tình hình phát thải khí metan do hoạt động canh tác lúa nước ở khu vực đồng bằng sông hồng

Tuy nhiên thời gian tồn tại của khí này trong khí quyển ngắn hơn, chỉ khoảng 12 năm, người ta ước tính rằng lượng phát thải trên toàn cầu chỉ cần giảm ñi 8% so với mức nồng ñộ hiện nay t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU THÀNH

HÀ NỘI – 2011

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan ñây là cổng trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Hùng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này, tôi ñã nhận ñược sự hướng dẫn nhiệt tình, chu ñáo của thầy giáo PGS TS Nguyễn Hữu Thành Bên cạnh ñó là sự giúp ñỡ quý báu của toàn thể các thầy cô giáo

và cán bộ làm việc tại bộ môn Khoa học ñất, phòng thí nghiệm phòng Thí nghiệm trung tâm, khoa Tài nguyên và Môi trường, trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, cùng với sự tương trợ thân ái của bạn bè, gia ñình và người thân

Với long biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự giúp ñỡ quý báu ñó

Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Hùng

3.4.7 Phương pháp xử lý số liệu 37

4.3 Tình hình sử dụng phân bón và xử lý rơm rạ sau thu hoạch 424.4 Một số tính chất lý, hoá học của các ñất tại 5 tỉnh nghiên cứu 44

4.5.1 Lượng khí CH4 phát thải từ ñất lúa (thời kỳ ñẻ nhánh rộ) tại các

4.5.2 ðộng thái phát thải khí CH4 trong vụ xuân và vụ mùa 504.6 Mối quan hệ giữa một số tính chất của ñất với tốc ñộ phát thải

Hải Dương ðại học Nông nghiệp Hà Nội

Hà Nội

DANH MỤC BẢNG

2.1 Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước 5 2.2 Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau 6 4.1 Giá trị một số yếu tố khí hậu vùng ñồng bằng sông Hồng năm

4.2 Diện tích ñất trồng lúa vùng nghiên cứu giai ñoạn 2005-2010 41

4.4 Một số tính chất lý, hóa học ñất lúa vùng nghiên cứu 47 4.5 Tốc ñộ phát thải khí CH4 từ ñất lúa thời kỳ ñẻ nhánh rộ tại các

4.8 Cường ñộ khí CH4 phát thải trên ruộng lúa vụ xuân và vụ mùa 53

2.5 Lượng khí CH4 phát thải phụ thuộc vào thế oxy hoá khử của ñất

2.6 ðộng thái Eh của ñất trồng lúa và ñất không trồng lúa 28

MỞ ðẦU

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài

Bên cạnh CO2, khí metan cũng ñóng góp một vai trò lớn của việc nóng lên toàn cầu Mặc dù hàm lượng phát thải khí metan toàn cầu thấp hơn phát thải khí CO2 nhiều nhưng metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn; một tấn khí metan gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO2 ñến 23 lần Giống như CO2 khoảng 60% lượng phát thải khí metan toàn cầu có từ các nguồn do con người gây ra và hàm lượng metan trong khí quyển ñã tăng lên

khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về thay ñổi khí hậu -

Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996) Hiện nay, người

ta tập trung chú ý vào hai nguồn khí metan mà chúng ta thường không nghĩ ñến là những nhân tố gây ô nhiễm tự nhiên, ñó là khu vực ñầm lầy và các ruộng lúa nước Tách các nhân tố góp phần gây biến ñổi khí hậu rất phức tạp bởi vai trò gây ô nhiễm của các chất này không ổn ñịnh ở các ñiều kiện khác nhau Ví dụ cây hấp thụ khí CO2 nhưng khi chúng chết và mục ñi, chúng thải khí CO2 trở lại vào không khí Các ñầm lầy và ruộng lúa cũng có vai trò kép như vậy về cả khí CO2 và metan Chúng vừa là nguồn phát thải khí gây ấm nóng toàn cầu và ñồng thời là bể chứa Sử dụng các số liệu vệ tinh, các nhà khoa học khẳng ñịnh rằng các ñầm lầy góp 53 – 58% phát thải khí CH4 toàn cầu và các ruộng lúa góp hơn một phần ba số ñó (IPCC, 1996)

Ở Việt Nam tuy có một số tác giả nghiên cứu bước ñầu về khí gây hiệu ứng nhà kính ở khu vực nông nghiệp nhưng chưa chú ý tới sự phát thải CH4trên các ñất canh tác lúa nước khác nhau Do ñó, việc nghiên cứu về tình hình phát thải CH4 trên các loại ñất lúa nước khác nhau trong ñiều kiện của Việt Nam có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, ñây cũng là lý do chúng tôi tiến

hành ñề tài nghiên cứu: “Tình hình phát thải khí metan do hoạt ñộng canh

tác lúa nước ở khu vực ñồng bằng sông Hồng”

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Phát thải khí nhà kính

2.1.1 Phát thải khí nhà kính

Sự nóng lên toàn cầu gây ra BðKH chính là do sự tăng lên không ngừng của KNK mà chủ yếu là sử dụng nguyên liệu hóa thạch, phá rừng

Theo báo cáo khoa học lần thứ 4 của Ủy ban Liên chính phủ về thay ñổi khí

hậu, IPCC năm 2007, nồng ñộ khí CO2 tăng 280 ppmv lên 379 ppmv, khí metan tăng từ 715 ppbv lên 1774 ppbv và N2O cũng tăng từ 270 ppbv lên trên

319 ppbv Lượng phát thải KNK do ñốt nhiên liệu hóa thạch hàng năm phát thải từ 6,4 tỷ tấn CO2 trong thập kỷ 90 của thế kỷ trước ñã lên tới 7,2 tỷ tấn hàng năm trong giai ñoạn 2000 – 2005 Tác ñộng của BðKH trên phạm vi toàn cầu hơn 100 năm qua có những biểu hiện chính như sau:

- Nhiệt ñộ trung bình tăng khoảng 0,70C trong kỳ 1906 – 2005, tốc ñộ tăng của nhiệt ñộ trong 50 năm gần ñây gấp ñôi so với 50 năm trước ñó

- Trong thế kỷ 20, trung bình mực nước biển dâng 1,8 mm/năm, riêng thập kỷ vừa qua tăng 3,1mm/năm Vào cuối thế kỷ 21, dự báo nhiệt ñộ toàn cầu có thể tăng thêm 1,1 -6,40C và mực nước biển sẽ dâng cao ít nhất từ 2,8 – 4,3 mm/năm

- Lượng mưa có chiều hướng tăng lên trong thời kỳ 1900 – 2005 ở phía Bắc vĩ ñộ 30º, nhưng có xu hướng giảm kể từ 1970 ở vùng nhiệt ñới

- Từ năm 1970, hạn hán thường xuyên xảy ra ở vùng nhiệt ñới và cận nhiệt ñới

- Các cơn bão mạnh và có quỹ ñạo bất thường gia tăng kể từ năm 1970

- Có những biến ñổi trong chế ñộ hoàn lưu quy mô lớn trên lục ñịa và ñại dương, dẫn ñến sự gia tăng về số lượng và cường ñộ hiện tượng El Nino

Theo dự báo tại Việt Nam, sẽ diễn ra một số biến ñổi là nhiệt ñộ trung bình năm tăng 0,10C mỗi thập kỷ; mực nước biển dâng 5 cm mỗi thập niên, sẽ dâng khoảng 33 -45 cm vào 2070 và 100 cm ñến năm 2011 Việt Nam là 1 tỏng 5 nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BðKH và mực nước biển dâng cao Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, nếu mực nước biển dâng cao 1

m, Việt Nam sẽ mất 12% diện tích ñất và ảnh hưởng tới 10,8% dân số BðKH dẫn ñến các trận bão xảy ra thường xuyên, với mức ñộ tàn phá nặng nề hơn

2.1.2 Metan, khí gây hiệu ứng nhà kính

Khí CH4 là một khí nhà kính quan trọng, nồng ñộ của khí này trong khí quyển ñã tăng gấp ñôi kể từ trước thời kỳ công nghiệp, tăng nồng ñộ từ

