Luận văn thạc sĩ hus sử dụng tư liệu ảnh modis và mô hình dndc tính toán lượng phát thải ch4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông hồng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng ảnh MODIS và mô hình DNDC để tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng.

• Tác giả: Phan Văn Trọng
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Văn Cự
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin địa lý
• Đề tài: Sử Dụng Tư Liệu Ảnh Modis Và Mô Hình Dndc Tính Toán Lượng Phát Thải Ch4 Từ Hoạt Động Canh Tác Lúa Nước Trên Đồng Bằng Sông Hồng
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 0.7. Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC
• 1.1. Phát thải Methane từ canh tác lúa nước
• 1.2. Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa
• 1.3. Cơ chế hình thành và phát thải mêtan
• 1.4. Tách chiết lúa từ ảnh MODIS
• 1.5. Các mô hình phát thải khí nhà kính
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA THEO MÔ HÌNH DNDC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
• 2.1. Khu vực nghiên cứu. Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên
• 2.2. Đặc điểm về kinh tế xã hội
• 2.3. Tình hình sản xuất lúa và đặc điểm mùa vụ lúa đồng bằng sông Hồng
• 2.4. Sử dụng tư liệu MODIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước
• 2.4.1. Cơ sở dữ liệu nghiên cứu
• 2.4.2. Phân loại đa thời gian và thành lập bản đồ vùng trồng lúa
• 2.4.3. Ứng dụng mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4
• 3. CHƯƠNG 3: PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG
• 3.1. Kết quả phát thải CH4 từ canh tác lúa nước
• 3.2. Kiểm chứng kết quả
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa nước

Canh tác lúa nước là một trong những hoạt động nông nghiệp chủ yếu tại Việt Nam, đặc biệt là ở đồng bằng sông Hồng. Việc tính toán lượng phát thải khí Methane (CH4) từ hoạt động này không chỉ giúp đánh giá tác động môi trường mà còn hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước và đất. Dữ liệu từ vệ tinh MODIS cung cấp thông tin quan trọng về sự phân bố và tình trạng của các cánh đồng lúa, từ đó giúp xác định lượng phát thải CH4 một cách chính xác hơn.

1.1. Tầm quan trọng của việc tính toán phát thải CH4

Việc tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tác động của nông nghiệp đến biến đổi khí hậu. Theo IPCC, CH4 là một trong những khí nhà kính chính, đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu. Do đó, việc giảm thiểu lượng phát thải này là cần thiết để bảo vệ môi trường.

1.2. Dữ liệu MODIS và ứng dụng trong nghiên cứu

Dữ liệu MODIS cung cấp thông tin về tình trạng cây trồng, độ ẩm đất và các yếu tố khí tượng khác. Những thông tin này rất hữu ích trong việc tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước. Việc sử dụng dữ liệu viễn thám giúp nâng cao độ chính xác trong các mô hình tính toán phát thải.

II. Vấn đề phát thải CH4 từ canh tác lúa nước hiện nay

Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các nghiên cứu cho thấy rằng lượng phát thải này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn tác động đến sức khỏe con người. Việc quản lý không hiệu quả nguồn nước và phân bón cũng góp phần làm gia tăng lượng phát thải CH4.

2.1. Nguyên nhân chính gây phát thải CH4

Các nguyên nhân chính gây phát thải CH4 từ canh tác lúa nước bao gồm quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí, sử dụng phân bón không hợp lý và quản lý nước không hiệu quả. Những yếu tố này làm tăng lượng khí CH4 phát thải vào khí quyển.

2.2. Tác động của phát thải CH4 đến môi trường

Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có tác động tiêu cực đến môi trường, góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến khí hậu mà còn tác động đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

III. Phương pháp tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa nước

Để tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước, các nhà nghiên cứu thường sử dụng mô hình DNDC kết hợp với dữ liệu MODIS. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn về lượng phát thải khí nhà kính từ các vùng trồng lúa.

3.1. Mô hình DNDC và cách thức hoạt động

Mô hình DNDC (DeNitrification-DeComposition) là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán lượng phát thải khí nhà kính từ nông nghiệp. Mô hình này sử dụng dữ liệu về đất, nước và khí hậu để dự đoán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước.

