Luận án tiến sĩ khoa học môi trường: Nghiên cứu tỷ lệ đồng vị 13C/12C và khả năng lưu giữ carbon hữu cơ trong một số loại đất phù sa đồng bằng sông Hồng

NGUYEN THỊ HONG THỊNH

NGHIÊN CỨU TỶ LE DONG VỊ #C/?C VÀ KHẢ NĂNG LƯU

GIU CARBON HỮU CƠ TRONG MOT SỐ LOẠI DAT PHÙ SA

ĐÔNG BẰNG SÔNG HÒNG

LUẬN AN TIEN SI KHOA HOC MOI TRUONG

Hà Nội - 2022

ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NOI

NGUYÊN THỊ HÒNG THỊNH

NGHIÊN CUU TỶ LE DONG VỊ #C/2C VÀ KHẢ NĂNG LƯU

GIỮ CARBON HỮU CƠ TRONG MỘT SỐ LOẠI DAT PHÙ SA

DONG BẰNG SÔNG HONG

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 9440301.01

LUẬN ÁN TIEN SĨ KHOA HOC MOI TRUONG

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Văn Vượng

2 TS Trịnh Văn Giáp

Hà Nội - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của cá nhân tôi dưới

sự hướng dẫn của tập thé cán bộ hướng dan Các kết quả, số liệu nêu trong luận án

là trung thực, khách quan, có nguôn gốc rõ rang, được các đông tác giả cho phép sử

dụng Một số kết quả nghiên cứu đã được đăng trên một số tạp chí chuyên ngành,

phù hợp với quy định hiện hành.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan và kết quả nghiên cứu

trong luận an.

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

TÁC GIÁ

Nguyễn Thị Hồng Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thànhtới PGS.TS Nguyễn Văn Vượng và TS Trịnh Văn Giáp, những người thây tâm huyết

đã tận tình hướng dẫn tôi nghiên cứu, học tập, dành thời gian quỷ báu dé trao đồi,

định hướng cũng như động viên khích lệ tôi hoàn thành luận an tiễn sĩ này.

Tôi xin cam on sự giúp đỡ và những góp y chuyên môn chân thành, giá trị củacác thây, cô giáo công tác tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

Dai học Quốc gia Hà Nội — đặc biệt là các thây, cô giáo thuộc bộ môn T hổ nhưỡng

và Môi trường đất đã dành cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các can bộ tham gia thực hiện dé tài cấp Bộ “Sửdung kỹ thuật dong vị dé đánh giá khả năng tích lũy CO› trong đất của một số môhình canh tác nông nghiệp ở đông bằng Bắc bộ” do Viện Khoa học và Kỹ thuật hạtnhân chu trì; cảm on Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên

tử Việt Nam — Bộ Khoa học Công nghệ đã hỗ trợ kinh phí, tạo điều kiện cho tôi rấtnhiêu về cơ sở vật chất, trang thiết bị dé tôi hoàn thành tot nghiên cứu của mình.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân trong giađình, các bạn bè, đồng nghiệp thân thiết luôn động viên tỉnh thân, luôn cảm thôngvà chia sẻ về cả thời gian, vật chất và các nguôn lực khác để tôi hoàn thành chươngtrình nghiên cứu sinh và hoàn thành luận an.

TÁC GIÁ

Nguyễn Thị Hồng Thịnh

1.1 TONG QUAN VE CARBON HỮU CƠ ĐẤTT - 2-52 52cscteEEeEerxerxeree 181.1.1 Thanh phan, nguồn gốc, vai trò của carbon hữu cơ đất -s¿ 181.1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về dự trữ carbon đất trên thế giới - 22

1.1.3 Tổng hợp các nghiên cứu về dự trữ carbon trong đất Việt Nam 25

1.2 TONG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU CARBON ĐẤT 27

1.2.1 Phương pháp phân tích hàm lượng C trong đất ¿+ 5 + s+cs+ce2 271.2.2 Các phương pháp quan trắc sự thay đổi carbon trong đất - 29

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu đồng vị °C trong đất - 2 +55 xscssrssce2 331.2.4 Ứng dụng của phương pháp đồng vị '3C trong nghiên cứu dự trữ carbon đất 42

1.3 TONG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CUU -2 5¿©52252+cs+zxe>sz 461.3.1 Tổng quan về đất phù sa đồng bằng sông Hồng -. -2- 2-5552 461.3.2 Tổng quan điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của huyện Đông Anh 48

1.3.3 Tổng quan điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của Huyện Dan Phượng 51

Chương 2: DOI TƯỢNG, NOI DUNG VA PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CUU 53

2.1 DOI TUONG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU -¿- + + +s+x+EeE+E+EeEzxzxez 532.1.1 Đối tượng nghiên cứu -s- 5£ ©5<+SE+Sx£EEEE2EE27121211211271 71211211 1x 532.1.2 Pham vi nghién 0ui n6 55

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU -:¿-52+++tttEEvtvrtrErtrrrrrrrtrrrrrrrrrrrrrrk 552.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ¿¿©++++£+vvtttrrrvrrrrrrrrrrrrrk 55

2.3.1 Phương pháp thu thập thông tin và khảo sát địa điểm nghiên cứu 55

2.3.2 Phương pháp bé trí thí nghiệm đồng ruộng 2-2 252 + ++£++£s2 +2 592.3.3 Lay mau va xử lý mau đất, mẫu thực vật -¿- 5s scketeEeErkerxekerxererkee 612.3.4 Các phương pháp phân tích tinh chất hóa, lý mau đất - + 63

2.3.5 Phương pháp xác định thành phan đồng vị °C trong chất hữu co dat và thực vật 65

2.3.5.1 Nguyên lý của phương phÁ chư, 652.3.5.2 Hóa chất, thiết bị phân tÍCH -¿- 2+ e+SE+E+E‡EEÉEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkerkerres 662.3.5.3 Thiết bị phân tach coeccecceccescescsseesessessessessessesssssessesessessessessessesssssesessessesseseessees 662.3.5.4 Xu lý mẫu đất và mẫu thực VAteecececceceseccccsseccecssesvecssesveresesvesesevseassvsuereavenees 682.3.5.5 Xử lý carbon vô cơ trong mẫu đất cho phân tích 5'C trong SOM 68

2.3.5.6 Khảo sát chương trình phân tích toi ưu trên EA-IRMS -: 70

2.3.5.7 Kiểm tra độ lặp, độ chính xác của phương pháp phân tích 6°C trong SOM 712.3.6 Tính toán lượng C tích lũy trong sinh khối thực vật 2- 555-552 722.3.7 Phương pháp đánh giá lượng carbon lưu giữ trong chất hữu cơ đất trung bìnhnăm với hệ canh tác chính là lúa - ngÔ - - 5 5 2+1 ng ng ưkt 72

2.3.7.1 Tính toán lượng C tích lũy trong đất c-5c5ce+E+cccerterresreereeres 72

2.3.7.2 Tính toán lượng C do thực vật mới đóng góp vào đất - 5+ 732.3.7.3 Tinh toán lượng C tích lity trong đất sau thời gian nghiên cứu - 732.3.8 Phương pháp xử lý số liệu + 2-52 2222k EEEEEEEEEEEEEEEEE2112121 11112 xe 74

Chương 3: KET QUÁ NGHIÊN CỨU VA BAN LUẬN s s°- 76

3 1 XỬ LÝ VA PHAN TÍCH §!3C TRONG SOC VÀ TRONG CÂY TRONG 763.1.1 Thời gian khuếch tán tối ưu loại bỏ carbon vô cơ trong mẫu đất 76

3.1.2 Quy trình xử lý mẫu đất và mẫu thực vật cho phân tích ö'3C - 77

3.1.3 Chương trình phân tích 8'3C tối ưu trên EA-IRMS -5¿-5c552 79

3.1.4 Đường chuẩn Ì$C ¿- -©kSE9SESEEEEE2E121121217171111121111217111 11111 c0 803.1.5 Kết qua kiểm soát chất lượng phân tích - 2 2 22 + +E££Ez£xe£erszse2 813.2 ĐẶC DIEM TÍNH CHAT DAT TẠI VUNG NGHIÊN CỨU -. 843.2.1 Kết quả phân tích thành phan cơ giới đất - 2 2 x£x2££+£++zxerxzez 84

3.2.2 Các tính chất lý, hóa học và thành phần đồng vị 8'3C trong đất tại các ruộng

H311: 017 843.2.2.1 Các tinh chất lý, hóa học và thành phan dong vị ở°C trong đất tại Dan

2-0 000n8Ẻn8Ẻ86n6 85

3.2.2.2 Các tinh chất lý, hóa học và thành phan dong vị 5°C trong dat tại Đông Anh 883.3 DAC DIEM VÀ QUY LUAT BIEN DOI SOC THEO MÙA VỤ VA MOI QUANHE VỚI 8! CS0C -ssssssessssssssseeseessssneeeecesssnneeseessssneeseeessnnnmeesesssnnueeeeesssneeseesssnneeeeea 91

3.3.1 Sự bién thiên hàm lượng SOC theo thời gian và mối liên hệ giữa SOC và thànhphan đồng vị !3C trong đất -:-©5¿©5<+21ESx2E2E1221712112111121 7112112111 91

3.3.1.1 Sự biến thiên ham lượng SOC theo thời gian tại Dan Phượng 913.3.1.2 Sự biến thiên hàm lượng SOC theo thời gian tại Đông Anh - 94

3.3.1.3 Moi liên hệ giữa SOC và thành phan đông vị 56°C trong dat ở Đông Anh và[227/0/1//-0 E77 07070n88Ẻ 6 953.3.2 Phân tích tương quan và thống kê kết quả phân tích hóa ly các mẫu đất 973.3.2.1 Phân tích tương quan và thông kê kết quả phân tích tính chaatslys, hóa học

các mẫu đất tại Đan [17.20008088 97

3.3.2.2 Phân tích tương quan và thống kê kết quả phân tích tinh chất lý, hóa hoc cácUUR.08/18200,1-0-1,,88Nnïnn ha 101

3.4 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH SINH KHÓI KHÔ, HÀM LƯỢNG C VÀ THÀNHPHAN DONG VỊ ð'°C TRONG MAU THỰC VẬT 2-52 se2sz+zs+cseẻ 105