715 ppbv lên 1774 ppbv Hơn 20 năm qua, tỉ lệ tăng này có chững lại chút ít Cuối những năm 70 của thế kỷ trước, nồng ñộ tăng ở mức 20 ppmv/ năm Nhưng trong những năm 80 của thế kỷ trước, tỉ lệ tăng này chỉ là 9 – 13 mmpv Giữa những năm 1992, nồng ñộ khí metan ở mức ổn ñịnh, không thay ñổi nhưng kể từ năm 1993, tốc ñộ tăng nồng ñộ ổn ñịnh khí metan là 8 ppmv/năm (1997) [3]

Khí CH4 là một khí nhà kính gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn CO2,

nó có khả năng gây ấm lên toàn cầu mạnh hơn 21 lần so với CO2. Tuy nhiên thời gian tồn tại của khí này trong khí quyển ngắn hơn, chỉ khoảng 12 năm, người ta ước tính rằng lượng phát thải trên toàn cầu chỉ cần giảm ñi 8% so với mức nồng ñộ hiện nay thì nồng ñộ metan trong khí quyển sẽ ổn ñịnh (IPCC, 1996) Mức giảm này là khá nhỏ so với những khí gây hiệu ứng nhà kính khác là CO2 và N2O

Bảng 2.1: Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước

Quốc gia

Tổng lượng

CH4 phát thải (triệu tấn)

Lượng CH4 phát thải do trồng lúa

so với tổng lượng metan thải (%)

Lượng CH4 phát thải do trồng lúa nước so với tổng lượng khí nhà kính

Nguồn: Leip, Bocchi, 2007 [36]

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 ðến năm 2000, qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn các bon 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 ñó trồng lúa phát thải 1559,7 nghìn tấn các bon/năm (chiếm 62,4%) Lĩnh vực chăn nuôi phát thải chiếm 18,7% Phát thải do diện tích ñất nông nghiệp khác chiếm 15,4%, còn lại là do ñốt phế thải ðiều ñó cho thấy trong nông nghiệp thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu [3]

2.1.3 Các nguồn phát thải khí CH 4

Trong tự nhiên, người ta ñã xác ñịnh có rất nhiều nguồn phát thải khí

CH4 khác nhau Lượng phát thải khí CH4 từ các nguồn khác nhau không giống nhau Ước tính lượng phát thải CH4 ñược thể hiện ở bảng 2.2

Bảng 2.2: Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau

(triệu tấn/năm) Nguồn tự nhiên

Nguồn gốc từ con người

- Khai thác than, công

2.1.4 Ruộng lúa là một nguồn phát thải khí metan

Lúa là một trong những loại ngũ cốc chính ñể nuôi sống con người, mỗi năm ñược sản xuất khoảng 519 triệu tấn và chiếm ¼ tổng lượng ngũ cốc trên toàn thế giới (IRRI, 1991) [28] Không giống như các loại cây ngũ cốc khác, lúa thích hợp với hệ sinh thái ẩm, ngập nước, ấm và nó ñã ñược trồng hàng nghìn năm qua ở khu vực gió mùa của châu Á Ngày nay, trên 90% lúa là ở

vùng đông Nam Á và gạo ựược sử dụng cho 2/3 số dân sống ở ựây và gạo cũng sẽ ựóng vai trò quan trọng trong những thế kỷ tiếp theo

Kể từ khi nồng ựộ khắ CH4 trong khắ quyển tăng nhanh trong thập kỷ

80 của thế kỷ trước thì người ta cho rằng canh tác lúa nước là nguồn phát thải khắ CH4 quan trọng nhất điều nghi ngờ này dựa trên thực tế là diện tắch ựất canh tác ựược mở rộng từ 84 lên 145 triệu ha (FAO, 1954 Ờ 1988) [15] từ năm 1936 ựến năm 1986, vì vậy, rất có thể lượng phát thải khắ CH4 tỉ lệ với diện tắch ựất lúa tăng lên

Những phân tắch ựịnh lượng ựầu tiên các nguồn phát thải khắ CH4 vào khắ quyển do Ehhalt và Schmidt (1978) [14] tiến hành ựã thừa nhận rằng ruộng lúa là nguồn phát thải khắ CH4 lớn nhất Họ ước tắnh mỗi năm trồng lúa

sẽ phát thải vào khắ quyển 280 triệu tấn CH4 trong tổng số lượng phát thải toàn thế giới từ tất cả các nguồn là 570 Ờ 850 triệu tấn/năm Lượng CH4 phát thải từ ruộng lúa chủ yếu dựa trên các thắ nghiệm tại Nhật Bản (Koyam, 1963) [34] Tuy nhiên Ehhalt và Schmidt (1978) chỉ ra rằng nồng ựộ này ựược xác ựịnh trong phòng thắ nghiệm chứ không phải trên ruộng lúa thực tế

Cicerone và Shetter (1981) [9] thuộc Viện Khoa học California là những người ựầu tiên nghiên cứu về phát thải khắ CH4 trên ruộng lúa sử dụng phương pháp buồng kắn Và họ ựã xác ựịnh ựược ở ruộng lúa có sự phát thải

từ 0,04 ựến 0,3 g/m2/ngày Họ cũng thấy rằng CH4 phát thải chủ yếu qua cây lúa Phát thải qua khuếch tán hay bọt bong bóng là không ựáng kể

2.1.5 Các con ựường hình thành khắ CH 4 trên ruộng lúa

Khắ CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khắ quyển theo ba con ựường chắnh là: từ bọt khắ CH4 dưới ựất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thông qua khắ khổng của cây (Schut et al., 1989; Delwiche and Cicerone, 1993) [54]

Nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ ựóng góp khoảng 1% tổng lượng khắ

CH4, trong khi khắ CH4 ựi vào khắ quyển ở dạng bọt khắ chiếm tới 10% tổng

lượng phát thải từ ñất lúa, phần chủ yếu phát tán là thông qua thân cây lúa chiếm 90% tổng lượng phát thải của ñất lúa ngập nước

Hình 2.1: Sơ ñồ vận chuyển khí CH 4 trên ruộng lúa theo 3 con ñường

Theo Schutz và cộng sự, 1989 [54]

2.2 Quá trình hình thành khí metan CH 4

2.2.1 Sự phân giải chất hữu cơ và hình thành CH 4

Khí CH4 là một hydrocacbon có thành phần là các bon và hydro, trong

ñó các bon là nguyên tố cơ bản của tất cả vật thể hữu cơ và chu trình sinh học của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của sự sống Trong quá trình biến ñổi chất hữu cơ, tuỳ theo ñiều kiện môi trường mà sản phẩm cuối cùng có thể là CO , H O, các axit hữu cơ, H , và CH ðây là quá tình biến

ñổi sinh hóa học phức tạp, có sự tham gia của các vi sinh vật ñã ñược nhiều tác giả ñề cập (Muller G., 1964) [43], Alexander M (1977) [6], Pagel H (1966)[48]

Nhìn chung ñây là quá trình phân huỷ sinh hóa của hợp chất cao phân

tử trong ñất, có sự xúc tác của enzim ñể chuyển thành những hợp chất hoà tan trong nước hoặc thoát ra ngoài như khí CH4, CO2, H2…Tuỳ theo nguồn gốc chất hữu cơ ban ñầu, ví dụ xenlulo, lignin hoặc chất ñạm…mà quá trình biến ñổi và sản phẩm cuối cùng rất khác nhau

Ở ñiều kiện hảo khí thì CO2 và H2O ñược hình thành Ở ñiều kiện yếm khí thì các axit hữu cơ, khí CH4 và H2 ñược hình thành ðây là quá tình biến ñổi sinh hoá phức tạp, có sự tham gia của các vi khuẩn phân giải xenlulo thuộc bộ Pseudomnadales, họ Spirillaceac, giống Vibrio, Callvibrio và Cellfalcicula…Bên cạnh ñó còn có sự tham gia của các loài nấm thuộc lớp Ascomycetes mà Myxotrichum Chartarum là một ñại diện ñiển hình thuộc chủng Gymnoascales, họ Chytridiaceac

2.2.2 Sự phân giải lignin và các hợp chất tương tự

Trong xác thực có chứa nhiều hợp chất hữu cơ có mạch vòng, không chứa N Theo Muller G (1964) [43], thì ñơn vị hoá học cơ bản của ligin là các gốc sau:

Gốc Guiacyl Gốc Piperonyl Gốc Syringyl

Các mạch nhánh:

Lignin là hợp chất khó phân giải Ở ñiều kiện hảo khí, lignin bị nấm Basidiomycetes và Ascomycetes phân giải Vi khuẩn hầu như không có khả năng phân giải lignin, trừ trường hợp lignin trong lá thì vi khuẩn có thể phân giải ñược Sự phân giải bắt ñầu từ mạch nhánh ñến nhóm cacboxyl, nhóm methoxyl, nhóm OH Sau ñó các liên kết ñôi và mạch vòng bị phá vỡ Các bước tiếp theo của quá trình phân giải tương tự như hydratcacbon

2.2.3 Sự phân giải hợp chất hữu cơ chứa N

Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chưa N có sự tham gia của vi khuẩn, nấm và hàng loạt enzim Sau quá trình khử amin thì NH3 và axit béo ñược giải phóng Sau ñó, tương tự như trường hợp của hydrocacbon, ở ñiều kiện hảo khí sẽ khoáng hoá thành CO2, NO2, SO42-, H2O Ở ñiều kiện yếm khí thì sẽ phân giải thành CH4, CO2, H2 H2S, NH3, R – COOH, RNH2, RSH…

Sự phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hoá năng lượng ở ñiều kiện yếm khí ñược Nêu, H U (1985) [44] mô tả một cách chi tiết hơn theo sơ

ñồ hình 2.2

2Fd 2FdH2

Hình 2.2: Quá trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ở

ñiều kiện yếm khí Theo Neue, H U 1985[44]

Như vậy, từ các chất hữu cơ cơ bản trong tự nhiên, qua quá trình phân huỷ và sản phẩm cuối cùng là CO2, CH4, H2O, axit hữu cơ và H2 Tuỳ ñiều kiện môi trường, yếm khí hay hảo hí mà sản phẩm cuối cùng là CO2 hay CH4

Nguồn gốc hình thành CH4 không những qua quá trình phân huỷ xác thực vật mà còn có nguồn gốc phân huỷ ñộng vật Quá trình phân huỷ xác ñộng vật ñể hình thành CH4 tương tự như phân huỷ chất ñạm ñược trình bày ở trên Như vậy, quá trình hình thành CH4 qua sự phân giải chất hữu cơ không phải là một quá trình hoá học thuần tuý là một quá trình sinh hoá tổng hợp, có

sự tham gia của vi sinh vật

2.2.4 Vi sinh vật và sự hình thành CH 4

Chất hữu cơ

Khí CH4 tạo ra từ ñất có liên quan chặt chẽ tới hoạt ñộng của các vi sinh vật Khí này ñược tạo ra do các phản ứng kỵ khí, với sự tham gia của các

vi khuẩn chủ yếu sau:

Methenobacterium, Methanbrevibacter, Methanococcus,Methanomicrobium, Methanospirillum, Methanogenium, Methanoplanus, Methanotermus, Methanotrix, Methanolobus, Methanococoides, Methanosarcina

Việc tạo ra khí CH4, sau ñó là nguồn năng lượng cho các vi sinh vật nêu trên hoạt ñộng và chúng ñược gọi là các vi khuẩn sinh metan Trong ñó, chỉ có ba nhóm hợp chất có thể ñược sử dụng bởi các vi khuẩn sinh CH4 là:

H2 + CO2; formiat, axetat, methanol và metylamid Khi các chất này ñược sử dụng bởi các vi khuẩn tạo ra metan, chúng không thể phân giải những hợp chất hữu cơ cao phân tử trong ñất và tàn dư thực vật Vì vậy quần thể vi khuẩn sinh metan ñược hình thành từ quần thể vi sinh vật tạo thức ăn cho chúng Quần thể vi sinh vật này là mối quan hệ cộng sinh ñặc trưng (Эаварзин Г А 1984) [74]

Các chất hữu cơ ban ñầu có cấu tạo phức tạp Trong quá trình phân giải

có tác ñộng của các quá trình hoá lý và sinh học, trong ñó có sự tham gia của hàng loại vi khuẩn như nhóm phân giải xenluloza…phân huỷ các chất này thành những chất hữu cơ ñơn giản như ñường, protein, xelluloza hay hemixenluloza…và dưới tác ñộng của các nhóm vi khuẩn sinh metan sẽ hình thành CH4 Quá trình này còn gọi là quá trình lên men CH4 ðể chuyển ñổi một chất hữu cơ ñơn giải cần 2 hay nhiều nhóm vi khuẩn metan Do ñó, quá trình hình thành CH4 thực chất là quá trình sinh học hoá, ở những giai ñoạn nhất ñịnh, cũng có thể gọi là quá trình sinh học hình thành CH4 (Alexander

M 1977)[6]

Các vi khuẩn kị khí tạo ra CH4 khôngthể sử dụng hydrocacbon và các amino axit có sẵn Glucoza và các loại ñường không ñược lên men bởi các

biện pháp nuôi cấy vi khuẩn thuần túy, các polysacarit cũng có thể kháng cự ựược sự tấn công của các vi khuẩn là những axit như axit focmic, axit axetic, axit propyonic, n-butyric và n-valeric và các loại rượu như methanol, ethanol, n-isopropanol, n-pentanolẦ

Tuy nhiên, trong tự nhiên sự xáo trộn của hệ ựộng thực vật diễn ra rất phổ biến, nhiều hợp chất tham gia vào sự lên men tự nhiên ựể hình thành CH4 Tuy nhiên, sự chuyển ựổi của ựường, protein, xenluloza và hemixenluloza thành CH4 cần hai hay nhiều hơn các nhóm vi sinh vật khác nhau

Cũng theo Alexander M (1977) [6] thì cách lên men này của axetat là

sự khử cacboxyl Không chỉ gốc metyl của axetat chuyển thành CH4 mà còn

cả những phân tử H2 kết hợp với C tạo thành CH4 có biểu diễn bằng một chuỗi các phản ứng hoá học như sau:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

4HCOOH →CH4 + 3H2O + 2H2O

CH3COOH →CH4 + CO2

2CH3CH2OH →3H2O + CO2

Sản phẩm chắnh của quá trình này là phân tử ựơn giản như CO2, CH4

Cơ chế phổ biến của sự tạo thành CH4 làm giảm CO2 đó là chất hữu

cơ ựơn giản sau lên men và CO2 bị sử dụng như một tác nhân electron Nếu

CO2 không ựược cung cấp cho quá trình lên men vi sinh vật, nó ựược cung cấp trong quá trình phân huỷ xác ựộng vật và quá trình tiếp theo bị giảm ựi

Cũng có ý kiến cho rằng một trong hai quá tình sau: Giảm CO2 hoặc chuyển các gốc metyl thành CH4 trong ựất Tuy nhiên, trong một nghiên cứu về ựất ngập nước, có một lượng lớn CH4 ựược tạo thành từ gốc metyl của axit exetic, như phản ứng CH3COOH →CH4 + CO2, nhưng cũng có một lượng khác tạo thành do giảm thải CO2 như phản ứng: 4H2 + CO2

→4R + CH4 + 2H2O

Các chất trung gian của quá trình chuyển từ CO2 thành CH4 chưa ñược tìm ra Chỉ biết rằng, các enzim từ tế bào của các vi khuẩn metan yếm khí có thể xúc tác cho quá tình chuyển HCOOH, HCHO và CH3OH thành

CH4 ðây là một quá trình chuyển hoá phức tạp với các chất hữu cơ khác theo trình tự sau:

CO2 + RH →RCOOH →RCHO →RCH2OH →RCH3 →CH4 →RH Tóm lại: sự hình thành CH4 liên quan mật thiết với hoạt ñộng sống của

vi sinh vật kị khí

2.2.5 Sự oxi hoá CH 4

Cũng như các chất hữu cơ khác, CH4 ñược hình thành và cũng bị biến ñổi dưới hiều hình thức, trong ñó có quá trình oxi hoá Sự oxy hoá một phần khí CH4 trong tự nhiên ñể chuyển thành CO2 do nhóm vi sinh vật ñặc biệt, nhóm vi khuẩn hảo khí methanotrophs, sử dụng metan như là nguồn dinh dưỡng và lấy năng lượng Chúng sử dụng oxy trong không khí ñể oxy hoá metan dưới tác dụng của enzym, vì vậy người ta thường thấy chúng tập trung