3.2. Quy trình thu thập và phân tích dữ liệu

Quy trình thu thập dữ liệu bao gồm việc sử dụng ảnh vệ tinh MODIS để theo dõi sự phát triển của cây lúa, từ đó xác định các yếu tố ảnh hưởng đến lượng phát thải CH4. Dữ liệu này được phân tích để đưa ra các dự đoán chính xác về lượng phát thải khí nhà kính.

IV. Kết quả nghiên cứu về phát thải CH4 từ canh tác lúa nước

Nghiên cứu cho thấy rằng lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng là rất đáng kể. Kết quả này không chỉ giúp đánh giá hiện trạng phát thải mà còn cung cấp cơ sở cho việc đề xuất các biện pháp giảm thiểu hiệu quả.

4.1. Đánh giá lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa

Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng đạt mức cao, chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng phát thải khí nhà kính của khu vực. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp quản lý hiệu quả hơn.

4.2. Kiểm chứng kết quả và độ chính xác của mô hình

Việc kiểm chứng kết quả từ mô hình DNDC cho thấy độ chính xác cao trong việc dự đoán lượng phát thải CH4. Các số liệu thu thập từ thực địa đã hỗ trợ xác nhận tính đúng đắn của mô hình, từ đó nâng cao độ tin cậy trong các nghiên cứu tiếp theo.

V. Kết luận và hướng đi tương lai trong nghiên cứu phát thải CH4

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy rằng việc tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa nước là rất cần thiết để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Hướng đi tương lai cần tập trung vào việc cải thiện các phương pháp quản lý nước và phân bón để giảm thiểu lượng phát thải khí nhà kính.

5.1. Đề xuất biện pháp giảm thiểu phát thải CH4

Các biện pháp giảm thiểu phát thải CH4 có thể bao gồm cải thiện quản lý nước, sử dụng phân bón hợp lý và áp dụng các phương pháp canh tác bền vững. Những biện pháp này không chỉ giúp giảm thiểu phát thải mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

5.2. Tương lai của nghiên cứu phát thải khí nhà kính

Nghiên cứu về phát thải khí nhà kính, đặc biệt là CH4 từ canh tác lúa nước, sẽ tiếp tục được chú trọng trong tương lai. Việc áp dụng công nghệ mới và dữ liệu viễn thám sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong các nghiên cứu và quản lý tài nguyên.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn biến phức tạp, trong đó khí mê-tan ($CH_4$) là một trong những tác nhân chính khi đóng góp khoảng 18% vào hiệu ứng nhà kính và sở hữu tiềm năng làm nóng toàn cầu cao gấp 25 lần so với $CO_2$ trong chu kỳ 100 năm. Theo báo cáo kiểm kê khí nhà kính quốc gia, ngành nông nghiệp Việt Nam năm 2010 phát thải khoảng 88,6 triệu tấn $CO_2$ tương đương (chiếm khoảng 33,2% tổng lượng phát thải không tính lĩnh vực sử dụng đất và lâm nghiệp). Trong đó, hoạt động canh tác lúa nước chiếm hơn 57,5% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn ngành nông nghiệp do quá trình phân hủy yếm khí của chất hữu cơ trong môi trường ngập nước kéo dài.

Đồng bằng sông Hồng là vựa lúa lớn thứ hai cả nước với hơn 700.000 ha đất nông nghiệp chuyên trồng lúa và mức độ thâm canh cao nhất Việt Nam. Tuy nhiên, việc tính toán phát thải khí nhà kính nông nghiệp trước đây chủ yếu dựa trên các hệ số phát thải trung bình tĩnh của IPCC (Bậc 1), chưa phản ánh được sự biến động không gian của các tiểu vùng đất đai, khí hậu, tập quán bón phân và chế độ tưới tiêu.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng phương pháp tích hợp tư liệu viễn thám MODIS đa thời gian với mô hình sinh địa hóa DNDC (DeNitrification-DeComposition) nhằm chiết tách không gian phân bố mùa vụ lúa và tính toán định lượng phát thải $CH_4$ tại 10 tỉnh thuộc Đồng bằng sông Hồng trong năm 2010. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc số hóa kiểm kê khí nhà kính, phục vụ hoạch định chính sách giảm nhẹ phát thải quốc gia và tối ưu hóa chi phí sản xuất lúa bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sinh địa hóa đất ngập nước và nguyên lý viễn thám quang học đa thời gian:

• Lý thuyết sinh địa hóa và mô hình DNDC: Quá trình sinh khí $CH_4$ diễn ra trong điều kiện yếm khí cực hạn khi thế oxy hóa - khử ($Eh$) của đất giảm xuống dưới mức -150 mV đến -200 mV. Mô hình DNDC mô phỏng chi tiết các quá trình tương tác lý - hóa - sinh trong đất gồm: chu trình các-bon, chu trình ni-tơ, sự phân hủy chất hữu cơ, sự phát triển của hệ vi sinh vật sinh mê-tan (Methanogens) và vi sinh vật oxy hóa mê-tan (Methanotrophs).
• Cơ chế vận chuyển khí $CH_4$ trên ruộng lúa: Khoảng 90% lượng $CH_4$ thoát vào khí quyển thông qua hệ thống mô khí (aerenchyma) của thân cây lúa, 10% phát tán qua các bọt khí nổi lên mặt nước và chỉ khoảng 1% khuếch tán trực tiếp qua lớp nước bề mặt.
• Nguyên lý nhận dạng mùa vụ lúa bằng chỉ số thực vật: Cây lúa nước có đặc tính quang phổ độc nhất khi trải qua thời kỳ làm đất và cấy mạ, bề mặt ruộng là hỗn hợp nước và mạ non. Thuật toán phân loại mùa vụ của Xiangming Xiao dựa trên việc phân tích sự giao cắt giữa chỉ số nước bề mặt (LSWI) và các chỉ số thực vật (NDVI, EVI) để nhận diện chính xác thời điểm sạ cấy và thu hoạch.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu đầu vào:
  • Dữ liệu viễn thám: Sử dụng chuỗi 46 cảnh ảnh MODIS MOD09A1 (phản xạ bề mặt tổ hợp 8 ngày, phân giải 500m, mảnh h27v06) bao phủ trọn vẹn năm 2010 trên toàn bộ Đồng bằng sông Hồng.
  • Dữ liệu thổ nhưỡng: Bản đồ đất tỷ lệ 1:250.000 của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa gồm 35 tiểu đơn vị đất với các thuộc tính lý hóa chi tiết: hàm lượng các-bon hữu cơ (SOC từ 1,19% đến 8,99%), độ pH (4,0 đến 8,5), dung trọng (1,00 đến 1,62 g/cm³) và thành phần cấp hạt sét (5% đến 78%).
  • Dữ liệu khí tượng: Dữ liệu nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp và lượng mưa theo ngày tại 10 trạm khí tượng đại diện (Láng, Phủ Liễn, Hải Dương, Nam Định, Thái Bình, Vĩnh Yên,...).
  • Dữ liệu nông học: Khảo sát nông lịch, lượng phân bón (N dao động từ 90,6 đến 131,1 kg/ha) và chế độ tưới tiêu tại 10 tỉnh thành.
• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu bao quát toàn bộ 10 tỉnh Đồng bằng sông Hồng. Việc kiểm chứng thực địa được thực hiện thông qua phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo các tuyến khảo sát cắt ngang qua các tiểu vùng sinh thái tại Hà Nội, Hải Dương, Thái Bình và Nam Định.