3.4.1 Nghiên cứu mẫu thực vật tại Đan PHUONG 01 105

3.4.2 Nghiên cứu mẫu thực vật tại Đông Anh -s- + +2 +s+xe+xexzxerszee 110

3.5 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐÓNG GÓP CỦA THỰC VẬT MỚI VÀOSOC VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LƯU GIỮ C TRONG ĐÁT 114

3.5.1 Trữ lượng carbon tại các tầng đất ¿ s¿©++2z++cxt+zxrsrxerxrerkeerkrrred 114

3.5.2 Nghiên cứu xác định tỷ lệ đóng góp C của thực vật mới vào SOC 1173.5.3 Đánh giá khả năng lưu giữ C trong đất phù sa vùng đông bằng sông Hồng I 19KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, - 2-2 £+S2£EE£EE£2E2EEEEEE71211211221 2121 2E.crxe 123

1 PHU LUC MỘT SO HÌNH ANH THỰC DIA 22©22+s s£x+ezzeszez 1

2 PHU LUC KET QUA PHAN TÍCH MAU ĐÁTT - 2 2 e+xeExeEeEeEerses 7

DANH MỤC TỪ VIET TAT

DNDC (DeNitrification-DeComposition): Mô hình sinh địa hóa

EA-IRMS (Elemental Analyzer - Isotope Ratio Mass Spectrometry): Khối phổ kếtỷ số đồng vị ghép nói với hệ phân tích nguyên tố

FAO (Food and Agricultural Organization): Tổ chức Lương thực và Nông nghiệpLiên Hợp Quốc

GtC (Gigaton carbon): Don vi tỷ tan carbonHC/VC: chất hữu cơ/ vô co

IAEA (International Atomic Energy Agency): Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tếIC (Inorganic Carbon): Carbon vô cơ

IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) : Ủy ban Liên chính phủ vềBiến đổi khí hậu

LLN-KV: Mô hình canh tác 2 vụ lúa — 1 vụ ngô không vùi phụ phẩmLLN-V: Mô hình canh tác 2 vụ lúa — 1 vụ ngô dé lại phụ pham

Nnk: nhiều người khác

NNL: Mô hình canh tác 2 vụ ngô- I vụ lúa

OC (Organic carbon): Hàm lượng carbon hữu co

PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons): các hợp chat Hydrocarbon thơm đa vòngPCA (Principal Components Analysis): Phương pháp phân tích thành phần chínhPTN: Phòng thí nghiệm

RSD (Relative standard deviation): Độ lệch chuẩn tuong đốiSD (standard deviation): Độ lệch chuẩn

SOC (Soil organic carbon): Carbon hữu cơ dat

SOM (Soil organic matter): Chất hữu co đất

Sr: Độ lệch chuẩn lặp lại

TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam

Thực vat C3: thực vật quang hợp theo chu trình Calvin va Benson (lúa, đậu, đỗ,

nhãn, vải )

Thực vật C4: thực vật quang hợp theo chu trình Hatch Slack ( ngô, mia )TK : Tổng hàm lượng kali

TN: Tổng hàm lượng nitơ

TP: Tổng hàm lượng photpho

TPCG: Thành phần cơ giớiTVDV: Thủy văn Đồng vị

U (Standard uncertainty): Độ không đảm bảo đo chuẩn

VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite): Mẫu chuẩn đồng vi °C gốc tham chiếu quốc tếVSV: Vi sinh vật

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Chu trình và chức năng của chất hữu cơ đất (SOM)) -: 19Hình 1-2: Các thành phần đồng vị của các bê chứa carbon, oxi và hydro trong các hệ

sinh thái lục dia Israel << + +22 1332221112231 3 2531 1 9311 2931 12g 1n ng re 24

Hình 1-3: Các đồng vị bền và đồng vị phóng xạ của C trong môi trường 34

Hình 1-4: Sự thay thế SOM bởi thực vật cũ A bởi thực vật mới B — phương pháp đánhdau đồng vị !3C trong tự nhiên -¿- 2+ +22++2E+2EE+2EEE2EEEEEESEEEEEEEEkerkrrrkrrrrees 37Hình 1-5: Thành phần đồng vị của thực vật C3 và C4 so sánh với thành phan đồng vị

của COz khí quyên va của mâu chuân -¿- ¿+ +++ + + ++EEsEEeeEeeEseereeseserske 40

Hình 1-6: Biến thiên giá trị ö'°C của các thành phần khác nhau trong môi trường .4 ÌHình 1-7: Nguồn phat thải COa, tốc độ phân hủy và thời gian lưu trung bình MRT 45

Hình 2-1: VỊ trí nghiên cứu tại huyện Dan Phượng và huyện Đông Anh 59

Hình 2-2 Sơ đồ bố trí ruộng thí nghiệm - 2-22 5¿2+2++£E++£xzrxerxeeree 60Hình 2-3 Hình ảnh mẫu dat được lấy theo core tại Dan Phượng và Đông Anh 6 1Hình 2-4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phân tích thành phần đồng vị '°C 66Hình 2-5 Hệ thiết bị phân tích nguyên tố kết nối khối phổ kế tỷ số đồng vị tại Viện

9:24) < Ô 67

Hình 3-1 Sự biến đổi giá trị !3C trong mẫu đất tang 0-15 cm theo thời gian khuếch

Hình 3-3 Sơ đồ khối quy trình xử lý mẫu đất cho phân tích 8'°C trong SOC bằng hệ

0/9101 :ă Ỏ 78

Hình 3-4 Đường chuẩn tương quan giá trị 5!°C coaxr và giá trị chứng nhận ö !3Cvppp 80Hình 3-5 Sự thay đổi SOC theo thời gian mô hình NNL tại Đan Phượng 92Hình 3-6 Sự thay đổi SOC theo thời gian của các mô hình canh tác tang 0-15 cm tại

Đan Phượng - c1 121132111111 1911 1111111111 11 11 H1 TH TH TH TT HH TH ng Hy 92

Hình 3-7 Sự thay đổi SOC theo thời gian của các mô hình canh tác 93

tang 15-30 cm tại Dan Phượng 2 + S2E2EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrkrrkerkrrei 93Hình 3-8 Sự thay đổi SOC theo thời gian mô hình NNL tại Đông Anh 94Hình 3-9 Sự thay đổi SOC theo thời gian của các mô hình canh tác tầng 0-15 em tại005020) 00008 94Hình 3-10 Sự thay đổi SOC theo thời gian của các mô hình canh tác tầng 15-30 cm

08909015020) 11 95

Hình 3-11 Mối tương quan giữa SOC va 5 °C trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 30 cm tại Dan Phượng ở các chế độ canh tác NNL và LLN - - - s5s+se¿ 96Hình 3-12 Mối tương quan giữa SOC va 5 °C trong dat ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-

15-30 em tại Đông Anh ở các chế độ canh tác NNL và LLN - 5+: 96

Hình 3-13 Mối tương quan giữa SOC và Phytolith trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và15-30 cm tal Dan Phuong 11 3 97Hình 3-14 Mối tương quan giữa SOC va Fulvic axit trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm va

15-30 cm tại Dan Phượng - c6 3 3v 19 9 1111111111 1 ng ng HH rệt 98

Hình 3-15 Mối tương quan giữa SOC và TN trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-30 em897808040: 98Hình 3-16 Mối tương quan giữa SOC và Dung trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-

30 cm tai Dan 808i 117077 99

Hình 3-17 Mối tương quan giữa SOC va pH đất ở 2 độ sâu 0-15 cm va 15-30 cm tạiDan PhƯỢng - - - 5 5 + 1 TT HH HT gu TH TH Hà HH HH hệt 99Hình 3-18 Kết quả phân tích thành phần chính tại Dan Phượng (PCA) 100Hình 3-19 Mối tương quan giữa SOC và Phytolith trong đất ở 2 độ sâu 0-15 em và

15-30 cm tại Đông Anh - - - <2 2x 9n HH HT họ nh HH Hưng 101Hình 3-20 Mối tương quan giữa SOC và Fulvic trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-30 cm tại

Hình 3-21 Mối tương quan giữa SOC va TN trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-30 cm8909:1020): 011 102

Hình 3-22 Mối tương quan giữa SOC va Dung trong đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-30cm

8909415020): 011117 .,ÔỎ 103

10

Hình 3-23 Mối tương quan giữa SOC và pH đất ở 2 độ sâu 0-15 cm và 15-30 cm tại

DOng And 07 À 103

Hình 3-24 Kết quả phân tích thành phan chính tại Đông Anh (PCA) 104

Hình 3-25 Kết quả phân tích SOC tang 0-30 cm tại Đông Anh năm 2016 115

Hình 3-26 Kết qua phân tích SOC tang 0-30 cm tại Dong Anh năm 2017 115

Hình 3-27 Kết quả phan tích SOC tang 0-30 cm tại Dan Phượng năm 2016 116

Hình 3-28 Kết quả phân tích SOC tang 0-30 cm tại Dan Phượng năm 2017 116

11

DANH MỤC BANG

Bảng 1-1 : Các phương pháp đánh giá tôn thất/ tích lũy carbon trong đất liền 31

Bảng 1-2: Giá trị SOC trên ba cánh đồng trồng trọt, bỏ hoang và chăn tha gia súc 33

Bang 2-1: Các phương pháp phân tích mẫu 2 ¿©2222 63Bảng 3-1 Điều kiện đốt mẫu và tách COa trên khối EA -cccc:+++x+ 79Bảng 3-2 Điều kiện điện từ trường tối ưu cho khối IRMS -.-.- 80

Bang 3-3 Kết quả phân tích các mẫu chuẩn đối chiếu với giá trị chứng nhận ö '3Cvppg 81

Bảng 3-4 Kết quả độ lặp lại và độ chính xác của mẫu đất thêm chuẩn - 82

Bang 3-5 Kết quả so sánh liên phòng về phân tích chỉ tiêu !3C -c- 83Bảng 3-6 Thanh phan cơ giới dat tại các thửa ruộng nghiên cứu - 84

Bang 3-7 Đặc điểm tinh chất đất của các mô hình LLN và NNL tại Dan Phượng năm 2016 85

Bảng 3-8 Đặc điểm tinh chất dat của các mô hình NNL, LLN-KV, LLN-V tại Dan Phượng0 110200/00Ẻ0Ẽ557.7 86

Bang 3-9 Đặc điểm tinh chat đất của các mô hình LLN va NNL tại Đông Anh năm 2016 88

