyma) của thân và lá lúa: chiếm xấp xỉ 90% tổng lượng phát thải từ đất lúa ngập nước.

2. Cơ chế sinh và phát thải khí $\text{N}_2\text{O}$: $\text{N}_2\text{O}$ là sản phẩm trung gian của hai quá trình sinh hóa do vi sinh vật đất thực hiện:

• Quá trình nitrat hóa (trong điều kiện hiếu khí): vi khuẩn Nitrosomonas ôxy hóa $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$, sau đó Nitrobacter ôxy hóa $\text{NO}_2^-$ thành $\text{NO}_3^-$.
• Quá trình phản nitrat hóa (trong điều kiện yếm khí): vi khuẩn kị khí không bắt buộc (Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus, Achromobacter) khử $\text{NO}_3^-$ và $\text{NO}_2^-$ thành $\text{NO}$, $\text{N}_2\text{O}$ và cuối cùng là $\text{N}_2$.

Quá trình khử	Thế ôxy hóa khử $\text{Eh}$ (mV)	Chất nhận điện tử và sản phẩm tạo thành
Khử Ôxy ($\text{O}_2$)	$+380\text{ đến }+320$	$\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$
Khử Nitrat ($\text{NO}_3^-$)	$+280\text{ đến }+220$	$\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2\text{O} \rightarrow \text{N}_2$
Khử Mangan ($\text{Mn}^{4+}$) và Sắt ($\text{Fe}^{3+}$)	$+180\text{ đến }+150$	$\text{Mn}^{4+} \rightarrow \text{Mn}^{2+}$; $\text{Fe}^{3+} \rightarrow \text{Fe}^{2+}$
Khử Sunphat ($\text{SO}_4^{2-}$)	$-120\text{ đến }-180$	$\text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{H}_2\text{S}$
Khử Các-bon điôxít ($\text{CO}_2$)	$-200\text{ đến }-280$	$\text{CO}_2 \rightarrow \text{CH}_4$ (phát sinh $\text{CH}_4$ mạnh khi $\text{Eh} < -150\text{ mV}$)

$\text{N}_2\text{O}$ hình thành tối đa ở khoảng $\text{Eh}$ từ $+200\text{ đến }+500\text{ mV}$. Khoảng giá trị $\text{Eh}$ từ $+180\text{ đến }-150\text{ mV}$ được xác định là khoảng tối ưu để đồng thời duy trì phát thải $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ ở mức thấp.

Phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp điều tra khảo sát và thu thập dữ liệu nông hộ: Tiến hành rà soát, điều tra các phương thức canh tác lúa (lịch thời vụ, chế độ tưới, chủng loại và lượng phân bón, phương thức quản lý rơm rạ, cơ cấu giống) tại các huyện trọng điểm trồng lúa của tỉnh Quảng Nam; thu thập chuỗi số liệu khí tượng (lượng mưa, nhiệt độ) và bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
2. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng: Thiết kế thí nghiệm tại 2 điểm nghiên cứu đại diện trên đất lúa trong cả vụ Đông Xuân và vụ Hè Thu. Bố trí các công thức thí nghiệm so sánh giữa chế độ tưới ngập liên tục (TN) với các chế độ tưới tiết kiệm nước: rút nước 1 lần giữa vụ (1RN), rút nước 2 lần giữa vụ (2RN), rút nước 3 lần giữa vụ (3RN) / tưới ướt khô xen kẽ (AWD) kết hợp các mức bón phân khoáng và phân hữu cơ. Quan trắc liên tục các thông số môi trường đất ($\text{Eh}$, pH, nhiệt độ tầng $0-20\text{ cm}$) và lấy mẫu khí bằng phương pháp buồng tối đóng kín để phân tích nồng độ $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ trên máy sắc ký khí (GC).
3. Phương pháp mô hình hóa DNDC: Ứng dụng mô hình sinh địa hóa DeNitrification-DeComposition gồm các phân mô nhiệt vi khí hậu, thủy văn đất, phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa, phản nitrat hóa và lên men tạo mê-tan. Thiết lập bộ thông số đầu vào về khí tượng hàng ngày, lý - hóa học đất (dung trọng, carbon hữu cơ $\text{SOC}$, pH, thành phần cơ giới) và biện pháp kỹ thuật canh tác (lịch gieo cấy, bón phân, điều tiết nước) cho từng đơn vị đất lúa.
4. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và kỹ thuật bản đồ: Tích hợp kết quả tính toán phát thải từ mô hình DNDC với cơ sở dữ liệu không gian đất lúa trên nền bản đồ lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn; biên tập bản đồ phân bố không gian cường độ phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ và bản đồ tổng lượng phát thải quy đổi $\text{GWP}$ theo cấp huyện và vùng.
5. Kiểm tra độ nhạy và kiểm soát độ không chắc chắn: Thực hiện phân tích độ nhạy (sensitivity analysis) của mô hình DNDC đối với các nhóm yếu tố đầu vào: tính chất đất ($\text{SOC}$, dung trọng, pH, sét), lượng phân bón và chế độ tưới.
6. Phương pháp xử lý thống kê: Sử dụng các chỉ số thống kê gồm hệ số tương quan ($R^2$), sai số bình phương trung bình căn nguyên ($\text{RMSE}$) và hệ số hiệu quả mô hình ($\text{EF}$ / $\text{SF}_i$) để đánh giá mức độ tương thích giữa số liệu đo đạc thực tế và số liệu mô phỏng.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 1 tổng hợp có hệ thống cơ sở lý luận về hiệu ứng nhà kính và đặc trưng của các chất KNK chính ($\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$). Khí $\text{CO}2$ có thời gian lưu giữ trong khí quyển 5–200 năm với chỉ số $\text{GWP}{100} = 1$; $\text{CH}4$ lưu giữ 12 năm với $\text{GWP}{100} = 25$; $\text{N}2\text{O}$ lưu giữ 114 năm với $\text{GWP}{100} = 298$. Chương này phân tích bức tranh phát thải KNK nông nghiệp toàn cầu và tại Việt Nam qua các kỳ kiểm kê quốc gia (1994, 2005, 2010, 2013), khẳng định canh tác lúa là nguồn đóng góp $\text{CH}_4$ lớn nhất. Đồng thời, chương 1 phân tích chi tiết cơ chế hóa sinh của quá trình sinh mê-tan kị khí, quá trình nitrat hóa - phản nitrat hóa, các con đường giải phóng khí qua mô khí cây lúa, ảnh hưởng của các chất nhận điện tử ($\text{NO}_3^-$, $\text{Mn}^{4+}$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{SO}_4^{2-}$), động thái thế $\text{Eh}$ và pH đất, cũng như tổng kết kinh nghiệm ứng dụng mô hình DNDC trên thế giới và tại Việt Nam.

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

Chương 2 mô tả chi tiết đối tượng, phạm vi nghiên cứu, đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (địa hình chuyển tiếp từ đồi núi sang đồng bằng ven biển, khí hậu nhiệt đới gió mùa phân hóa mùa khô - mùa mưa sâu sắc, tài nguyên đất lúa đa dạng gồm đất phù sa, đất cát pha, đất xám). Trình bày thiết kế thực nghiệm tại 2 điểm thí nghiệm đồng ruộng, quy trình lấy mẫu khí và quan trắc các biến môi trường đất ($\text{Eh}$, pH, nhiệt độ đất). Thiết lập cấu trúc cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình DNDC, cấu hình không gian GIS và các phương pháp thống kê kiểm định mô hình ($\text{RMSE}$, $\text{EF}$, $R^2$) cùng quy trình phân tích độ nhạy.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