• Lý do lựa chọn phương pháp: Sự kết hợp giữa MODIS và GIS cho phép khắc phục hạn chế mây mù của ảnh quang học nhiệt đới nhờ chu kỳ lặp 8 ngày, cung cấp bản đồ phân bố diện tích lúa theo từng mùa vụ để tích hợp làm đầu vào không gian cho mô hình DNDC quy mô vùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Độ chính xác cao trong phân lập không gian mùa vụ lúa: Việc ứng dụng thuật toán chỉ số kết hợp LSWI, NDVI và EVI đã tách chiết thành công bản đồ diện tích lúa vụ Đông Xuân và vụ Hè Thu năm 2010 trên toàn bộ 10 tỉnh Đồng bằng sông Hồng. Kết quả đối chiếu với số liệu thống kê nông nghiệp cho thấy mức độ tương thích trên 85%, hạn chế tối đa sai số do mây mù che phủ.
• Sự biến thiên phát thải $CH_4$ rõ rệt giữa hai mùa vụ: Lượng phát thải khí $CH_4$ trong vụ Hè Thu (vụ Mùa) cao hơn đáng kể so với vụ Đông Xuân. Cụ thể, cường độ phát thải trung bình vụ Hè Thu đạt khoảng 150 - 280 kg $CH_4$/ha/vụ, trong khi vụ Đông Xuân dao động từ 80 - 160 kg $CH_4$/ha/vụ (tăng trung bình khoảng 40% đến 60% tùy thuộc vào từng khu vực).
• Phân hóa không gian phát thải theo đơn vị hành chính và loại đất: Các tỉnh có mật độ phát thải và tổng lượng $CH_4$ cao nhất là Thái Bình, Nam Định và Hải Dương. Nguyên nhân do diện tích thâm canh lúa 2 vụ lớn kết hợp với lượng bón đạm cao (vụ Xuân tại Thái Bình đạt 131,1 kg N/ha, vụ Mùa đạt 116,2 kg N/ha). Những vùng đất phù sa không được bồi đắp hàng năm có hàm lượng sét từ 35% trở lên và hàm lượng các-bon hữu cơ tầng mặt vượt mức 2,5% luôn ghi nhận lượng phát thải cao nhất.
• Kiểm chứng mô hình bằng đo đạc thực nghiệm: Kết quả mô phỏng từ mô hình DNDC được so sánh với số liệu đo đạc thực tế tại trạm thí nghiệm Hoài Đức (Hà Nội) và các nghiên cứu của Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm. Sai số tương đối giữa mô hình và thực nghiệm chỉ dao động trong khoảng 10% đến 15%, khẳng định tính khả thi của mô hình sinh địa hóa tại miền Bắc Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Sự chênh lệch phát thải giữa hai vụ lúa bắt nguồn trực tiếp từ điều kiện nhiệt độ và động thái $Eh$ trong đất. Trong vụ Đông Xuân, nhiệt độ trung bình từ tháng 2 đến tháng 4 duy trì ở mức thấp (18°C đến 22°C), làm chậm tốc độ phân giải chất hữu cơ của vi khuẩn yếm khí. Ngược lại, vụ Hè Thu diễn ra trong các tháng 6 đến tháng 9 với nền nhiệt độ cao (28°C đến 33°C) kết hợp lượng mưa lớn chiếm hơn 85% tổng lượng mưa cả năm, kích hoạt mạnh mẽ hoạt động của vi sinh vật sinh mê-tan.