Bang 3-10 Đặc điểm tính chất dat của các mô hình NNL, LLN-KV, LLN-V tại Đông Anh00100200 Ẻ.A Ô 89Bảng 3-11 Ma trận tương quan SOC và 10 thông số trong đất tai Đan Phượng 101

Bảng 3-12 Ma trận tương quan SOC và 10 thông số trong đất tại Đông Anh 104

Bang 3-13 Kết qua phân tích trung bình mẫu thực vat vùng Dan Phượng năm 2016 106

Bang 3-14 Kết quả phân tích trung bình mẫu thực vật vùng Dan Phượng năm 2017 107

Bảng 3-15 Năng suất lúa và ngô trung bình tại các ruộng nghiên cứu vùng 109

Bảng 3-16 Kết qua phân tích trung bình mẫu thực vật vùng Đông Anh năm 2016 110

Bang 3-17 Kết qua phân tích trung bình mẫu thực vật vùng Đông Anh năm 2017 111

Bảng 3-18 Năng suất lúa và ngô trung bình tại các ruộng nghiên cứu vùng 114

Bảng 3-19 Kết quả tính toán hệ số đóng góp C của thực vật mới vào SOC năm 2017Mì :i6909:102 0) 1 3 117Bảng 3-20 Kết quả tính toán hệ số đóng góp C do thực vật mới vào SOC năm 2017Mì 690i: 211170777 118

12

Bang 3-21: Kết quả phân tích tông vi sinh vật hiểu khí tháng 12/2017 tại Đông AnhVa 28300 11 119Bảng 3-22 Lượng C tích lũy trong đất trung bình năm 2017 của các mô hình

LLN-KV và LLN-V tai Dan Phượng - + ssSsvererirerrrrrrrrrrrrxre 120

Bảng 3-23 Lượng C tích lũy trong đất trung bình năm 2017 của các mô hình LLN-KV và

LLN-V tai Dong Amb aố< 120

13

MỞ DAU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Nong độ CO: trong khí quyển ở mức 390 ppm vào năm 2010 và không ngừng

tăng lên với tốc độ trung bình khoảng 2,3 ppm/ năm Năm 2021, nồng độ CO: trongkhí quyền đạt 414,7 ppm đã làm cho nguy cơ nóng lên toàn cầu, suy thoái đất và samạc hóa và ô nhiễm môi trường diễn ra ngày càng trầm trọng hơn Việc cô định Ctrong đất và thảm thực vật là một biện pháp tự nhiên, chi phí thấp, mang lại hiệu quảkinh tế được các nước trên thế giới đặc biệt quan tâm Mục tiêu giảm phát thải khínhà kính và tăng lượng carbon tích trữ trong đất, tăng độ phì của đất đồng thời tăngnăng suất cây trồng, hướng tới nền nông nghiệp phát triển bền vững đã được đặt ra ởnhiều nước trong đó có Việt Nam Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC)ước tính tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính về mặt kỹ thuật trong lĩnh vực nôngnghiệp và lâm nghiệp có thé đạt 7,18 đến 10,60 tỷ tan COa tương đương/năm Do đó,các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu các biện pháp làm tăng khảnăng hấp thu carbon trong đất thông qua việc thay đồi chế độ canh tác, bón phân, chế

độ sử dụng đất, thay đổi cơ cau cây trồng [ P Friedlingstein và các cộng sự, 2022].

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, quá trình cố định CO: từ không khí vàothực vật theo một trong ba chu trình: chu trình Calvin và Benson của các loại thực

vật Ca (nhãn, vải, cao su, cà phê, lúa, đậu đỗ ) có tỷ lệ thành phần đồng vị !3C/!2C(53C) có giá trị từ -33%o đến -22%o_, chu trình Hatch Slack của các loại thực vật C4

(mía, ngô ) có giá trị !3C từ -20%o đến -10%o, và chu trình Crassulacean AcidMetabolism(CAM) của các loại thực vật CAM (dứa, xương rong, ) có giá trị 83°C

từ -13,5%o đến -1 1%o [CraigH., 1953] Như vậy, ứng dụng phương pháp đồng vị bền3C trong nghiên cứu về động thái carbon hay chu trình carbon trong tự nhiên nóichung và trong các hoạt động canh tác nông nghiệp nói riêng đã và đang được nhiều

nhà khoa học quan tâm.

Thông qua các nghiên cứu của nhiều nhà khoa học [Yakir và Sternberg ,2000,Yonghoon Choi và Yang Wang ,2001 và Garten, 2006] cho thấy kỹ thuật đồng vị bền

14

là một công cụ hữu hiệu dé đánh giá lượng CO2 tích lũy trong các hệ sinh thái Trongđó các đồng vị bền °C và !ŠN đóng vai trò như là các chất đánh dấu tự nhiên dé đánh

giá dòng carbon di chuyên từ không khí vào sinh khối thực vật thông qua quá trìnhquang hợp rồi tích lũy vào đất dưới dang chất hữu cơ đất Phương pháp khối phé tỷ

số đồng vị có thể ghi nhận được các động thái của carbon trong hệ sinh thái Tuynhiên, ở Việt Nam có rất ít công bố đề cập đến vấn đề này.

Kỹ thuật đồng vị bền đã được áp dụng trong một số đề tài nghiên cứu khoa họctrong lĩnh vực nông nghiệp tại Việt Nam từ những năm 1980 Có thé ké đến côngtrình nghiên cứu của Trần Thị Bích Liên và cộng sự (2010) đã nghiên cứu ứng dụng

kết qua phân tích đồng vị đánh dấu !ŠN trong dự đoán tốc độ thắm sâu của phân bón

urê trong đất tại khu vực trồng rau Tân Phú Trung, huyện Củ Chi, Thành phố Hồ ChiMinh Gần đây nhất là đề tài: “Tuyên chọn và khảo sát ảnh hưởng của vi khuẩn cóđịnh đạm lên cây cao su, sử dụng kỹ thuật đánh dau đồng vị N-15” do tác gia DoanPhạm Ngoc Nga cùng cộng sự (2018) đã kết hợp sự chính xác của kỹ thuật đánh dauđồng vị !ŠN với phương pháp canh tác truyền thống nhằm cung cấp co sở khoa học

cho việc tuyên chọn các chủng vi khuẩn cố định nitơ tiềm năng kích thích sự tăng

trưởng của cây cao su giai đoạn vườn ươm đồng thời góp phần tạo nên cơ sở liệu choviệc xây dựng chế độ phan bón (urê và vi khuẩn có định đạm) thực sự hiệu quả chocây cao su giai đoạn vườn ươm Tại các nghiên cứu nay, kỹ thuật đánh dấu đồng VỊbên 5N đã được chú ý sử dụng trong nông nghiệp và đồng vị bền !3C bắt đầu được

chú ý áp dụng nhưng chưa có công bồ chính thức.

Đồng bang châu thé sông Hồng có diện tích đất phù sa lớn thứ 2 của cả nước,

sau đồng bằng sông Cửu Long Diện tích đất nông nghiệp ở đồng băng sông Hồngkhoảng 760.000 ha, chiếm tới 51.2% diện tích cả vùng Trong đó, có khoảng 70% làđất phù sa màu mỡ tập trung ở vùng trung tâm, là địa bàn thâm canh nông nghiệp,

sản xuất chủ yếu lương thực, thực phâm phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu.

Như vậy đất phù sa có tiềm năng rất lớn trong việc hấp thụ và lưu trữ C, giảm phátthải khí nhà kính Việc nghiên cứu đánh giá khả năng lưu giữ carbon hữu cơ, cơ chếchuyên hóa và động thái của carbon trong đất phù sa đồng bang sông Hong, đặc biệt

15

với các cơ cau cây trồng chính là lúa và ngô hầu như chưa có công bố nào Mặt khác,van dé quản lý tàn dư thực vật sau thu hoạch cũng đang được quan tâm Việc nôngdân đốt rơm ra trên đồng ruộng sau thu hoạch diễn ra rất phô biến ở nhiều nơi, gây 6nhiễm môi trường không khí, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Chính vì vậycộng đồng quốc tế đã bắt đầu chú ý đến việc tìm kiếm các phương pháp xử lý và tận

dụng rơm rạ theo cách an toàn, thân thiện môi trường nhằm giúp làm giảm được khối

lượng rơm rạ đốt ở ngoài trời trên đồng ruộng.

Câu hỏi đặt ra đối với các nhà khoa học Việt Nam đó là biện pháp canh tác nào,

cơ cau cây trồng nào là tối ưu cho duy trì sự ôn định và tăng dự trữ C hữu cơ đất?

Hay câu hỏi lượng C mất đi hay tích lũy trung bình năm của đất nông nghiệp nóichung và đất phù sa nói riêng là bao nhiêu? Thực tế cho thấy việc sử dụng đồng vị tự

nhiên °C có thé trả lời cho các câu hỏi trên và các vấn đề khác của nền nông nghiệp

ở Việt Nam.

Chính vì các ly do trên, dé tài “Nghiên cứu tỷ lệ đồng vị 8C/C và khả năng

lưu giữ carbon hữu cơ trong một số loại đất phù sa đồng bằng sông Hồng” đã

được lựa chọn.

2 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu của luận án nhằm giải quyết các vấn đề dưới đây:

- Xác định được ty lệ đồng vị !3C/'2C thông qua giá trị 5'3C trong carbon hữucơ đất (SOC) và trong sinh khối khô thực vật (lúa - ngô) vùng đồng bằng sông Hồng

thuộc huyện Đan Phượng và huyện Đông Anh, thành phố Hà Nội.

- Đánh giá khả năng lưu giữ carbon hữu cơ trong đất trung bình năm chohai loại đất phù sa vùng đồng bằng sông Hồng thuộc huyện Đan Phượng (đất EutricFluvisol) và huyện Đông Anh (đất Dystric Fluvisol) với hệ canh tác chính là lúa - ngô.