ở tầng mặt vì ở ñây chúng có ñủ oxy không khí và khí CH4 cung cấp

Trong ñất lúa ngập nước, phân tử oxy bị sử dụng nhanh và giảm nồng

ñộ sau khi ñất bị ngập nước Oxy chỉ tồn tại ở phần lớp rất mỏng bên trên của tầng ñất lúa hoặc ở xung quanh vùng rễ trong suốt thời kỳ ngập nước Bởi vậy, trong quá trình oxi hoá CH4, O2 ñược sử dụng và thải ra CO2 Tại quá trình này, mỗi phân tử CH4 mất ñi cần có 2 phân tử O2 theo phản ứng diễn ra như sau:

CH4 + 2O2 →CO2 + 2H2O

Theo Alexander M (1977) [6], có hai quan ñiểm khi xem xét vai trò của quá trình oxi hoá CH4 Một là lượng CH4 nhất ñịnh bị tiêu thụ bởi các vi khuẩn thuộc nhóm Methanotrophs gồm: Methylomonas, Methylococcus, Methylosimus, Methylobacter và Methylocystis Ngoài ra, một số loại vi

khuẩn oxy hoá CH4 khác cũng nhận biết Quan ñiểm thứ hai là các vi sinh vật

dị dưỡng khác có thể oxi hoá CH4 Những vi sinh vật này ña số là họ Mycobacterium, sử dụng CH4 như các hydrocacbon làm nguồn các bon Quá tình oxy hoá CH4 bởi vi khuẩn cũng là một quá tình phức tạp và có thể hình dung theo trình tự sau:

CH4 >CH3OH>HCHO>HCOOH>CO2

Như vậy, CH4 hình thành sẽ biến ñổi tuỳ theo ñiều kiện môi trường, trong ñó vai trò của vi sinh vật là quan trọng Nó không những tham gia vào

sự hình thành mà còn tham gia vào sự chuyển hoá của CH4

2.2.6 Thế oxy hoá/khử (Eh) và sự hình thành CH 4

Bên cạnh sự phụ thuộc của vi sinh vật, sự tạo thành và chuyển hoá của

CH4 gắn liền với hàng loạt quá tình oxy hoá khử sinh học Khi khử C thành

CH4 thì có phản ứng oxy hoá khử tham gia, nó cần có chất khử, chất này ñã ñược cung cấp bởi sắt hoặc mangan Oxy hoá Fe2+ thành Fe3+ và Mn2+ thành

Mn4+ ðây có thể là quá tình chính ñể tạo ra khí CH4 trong ñất Những chất

dễ tiêu này có mặt trong quá tình oxi hoá tạo cho ñất ñiều kiện lý tưởng ñể các vi sinh vật metan hoá hoạt ñộng Lưu huỳnh ñóng một vai trò trong quá trình sinh ra khí metan ở một số nhóm ñất giàu lưu huỳnh và là nhân tố quan trọng nhất trong loại ñất Thionic Fluvisols

Ví dụ sau, các chất ñược tạo ra do phản ứng oxy hoá khử ñược ñề xuất bởi Kaurichev và Orlov (Kaypичeв, Opлoв, 1982) [75] phản ứng chất khử

Fe2+ thành chất oxy hoá và tạo thành metan và hematit (1) và gơtit (2)

C4+ + 2FeO + H2O + 2H+ + 2e- →CH4 + Fe2O3 (1)

C4+ + 2FeO + H2O + 3H+ + 3e- →CH4 + FeOOH (2)

ðể thấy rõ hơn sự hình thành của CH4 trong mối liên quan ñến Eh, pH

và so sánh với các hệ oxy hoá khử khác nhau ñược thể hiện ở hình 2.3

Theo Yu – tian – ren (1985) [70], CH4 ñược hình thành khi thế ôxy hoá khử từ -200 mV ñến – 300 mV Thế ôxy hoá khử phụ thuộc vào thời gian ngập nước, theo Ponnamperuma F N (1985) [52] thì các giá trị trên có thể gặp sau khi ñất ngập nước khoảng sau 30 ngày

Hình 2.3: Giảm ñồ ổn ñịnh của các hệ oxy hóa-khử

phụ thuộc vào Eh và pH

Sự xuất hiện của electron làm tăng quá trình khử Khi vùi rơm thì Eh giảm mạnh Bởi vì rơm có tỉ lệ C/N cao, cấu trúc khó phân giải, ñể phân giải ñược chất hữu cơ ngày vi sinh vật cần nhiều ôxy, do ñó nhanh chóng tạo ra môi trường yếm khí (khử)

Ngược lại, khi bón phân vô cơ (ñạm urê) dù ở dạng nào cũng chuyển thành NO3- mang tính ôxy hóa nên hạn chế quá trình khử Bởi vì NO3- là chất nhận electron ñể khử, quá tình trên có giải phóng ra NO2 là chất khử, nhưng chỉ xảy ra trong giai ñoạn ngắn sau ñó bị khử tiếp và chuyển hoá thành N2theo phản ứng:

NO3- + 6H+ + 5e- = 1/2N2+ 3H2O Những kết quả trên cho thấy, khi ñất trồng lúa ngập nước, ngoài yếu tố

về thời gian ngập nước, thì chế ñộ bón phân cũng ảnh hưởng ñến ñộng thái của Eh Bón phân vô cơ như ñạm hạn chế quá trình giảm Eh Trong khi ñó, bón phân hữu cơ làm tăng qúa trình giảm Eh ở những trường hợp này thường ñạt ngưỡng của sự hình thành CH4 ðồng thời bón phân hữu cơ chính là sự cung cấp nguồn vật chất ñể hình thành CH4 Từ những dẫn liệu trên có thể thấy sự hình thành CH4 phụ thuộc vào thế ôxy hoá khử ðại lượng này lại phụ thuộc rất lớn vào chế ñộ nước và phân bón

2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí metan CH 4

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phát thải như: chế ñộ nước, phân bón, tính chất ñất, quá trình sinh trưởng của cây lúa có ảnh hưởng ñến

Eh Khi ñộng thái của Eh thay ñổi thì sự phát thải của CH4 cũng thay ñổi theo Nói cách khác, những yếu tố ảnh hưởng ñến Eh cũng chính là yếu tố ảnh hưởng ñến sự phát thải của CH4 Vấn ñề này trong những năm gần ñây cũng ñược nhiều tác giả nghiên cứu

2.3.1 Ảnh hưởng của chế ñộ nước và phân bón ñến sự phát thải CH 4

Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không khí vào ñất nên ngăn cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ của ñất, kết quả là các chất hữu cơ này lên men yếm khí và tạo ra khí CH4 (Ferry, 1992) [16] Vì vậy, chế ñộ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên nhân dẫn tới sự phát thải khí

CH4 Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào một số yếu tố như quản lý, ñiều tiết chế

ñộ nước trên mặt ruộng, lượng phân hữu cơ và vô cơ bón vào ruộng, ñặc tính của giống lúa và môi trường tự nhiên (Mitra và cộng sự 1999)[39]

Ấn ðộ là một trong nước ñông dân thứ hai thế giới, ñồng thời là nước sản xuất lúa gạo quan trọng trên thế giới ðất lúa tại Ấn ðộ ñược phân loại là 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 – 100 cm Hầu hết các ruộng lúa nước là ñược tưới nhờ nước mưa, ngập sâu và chỉ có khoảng 15% ñất lúa

là canh tác ở vùng cao thì họ thấy rằng vùng ñất này không ñược coi là nguồn phát thải khí metan vì ở ñây không ñược cung cấp ñủ nước tưới trên mặt ruộng mà vùng ñất lúa ngập nước mới là nguồn phát thải metan chính Chính

vì vậy tưới nước là một yếu tố quan trọng nhất quyết ñịnh phát thải khí metan [21] [35] [45] [66]

ðiều kiện thiếu oxy và ngập nước tạo ñiều kiện thuận lợi cho phát thải khí metan trên mỗi diện tích của hệ sinh thái lúa khác nhau Cao nhất là loại hình trồng lúa ngập sâu> lúa ñược tưới>lúa nhờ nước trời [45] Bởi vậy, chế