Dữ liệu kết quả được thể hiện trực quan thông qua hai bản đồ chuyên đề GIS về phân bố thông lượng $CH_4$ toàn vùng và các biểu đồ thanh so sánh lượng phát thải giữa 10 tỉnh thành. Phân tích hồi quy trên các bảng số liệu đất cho thấy mối tương quan thuận rõ nét giữa lượng phát thải $CH_4$ với hàm lượng chất hữu cơ (hệ số $R^2 \approx 0,65$) và tương quan nghịch với chế độ rút nước giữa vụ. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) tại Philippines và Trung Quốc, khẳng định rằng việc ngập nước thường xuyên cả vụ (Continuous Flooding) chính là nguyên nhân đẩy mức phát thải lên đỉnh điểm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuyển đổi kỹ thuật tưới sang quy trình Nông - Lộ - Phơi xen kẽ (AWD): Cục Trồng trọt cùng Sở Nông nghiệp & PTNT các tỉnh cần chỉ đạo áp dụng kỹ thuật tưới ngập - khô xen kẽ trên tối thiểu 40% diện tích lúa 2 vụ vào năm 2028. Giải pháp này giúp rút nước mặt ruộng 2 - 3 lần vào giai đoạn đẻ nhánh rộ và sau khi trổ, hướng đến mục tiêu giảm từ 25% đến 35% lượng $CH_4$ phát thải mà vẫn duy trì năng suất lúa ổn định.
2. Chuẩn hóa quy trình quản lý rơm rạ và phân bón hữu cơ: Trung tâm Khuyến nông các địa phương cần tuyên truyền chấm dứt triệt để việc đốt rơm rạ lộ thiên hoặc vùi tươi rơm rạ vào đất ngập nước trước vụ cấy dưới 20 ngày. Khuyến khích sử dụng chế phẩm vi sinh ủ rơm rạ hoặc thu gom làm nguyên liệu nấm/năng lượng sinh học, đặt mục tiêu giảm 20% lượng phát tán khí nhà kính hữu cơ trước năm 2027.
3. Điều chỉnh liều lượng phân đạm hóa học: Các hợp tác xã nông nghiệp tại Thái Bình, Hải Dương, Nam Định cần áp dụng bảng so màu lá lúa (LCC) để tối ưu hóa lượng phân đạm bón vào đất, duy trì dưới ngưỡng 100 kg N/ha/vụ, giúp ngăn chặn sự ức chế vi khuẩn oxy hóa mê-tan và giảm 15% lượng phát thải liên quan đến chu trình ni-tơ.
4. Ứng dụng công nghệ GIS - Viễn thám trong giám sát phát thải thường niên: Bộ Tài nguyên & Môi trường cần phối hợp cùng các viện nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động cập nhật bản đồ phát thải khí nhà kính dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh quang học và radar định kỳ hàng năm, hoàn thiện cơ sở dữ liệu số phục vụ báo cáo đóng góp do quốc gia tự quyết định (NDC) trước năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và nông nghiệp: Cán bộ Cục Biến đổi khí hậu (Bộ TN&MT), Vụ Khoa học Công nghệ và Môi trường (Bộ Nông nghiệp & PTNT) sử dụng kết quả nghiên cứu làm căn cứ khoa học để hoàn thiện hệ số phát thải $CH_4$ Bậc 2 và Bậc 3 trong kiểm kê khí nhà kính quốc gia.
• Chuyên gia và kỹ sư công nghệ địa không gian (GIS & Viễn thám): Các nhà nghiên cứu ứng dụng chuỗi ảnh quang học đa thời gian (MODIS, Sentinel, Landsat) và mô hình hóa không gian để giám sát mùa màng, lập bản đồ thảm phủ thực vật và đánh giá tác động môi trường nông nghiệp.
• Nhà khoa học, giảng viên và sinh viên ngành Môi trường - Thổ nhưỡng: Các trường đại học khối tài nguyên, địa lý và nông nghiệp sử dụng tài liệu làm giáo trình tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa sinh địa hóa đất ngập nước bằng phần mềm DNDC.
• Các tổ chức phi chính phủ và đơn vị phát triển dự án tín chỉ carbon: Các nhà phát triển dự án carbon nông nghiệp tham khảo phương pháp luận đo đếm, báo cáo và thẩm tra (MRV) để xây dựng phương án giảm phát thải trong sản xuất lúa theo tiêu chuẩn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao ảnh viễn thám MODIS được lựa chọn thay vì các ảnh có độ phân giải cao hơn như Landsat hay SPOT? Ảnh MODIS sở hữu tần suất chụp lặp lại rất cao (1 - 2 ngày/lần) và cung cấp sản phẩm chuẩn tổ hợp 8 ngày (MOD09A1), giúp loại bỏ hiệu quả hiện tượng mây mù dày đặc tại khu vực nhiệt đới gió mùa của Đồng bằng sông Hồng. Trong khi đó, ảnh Landsat có chu kỳ chụp 16 ngày nên thường xuyên bị mây che phủ trong giai đoạn gieo cấy lúa.