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án3.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài luận án đã xây dựng một bộ cơ sở dữ liệu về đặc điểm tính chất lý, hóahọc và thành phần đồng vị 8!3C trong các mẫu đất phù sa canh tác lúa- ngô ở độ sâu

0-30 cm và trong các mẫu thực vật (lúa, ngô) ở huyện Đông Anh va Dan Phượng

16

thuộc vùng đồng bằng sông Hong Các kết quả nghiên cứu của luận án đã cung cấpcơ sở khoa học minh chứng cho việc sử dụng kỹ thuật đồng vị ö!3C dé xác định tỷ lệ

đóng góp carbon từ cây trồng vào SOC trong đất và đánh giá khả năng lưu giữ Ctrong đất nói chung và đất canh tác ngô- lúa nói riêng Những đóng góp về mặt khoa

học được phản ánh qua 4 công trình đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành trong

nước và quốc tế được xây dựng từ các kết quả chính của luận án.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đóng góp một quy trình xử lý va phân tích giá trị 8'°C trong SOC

cải tiến đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy, tiết kiệm nguyên vật liệu phân tích

mẫu và có thé áp dung dễ dàng trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam.

Giá trị 5'°C là chỉ số phản ánh rõ ràng nguồn gốc carbon hữu cơ đất và có théáp dụng vào thực tiễn dé đánh giá khả năng lưu giữ C trong đất của các cơ cầu câytrồng lúa - ngô hiện nay và chỉ ra phương thức cách tác phù hợp dé duy trì hàm lượngchất hữu cơ trong đất, giảm phát sinh khí nhà kính, góp phần vào bảo vệ môi trường.

4 Tính mới của luận án

Một số những đóng góp mới của luận án bao gồm:

- Là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam đã xây dựng và áp dụng thành công quytrình khuếch tán axit cải tiến dé loại bỏ hoàn toàn cacbon vô cơ cho phân tích thànhphan đồng vị bền '°C (giá trị ö'3C) trong SOC và ứng dụng vào thực tiễn nghiên cứu

đánh giá khả năng lưu giữ cabon trong đất.

- Cung cấp được các thông tin về mối tương quan giữa SOC với 8°C và các

thông số lý, hóa học chính của đất ở độ sâu 0-30 em đối với 2 loại đất phù sa (Eutric

Fluvisol và Dystric Fluvisol) vùng đồng bang sông Hong, đồng thời làm rõ được quyluật biến đối Š!°C trong đất khi chuyên đôi cơ cấu cây trồng 2 vụ ngô -1 vụ lúa sangcấy 2 vụ lúa - 1 vụ ngô trong 1 năm với trường hợp đề lại phụ phâm và không dé lại

phụ phẩm Từ đó, xác định nguồn gốc và tỷ lệ đóng góp carbon từ tàn tích thực vật

vào carbon hữu cơ đất và phương thức canh tác nông nghiệp có ảnh hưởng lớn đếnkhả năng lưu giữ C trong đất.

17

Chương 1: TONG QUAN CAC VAN DE NGHIÊN CUU

1.1 TONG QUAN VE CARBON HUU CO DAT

1.1.1 Thành phan, nguồn gốc, vai trò của carbon hữu co dat

Đất chứa carbon ở cả dang hữu cơ và vô cơ Trong hau hết các loại đất (ngoạitrừ đất đá vôi), phần lớn C được giữ dưới dang carbon hữu cơ trong đất (SOC) Thuật

ngữ chat hữu cơ trong dat (SOM) được sử dụng dé mô tả các thành phần hữu cơ trong

đất (mô từ thực vật và động vật chết, các sản phẩm được tạo ra khi chúng phân hủy

và sinh khối vi sinh vật trong đất) Thuật ngữ “carbon hữu cơ trong dat” dùng dé chỉC xuất hiện trong đất ở SOM.

Các hợp phần hữu cơ trong đất có thể được chia thành hai phần chính: phầnsinh khối sinh vật sống và phần các chất hữu cơ không sống hay còn gọi là chất hữu

cơ trong đất (SOM) Trong đó, SOM lại được chia nhỏ hơn thành các hợp phần hữucơ chưa bị chuyên hóa và các hợp phần hữu cơ đã bị chuyển hóa Các sản phẩm của

quá trình chuyên hóa chất hữu cơ trong đất bao gồm chất mùn và chất không phảichất mùn [Nguyễn Xuân Cự, 2016] Chất hữu cơ không phải mùn là các hợp chất cóthé nhận dạng như đường, axit amin va lipid, và các chất mùn là những hợp chất hữucơ phức tap phần lớn không thé xác định được Các hợp phan hữu cơ đã bị chuyênhóa là những vật liệu đã biến tính, phức tap và tương đối ôn định, chúng chiếm ưu

thé (>90%) so với các hop phần hữu cơ chưa bị chuyên hóa, là những chất hữu co

không ổn định, dé dang bi phân hủy [Gabrijel Ondrasek, 2019].

SOM tương đối 6n định (humics) chủ yếu được đại điện bởi carbon (40-60%)và một số nguyên tô khác (O 35-40%, H và N 4-6% mỗi nguyên tố, S 1%) Trongquá trình phân hủy SOM, các nguyên tố này được giải phóng hau hết ở dạng khí, lànguồn phát thải khí nhà kính (CO2, CHa, N2O) quan trọng Ngoài ra, các thành phần

hữu cơ khác bao gồm các hợp chất chứa kim loại độc hại, các chất ô nhiễm hữu cơkhó phân hủy, được hấp thụ, kết hợp với SOM (ví dụ phức humic/ fulvate - kim loại).

Chúng bị phân hủy và cuối cùng được khoáng hóa, từ đó tăng cường khả năng dichuyên của chat gây ô nhiễm trong môi trường Vi vậy, ở quy mô toan cau, dat có

18

chức năng quan trọng trong chu trình tuần hoàn của C hữu cơ [ Lal, 2009] Với sựthay đổi và biến đổi khí hậu do sự nóng lên toàn cau, xu hướng giảm hàm lượng SOM

do quá trình khoáng hóa dự kiến sẽ trở nên tram trọng hơn Chu trình và chức năng

của chất hữu cơ đất được mô tả tóm tắt ở hình 1-1 sau:

Nguồn NLvà chất dinh dưỡngCải thiện sức khỏe hệ sinh tháiTăng cường đa dạng sinh học

On định kết cau va cốt liệu của dat

Cao thiện khả năng giữ nước của dat

Ngăn chặn sự nén chat và xói mon datThay đôi các tính chât nhiệt của đât

Nguồn năng lượng (sinh học)

Giảm một sô dau vào sản xuât

Cải thiện năng suất, chat lượng cây trong

Hình 1-1: Chu trình và chức năng của chất hữu cơ đất (SOM)

[Gabrijel Ondrasek, 2019]

Chu trình carbon trong tự nhiên

Chu trình carbon mô tả sự lưu trữ và trao đôi carbon giữa sinh quyên, khíquyền, thủy quyên và địa quyên do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học

khác nhau Có năm bề chứa carbon chính là khí quyền, sinh quyền, đại đương, trầmtích và phần lõi của Trái đất Các hoạt động của con người và hoạt động tự nhiên làm

dịch chuyên carbon giữa các bể chứa Các quá trình hấp thụ hay giải phóng carbonnày thể hiện trong vòng tuần hoàn sinh hóa tự nhiên của carbon giữa khí quyên và

các bề chứa.

Sự cô lập carbon mô tả việc lưu trữ lâu dài carbon dioxide hoặc các dạng carbon khác

dé giảm thiểu hoặc trì hoãn sự nóng lên toàn cầu và tránh biến đồi khí hậu Có nhiều hìnhthức dé tăng cường sự hấp thụ CO; trong các “bề chứa” carbon (đại đương, đất, thực vật)

19

và giảm bớt tốc độ giải phóng CO> từ chúng ra bầu khí quyền Theo P Friedlingstein và cáccộng sự (2022), nước mặt đại dương chứa 37.000 GtC, đất chứa 1.700 GtC, dat đóng băngchứa 1.400 GtC, trầm tích bề mặt đại dương chứa 1.750 GtC, khí quyền chứa 875 GtC,

carbon hữu cơ trong dai dương chứa 700 GtC, thực vật cạn chứa 450 GtC, mỏ than chứa

560 GtC và các nguồn khác Các bé chứa C này thường diễn ra đồng thời 2 quá trình giảiphóng và hấp thụ C.

Các quá trình hấp thụ thường chiếm ưu thế hơn so với giải phóng carbon trongtự nhiên, ví dụ như: Đại đương hấp thụ 92 GtC/năm nhưng giải phóng khoảng 90GtC/năm Dat, thực vật và thực vật phân hủy giải phóng 121,6 GtC/năm nhưng chúnghấp thụ khoảng 121,8 GtC/năm Tuy nhiên hiện nay với tình trạng nhiệt độ trái đấttăng cao, các thảm thực vật giảm bớt, hiện tượng sa mạc hóa diễn ra ở nhiều nơi khiến cho xu hướng giải phóng carbon từ đất, đại dương vào khí quyền đang tăng

lên và dé dàng hơn Các hoạt động của con người (chủ yếu là đốt nhiên liệu hóathạch, phá rừng và thay đổi việc sử dụng dat) cũng đã đóng góp lượng carbon đáng

kể vào bầu khí quyền với khoảng 7,8 GtC/năm trong năm 2012 [IPCC, 2013] và tăng

dần hằng năm Năm 2020, tông lượng phat thai CO do hoạt động của con người dat10,2 + 0,8 GtC/năm và tổng nồng độ trung bình CO> trong khí quyên toàn cầu đạt412,45 +0,1 ppm [P.Friedlingsteins và nnk, 2022]

Chu trình carbon đóng một vai trò quan trọng trong khí hậu toàn cầu Mặc dùchu trình carbon rat lớn, nhưng con người có thé tác động nó và làm thay đổi hệ sinhthái Carbon dioxide thải ra khi đốt nhiên liệu hóa thạch cao gấp đôi lượng hap thụ

C ròng từ thực vật va đại dương.

Carbon trong đất đóng vai trò là một bề chứa C tiềm năng, nó phụ thuộc vào sự

cân băng giữa quang hợp của cây, sự hô hap của các sinh vật phân hủy và sự cố địnhcủa carbon trong đất [Lal, R 2004; Woodward, 2009] Sự cô lập carbon trong đất cóthé đóng góp quan trọng trong các phương pháp giảm thiểu và có khả năng bù đắp

một phần đáng kể nguồn CO> khuếch tán vào khí quyền mà việc thu giữ trực tiếp từkhí thải là chưa khả thi [Lal, R 2004; Woodward, 2009; King, G.M, 2011] Đặc biệt,người ta ước tính rằng thông qua việc quản lý đúng cách, nền nông nghiệp thế giới

20

và các loại đất bạc màu có thé tích tụ thêm 0,4-1,2 GtC/nam, tương đương với 5—15% lượng phát thải nhiên liệu hóa thạch toàn cầu Lưu giữ carbon trong đất khôngchi là một lựa chon quan trong dé giảm thiểu một phan khí thải do con người gây ramà còn cung cấp một hệ sinh thái bền vững như gia tăng độ phì nhiêu của đất, chấtlượng nước, khả năng chống xói mòn và giảm thiểu biến đồi khí hậu [Lal, R 2004].