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

• Hiện trạng canh tác lúa tại Quảng Nam: Tập quán chuyển đổi lịch thời vụ vụ Đông Xuân và Hè Thu; lượng phân bón vô cơ (urê, DAP, NPK), tỷ lệ sử dụng phân hữu cơ còn thấp; phương thức thu gom và xử lý rơm rạ (đốt, vùi, làm thức ăn gia súc) và cơ cấu giống lúa ngắn - trung ngày.
• Động thái môi trường đất và phát thải KNK thực nghiệm: Quá trình ngập nước làm $\text{Eh}$ đất giảm sâu xuống dưới $-150\text{ mV}$ (đạt $-200\text{ mV}$ đến $-280\text{ mV}$ ở giai đoạn đẻ nhánh rộ và làm đòng), kéo theo sự gia tăng phát thải $\text{CH}_4$. Khi rút nước phơi ruộng, $\text{Eh}$ tăng nhanh lên giá trị dương, phát thải $\text{CH}_4$ giảm rõ rệt nhưng làm xuất hiện các đợt phát thải đỉnh của $\text{N}_2\text{O}$. Nhiệt độ đất cao trong vụ Hè Thu thúc đẩy tốc độ phân giải hữu cơ và làm tăng phát thải $\text{CH}_4$ so với vụ Đông Xuân.
• Kiểm định mô hình DNDC: Đánh giá tương quan giữa giá trị mô phỏng DNDC và số liệu quan trắc thực địa tại cả 2 điểm nghiên cứu qua 2 vụ canh tác. Kết quả kiểm định thống kê cho thấy mô hình DNDC mô phỏng sát động thái và tổng lượng phát thải tích lũy của $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ theo từng vụ và từng công thức tưới.
• Phân tích độ nhạy mô hình: Xác định mức độ nhạy cảm của phát thải đầu ra đối với các thông số đầu vào: hàm lượng carbon hữu cơ trong đất ($\text{SOC}$) và chế độ điều tiết nước có ảnh hưởng lớn nhất đến phát thải $\text{CH}_4$; lượng phân đạm bón và chu kỳ khô - ngập tác động mạnh nhất đến phát thải $\text{N}_2\text{O}$.
• Mô phỏng quy mô vùng và thành lập bản đồ phát thải: Ứng dụng mô hình DNDC tích hợp GIS tính toán phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ và tổng $\text{GWP}$ cho toàn bộ diện tích lúa vùng lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn theo các kịch bản tưới ngập liên tục (TN), rút nước 1 lần (1RN), 2 lần (2RN) và 3 lần (3RN). Xây dựng hệ thống bản đồ phát thải chi tiết theo đơn vị không gian và cấp huyện.
• Đề xuất hệ số phát thải và lộ trình tưới tiết kiệm: Đề xuất hệ số phát thải $\text{CH}_4$ cơ sở ($\text{EF}_i$) cho canh tác lúa ngập liên tục không bón hữu cơ và bộ hệ số tỷ lệ ($\text{SF}_w$) cho các chế độ tưới để áp dụng kiểm kê KNK bậc 2 (Tier 2). Xây dựng kịch bản lộ trình mở rộng áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) cho toàn vùng nghiên cứu.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Tích hợp đồng bộ 3 thành phần nghiên cứu: Là công trình đầu tiên tại khu vực lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn tích hợp đầy đủ 3 hợp phần: (i) Cơ sở dữ liệu thực nghiệm đo đạc định lượng phát thải KNK ($\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) đồng bộ với các thông số lý - hóa đất ($\text{Eh}$, pH, nhiệt độ) dưới các chế độ quản lý nước và phân bón khác nhau; (ii) Dữ liệu điều tra nông hộ về tập quán canh tác, đất đai, khí hậu địa phương; (iii) Mô hình hóa sinh địa hóa bằng mô hình DNDC đã được hiệu chỉnh và kiểm định phù hợp với điều kiện thực tế của miền Trung.
2. Thành lập bản đồ phân bố không gian phát thải KNK và GWP: Ứng dụng công nghệ GIS tích hợp kết quả mô phỏng DNDC để xây dựng hệ thống bản đồ phát thải $\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$ và tiềm năng gây ấm toàn cầu ($\text{GWP}$) ở quy mô lưu vực và cấp huyện dưới các kịch bản điều tiết nước khác nhau, làm rõ tiềm năng giảm phát thải của các kỹ thuật tưới tiết kiệm nước.