Mô hình DNDC cần những nhóm tham số đầu vào cơ bản nào để chạy mô phỏng phát thải? Mô hình DNDC yêu cầu 4 nhóm thông tin chính: Dữ liệu khí tượng hàng ngày (nhiệt độ tối cao, tối thấp, lượng mưa); Thuộc tính đất tầng mặt (pH, dung trọng, hàm lượng các-bon hữu cơ SOC, tỷ lệ sét); Nông lịch và đặc tính sinh trưởng của giống lúa; Chế độ canh tác (lịch cày xới, lượng phân bón N-P-K, thời gian ngập và rút nước).

Tại sao phần lớn khí $CH_4$ từ ruộng lúa lại phát thải qua thân cây lúa thay vì bốc hơi qua mặt nước? Cây lúa nước sở hữu hệ thống mô khí (aerenchyma) phát triển từ rễ lên đến bẹ lá và phiến lá để cung cấp oxy cho rễ ngập nước. Cấu trúc rỗng này vô tình tạo thành một "ống dẫn khí" trực tiếp đưa $CH_4$ từ vùng rễ yếm khí thoát thẳng ra ngoài khí quyển, chiếm tới 90% tổng lượng phát thải của ruộng lúa.

Lượng phát thải $CH_4$ ở vụ Hè Thu khác biệt như thế nào so với vụ Đông Xuân tại miền Bắc? Phát thải $CH_4$ vụ Hè Thu cao hơn vụ Đông Xuân khoảng 40% đến 60%. Nguyên nhân là do nhiệt độ vụ Hè Thu cao (trên 30°C) thúc đẩy tốc độ phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, đồng thời lượng mưa mùa hè chiếm hơn 85% tổng lượng mưa cả năm tạo môi trường ngập nước yếm khí liên tục.

Làm thế nào để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình DNDC khi tính toán ở quy mô vùng rộng lớn? Độ tin cậy được kiểm chứng bằng cách so sánh đầu ra mô phỏng với dữ liệu đo đạc thực tế tại các trạm thực nghiệm nông nghiệp (sử dụng phương pháp buồng đo kín) và đối chiếu diện tích lúa chiết tách từ viễn thám với số liệu thống kê chính thức của Tổng cục Thống kê, duy trì sai số dưới 15%.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình công nghệ kết hợp ảnh viễn thám MODIS đa thời gian và mô hình sinh địa hóa DNDC để giám sát không gian và định lượng phát thải khí $CH_4$ từ lúa nước trên toàn vùng Đồng bằng sông Hồng.
• Thuật toán phân loại mùa vụ dựa trên chỉ số kết hợp LSWI/NDVI/EVI đạt độ chính xác cao trên 85%, phản ánh chính xác lịch gieo cấy và thu hoạch của 2 vụ lúa chính trong năm 2010.
• Phát hiện sự phân hóa phát thải sâu sắc theo mùa vụ và không gian, trong đó vụ Hè Thu phát thải cao hơn vụ Đông Xuân từ 40% đến 60%; các tỉnh Thái Bình, Nam Định và Hải Dương là những tâm điểm phát thải lớn nhất.
• Mô hình DNDC cho thấy độ thích ứng cao với điều kiện nông học miền Bắc Việt Nam, có sai số so với đo đạc thực nghiệm chỉ từ 10% đến 15%, đủ điều kiện áp dụng cho kiểm kê khí nhà kính Bậc 3.
• Trong giai đoạn 2026 - 2030, việc mở rộng mô hình kết hợp với dữ liệu viễn thám độ phân giải cao (Sentinel-1 SAR, Sentinel-2) sẽ là hướng đi then chốt để xây dựng hệ thống bản đồ số phát thải khí nhà kính tự động phục vụ nông nghiệp phát thải thấp. Hãy áp dụng ngay quy trình tưới Nông - Lộ - Phơi và quản lý phân bón thông minh để chung tay giảm nhẹ phát thải khí nhà kính quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC 1. Phát thải Methane từ canh tác lúa nước Trong những năm gần đây, hàm lượng Methane CH4 trong khí quyển tăng lên rất nhanh, gấp 3 lần kể từ thời kỳ tiền công nghiệp trong đó con người đóng góp 1/5, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu. Mật độ trung bình CH4 trên bề mặt trái đất là 1745 ppb. Gần đây, nồng độ phát thải Methane tăng chứng tỏ tỷ lệ phát thải Methane từ bề mặt Trái đất gần cân bằng với tỷ lệ phân hủy Methane trong khí quyển.

Tuy nhiên, kể từ đầu năm 2007, sự cân bằng này bị phá vỡ dẫn đến có thêm hàng triệu tấn Methane thải vào khí quyển. Nguồn phát thải Methane (CH4) là các vùng đất ngập nước, vựa lúa, gia súc và các ngành công nghiệp than đá và khí. Sự gia tăng phát thải Methane ở bán cầu Bắc do thời tiết ấm lên nhiều theo quan trắc ở Sibêri năm 2007, sẽ làm cho vi khuẩn ở các vùng đất ngập nước thải ra nhiều khí Methane hơn [6]. Methane là khí thải nhà kính quan trọng và đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide.

Tiềm năng làm ấm toàn cầu của Methane là 75 (tính trung bình qua 20 năm) hay 25 (tính trung bình qua 100 năm). Chúng ta phải sử dụng các biện pháp giảm thải Methane. Đất ngập nước trong đó có đất lúa nước được coi là một trong những nguồn phát thải Methane chính, góp tới 10% tổng lượng thải của bề mặt trái đất mặc dù loại đất này chỉ chiếm 0,3% diện tích bề mặt. Vì là một dạng khí nhà kính tiềm năng nên việc giảm Methane có một tác động đến biến đổi khí hậu to lớn hơn là giảm carbon dioxide.