Vai trò của carbon hữu cơ trong đất:

Tuy chất hữu cơ chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ (khoảng 1-6% trọng lượng trongđất) nhưng chất hữu cơ đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với tất cả các quátrình xảy ra trong đất và liên quan chặt chẽ đến các tính chất lý, hóa học, sinh học

của đất

Đối với tính chất vat lý của đất: chất hữu cơ và min góp phan tạo kết cau chođất, các keo mùn gắn kết các hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết tốt, làm tăngđộ xóp, điều hòa chế độ nước (tính thấm và giữ nước tốt hơn) và nhiệt độ trong dat,hạn chế rửa trôi và xói mòn đất.

Đối với tính chất hóa học của đất: chất hữu cơ làm tăng khả năng hấp thụ vàtrao đổi ion, dam bảo cho các phan ứng hóa học xảy ra bình thường, tăng khả nănggiữ chất dinh dưỡng cho đất, tăng cường độ sự phóng thích chất dinh dưỡng từ cácthành phần khoáng trong đất bị hòa tan bởi các acid hữu cơ Chất hữu cơ và mùntham gia phản ứng hóa học của đất, cải thiện điều kiện oxy hóa, gắn liền với sự diđộng và kết tủa của các nguyên tổ vô cơ trong đất Nhờ có nhóm các định chức cáchợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói chung làm tăng khả năng hấp thụ của đất,

giữ được các chất dinh dưỡng, đồng thời làm tăng tính đệm của đất [Trần Văn

Chính, 2006].

Đối với các sinh vật sống trong dat: chất hữu cơ vừa là nguồn thức ăn, vừa làmôi trường sông cho các sinh vật đất, kích thích sự sinh trưởng của các sinh vật hữu

ích và trùn đất, tăng đa dạng sinh học đất.

Đối với cây trồng: Chất hữu cơ là kho dự trữ và nguồn cung cấp thức ăn thường

xuyên và lâu dài cho cây trồng Các hợp chất mùn kết hợp với sét tạo thành phức hệ

keo sét- mùn là phức hệ điều tiết dinh dưỡng quan trọng nhất cho cây Các axit mùn

21

còn có tác dụng kích thích sự phát triển cho hệ rễ và toàn cây, tăng sức chống chịucho cây với điều kiện sống bắt lợi và sâu bệnh.

Hon thé nữa, lượng carbon hữu cơ trong đất đóng một vai trò quan trọng đối vớiquá trình cân băng carbon trong chu trình carbon toàn cầu Gần đây, đất và SOC đã nhận

được sự chú ý về vai trò của chúng trong việc giảm thiểu tác động của việc tăng cao CO2

trong khí quyền va sự nóng lên toàn cau liên quan Lal (2004) ước tính rằng với việc sử

dụng và quản lý đất thích hợp có khả năng cô lập ~ 0,9 Pg C mỗi năm Con số này gầnbằng 13% lượng COz-C do con người tạo ra hàng năm.

1.1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về dự trữ carbon đất trên thế giới

Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới hướng tới sự giảm phátthải CO› khí quyền bằng cách lưu trữ nó đưới dạng các chất bền hơn trong môi trườngđã và đang được tiến hành Thành phần đồng vị của oxy và carbon trong các chấtkhác nhau đặc biệt là khí CO2 cung cấp một công cụ sắc bén tiềm năng đối với việcđịnh lượng sự đóng góp của các thành phần khác nhau vào sự thay đổi của hệ sinhthái Khi công cụ này được sử dụng kết hợp với các phép đo nồng độ hoặc đánh giá

sự luân chuyên, người ta sẽ có cái nhìn sâu sắc hơn vào nguồn và bé hap thụ CO»

trong hệ sinh thái.

Sử dụng kỹ thuật đồng vị và các kỹ thuật khác để nghiên cứu về khả năngtích lũy carbon trong các hệ sinh thái rừng, trong đất nông nghiệp và trong cácvùng đất ngập nước đã được công bố trong nhiều tạp chí thế giới trong những nămgần đây.

Gabrijel Ondrasek và cộng sự (2019) đã tiến hành phân tích, đánh giá những

tác động của quá trình địa sinh hóa chất hữu cơ đến hệ sinh thái nông nghiệp và môi

trường Kết quả nghiên cứu chỉ ra các điểm chính: Chất hữu cơ trong đất (SOM) làmột chất rất phức tạp và có thể di chuyên được; SOM với thành phần chủ yếu là

carbon (C 40-60%) và một số nguyên tô khác (O 35-40%, H và N đều chiếm khoảng 6%, S 1%), SOM có chức năng trong chu trình C toàn cầu, bao gồm hấp thụ và phát thảiC, có tầm quan trọng thiết yêu đối với hoạt động sinh thái của các hệ sinh thái nông nghiệp;

4-Sự suy giảm sâu SOM được cho là do sự nóng lên toàn cầu và do thay đổi khí hậu; Các

thành phần SOM có một chức năng quan trọng trong quá trình sinh hóa sinh học với các

22

chất hữu cơ trong dat; Sự phân bé theo không gian của SOM là rất quan trong dé kiểmsoát sự đi chuyền của chat gây ô nhiễm.

Ren W cùng các cộng sự (2020) đã thực hiện đánh giá sự thay đổi carbon hữu cơtrong đất trồng trọt giai đoạn 1901-2010, từ đó chỉ ra vai trò của khí hậu, các quá trìnhhóa học khí quyền, phương pháp sử dụng và quản lý đất đai đến sự thay đổi đó Kết quả

cho thấy, khả năng lưu giữ SOC và tỷ trọng SOC trong đất trồng trọt đã tăng trong giaiđoạn 1901-2010 Sự gia tăng SOC này chủ yếu do việc thực hiện các biện pháp quản lý

sử dụng đất đai (mở rộng diện tích đất trồng trọt và sử dụng phân bón cho cây trồng) đãbù đắp một phan ton thất SOC do biến đổi khí hậu gây ra.

Nghiên cứu cua Joann K Whalen (2014) và các nhà khoa học tại Canada đãcông bố kết quả nghiên cứu sự dịch chuyên của carbon trong cây vào carbon trongđất của các loại cây trồng khác nhau ảnh hưởng đến việc chôn carbon như thế nàotrong các điều kiện môi trường của Canada Kết quả cho thấy rằng có khả năng sửdụng các phần còn lại của cây trồng giàu lignin và các đặc tính hóa học biến đổi đểlàm chậm quá trình phân hủy sinh học của các phần còn lại của cây và tăng lưu giữcarbon trong phần khoáng sét của đất.

Yonghoon Choi và Yang Wang (2001) đã dựa trên kết quả phân tích đồng vị bềncủa carbon, ni tơ và phốt pho trong đất và trong các loại thực vật ở vùng đất ngập nướcvùng tây bắc của Florida - Mỹ đã chỉ ra rang carbon được tích lũy nhiều hơn ở vùng damlầy thấp so với vùng đầm lầy cao từ 14 đến 25 kg /m2 và lượng carbon tích lũy tại đâylớn hơn lượng carbon tích lũy trong đất rừng (5 — 10kg/m? SOC).

Trong các nghiên cứu về động học carbon và kha năng cố định carbon trongcác hệ sinh thái rừng cũng có khá nhiều các công trình được công bố Accoe và các

cộng sự (2002-2003) và sau đó là Garten (2006) đã nghiên cứu tốc độ phân hủy chất

hữu cơ dat SOM và thời gian quay vòng của nó sử dung mối quan hệ giữa hàm lượng

'3C tự nhiên theo chiều dọc của phẫu diện dat và hàm lượng carbon đất rừng Các tác

giả này đã tìm ra mối quan hệ theo ham log giữa !3C va hàm lượng carbon tích lũytrong đất rừng.

Suthisak Saree và các cộng sự (2012) đã đánh giá được sự thay đôi lượngcarbon tích lũy trong đất nông nghiệp của Thái Lan khi thay đôi cơ cấu cây trồng giữatrồng lúa và trồng ngô dựa trên các kết quả phân tích hàm lượng carbon hữu cơ trong

23

đất và thành phần đồng vị của chúng Kết quả chỉ ra rằng sự luân canh giữa ngô vàlúa nước có thé làm tăng khả năng dự trữ carbon trong dat.

Quá trình quang hợp của thực vật thường sử dụng nhiều đồng vị !2C hơn !3C

hay nói cách khác, carbon trong các mô của thực vật có xu hướng có ít °C so với BC

của CO: trong khí quyền mà từ đó nó được hình thành Sự khác biệt này cung cấp

một công cụ dé giải thích sự biến đổi !3C của CO: trong khí quyền và trong các thànhphan của môi trường D Yakir và L.da S.L Sternberg (2000) dựa trên các số liệu

phân tích thực tế của Israel đã xây dựng được một bức tranh tổng quát về các thànhphần đồng vị của các bề chứa carbon, oxi va hydro trong các hệ sinh thái lục địa Cac

giá trị này được thé hiện ở hình 1-2.