ñộ tưới thích hợp cho lúa sẽ làm giảm lượng phát thải ñáng kể khí CH4 [46] [66] [67]

Yang và cộng sự [67] cũng chỉ ra rằng luân phiên ẩm khô thích hợp trên ruộng lúa làm giảm lượng phát thải CH4 tới hơn 40% so với chế ñộ nước tồn tại liên tục trên mặt ruộng, hiệu quả này ñược cho là do lượng phát thải ít

ñi và khả năng oxy hoá khí metan tăng lên [63] Tập quán ñể nước mặt ruộng vào cuối vụ, một lượng lớn khí CH4 bị giữ lại trước ñó ñược giải phóng vào khí quyển khi nước rút ñi Các kỹ thuật trồng trọt có thể ảnh ảnh hưởng tới 20% tổng lượng khí CH4 phát thải theo mùa [46]

Trong mô hình nghiên cứu của Granberg và cộng sự [20] thì mực nước trên ruộng là yếu tố quan trọng nhất và duy nhất ñể dự báo lượng khí phát thải

ở những vùng ñầm lầy ở miền Bắc Thuỵ ðiển (r2=0,58)

Phân ñạm có ảnh hưởng [24] [25] hoặc giảm sự oxy hoá CH4 trong ñất [23] [41] [53] Ảnh hưởng của phân ñạm có thể do giảm lượng oxy trong ñất làm cho các phản ứng của chất hữu cơ trong ñất ở ñiều kiện yếm khí [56] và tăng khả năng nitrit hoá dẫn tới làm tăng các enzym metan hoá [26] [27] Bằng chứng của cơ chế này cũng ñược khẳng ñịnh khi người ta bón phân nitrat vào ñất so với ñất không ñược bón phân trong thí nghiệm trồng hành ở Nhật Bản [23] Hơn nữa phân ñạm làm tăng tính axit của ñất, ñiều này có thể làm giảm các phản ứng oxy hoá CH4 [25] Tăng số lượng vi sinh vật nitrat hoá làm giảm mật ñộ của các vi sinh vật metan [26] [27]

Theo nghiên cứu của Hatano và cộng sự khi nghiên cứu phát thải CH4khi trồng hành, thì cơ chế này ñược khẳng ñịnh do hàm lượng nitrat trong phân bón cao hơn so với ñất trồng hành không ñược bón phân [23] Hơn nữa, phân ñạm làm cho ñất bị axit hoá và ñiều này có thể làm giảm các hoạt ñộng oxy hoá CH4 [25] Ruser và cộng sự [53] cho thấy hàng năm lượng CH4 phát thải là 140 và 118 kg C/ha (hay 1,5 và 1,3 mg C/m2/giờ) khi bón 50 kg N/ha

và 150 kg N/ha Phân ñạm khi ñược bón vào ñất Vertisols sẽ làm giảm lượng

CH4 không ñáng kể, nhưng xu hướng này có tác ñộng mạnh hơn ở ñất Ulitsols

và có tác dụng rõ rệt ở ñất Oxisols ở vùng nhiệt ñới

Thường thì CH4 phát thải vào khí quyển bị oxi hoá nhiều hơn do tác ñộng của phân chứa gốc amôn và phân urê làm quá trình này xảy ra mạnh hơn phân chứa gốc NO3 [35] [61] [67] và phân KNO3 làm oxy hoá mạnh CH4 hơn phân NH4SO4 [37]

2.3.2 Ảnh hưởng của canh tác và nén ñất tới phát thải metan

Một số nghiên cứu cho thấy khả năng oxy hoá khí CH4 của ñất ở những nơi ñất cao thấy rằng những nơi làm ñất tối thiểu có sự phát thải ít nhất [8] [25] [32] [35] bởi vì khi canh tác lúa, làm ñất sẽ làm xáo trộn các vi sinh vật chuyên oxy hoá khí metan và có thể làm phát tán ở tầng ñất hấp thu khí này

Ở một số ñất vùng nhiệt ñới việc canh tác ít ảnh hưởng tới lượng khí CH4 cây vận chuyển [31] [42]

Việc trồng lúa theo các phương thức: cấy mạ 30 ngày tuổi; gieo sạ trên ñất ngập nước; gieo sạ trên ñất ẩm làm giảm lượng CH4 tương ñương 5%; 13% và 37%, khi so sánh với việc trồng lúa bằng mạ 8 ngày tuổi [33] Trong trường hợp bón phân hữu cơ vào cho ñất và cày cũng là cách làm giảm phát thải metan

Một nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới sự oxy hoá khí metan và phát thải khí này là ñộ nén của ñất [35] [53] Tại ruộng trồng khoai tây, ñất trên các luống và ñất ở rãnh tơi xốp có tỉ lệ oxy hoá trung bình là 3,8 µg/m2/giờ

và 0,8 µg/m2/giờ tương ñương 0,0038g CH4-C/m2/giờ và 0,0008g CH4C/m2/giờ [53] Tuy nhiên khi nghiên cứu những nơi ñất bị nén chặt cơ giới

-do máy cày tạo ra thì thấy rằng lượng phát thải là 2,1µg/m2/giờ do ñiều kiện yếm khí ở ñây Kết quả trên cũng tương tự nghiên cứu của Flessa và cộng sự [19]

Thí nghiệm ño CH4 phát thải tại Bắc Kinh (Trung Quốc) [62] ñược tiến hành từ năm 1995 – 1998, ruộng cấy 1 vụ lúa (từ tháng 5 ñến tháng 10), sau

ñó bỏ hoang Khí hậu khô ẩm và cận nhiệt ñới bán khô với lượng mưa trung bình năm 541 mm, nhiệt ñộ cao nhất 17,80C (tháng 6) và thấp nhất 7,10C (tháng1) ðất thịt nặng, pH = 7,0, hàm lượng các bon hữu cơ 0,99% ñạm tổng

số 0,09% Truyền thống canh tác của nông dân theo hình thức tưới ngập và kết hợp tiêu giữa vụ, bón phân chuồng (phân lợn) Lượng CH4 phá thải biến ñộng 6 -503 kg/ha/vụ, trung bình 109 kg/ha/vụ, ñối với khu vực ruộng của nông dân, lượng phát thải trung bình 288 kg/ha/vụ Kết quả nghiên cứu ñã chỉ

ra rằng, rút cạn nước giữa vụ có tác dụng giảm 23% lượng CH4 phát thải so với tưới ngập thường xuyên Bón phân gà có thể giảm lượng CH4 phát thải 77,5% so với phân lợn và giảm 69,5% so với bón phân rơm rạ

Nghiên cứu tại Hàng Châu (Trung Quốc) [38] từ năm 1995 – 1998, ruộng thí nghiệm cấy 3 vụ lúa, khí hậu cận nhiệt ñới ẩm ướt và lạnh, lượng mưa trung bình năm 1470 mm, nhiệt ñộ cao nhất 20,40C (tháng 7) và thấp nhất 12,90C (tháng1) ðất sét nhẹ, hàm lượng các bon hữu cơ 1,90%, ñạm tổng số 0,22% Trong vùng tưới nước theo hình thức ngập kết hợp tiêu giữa

vụ và bón phân lợn Lượng phát thải dao ñộng từ 53 - 225 kg/ha/vụ (vụ sớm),

88 – 183 kg/ha/vụ (vụ giữa) và từ 100 – 557 kg/ha/vụ (vụ muộn) Trong trường hợp tiêu nước ñịnh kỳ giữa vụ, lượng CH4 phát thải giảm 44% so với tưới ngập thường xuyên Ngoài ra, sử dụng phân từ hầm biogas sẽ làm giảm lượng phát thải từ 10 – 16% so với phân lợn, phân rơm rạ giảm 12% so với bón phân lợn