Ngoài ra, Methane có thời gian tồn lưu tương đối ngắn, khoảng 12 năm so với carbon dioxide- 120 năm [5, 6]. Methane, nitơ oxit cũng như carbon dioxide là nguồn khí thải đang được sự chú ý và quan tâm thông qua các tác động của chúng trên bức xạ hóa học và bức xạ của khí quyển dẫn đến sự nóng lên toàn cầu. Hơn nữa, cả ba loại khí nhà kính quan trọng nhất 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] có lượng phát thải đáng kể từ hệ sinh thái nông nghiệp. Do đó, nông nghiệp là một trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính [8].

Trong suốt những năm 1980, phát thải cacbon từ thay đổi sử dụng đất ở Việt Nam được ước tính khoảng 58 triệu tấn/ năm, gấp mười lần lượng khí thải carbon từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Phát thải Methane từ chăn nuôi và trồng lúa (nguyên nhân chính) đã được ước tính khoảng 3. Các kết quả từ Báo cáo thống kê quốc gia về khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 1994 cho thấy, tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính khí 103,8 triệu tấn CO2 tương đương, và 1,4 tấn CO2 tương đương bình quân đầu người, trong đó nông nghiệp đóng góp 50,5% tổng số khí nhà kính phát thải.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp (Nguồn: Thông báo quốc gia Việt Nam (Bộ TN & MT, 2003)) 1. Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa 1.

Phát thải Mêtan (CH4) trên ruộng lúa nước Bên cạnh CO2, khí Methane cũng đóng góp một vai trò lớn của việc nóng lên toàn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí Methane (CH4) toàn cầu thấp hơn phát thải khí CO2 nhiều nhưng CH4 là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn; một tấn khí CH4 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO2 đến 23 lần. Giống như CO2, khoảng 60% lượng phát thải khí CH4 toàn cầu có từ các nguồn do con người gây ra và hàm lượng CH4 trong khí quyển đã tăng lên khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về thay đổi khí hậu - Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996) [6]. Phát thải CH4 trên ruộng lúa nước đã được phát hiện từ lâu, theo IRRI thì một lượng lớn CH4 phát thải lần đầu tiên được phát hiện ở vùng trồng lúa của Mỹ và Châu Âu.

Sau đó những nghiên cứu chi tiết được tiến hành ở Ý, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Đông Nam Á. Theo đánh giá của ban liên ngành chính phủ về biến đổi khí hậu (IPPC, 1996) thì tổng lượng CH4 phát thải từ các vùng trồng lúa nước dao động từ 200 – 100 Tg/năm (Tg – triệu tấn) [7]. Ở Việt Nam, theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí nhà kính phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 52,32 triệu tấn Các bon, chiếm 51% tổng lượng khí nhà kính phát thải của cả nước (Nguyễn Mộng Cường vcs, 1999). Đến năm 2000, qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cácbon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn quốc.

Theo các số liệu kiểm kê năm 1994 thì phát thải lớn nhất là CH4 trong đó trồng lúa phát thải 1559,7 nghìn tấn các bon/năm (chiếm 62,4%). Lượng phát thải từ lĩnh vực chăn nuôi chiếm 18,7%. Phát thải từ diện tích đất nông nghiệp khác chiếm 15,4%, còn lại là do đốt phế thải. Điều đó cho thấy trong nông nghiệp thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu.

Lượng CH4 phát thải và khí quyển do trồng lúa ở Việt Nam chiếm tỷ trọng lớn so với các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác. Trong năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính tại Việt Nam là 246,8 triệu tấn CO2 tương đương bao gồm lĩnh vực Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm nghiệp (LULUCF) và 266 triệu tấn CO2 tương đương không bao gồm LULUCF. Phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực năng lượng chiếm tỷ trọng lớn nhất là 53,05% của tổng lượng phát thải không tính LULUCF, tiếp theo là lĩnh vực nông nghiệp chiếm 33,20%. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phát thải từ các lĩnh vực quá trình công nghiệp và chất thải tương ứng là 7,97% và 5,78%.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 CH4 N4O CO Oxit CO2 tổng % (Gg) (Gg) (Gg) nitrogen cộng (Tg) NOx Trồng lúa 1.782,37 37,43 57,5 Chăn nuôi gia súc - Tiêu hóa thức ăn 368,12 7,73 11,88 - Quản lý chất thải 164,16 3,45 5,30 Đất nông nghiệp 45,87 14,22 21,85 Đất Savan đồng cỏ 9,97 1,23 261,71 4,46 0,59 0,91 Đốt các phế thải 59,13 1,39 1.241,68 50,28 1,67 2,75 trên đồng ruộng Tổng số 2.