Hơi nước trong khí quyền Khí quyền làn

(5!8O=—13%o) (5!80=+41%0, 8ÌŠC~—8%o)

Net H,O exchange : Net CO, exchange

(8!80=—-5%0) Hap thu trong qua (8'8Cx+17%otrinh quang hop 5'3Cx-27%0)

Nhựa cây Gốc (8!8O=~+299%o, xâm nhập

— ape ° ( q18 (ð!ŠO~ 4%e) §3C=—26%o) tl

Hình 1-2: Các thành phan đồng vị của các bé chứa carbon, oxi va hydro trong

các hệ sinh thái lục địa Israel

[Nguồn: D Yakir, L.da S.L Sternberg, 2000]

24

1.1.3 Tổng hợp các nghiên cứu về dự trữ carbon trong đất Việt Nam

Việt Nam là một nước nông nghiệp với hơn 11,6 triệu ha diện tích đất sảnxuất nông nghiệp và phần lớn diện tích đất đang được canh tác Do đó việc đánhgiá khả năng hấp thụ carbon trong các hoạt động canh tác nông nghiệp có vai tròđặc biệt quan trọng trong việc giảm thiểu phát thải khí COa và hạn chế tác độngcủa biến đổi khí hậu Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam có rất it nghiên cứu đượctiến hành dé đánh giá sự đóng góp của hoạt động canh tác nông nghiệp vào bề lưu

Trong nghiên cứu của Đỗ Hoàng Chung và các cộng sự (2010) đã công bố kết

quả nghiên cứu lượng carbon tích lũy trên mặt đất của một số trạng thái thảm thực

vật xã Tân Thái, huyện Đại Từ, Thái Nguyên Lượng C tích luỹ nhiều nhất tại VõNhai, trung bình là 38,295 tan/ha; nếu xét theo từng vi trí lượng C tích luỹ nhiều nhất

ở vị trí 1; tại Võ Nhai với lượng C cao nhất 45,07 tan/ha; lượng C tích lũy it nhất tạivị trí 2 (33,01tan/ha) ở Định Hóa với lượng 29,084 tan/ha Có thé do lịch sử và thờigian tác động của nhân tô con người, gia súc trước khi bước vào thời gian phục hồicủa rừng và các nhân tố lập địa đã dẫn tới sự chênh lệch gấp 2,1 lần về lượng C tích

lũy Kết quả điều tra đó cũng chứng tỏ sự tích lũy C tại các vị trí không tuân theo quy

luật nào rõ rệt Tổng trung bình lượng carbon tích lũy trong đất dưới tán rừng IIb tạiThái Nguyên là 33,96 tan/ha Các kết qua này đã chứng tỏ khả năng rất lớn của cáchệ sinh thái rừng và cây trồng trong việc giảm sự nóng lên toàn cầu.

Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của

phương thức canh tác đến năng suất cây trồng hoặc/và đinh dưỡng trong đất ở quy

mô điểm (sites) Các kết quả nghiên cứu được đúc rút từ các nghiên cứu, đo đạc thực

nghiệm ngoài thực địa Ngoài các nghiên cứu theo hướng trên, một sô nghiên cứu

25

khác tập trung về ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất nông nghiệp (theo không gian)đến lượng carbon trong đất Đáng lưu ý nhất là công trình của Phạm Quang Hà, tácgiả nghiên cứu khá kỹ mối quan hệ giữa thay đổi hệ canh tác trên đất nông nghiệp vàhàm lượng carbon trong đất ở một diện tích giới hạn Nghiên cứu đã xác định đượchàm lượng carbon trong đất phù sa (Fluvisols) ở Việt Nam của 6 hệ canh tác cây trồng

hàng năm gồm dâu tăm; rau + ngô + đậu; lúa + rau hoặc ngô hoặc đậu; lúa + lúa; lúa

+ lúa + rau hoặc ngô hoặc đậu; lúa + lúa + lúa bằng phương pháp thu thập mẫu đất

và phân tích trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đưa ra được khối

lượng cụ thể về lượng carbon trong đất (bao nhiêu tấn) của các nhóm đất chính trongcác hệ canh tác cho toàn vùng nghiên cứu Tác giả mới chỉ đưa ra những so sánh về

hàm lượng carbon giữa nhóm đất trên.

Trong nông nghiệp, nghiên cứu đánh giá lượng carbon hữu cơ đất (SOC),

lượng khí nhà kính phát thải từ các hệ sinh thái nông nghiệp áp dụng mô hình sinh

địa hóa trong đất — mô hình DNDC ở các hệ sinh thái nông nghiệp đồng bang venbiển tỉnh Quảng Trị đã được đề cập trong nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tuấn,

Nguyễn Xuân Hải và Trần Văn Ý (2015) Kết quả đã chỉ ra răng mô hình DNDC phù

hợp cho ước lượng SOC ở các hệ canh tác: lạc, lạc — khoai lang, ngô đậu, lúa - lúa,

san trên địa bàn nghiên cứu với hệ số tương quan trên 0,91 Tuy nhiên lượng SOCban đầu, thành phần CƠ gidi đất, mức độ cày bừa, hàm lượng sét trong đất, bón phânhữu cơ, phế phẩm dé lại đồng ruộng, nhiệt độ ảnh hưởng rat lớn đến kết quả đầura của mô hình.

Như vậy khả năng tích lũy carbon trong các hoạt động canh tác nông nghiệp

trên các loại đất ở Việt Nam đã được đề cập đến nhưng bằng các phương pháp đánhgiá truyền thống trong ngành nông nghiệp Hiện chưa có công bố nào sử dụng kỹ

thuật đồng vị ồ'3C đề đánh giá khả năng lưu giữ C trong đất nông nghiệp ở Việt Nam.

Phương pháp đồng vị áp dụng để xác định mức đóng góp C từ cây Ca và cây Ca vàotông SOM dé làm rõ việc thay đổi phương thức canh tác thì nguồn C nào được lưu

giữ lâu hơn, tức là tốc độ phân hủy/khoáng hóa chậm hơn.

26

Các kết quả thu được của luận án sẽ là những kết quả nghiên cứu đầu tiên vềthành phần đồng vị '°C trong SOM và đánh giá khả năng lưu giữ C đất khi thay đôi

cơ cau cây trồng từ cây C4 (ngô) sang cây Ca (lúa).

1.2 TONG QUAN VE PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU CARBON DAT

1.2.1 Phương pháp phân tích hàm lượng C trong đất

Từ lâu, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cho ra đời một số phương pháp dé

xác định về hàm lượng hay lượng C hiện có trong đất Các phương pháp này hiện nay

van đang được sử dụng một cách hiệu quả, tuy nhiên các phương pháp này chỉ tính

toán và xác định hàm lượng C ma không đánh giá, xác định được nguồn gốc, thờigian phân hủy cũng như các hoạt động chuyền hóa của carbon trong đất Các phươngpháp phân tích truyền thống bao gồm: xác định hàm lượng các bon hữu cơ tông sốcủa đất - phương pháp Walkley Black; Xác định hàm lượng carbon trong đất băngphương pháp Tiurin; Phương pháp nội suy hồi quy hàm lượng carbon hữu cơ trongđất Kriging Một phương pháp phân tích hàm lượng tông C hay hàm lượng SOCchính xác hay được áp dụng gần đây là phương pháp đốt khô - phương pháp phân

tích nguyên tố TCVN 6642:2000 (ISO 10694 : 1995).

Phương pháp Walkley Black

Hàm lượng các bon hữu cơ tổng số (% OC) được tính theo công thức (1):

+ m là lượng mẫu cân, tính bằng gam (g);

+ cla nồng độ mol của dung dịch Fe** (đã được kiểm tra nồng độ) (mol/l);

+ 0,4=3x 103 x 100 x 100/75

(trong đó: 3 là khối lượng mol đương lượng của carbon, 100 là hệ số quy đồiphần trăm và 100/75 là hệ số điều chỉnh do quá trình oxy hóa các bon hữu cơ khôngtriệt đề).

27

+ k là hệ số khô kiệt mẫu.

Hàm lượng chất hữu cơ tông số (% SOM) được chuyền đổi theo công thức (2):OM (%) = 1,724 x OC (%) (2)

Phương pháp đốt khô (TCVN 6642:2000)

Nguyên lý của phương pháp: Oxi hoá carbon có trong đất thành CO» bangcách nung đất đến nhiệt độ tối thiểu 900°C trong luồng khí oxi không chứa CO2¿.

Lượng carbon dioxit giải phóng được do bằng các phương pháp chuẩn độ, khối lượng,

độ dẫn điện, sắc ký khí hoặc sử dụng phương pháp phát hiện băng tia hồng ngoại,phụ thuộc vào thiết bị sử dụng Khi đất nung nóng đến nhiệt độ ít nhất là 900°C, thìtất cả carbonat có mặt đều bị phân huỷ hoàn toàn Dé xác định hàm lượng carbon hữucơ, thì bất kỳ carbonat nào có mặt đều phải loại bỏ trước băng cách xử lý đất với axitHCI, nếu không phải biết trước lượng carbonat của mẫu cần kiểm tra rồi trừ đi saukhi đã có kết quả.

Tính hàm lượng carbon tổng số có trong mau theo đất khô kiệt, theo công thức :

m¡ là khối lượng phan mau thử, tính bang gam;

ma là khối lượng carbon dioxit được giải phóng từ mẫu đất, tính bằng gam;

0,2727 là hệ số chuyền đổi từ COa sang C;

khô, xác định được theo TCVN 6648 : 2000 (ISO 11465).

Tinh hàm lượng carbon hữu cơ đất trực tiếp:

Áp dụng công thức tính trên cho việc tính toán lượng SOC có trong mẫu theo đất

khô kiệt đối với mẫu đất sau khi xử lý hàm lượng C vô cơ (CaCOs) bằng axit HCI.

Tính gián tiếp hàm lượng carbon hữu cơ có trong mẫu tính theo đất khô kiệt, theocông thức :

Woo = Wet- (0,12 x Wcacoa ) (4)

28

Trong đó:

+ Wceo là hàm lượng carbon hữu cơ theo đất khô kiệt tính bằng gam trên kilogam;+ Wc¿ là hàm lượng carbon tổng số theo đất khô kiệt, xác định được theo công

thức (3), tính bằng gam trên kilogam;

+ 0,12 là hệ số chuyên đổi khối lượng mol giữa C và CaCOz;

+ Weacos là hàm lượng carbonat có trong đất, được biểu thị theo canxi carbonattương ứng theo đất khô kiệt, được xác định theo TCVN 6655 : 2000 (ISO

10693), tinh bang gam trén kilogam;

Phuong pháp tinh toán tích lũy carbon trong đất

Tổng lượng carbon ở độ sâu nhất định tại một khu vực được tính như sau(Phạm Minh Toại và cộng sự, 2016):

SOC (tắn/ha) = H x BD x C x 100 (5)Trong do:

SOC là trữ lượng carbon trong dat (tan/ha);H là chiều sâu lớp đất tính toán (cm);

BD là dung trọng đất — khối lượng đất trên 1 don vị thé tích (g/cm?)