3. Xây dựng hệ số phát thải Tier 2 và lộ trình tưới tiết kiệm: Đề xuất bộ hệ số phát thải mê-tan ($\text{EF}_i$) và hệ số tỷ lệ đối với các chế độ tưới ($\text{SF}_w$) phục vụ tính toán kiểm kê KNK quốc gia theo phương pháp bậc 2 (Tier 2) của IPCC; đồng thời đề xuất lộ trình áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) phù hợp với thực tiễn sản xuất tại lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Áp dụng rộng rãi chế độ tưới tiết kiệm nước rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) trong sản xuất lúa tại lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nhằm giảm phát thải KNK, tiết kiệm nguồn nước tưới nhưng vẫn bảo đảm năng suất lúa.
• Kết hợp quản lý nước hợp lý với việc bón phân cân đối, hạn chế bón thừa phân đạm vô cơ và không cày vùi rơm rạ tươi trực tiếp vào đất khi đất đang ngập nước.
• Sử dụng bộ hệ số phát thải ($\text{EF}_i$) và hệ số tỷ lệ ($\text{SF}_w$) đã được luận án xác lập để cập nhật vào cơ sở dữ liệu kiểm kê KNK ngành nông nghiệp cấp tỉnh và quốc gia.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Nghiên cứu thực nghiệm đồng ruộng được tiến hành tại 2 điểm thí nghiệm đại diện trong phạm vi tỉnh Quảng Nam; các tham số mô hình hóa phụ thuộc vào độ chính xác và độ phân giải của cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng, bản đồ đất và chuỗi số liệu khí tượng hiện có tại địa phương.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục mở rộng kiểm chứng thực nghiệm mô hình DNDC trên các nhóm đất lúa đặc thù khác (đất nhiễm mặn, đất phèn) tại các tỉnh duyên hải miền Trung; tích hợp dữ liệu viễn thám độ phân giải cao để cập nhật biến động diện tích gieo trồng và độ ẩm mặt ruộng theo thời gian thực.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cho nhiều nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Khoa học Môi trường, Môi trường Đất và Nước, Nông học; có thể tham khảo phương pháp đo đạc khí buồng kín đồng ruộng, phương pháp kiểm định mô hình sinh địa hóa DNDC và kỹ thuật liên kết DNDC với GIS.
• Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Cục Trồng trọt, Cục Biến đổi khí hậu (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Quảng Nam và các tỉnh Nam Trung Bộ trong việc xây dựng kế hoạch hành động giảm nhẹ phát thải KNK, chuyển đổi cơ cấu mùa vụ và điều tiết hệ thống thủy nông tưới tiết kiệm nước.
• Chuyên gia kiểm kê khí nhà kính: Cung cấp số liệu tham khảo và hệ số phát thải Tier 2 phục vụ biên soạn Báo cáo cập nhật hai năm một lần (BUR) và Thông báo Quốc gia (NC) gửi Công ước khung Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu (UNFCCC).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số Tiềm năng gây ấm toàn cầu (GWP) trong khung thời gian 100 năm của $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$ được xác định là bao nhiêu theo IPCC?
Theo Báo cáo Đánh giá của IPCC được trích dẫn trong luận án, trong khung thời gian 100 năm, khả năng giữ nhiệt của khí mê-tan ($\text{CH}_4$) cao gấp 25 lần so với $\text{CO}_2$ ($\text{GWP} = 25$) và nitơ ôxít ($\text{N}_2\text{O}$) cao gấp 298 lần so với $\text{CO}_2$ ($\text{GWP} = 298$).