Tại Maligaya (Philipin) [10], thí nghiệm từ năm 1994 – 1998 trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ xuân (từ tháng 1 ñến tháng 4) và vụ mùa (từ tháng 7 ñến tháng 10) Khí hậu nhiệt ñới ẩm và ấm, lượng mưa trung bình năm 1944

mm, nhiệt ñộ cao nhất 31,80C (tháng 5) và thấp nhất 2,40C (tháng 12) Loại ñất sét nhẹ, pH =6,9, các bon hữu cơ 1,32%, ñạm tổng số 0,09% Trên ruộng ñại trà của nông dân áp dụng hình thức tưới ngập thường xuyên, bón phân ñạm Lượng CH4 phát thải dao ñộng trong khoảng từ 4 – 420 kg/ha/vụ (vụ xuân) và từ 143 – 952 kg/ha/vụ (vụ mùa), ruộng canh tác của nông dân từ 67 – 531 kg/ha/vụ Trong vụ mùa do nhiệt ñộ cao hơn vụ xuân, nên lượng phát thải lớn hơn, bón phân vô cơ làm giảm phát thải CH4 từ 25 -73% so với bón phân hữu cơ, việc tiêu nước giữa vụ sẽ giảm phát thải từ 14 -43% so với tưới ngập thường xuyên, tưới gián ñoạn kết hợp bón phân NPK, phân rơm ñược ủ giảm phát thải tới 92% so với tưới ngập, bón NPK, phân gà và phân tươi

ðiều kiện thí nghiệm trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 1 ñến tháng 4) và vụ mùa (từ tháng 7 ñến tháng 10) tại Los Banos (Philipin) từ năm

1994 – 1997, với khí hậu nhiệt ñộ ẩm và ấm, lượng mưa trung bình năm 2027

mm, nhiệt ñộ cao nhất 30,60C (tháng 5) và thấp nhất 23,20C (tháng 2), ñất sét nhẹ, pH = 6,60, hàm lượng các bon hữu cơ 1,2%, ñạm tổng số 0,138% trên ruộng ñại trà tưới ngập thường xuyên và bón phân ñạm, lượng CH4 phát thải dao ñộng trong khoảng từ 5 - 634 kg/ha/vụ (vụ xuân), từ 4 -602 kg/ha/vụ (vụ mùa) Trong trường hợp sử dụng rơm kết hợp với ñạm urê bón ruộng, lượng phát thải CH4 gấp 23 lần so với chỉ bón ñạm urê Khi bón urê và phân xanh, lượng CH4 phát thải gấp 3 – 4 lần so với chỉ bón ñạm urê Bón phân ñạm sunphat kết hợp urê, lượng CH4 phát thải giảm 36 -67% so với phân urê Ngoài ra, nếu ruộng ñược rút cạn nước vào giữa giai ñoạn ñể nhánh, lượng

CH4 phát thải trên ruộng lúa giảm 20 – 80% so với tưới ngập thường xuyên

Nghiên cứu tại Jakenan (Indonesia) [55] từ 1993 – 1998 trên ruộng lúa

2 vụ, vụ xuân từ tháng 1 – tháng 6, vụ mùa từ tháng 10 – tháng 2 năm sau, khí hậu nhiệt ñới ẩm và ấm, lượng mưa trung bình 1600 mm/năm, thí nghiệm trên ñất thịt nhẹ, pH= 4,70, lượng các bon hữu cơ 0,48%, lượng CH4 phát thải từ

52 – 181 kg/ha/vụ (vụ xuân) và từ 26 - 256 kg/ha/vụ (vụ mùa) Kết quả nghiên cứu cho thấy, trên ruộng tưới toàn bằng nước mưa, lượng CH4 phát thải giảm khoảng 50% so với tưới ngập liên tục và việc rút nước ñịnh kỳ cũng

có tác dụng giảm phát thải CH4rõ rệt so với tưới ngập thường xuyên

ðiều kiện thí nghiệm trên ruộng cấy 1 vụ lúa tại New Delhi (Ấn ðộ) năm 1997 với khí hậu bán nhiệt ñới, bán ẩm ướt và ẩm, lượng mưa trung bình

767 mm/năm, ñất thịt nhẹ, pH= 8,2 lượng các bon hữu cơ OC 0,41%, ñạm tổng số 0,02% ruộng canh tác của nông dân trong vùng bón phân ñạm, tưới có rút nước ñịnh kỳ, lượng phát thải CH4 dao ñộng trong khoảng 14 – 18 kg/ha/vụ, giảm 28% so với ruộng ngập nước thường xuyên, cấy giống IR 72 Ngoài ra, ñối với ruộng cấy giống IR72, khi bón phân hữu cơ và rút nước ñịnh kỳ, lượng phát thải sẽ tăng từ 12 -20% so với không bón phân hữu cơ

Các kết quả nghiên cứu tại Cuttack (Ấn ðộ) [4] từ năm 1996 – 1998 trên ruộng cấy 2 vụ lúa, khí hậu nhiệt ñới bán ẩm ướt và ẩm lượng mưa trung bình 1569 mm/năm, ñất thịt nhẹ, pH= 7,0 lượng các bon hữu cơ OC 0,36%, ñạm tổng số 0,04%, trên ruộng canh tác của nông dân bón phân ñạm, cho thấy phát thải CH4 từ 36 - 44 kg/ha/vụ (vụ xuân) và từ 42 -132 kg/ha/vụ (vụ mùa) Trên ruộng tưới ngập thường xuyên, nếu thêm một lượng rơm (2tấn/ha) thì lượng CH4 phát thải tăng 94% so với không có rơm Trong trường hợp tưới ngập gián ñoạn, lượng phát thải ít hơn 15 – 25% so với thường xuyên ngập

Tác giả Yong – Kwang Shin, Seong – Ho Yun, Moo – Eon Park và Byong Lyol Lee (Hàn Quốc) [69] ñã nghiên cứu ảnh hưởng của chế ñộ nước

và rơm ñến lượng phát thải CH4 trên ruộng lúa tại Suwon Hệ thống thí nghiệm bao gồm 16 hòm lấy mẫu khí ñược ñặt trên 8 ô ruộng Mẫu khí ñược lấy mỗi tuần một lần trong khoảng thời gian từ 31/5/1994 – 11/10/1994 Kết quả cho thấy, lượng CH4 phát thải trong trường hợp rút cạn nước ñịnh kỳ giảm 36% so với tưới ngập thường xuyên Ngoài ra, nếu sử dụng phân rơm ủ

sẽ giảm phát thải 49% so với rơm chưa xử lý và nếu rơm vùi vào ruộng trước khi cấy 3 tháng, lượng phát thải giảm 23% so với bón rơm thông thường

Nguyễn Mộng Cường, Nguyễn Văn Tỉnh và cộng sự (2000) [1] ñã nghiên cứu sự phát thải khí CH4 trên ruộng lúa tại Trạm KTNN Hoài ðức vụ mùa năm 2000 từ 8/8/2000 ñến 7/11/2000, ứng với hai trường hợp tưới ngập thường xuyên và rút nước ñịnh kỳ ở hai giai ñoạn cuối ñẻ nhánh và sau trỗ bông 15 ngày, theo tập quán canh tác bón phân hữu cơ (phân chuồng) kết hợp với phân vô cơ của nông dân vùng ñồng bằng sông Hồng Kết quả cho thấy lượng phát thải lớn nhất tập trung vào giai ñoạn sau cấy khoảng 25 ngày (từ

40 - 60 mg/m2/giờ) và nhỏ nhất vào giai ñoạn trỗ - chín) 0,6 – 1,0 mg/m2/giờ) Tác giả rút ra kết luận, trong trường hợp rút nước ñịnh kỳ, lượng CH4 phát

thải là 469,6 kg/ha/vụ, giảm 45,7 kg/ha/vụ (khoảng 10%) và năng suất lúa tăng 3% so với tưới ngập thường xuyên (515,3 kg/ha/vụ)