1.2.2 Các phương pháp quan trắc sự thay déi carbon trong dat.

- - Trong báo cáo đặc biệt của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu, hai loại

phương pháp được sử dụng dé đo lường tính toán tốn thất hoặc tích lũy carbontrên đất liền: phương pháp tính lượng carbon dự trữ và phương pháp tính cânbằng giữa lượng carbon bổ sung và và lượng C mất đi trong một hệ sinh thái[IPCC, 2001] Việc đo đạc, phân tích tổng lượng carbon đất từ thời điểm ban đầuvà thời điểm kết thúc theo đõi thí nghiệm ( vi dụ khoảng 5 năm) có thể xác định

sự thay đôi về lượng C đất so với thời điểm ban đầu.

- Su cô lập/ tích lũy C trong đất trong một khoảng thời gian có thé được định nghĩa

là sự khác biệt giữa lượng C bổ sung và lượng C mất đi trong khoảng thời gian đó

và được tính theo công thức sau:

29

Ctich lũy = Chá sung — Cát di = I-kC (6)

Trong do:

11a lượng C bồ sung từ tàn tích thực vat đề lai sau khi thu hoạch (tan/ha)k là hằng số tốc độ phân hủy hay hệ số tốc độ khoáng hóa

C là hàm lượng C tại thời điểm kết thúc nghiên cứu (tắn/ha)

Theo Yan và cộng sự (2013), có thé tính toán tốc độ tích lũy/lưu giữ C đất (Csequestration rate) theo cách sau:

Các a6 tich y= (SOC: — SOC,) * H x BD* 10/T (7)

Trong đó:

- Ctéc độ tich lay là tốc độ tích lũy C ( tắn/ha/năm);

- SOC; là trữ lượng carbon trong đất ở thời điểm t (g/kg) ;

- SOCs là trữ lượng carbon trong đất ở thời điểm ban dau to (g/kg);

- H là chiều sâu lớp đất tính toán (m);

- BD là dung trọng đất (g/cm) với giả thiết dung trọng ở thời điểm t bang

dung trong ở thời điểm to va BD không thay đổi nhiều trong quá trình thínghiệm

- 10 là hệ số chuyên đôi tan/ha

- T là thời gian tiến hành thí nghiệm (năm)

Việc tính toán lượng carbon di vào hoặc đi ra khỏi hệ sinh thái trong khoảng

thời gian (ví dụ 5 năm) cũng sẽ mang lại thay đổi ròng Các phương pháp truyền

thống dé đánh giá tôn thất hoặc tích lũy carbon trong đất được trình bày ở bảng 1-1

[Smith, 2014].

30

Bảng 1-1: Các phương pháp đánh giá tốn that/ tích lũy carbon trong dat liền

Các phương pháp xác

định sự thay đổi lượngC dự trữ

e Kiểm kê thảm thực vật

+ Khối lượng gỗ gốc - kiểm kê rừng

+ Tổng sinh khối cây — tương quan sinh trưởng của

e Sản phâm gỗ + mô hình sản phẩm gỗe Đất và phân chuồng

+ Các phế liệu gỗ + thé tích và khối lượng được

tính toán

+ Lấy mẫu phân chuồng và phân tích carbon — biếnđổi về mặt không gian lớn

+ Lay mẫu đất khoáng hóa và phân tích carbon

-biến đổi về mặt không gian lớn

(Chiến lược lấy mẫu, phương pháp và độ sâu lấy mẫu

đêu cân được xem xét)

Phương pháp đo dòng/thông lượng C

e Dung các không gian (nhà kính) - hiệp phương sai

xoáy ( eddy covariance) — diện tích < 1km”,

e Dùng các tháp cao, bóng bay dé lập khối lớp ranhgiới đối lưu - quy mô khu vực, cảnh quan.

e Các phép đo bình và thông lượng từ máy bay kếthợp với phân tích đảo ngược - quy mô lục địa.

Phương pháp viễn thám

để xác định phạm vi địalý và sự thay đôi

e Độ phân giải hiện tại (NOAA-AVHRR) là 1 km?nhưng có thê nhỏ hơn.

e Sự mởrộng về địa lý, loại thực vật, tàn dư, đất canh tác

và có thé là carbon hữu cơ trong dat và độ 4m của dat

trống đất sẽ được tính toán khả thi trong tương lai gần

Phương pháp mô hình © Được sử dụng kết hợp với các phương pháp trên

31

Hiện nay có nhiều nước như Úc, Canada và Hoa Kỳ đề xuất sự kết hợp củaphép đo trực tiếp, kiểm kê hiện có (vi dụ, kiểm kê đất hoặc bản đồ thé nhưỡng quốcgia), viễn thám va mô hình mô phỏng dé ước tính thất thoát hoặc tích lũy carbon trên

đất [Metting và cộng sự, 1999; Post và công sự, 1999; Izarraulde va cộng sự, 2000;

NCAS, 1999].

Độ chính xác của phương pháp cân bằng khối lượng dé phat hiện những thay

đổi hàm lượng C trong đất như đánh giá sự tích lũy/ chôn C thường phụ thuộc rat lớnvào độ chính xác của phép đo dung trọng đất Dung trọng đất thay đổi theo thời gian

và phương thức sử dụng đất Một số phương pháp được sử dung dé xác định dungtrọng của đất [Kimble và cộng sự, 2001] Cần có quy trình phân tích được chuẩn hóa

cùng với thời gian lay mẫu được xác định rõ ràng.

Hơn nữa, việc định lượng sự thay đổi C của đất băng cách sử dụng phươngpháp cân bằng khối lượng là rất khó vì những thay đôi hàng năm là nhỏ so với hàmlượng C nền đã có và sự biến thiên trong không gian là rất lớn [Ellert và cộng sự,

2001; Campbell và cộng sự, 2005] Các ước tính về SOC ở mức độ cảnh quan cũngrất quan trọng do sự biến đổi cảnh quan [Terra J.A và cộng sự, 2004].

Sự khác biệt nhỏ nhất có thể phát hiện được khi dùng phương pháp cân bằngkhối lượng dé đo những thay đôi C ròng là khoảng 1 tắn/ha (2-3% của lượng C nền)với số liệu thống kê thích hợp (90% mức độ tin cậy) [Garten, 1999] Điều này đòi hỏi

một số lượng mẫu rất lớn (> 100 mau) Với số lượng mẫu thống kê là 16, sự khác biệt

hàm lượng C tối thiêu có thé phát hiện được là 5 tấn C/ ha (10-15% hàm lượng C nên

và độ tin cậy đạt 90% ) [Smith và cộng sự, 2004] Nhiều hoạt động nông nghiệp có

thé làm cho tỷ lệ tích lũy C trong đất giảm trong thời gian theo dõi thống kê [Smith,2002] Các mô hình và sự phân tang được được sử dụng dé giảm chi phí và nâng caođộ tin cậy của dữ liệu nền và và dit liệu khảo sát tiếp theo Tuy nhiên, việc lay mau

đất đề phân tích trực tiếp vẫn sẽ được yêu cầu Do đó, khả năng xác minh của dữ liệu

thu được dựa trên cách tiếp cận cân băng khối lượng có thể khó khăn, tốn kém và ítsử dụng ở câp quôc g1a.

32

Vi dụ về việc lấy mẫu đất cần thiết dé xác minh trong một nghiên cứu điểnhình trên ba cánh đồng khác nhau (cánh đồng có trồng trọt, cánh đồng bỏ hoang vàcánh đồng chăn thả gia súc) được thê hiện trong bảng 1-2 [Poussart và cộng sự, 2003].

Bảng dữ liệu chỉ ra rang số lượng mau đất cần thiết dé xác minh những thay đổi trong

trữ lượng C dat theo thời gian phụ thuộc vào:

(a) Sự biến đối theo không gian của trữ lượng C đất trong một khu vực;

(b) Sự thay đổi nhỏ nhất của tổng lượng C đất phải được phát hiện;(c) Mức ý nghĩa thống kê phải đạt được.

Bảng 1-2: Giá trị SOC trên ba cánh đồng trồng trọt, bỏ hoang và chăn thả gia súcSOC, 0-20 cm, Trồng trọt Bỏ hoang Chăn thả gia súc

(g/m?) (n = 100)

Trung bình + độ lệch | 519,2 +461,5 332.3 + 455 411 +226,8chuẩn

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu đồng vi °C trong dat

Carbon là nguyên tô phô biến thứ 4 trong vũ trụ về khối lượng sau hydro, heli,và ôxy Nó là một trong các nguyên tố cơ bản trong các tế bào của sinh vật sông trên

trái đất này Hạt nhân nguyên tử của bất kì một nguyên tố hóa học đều chứa proton,

neutron và electron Tổng của ba loại hạt này tạo nên số khối của nguyên tố Đồng vị

là các dang khác nhau của cùng một nguyên tô hóa học có cùng số proton và electrontrong hạt nhân nguyên tử nhưng số khối khác nhau vì có số neutron khác nhau Những

nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số nơtron là những đồng vị có cùng tính

chất hóa học nhưng khác nhau về khối lượng và tính chất vật lý Có hai loại đồng vị:

33

đồng vị bền (đồng vị không phát bức xạ và đồng vị phóng xạ (đồng vị phát bức xạ,không bên, bi phân hủy theo thời gian).

Trong tự nhiên, C có 1 đồng vị phóng xạ '*C và 2 đồng vị bền bao gồm đồng vị

bền !?C chiếm gần 98,9% và đồng vị bền !3C chiếm xap xi 1,1% [Nier, 1950] Có thé minh

họa các đồng vị bền và đồng vị phóng xạ của nguyên tố C theo hình 1-3 sau:

© Proton @ Neutron © Electron

Hình 1-3: Cac đồng vị bền và đồng vị phóng xạ của C trong môi trường

Như vậy, thông thường ty lệ mole của đồng vị !3C/!2C sẽ xấp xi bằng 0,01122.

Tuy nhiên, ty lệ đồng vị này có thé thay đổi gần 100%o bởi các quá trình phân tach

đồng vi, quá trình động học cũng như quá trình cân bằng bởi các yếu tô vật lý, hóahọc và sinh học.