2. Khí $\text{CH}_4$ được giải phóng từ ruộng lúa ngập nước vào khí quyển chủ yếu qua con đường nào?
Khí $\text{CH}_4$ thoát vào khí quyển qua 3 con đường: sủi bọt khí (chiếm 1–2%), khuếch tán qua tầng nước mặt (chiếm 8–9%) và vận chuyển thông qua hệ thống mô khí (aerenchyma) của thân và lá cây lúa (chiếm tới 90% tổng lượng phát thải).

3. Khoảng thế ôxy hóa khử ($\text{Eh}$) nào trong đất lúa kích thích phát sinh $\text{CH}_4$ và $\text{N}_2\text{O}$?
$\text{CH}_4$ bắt đầu hình thành khi $\text{Eh} < -150\text{ mV}$ và sản sinh mạnh nhất ở khoảng $\text{Eh}$ từ $-200\text{ mV}$ đến $-280\text{ mV}$. Ngược lại, $\text{N}_2\text{O}$ hình thành tối đa ở điều kiện hiếu khí/bán kị khí có $\text{Eh}$ từ $+200\text{ mV}$ đến $+500\text{ mV}$. Khi đất duy trì $\text{Eh}$ từ $+180\text{ mV}$ đến $-150\text{ mV}$, tổng phát thải quy đổi $\text{GWP}$ của cả hai khí đạt mức thấp tối ưu.

4. Áp dụng kỹ thuật tưới tiết kiệm nước (rút nước giữa vụ / AWD) mang lại hiệu quả gì đối với việc phát thải KNK?
Biện pháp rút nước phơi ruộng làm tăng thế $\text{Eh}$, cắt đứt môi trường kị khí giúp giảm từ 15% đến 34% lượng phát thải $\text{CH}_4$ và tiết kiệm 26–35% lượng nước tưới. Tuy nhiên, quá trình làm khô đất thúc đẩy quá trình nitrat hóa - phản nitrat hóa, có thể làm gia tăng phát thải $\text{N}_2\text{O}$ từ 25% đến 45% so với chế độ tưới ngập liên tục.

5. Phương pháp kiểm kê KNK bậc 2 (Tier 2) khác với bậc 1 (Tier 1) như thế nào theo hướng dẫn của IPCC?
Phương pháp Tier 1 là phương pháp cơ bản nhất, sử dụng các hệ số phát thải mặc định toàn cầu nên có độ sai số cao. Phương pháp Tier 2 sử dụng cấu trúc tính toán tương tự Tier 1 nhưng áp dụng hệ số phát thải đặc thù quốc gia/vùng sinh thái ($\text{EF}_i$) và hệ số tỷ lệ canh tác ($\text{SF}_w$) dựa trên số liệu thực nghiệm chi tiết của địa phương, mang lại độ chính xác cao hơn.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Ngô Đức Minh đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu định lượng và mô phỏng phát thải khí nhà kính ($\text{CH}_4$, $\text{N}_2\text{O}$) trong môi trường đất lúa tại lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam. Bằng việc kết hợp thực nghiệm đồng ruộng, điều tra nông hộ với mô hình hóa sinh địa hóa DNDC và công nghệ bản đồ GIS, công trình đã kiểm định thành công độ chính xác của mô hình DNDC trong điều kiện canh tác lúa tại miền Trung. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp bộ hệ số phát thải $\text{CH}_4$ bậc 2 (Tier 2), hệ số tỷ lệ chế độ tưới ($\text{SF}_w$) và bản đồ phân bố không gian $\text{GWP}$, đồng thời đề xuất lộ trình áp dụng chế độ tưới rút nước 1 lần giữa vụ (1RN) nhằm thực hiện mục tiêu giảm nhẹ phát thải khí nhà kính và phát triển nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu Biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu đang trở thành một vấn đề “thời sự” trong khoa học và chính trị hiện nay. Có rất nhiều tranh luận về nguyên nhân gây ra BĐKH là do hoạt động của con người hay vận động của tự nhiên.