Cũng các tác giả này, năm 2000 bố trí thí nghiệm trên ruộng lúa tại huyện Bình Chánh [2] [11] thành phố Hồ Chí Minh, từ 10/10/2000 ñến 12/12/2000, giống lúa CR 203, bón phân vô cơ, trong 2 trường hợp tưới ngập thường xuyên và rút cạn nước phơi ruộng tại 2 giai ñoạn cuối ñẻ nhánh và sau trỗ bông 15 ngày, các tác giả rút ra nhận xét: Lượng CH4 phát thải có xu thế tăng dần từ giai ñoạn sinh trưởng cấy hồi xanh ñể cuối ñẻ nhánh – trỗ bông Phát thải lớn nhất tập trung ở giai ñoạn từ cuối ñẻ nhánh ñến sau trỗ bông 15 ngày (từ 8,81 - 25,23 mg/m2/giờ), chiếm 97% tổng lượng phát thải toàn vụ Ngược lại, từ giai ñoạn sau trỗ bông 15 ngày ñể trỗ chín, lượng phát thải giảm dần (từ 1,09 – 5,56 mg/m2/giờ) chỉ chiếm 3% lượng phát thải toàn vụ ðặc biệt là ở giai ñoạn lúa chín, lượng phát thải rất nhỏ, chỉ từ 1,09 – 1,33 mg/m2/giờ Lượng CH4 phát thải trung bình toàn vụ trong trường hợp rút nước ñịnh kỳ là 198 mg/m2/giờ nhỏ hơn trường hợp tưới ngập thường xuyên (228,6 mg/m2/giờ)

Tương ứng với tổng lượng CH4 phát thải toàn vụ trường hợp rút nước ñịnh kỳ là 184,4 kg/ha/vụ, giảm 13% so với trường hợp tưới ngập thường xuyên (217,2 kg/ha/vụ) Trong trường hợp rút nước ñịnh kỳ, năng suất lúa tăng không ñáng kể (1%) so với tưới ngập thường xuyên

Như vậy, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy: có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến phát thải CH4 trên ñất lúa ngập nước, trong ñó chế ñộ bón phân và chế ñộ nước mặt ruộng khác nhau là những yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp ñến phát thải CH4 trên ruộng lúa

2.3.3 Ảnh hưởng của các tính chất lý – hoá học trên ñất ñến sự phát thải

CH 4

Eh và pH là những tính chất ñiện hoá của ñất và hai ñại lượng này có mối liên hệ mật thiết với nhau Bởi vì hầu hết quá trình oxy hoá khử ñều sử dụng prôtôn (H+) Do ñó khi xác ñịnh Eh người ta thường nêu rõ ở môi trường

có ñộ pH cụ thể Mặt khác giá trị Eh của ñất lại có sự liên quan chặt chẽ ñến chế ñộ nước và chất hữu cơ của ñất như ñã ñề cập ở trên

Sự liên quan của quá trình phát thải CH4 với Eh, pH và nhiệt ñộ biểu thị qua biểu ñồ sau:

Hình 2.4: Biểu ñồ ñộng thái phát thải CH 4 với nhiệt ñộ, Eh, pH của ñất

ngập nước liên tục và không liên tục

hình a và d: ñộng thái của nhiệt ñộ

hình b và e: sự phát thải CH4

hình c và f: Eh và pH ñất ở ñiều kiện ñất ngập nước liên tục và không liên tục

Qua biểu ñồ trên có thể rút ra nhận xét: Sự phát thải của CH4 của ñất nhìn chung dao ñộng trong khoảng 0 - 1200 mg/m2/ngày Sự phát thải nhiều hay ít phụ thuộc vào những ñiều kiện cụ thể

pH hầu như không có mối liên hệ với sự phát thải CH4 (hình c và f) Mặt khác trong suốt chu kỳ ngập nước và thời gian sinh dưỡng của cây lúa

pH ít biến ñổi và dao ñộng trong khoảng 6 -7

ðất có pH ở mức gần 7,0 trong quá trình ngập nước thì pH tăng lên và tiếp cận giá trị pH =7,0 Bởi vì khi ngập nước, quá trình khử xảy ra, ñây là quá trình sử dụng proton (H+) Do ñó, nồng ñộ H+ trong dung dịch giảm và

pH tăng

Khi ñất có giá trị pH>7,0 thì trong qúa trình ngập nước pH giảm dần và cũng tiệm cận với giá trị 7,0 Nguyên nhân là do áp lực CO2, CO2 hoà tan trong nước tạo thành HCO32- làm pH giảm (Pagel H., 1981) [74] Quá trình trung hoà hoặc pha loãng xảy ra làm cho pH của ñất giảm và tiệm cận với giá trị 7,0

Giá trị Eh có tương quan với sự phát thải CH4 Khi Eh giảm thì sự phát thải khí CH4 xảy ra mạnh

Ngày sau cấy

Hình 2.5: Lượng khí CH 4 phát thải phụ thuộc vào thế oxy hoá khử

của ñất khi sinh trưởng của lúa [40]

Trong các yếu tố lý hoá học ñất thì thế oxy hoá khử Eh của ñất luôn có quan hệ chặt chẽ với những hoạt ñộng metan hoá của vi khuẩn Mối quan hệ nghịch biến giữa Eh ñất và lượng khí CH4 phát thải ñược một số tác giả nghiên cứu [18][57][58][68] Trong sơ ñồ trên cho thấy mối quan hệ của hai yếu tố này trong suốt quá trình sinh trưởng của cây lúa Fiedler và Sommer [17] chỉ ra rằng do mối liên hệ giữa mực nước với chất hữu cơ trong ñất và

Eh, khí CH4 thoát ra có thể ước tính bằng lượng phát thải trên một ñơn vị diện tích Stepniewsky và Stepniewska [59] thấy rằng khí metan phát thải từ ñất khi Eh dưới 50 mV và ñạt cực ñại ở mức -150 mV

Các nghiên cứu của Nguyễn Mộng Cường cùng cộng sự về sự tương quan giữa các giá trị pH, Eh và sự phát thải khí CH4 nhưng cũng chưa chỉ ra ñược ở giá trị nào thì sự phát thải CH4 là mạnh nhất [1]

Thành phần cơ giới ñất cũng có liên quan tới sự phát thải metan Ở ñiều kiện ñất cát thì CH4 phát thải lớn hơn ở ñất sét ðiều này ñược giải thích là ñất cát có hệ thống khe hở lớn nên dễ dẫn tới thoát các chất khí trong ñất Một tính chất liên quan chặt chẽ tới sự phát thải khí metan trong ñất là hàm lượng chất hữu cơ cũng ñược nhiều tác giả khẳng ñịnh: ñất giàu chất hữu cơ thì phát thải khí metan CH4 tăng (Ponnaamperuma F N 1985)[52], (Alexander M., 1977) [6] Vì chất hữu cơ là nguồn ban ñầu ñể sinh ra CH4 Mặt khác, chất hữu cơ trong ñất làm giảm thế oxy hoá khử, tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự hình thành CH4

Các nghiên cứu khác về tính chất lý – hoá học ảnh hưởng tới sự phát thải CH4 rất ñầy ñủ về lý thuyết cũng như thực tế ñã cụ thể hoá diễn biến của môi trường ñất lúa ngập nước bằng các phương trình hoá học, ñã xác ñịnh ñược các giá trị Eh và pH cụ thể ứng với ñiều kiện môi trường ñất khác nhau

cũng như ñã xác ñịnh ñược CH4 ñược hình thành khi Eh= -120mV ñến -300

mV [17]

2.3.4 Ảnh hưởng của trồng lúa và mùa vụ ñến sự phát thải khí CH 4

Dưới góc ñộ sinh lý thực vật và dinh dưỡng cây trồng, cây lúa không hấp thu CH4 Nhiều nghiên cứu ñã khẳng ñịnh cây lúa có ảnh hưởng ñến thế oxy hoá khử Eh của ñất, tuy nhiên chưa có nghiên cứu cụ thể về CH4 có thải qua cây lúa Kết quả nghiên cứu của Tanaka A và Tadano T 1970 [60] về ñộng thái Eh phụ thuộc vào cây lúa ñược thể hiện ở hình 2.6 [60]

Hình 2.6 ðộng thái Eh của ñất trồng lúa và ñất không trồng lúa

Qua hình 2.6 cho thấy khi ñất trồng lúa, ñặc biệt ở giai ñoạn lúa phát triển mạnh (thời kỳ ñẻ nhánh ñến làm ñòng) thì Eh tăng hơn so với ñất không trồng lúa Nguyên nhân ñược tác giả giải thích là O2 qua lá, thân, tới rễ Oxy xâm nhập làm ñất tăng thế oxy hoá và làm giảm nồng ñộ chất khử Nếu ñất giàu sắt ở dạng khử thì hiện tượng này sẽ dễ dẫn ñến nghẹt rễ lúa Như vậy, trồng lúa có ảnh hưởng rõ rệt ñến ñộng thái của Eh và ñương nhiên ảnh hưởng tới quá trình hình thành CH4