Các kỹ thuật liên quan đến các đồng vị (ví du °C, '*C) đã được sử dung rộng

rãi trong các nghiên cứu về động học SOM như tích tụ C trong đất, tốc độ phân hủyC mới bé sung gan đây và trữ lượng của các bể chứa SOC khác nhau [Balesdent,1996] nhưng các phương pháp này đã không được áp dụng dé đánh giá sự cô lập Ctrong đất mà trong IPCC (2001) đã đề cập Mặc dù kỹ thuật đồng vị cũng bị ảnh

hưởng bởi sự biến đổi của đất tương tự như các phương pháp cân bằng khối lượngnhưng ưu điểm chính của phương pháp đồng vị chính là khả năng phát hiện những

thay đổi nhỏ trong trữ lượng C đất so với một lượng C lớn trong đất nền ban đầu.Ngoài ra, với cách tiếp cận này, hàm lượng chất C đánh dấu đi vào hệ sinh thái đất

34

được biết chính xác Điều này cung cấp một công cụ dé theo dõi sự tích lũy hoặc sựmat đi của C mới đóng góp vào đất [Balesdent, 1988] Các đồng vị C khác nhau (ví

dụ: 1C, '*C) được sử dụng trong các phương pháp xác định khả năng tích lũy/mất đicủa SOM và sự phân hủy của các tàn dư hữu cơ được đánh dấu trong đất Thuật ngữ

SOM thường được nhắc đến cùng với thuật ngữ SOC bởi vì SOM = 1,724 SOC với

giả thiết SOM chứa 58% C Các phép đo này được sử dụng dé định lượng C mat đi,

sau đó có thé được sử dụng để xác định sự cô lập/ tích lũy C trong đất (Csequestration) theo Công thức 6 ở trên.

* Nguyên tắc của việc sử dụng kỹ thuật đồng vị °C tự nhiên trong nghiên cứuC đất:

Kể từ khi phát minh ra khối phổ kế tỷ số đồng vị vào cuối những năm 1930,phương pháp phân tích đồng tỷ số vị đã làm sáng tỏ nhiều quá trình quan trọng tronghệ sinh thái của Trái đất Phân tích đồng vị bền lần đầu tiên được áp dụng trong lĩnhvực hóa học va địa hóa học vào những năm 1940, việc su dụng sự phân tách đồng VỊcho các phản ứng sinh hóa khác nhau đã được phát triển sau đó Kiến thức thu được

từ nghiên cứu đồng vi dẫn đến sự hiéu biết nhiều hơn về động lực học của sinh quyền

và nghiên cứu hiệu quả hơn các tương tác giữa địa quyên va sinh quyền.

Tỷ lệ đồng vị bền của Carbon ký hiệu là 61C, là giá trị không có thứ nguyên vàđược tính dưới dạng phan nghìn (%o) theo công thức (8) sau [Craig H ,1953]:

ce cần đo 1)*1000 (8)

mnấu chuẩn

ð BC (%a) = (

Trong đó: Rmiu cin ao là ty lệ mol của đồng vị !3C/?C trong mau cần đo

Rindu chuẩn là tỷ lệ mol của đồng vị !'3C/!2C trong mẫu chuan

Mẫu chuẩn gốc tham chiếu quốc tế dùng cho đồng vị !%C ở đây là VPDB làchữ viết tắt của "Vienna Pee Dee Belemnite" Ty lệ !3C/!2C của mẫu chuẩn này có

giá trị là 0,0112372 Mẫu chuẩn PDB gốc chính là một mẫu vỏ hóa thạch của mộtsinh vật đã tuyệt chủng được gọi là belemnite (hình dạng giống như con mực, có vỏ)

được thu thập từ nhiều thập kỷ trước tại bờ sông Pee Dee ở Nam Carolina Mẫu chuẩn

này đã được sử dụng hết từ lâu, nhưng các chất chuẩn tham chiếu khác đã được hiệuchuân theo nó.

35

Trong ba thập ky qua, sự biến thiên của tỷ lệ !°C /C đã được sử dụng thườngxuyên để theo dõi các nguồn và các chất C giữa thực vật, vi sinh vật và đất Nhiềunghiên cứu trong số này đã sử dụng phương pháp đánh dấu tự nhiên 1C, tức là sự

biến đối 8'3C tự nhiên trong đất sau khi thay đối thảm thực vật C3 - Ca trên đất Ty lệ

mat C từ thảm thực vật ban dau và sự kết hợp của C từ thực vật mới sẽ liên quan chặtchẽ với giá tri °C của đất

Kỹ thuật đánh dấu 8!3C tự nhiên dựa trên:

1) Sự khác biệt về độ phong phú !ŠC trong tự nhiên (ö'3C) giữa các loại thực

vật trong quá trình cố định CO> từ không khí vào các mô thực vật bởi các kiểu quanghợp khác nhau ( thực vật C3 với chu trình quang hop Calvin - Benson so với thực

vật Ca với chu trình quang hợp Hatch - Slack).

2) Với giả thiết rang đặc điểm thành phan 8!3C tự nhiên của SOM là giống vớiđặc điểm thành phần ö!3C của thực vật mà nó được tạo ra

3) Giả thiết rằng tàn dư thực vật được chuyển hóa thành SOM, ảnh hưởng củaquá trình mùn hóa và các quá trình liên quan tới hoạt động của vi sinh vật đến giá trị

8!3C dat là không đáng kể.

Ở thực vật C3 (nhãn, vải, cao su, ca phê, lúa, đậu đỗ, các loại cây gỗ ),enzyme rubisco trong quá trình quang hợp thường làm nghèo thành phần đồng vị

3C nên giá trị ð!C trung bình đạt khoảng —27%o khi so sánh với CO; trong khí

quyền [Kuzyakov, Y, 2000] Ở thực vật C4 (mía, ngô, cao lương ), enzyme

phosphoenol pyruvate carboxylase trong quá trình quang hợp thường lam giàu thànhphần đồng vị °C nên giá trị ồ!°C trung bình đạt khoảng —13%o Do đó giá trị 85°Ctrong SOM sé có giá trị gần giống với giá trị ồ!3C của thảm thực vật ban dau, đấttrồng các loại thực vật C3 (ví dụ lúa, lúa mạch, thảm thực vật rừng) chứa SOM với

giá trị trung bình ồ!3C = —27%o trong khi đất trồng ngô và cỏ C4 chứa SOM với giá

trị trung bình 8'°C = —12%o [Smith, 1971; Cheng, 1996].

Do sự khác biệt về tỷ lệ đồng vị !3C giữa thực vật C3 và C4 là khá lớn, lớn hơn

những thay đôi đồng vị xảy ra trong quá trình phân hủy SOM [Balesdent J và MariottiA, 1996] Do đó, việc trồng thực vật C3 trên đất nền trồng cây C4 hoặc ngược lại có

36

thé được coi là phương pháp đánh dấu tại chỗ Có thé minh họa phương pháp đánh

dau đồng vị !3C tự nhiên theo hình 1-4 sau:

(ia?| dvegA

Soil C content

Hình 1-4: Sự thay thé SOM bởi thực vật cũ A bởi thực vật mới B — phươngpháp đánh dấu đồng vi °C trong tự nhiên

[Nguồn: Dóra Zachary, 2019]

Tại thời điểm thay đổi thảm thực vật (to), SOM có tỷ lệ đồng vị !3C là 5A,gần với tỷ lệ đồng vị ö!°C là Syega của thảm thực vật ban đầu A SOM này phân hủy

dần dần và được thay thế một phần bởi SOM có nguồn gốc từ thảm thực vật mới B.

Tại một thời điểm nhất định t, tổng hàm lượng carbon C được biểu thị là: C = CA + Cr.

Từ sự cân bằng khối lượng của đồng vị nặng, giá trị thành phần đồng vị 8!3C

cua SOC được tính bởi phương trình pha trộn sau:

das (CA + Cp) = 6an(C)= ðACA + OBCB (9)Trong do:

- Ca là hàm lượng các bon hữu cơ đất từ thực vat cũ (A)- Cz là ham lượng các bon hữu cơ đất từ thực vật mới (B)

- Sap là giá trị thành phần đồng vị các bon đất sau khi canh tác 2 loại thực vật trên

- a là giá trị thành phần đồng vị các bon đất của loại thực vật cũ A.

- dp là giá trị thành phần đồng vị các bon đất của loại thực vật mới B.

Do Ca =C - Cg nên phương trình (9) có thé viết lại theo phương trình sau:

das = ðA(C- Cp)/C + SpCz/C = õA(1- Cp/C) + ôgC#/C (10)

37

Gọi F = Cp/C là tỷ lệ carbon mới trong dat, khi đó ta có

như sau [Balesdent và Mariotti, 1996; Amelung và cộng sự, 2008]:F — _ŠAB—ŸreƒA_ »1()(jd (12)

Tại một địa điểm nhất định, chênh lệch ồ'°C trung bình giữa thực vật Ca và Ca

là khoảng 15%o, đây là sự khác biệt lớn nhất của chất đánh dấu !°C Các hiện tượng

phân tách đồng vị !3C trong đất bởi các quá trình phân hủy SOM xảy ra trong đấtthường nhỏ và có thê được coi là sai số của phép đo đồng vị.

+ Tinh toán tốc độ phân hủy/quay vòng của các bé chứa C

Tốc độ phân hủy/ quay vòng carbon (C turnover rate) là tỷ lệ C luân chuyên

từ bề C này sang bé C khác Nếu hệ thống ở điều kiện trang thái 6n định (tức là C đi

vào tương ứng với C đi ra khỏi hệ thống), giá trị của tốc độ phân hủy/quay vòng C là

tỷ lệ giữa lượng C đi vào trên một đơn vị thời gian và tổng lượng C của hệ thống.Trong trường hop này, thời gian lưu trung bình của SOC trong 1 bề chứa C đã biết sẽtỷ lệ nghịch với tốc độ phân hủy/ quay vòng [Kuzyakov, 2006].

Ở trạng thái ôn định, Fi) có thé là sự minh họa trực tiếp của tốc độ luânchuyên (turnover rate) của SOM ban đầu Tỷ lệ carbon mới trong đất, F (t), có thétính toán được khi phân tích các mẫu đất của cùng một dia điểm nghiên cứu sau khichuyên đồi cây trồng trong một khoảng thời gian nào đó Động học phân hủy carbonban đầu khi đó sẽ tương đương với C (1- F), trong khi động học của sự tích lũy C

mới tương đương với C x E Tuy nhiên, thông thường, C đất không được thay thế

bởi lượng C đóng góp từ thảm thực vật mới theo hàm tuyến tính mà nó bị phân hủy

38