Tuy nhiên, qua các quan trắc và nghiên cứu lâu dài trên phạm vi toàn cầu, các kết quả đã chứng minh rằng: sự thay đổi khí hậu đương đại (ví dụ như tăng nhiệt độ) chủ yếu là do sự phát thải các khí nhà kính (KNK) từ các hoạt động của con người, bao gồm: gồm hơi nước (H2O), cácbon điôxít (CO2), mê-tan (CH4), ôxit-nitơ (N2O), ôzôn(O3), các khí chlorofluorocacbon (CFC)… [IPCC, 2007]. Đây là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại) được phản xạ từ bề mặt trái đất khi được mặt trời chiếu sáng. Các KNK trong khí quyển cho phép bức xạ sóng ngắn (< 0,7µm) từ mặt trời đi qua, nhưng hấp thụ bức xạ song dài (≥ 0,7µm) đi từ bề mặt trái đất. 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, được phản xạ trở lại thành các bức xạ nhiệt sóng dài, tiếp đó được các KNK trong bầu khí quyển hấp thụ và phân tán nhiệt trở lại trái đất và làm nóng bầu khí quyển, được gọi là “hiệu ứng nhà kính tự nhiên” [IPCC, 2007]. Hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất và thay đổi hình thái khí hậu [IPCC, 2007]. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng sự gia tăng nồng độ CH4 và N2O trong khí quyển do các hoạt động của con người có liên quan đến sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Môi trường đất được coi là một nguồn lưu giữ KNK trong hầu hết các hệ sinh thái trên cạn.

Theo tính toán của IPCC năm 2007, mức đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của CO2 khoảng 36-70% (trung bình 60%), CH4 khoảng 9-26% (trung bình 15%), N2O khoảng 3-7% (trung bình 5%), O3 khoảng 4 - 9% (trung bình 6%). Khí CH4 và N2O liên quan đến sự suy giảm lớp ôzôn (O3) ở tầng bình lưu của bầu khí quyển [IPCC, 1996]. Tác động của hiệu ứng nhà kính đã làm tăng nhiệt độ toàn cầu trung bình trong khoảng 0,3-0,6°C trong thế kỷ trước và dự đoán sẽ tăng từ 1,1°C đến 6,4°C vào năm 2100 trong đó nhiệt độ ở vùng có vĩ độ trung và cao tăng lên càng nhiều [IPCC, 2007]. Các nhà khoa học dự đoán rằng: nếu nồng độ CO2 tiếp tục tăng lên 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thì sau 100 năm nữa hoặc trong thời gian ngắn hơn, mức độ hiệu ứng nhà kính giống như kỷ Jura sẽ tái xuất hiện.

Lúc đó băng ở hai cực của trái đất sẽ tan ra, đất liền sẽ bị thu hẹp, nhiệt độ tăng cao và một lượng lớn sinh vật sẽ bị huỷ diệt. Vùng Bắc cực nóng lên nhanh gấp 2 lần mức nóng trung bình trên toàn cầu. Diện tích của Biển Bắc cực được bao phủ bởi băng trong mỗi mùa hè đang thu nhỏ lại. Tính từ năm 1980, vùng Bắc Âu đã mất khoảng 20-30% lượng băng trên biển.

Trong vòng 100 năm qua, mực nước biển trên phạm vi toàn cầu đã tăng từ 1-2 mm mỗi năm. Nếu tính từ năm 1993, mực nước biển tăng khoảng 3,1 mm/năm. Mực nước biển tăng, cư dân sống ở các đảo thấp và các thành phố ven biển đối mặt với tình trạng ngập lụt [Church và White, 2011]. Nồng độ KNK tương đối ổn định trong khoảng một nghìn năm trước cuộc cách mạng công nghiệp và sau đó đã tăng lên đáng kể: nồng độ CO2 trong khí quyển tăng gần 30%, nồng độ CH4 tăng hơn 200%, và nồng độ N2O đã tăng khoảng 15% [IPCC, 2001].