Các con đường hình thành khí CH4 trên ruộng lúa Khí CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển theo ba con đường chính là: từ bọt khí CH4 dưới đất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thông qua khí khổng của cây. Nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ đóng góp khoảng 1% tổng lượng khí CH4, trong khi khí CH4 đi vào khí quyển ở dạng bọt khí chiếm tới 10% tổng lượng phát thải từ đất lúa, phần chủ yếu phát tán là thông qua thân cây lúa chiếm 90% tổng lượng phát thải của đất lúa ngập nước [6]. Con đường chính phát thải CH4 từ ruộng lúa là qua cây lúa chứ không chỉ từ đất. Nguyên nhân phát thải khí nhà kính gồm có: các quá trình tự nhiên (hoạt động phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí) và hoạt động của con người (đốt cháy 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nguyên liệu hoá thạch như than, dầu mỏ, khí đốt; sản xuất xi măng; chăn nuôi; các hoạt động nông nghiệp khác, phân giải chất thải hữu cơ) [6].2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường (Theo Schutz và cộng sự, 1989).

Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí CH4 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phát thải như: chế độ nước, phân bón, tính chất đất, quá trình sinh trưởng của cây lúa có ảnh hưởng đến Eh. Khi động thái của Eh thay đổi thì sự phát thải của CH4 cũng thay đổi theo. Nói cách khác, những yếu tố ảnh hưởng đến Eh cũng chính là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải của CH4. Vấn đề này trong những năm gần đây cũng được nhiều tác giả nghiên cứu.

Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không khí vào đất nên ngăn cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ của đất, kết quả là các chất hữu cơ này lên men yếm khí và tạo ra khí CH4. Vì vậy, chế độ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhân dẫn tới sự phát thải khí CH4. Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào một số yếu tố như quản lý, điều tiết chế độ nước trên mặt ruộng, lượng phân hữu cơ và vô cơ bón vào ruộng, đặc tính của giống lúa và môi trường tự nhiên [6]. Ấn Độ là một nước đông dân thứ hai, đồng thời là nước sản xuất lúa gạo quan trọng trên thế giới.

Đất lúa tại Ấn Độ được phân thành: đất canh tác lúa nhờ nước tưới, nhờ mưa, ngập sâu và canh tác ở vùng cao. Canh tác lúa ngập sâu nghĩa là các ruộng lúa ngập 50 – 100cm. Hầu hết các ruộng lúa nước là được tưới nhờ nước mưa, ngập sâu và chỉ có khoảng 15% đất lúa là canh tác ở vùng cao, loại đất lúa này không được coi là nguồn phát thải khí Methane vì ở đây không được cung cấp đủ nước tưới trên mặt ruộng. Vùng đất lúa ngập nước mới là nguồn phát thải CH4 chính.

Chính vì vậy, tưới nước là một yếu tố quan trọng quyết định đến sự phát thải khí CH4 [6]. Trong mô hình nghiên cứu của Granberg và cộng sự (2001) thì mực nước trên ruộng là yếu tố quan trọng nhất và duy nhất để dự báo lượng khí phát thải ở những vùng đầm lầy ở miền Bắc Thuỵ Điển (r2=0,58). Phân đạm có ảnh hưởng hoặc giảm sự oxy hoá CH4 trong đất. Ảnh hưởng của phân đạm có thể do giảm lượng oxy trong đất làm cho các phản ứng của chấ hữu cơ trong đất ở điều kiện yếm khí và tăng khả năng nitrit hoá dẫn tới làm tăng các enzym Methane hoá.

Bằng chứng của cơ chế này cũng được khẳng định khi người ta bón phân nitrat vào đất so với đất không được bón phân trong thí nghiệm trồng hành ở Nhật Bản. Việc trồng lúa theo các phương thức: cấy mạ 30 ngày tuổi; gieo sạ trên đất ngập nước; gieo sạ trên đất ẩm làm giảm lượng CH4 tương đương 5%; 13% và 37%, khi so sánh với việc trồng lúa bằng mạ 8 ngày tuổi [6].