Nồng độ CO2 trong khí quyển tăng từ giá trị tiền công nghiệp khoảng 280 ppm đến 379 ppm, CH4 từ 0,715 ppm lên 1,775ppm và N2O từ 0,270 ppmlên 0.1: Một số đặc trưng của các KNK chính Thời gian tồn tại Nồng độ thời tiền Nồng độ năm Khí nhà kính trong khí quyển công nghiệp (ppm) 2005 (ppm) (năm) CO2 280 379 5-200 CH4 0,715 1,775 12 N2 O 0,270 0,319 114 [Nguồn: IPCC, 2007] Các KNK khác nhau về khả năng hấp thụ nhiệt trong khí quyển. Tác động của phát thải KNK lên khí quyển không chỉ liên quan đến tính chất bức xạ, mà còn liên quan đến thời gian chất khí tồn tại trong khí quyển, yếu tố chính trong việc xác định hiệu ứng gây nóng bầu khí quyển. Ví dụ, khí CO2 có thể tồn tại trong khí quyển khoảng 120 năm và tiếp tục đóng góp vào quá trình bức xạ nhiệt (với tác động giảm dần) trong nhiều thập kỷ; một số khí CFCs có thời gian tồn tại rất dài và có thể góp phần làm nóng trái đất trong nhiều thế kỷ [IPCC, 2001]. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Tiềm năng gây ấm toàn cầu (Global Warming Potential – GWP) 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 (hay khả năng giữ nhiệt trong khí quyển) của CH4 cao gấp 25 lần so với CO2 và GWP của N2O cao gấp 298 lần so với CO2 [IPCC, 2007].2: Giá trị tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (GWP) của các KNK chính Khí nhà kính Giá trị tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (CO2tđ) 20 năm 100 năm 500 năm CO2 1 1 1 CH4 62 25 7 N2 O 275 298 156 CFC 7900 8500 4200 HCFC 4300 1700 520 [Nguồn: Báo cáo thường niên lần 4, IPCC, 2007] 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 [IPCC, 2007]. Khí CH4 hình thành 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 ngập nước là điều kiện lý tưởng cho quá trình sản sinh và phát thải khí CH4 (methanogenesis) [Corton và nnk, 2000]. Theo Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA, 2016), hoạt động của con người đóng 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] góp khoảng 50% lượng CH4 trong khí quyển, còn lại là từ sự rò rỉ ở các lớp thổ nhưỡng và đại dương. Tổng lượng khí CH4 phát thải hàng năm trên toàn cầu ước tính khoảng 30 – 60 tỉ tấn hằng năm, tương đương khoảng 750 – 1.250 tỉ tấn CO2tđ [Soyez và Graßl, 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. Từ năm 1750 đến năm 1998, nồng độ khí CH4 tăng khoảng 150%, lên mức 1745 ppb [IPCC, 2001]. Theo quan sát của Dlugokencky và nnk (2003), từ năm 1985 đến năm 2000 nồng độ khí CH4 trong không khí gia tăng liên tục nhưng trong khoảng vài năm sau đó, sự gia tăng này dường như diễn ra chậm lại. Theo báo cáo của NOAA (2008), nồng độ CH4 trong khí quyển đã đạt đến mức 1.

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 và nnk, 2000]… Theo kết quả công bố bản Báo cáo Đánh giá thứ hai của IPCC [1996] về Tiềm năng gây nóng toàn cầu (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. 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 được thải vào bầu khí quyển khoảng 17,7 Gg N [Mosier và nnk, 1998]. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam 1. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng đối với của hầu hết các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển. Hơn 60% dân số thế giới sống ở nông thôn và các sản phẩm nông nghiệp giúp duy trì an ninh lương thực.

Tuy nhiên, các hoạt động nông nghiệp cũng ảnh hưởng đến môi trường toàn cầu thông qua các tác 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] động đến khí quyển, môi trường đất, nước và các hệ sinh thái tự nhiên. Liên quan đến sự ấm lên toàn cầu, nhiều nghiên cứu gần đây đã khẳng định rằng nông nghiệp chính là một trong những nguồn phát thải KNK chính và là bể chứa các-bon.