Mặt khác, do vi sinh vật vùng rễ lúa phát triển mạnh và tiến hành khử hợp chất Fe3+ Quá trình này cũng ñã ñược Ottow J.C.G và cộng sự (1982) giải thích phản ứng:

Chất hữu cơ Dehydrogenaza ATP+ H+ + e- + sản phẩm trao ñổi chất

Fe OH + H+ + e- Dehydrogenaza Fe (II) + H2O

Nouchi I., Mariko S và Aolo K (1990) [47] ñã tiến hành nghiên cứu

cơ chế vận chuyển CH4 từ vùng rễ vào khí quyển thông qua cây lúa bằng thí nghiệm mô hình Các tác giả trên ñã có những phát hiện quan trọng: khí khổng không phải nơi thải khí CH4 hoặc các khí khác từ cây lúa, lượng CH4ñược phát thải nhiều nhất ở vùng gốc lúa Từ ñó các tác giả giải thích khả năng chuyển CH4 qua cây lúa như sau: trước hết CH4 trong dung dịch ñất bao quanh rễ cây lúa sẽ khuếch tán vào lớp nước tế bào vách của tế bào biểu bì, sau ñó khuếch tán qua nước tế bào vách của vỏ rễ, qua thân cây, CH4 ñược thải qua các lỗ nhỏ ở cuống lá (mặt dưới của lá) và qua lỗ khí trong phiến lá

Các nhà nghiên cứu Viện Khí tượng Thuỷ văn (1999) ñã nghiên cứu sự phát thải CH4 trên ruộng lúa tại Trạm Khí tượng Nông nghiệp Hoài ðức từ năm 1998 – 1999 trên giống lúa Kim B, CR203, P6, bón phân hữu cơ kết hợp phân vô cơ, chế ñộ nước trên ruộng là rút nước ở giai ñoạn lúa chín sữa và chắc xanh các giai ñoạn còn lại tưới ngập thường xuyên Vào vụ ñông xuân

1998, lượng phát thải ñạt lớn nhất (70 mg/m2/giờ) tập trung vào khoảng 70 ngày sau cấy, ñây là thời kì làm ñòng, lúa sinh trưởng phát triển mạnh Giai ñoạn lúa ñẻ nhánh, phát thải CH4 khoảng 20 mg/m2/giờ, giai ñoạn trỗ bông phát thải khá thấp, chỉ 3-6 mg/m2/giờ Giai ñoạn chắc xanh và chín, phát thải nhỏ nhất, chỉ 1-2 mg/m2/giờ Vụ mùa 1998 do ñiều kiện thời tiết thuận lợi, lúa phát triển nhanh, phát thải lớn nhất tập trung trong khoảng 20-40 ngày sau

cấy ðối với giống lúa CR203 cấy ngày 20/7/1998 lượng phát thải lớn nhất vào giai ñoạn sau cấy khoảng 30 ngày, ñạt 67,29 mg/m2/giờ Sau ñó phát thải giảm dần, giai ñoạn trỗ, phát thải từ 11,25-11,52 mg/m2/giờ, giai ñoạn chắc xanh và chín, phát thải chỉ ñạt 3,67 – 7,05 mg/m2/giờ Giai ñoạn chín vàng, phát thải không ñáng kể

Các nghiên cứu trên cho thấy cây lúa và yếu tố mùa vụ có ảnh hưởng ñến phát thải CH4, các thí nghiệm nghiên cứu sự phát thải CH4 từ vùng rễ thông qua cây lúa

2.3.5 Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt ñộ ñến sự phát thải CH 4

Nhiệt ñộ càng cao thì sự phát thải CH4 diễn ra càng mạnh, theo các kết quả nghiên cứu của Viện Khí tượng Thuỷ văn (1998), nhiệt ñộ không khí ở phạm vi 25 – 300C thì CH4 phát thải nhiều nhất ðây là khoảng nhiệt ñộ thuận lợi cho vi sinh vật và thực vật (cây lúa) phát triển mạnh Mặt khác, ở nhiệt ñộ cao thì các phản ứng hoá học xảy ra mạnh, trong ñó có phản ứng khử các hợp chất các bon, làm tăng sự hình thành và phát thải khí CH4

2.4 Các giải pháp giảm thiểu

Trên thực tế có hàng loạt biện pháp giảm thiểu khí CH4 khác nhau từ việc thu khí CH4 tới các giải pháp tránh phát thải ra môi trường Lượng khí

CH4 thu ñược sẽ bị oxi hoá tạo thành CO2, việc này làm giảm ñáng kể những ảnh hưởng tới bầu khí quyển và bên cạnh ñó cũng thu ñược năng lượng từ phản ứng oxi hoá này ñể phục vụ cuộc sống Theo các nghiên cứu thì các ngành, lĩnh vực quan trọng có thể gây ảnh hưởng tới khả năng phát thải cũng như giảm thiểu khí CH4 bao gồm: 1) ngành chăn nuôi; 2) trồng lúa; 3) quản lý chất thải rắn; 4) khai thác than; 5) sản xuất, vận chuyển, phân phối khí gas tự nhiên Bên cạnh những lĩnh vực trên thì nước thải sinh hoạt, công nghiệp cũng là những nguồn gây phát thải khí CH4 ñáng kể

Hiện nay, các kỹ thuật ñể giảm thiểu phát thải khí CH4 trên thế giới cũng như Việt Nam thường chỉ tập trung vào việc thu khí này trước khi nó bị phát thải ra môi trường hoặc tránh phát thải mà chưa có các nghiên cứu ñể làm giảm khí CH4 trong không khí do kĩ thuật hiện tại chưa cho phép hoặc còn hạn chế do nồng ñộ khí CH4 trong không khí quá nhỏ Ví dụ như Johnson cùng các cộng sự năm 2007 và Smith cùng các cộng sự 2008 ñã ñề cập một số nghiên cứu loại bỏ khí CH4 trong không khí bằng một số biện pháp nông nghiệp Tuy nhiên, hiệu quả của những biện pháp này rất nhỏ so với tổng lượng metan phát thải ra khí quyển Một nghiên cứu khác của Yoon cùng các cộng sự 2009 [76] ñã phân tích khả năng loại bỏ khí CH4 trong không khí bằng màng lọc sinh học methanotrophic Biotrickling thì thấy rằng việc loại bỏ khí metan trong không khí là không khả thi do nồng ñộ của khí này trong không khí quá nhỏ

* Trong chăn nuôi:

Các biện pháp quan trọng trong giảm thải khí CH4 trong ngành này bao gồm việc làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn chăn nuôi, sử dụng các chất phụ gia như kháng sinh, kháng sinh metan ñể ngăn chặn việc sinh ra enzym methanogenesis Tất cả các biện pháp trên nhìn chung là nâng cao hiệu quả của thức ăn chăn nuôi cũng như các sản phẩm vật nuôi và giảm phát thải khí

CH4 [12]

Việc giảm phát thải khí metan từ phân của vật nuôi, có thể áp dụng một

số biện pháp ñơn giản như ủ phân và giữ cho ñống ủ có nhiệt ñộ thấp, tránh lên men trong ñống ủ quá mạnh trong suốt quá trình ủ [65]

Một kĩ thuật phức tạp hơn là thường xuyên chuyển phân trong chuồng vật nuôi vào các ñống ủ có hệ thống che phủ hay bể ủ sinh học biogas (Weiske và cộng sự 2006) [65] và sử dụng như nhiên liệu ñể cung cấp chất ñốt cho các hộ gia ñình ñể ñun nấu, sưởi ấm hay sản xuất ñiện…

* Quản lý việc trồng lúa

Mục ñích của giải pháp này là giảm lượng khí metan tạo ra trên ruộng lúa Kĩ thuật chính là hiệu quả của việc quản lý nước tưới trên ruộng lúa, luân phiên ẩm, khô trên ruộng, tưới ñúng thời ñiểm ñể gây ít phát thải nhất và tưới

ñủ ẩm Một số biện pháp khác như trồng lúa trên ruộng cao, ñồi nương và trồng các giống lúa có lượng phát thải khí metan thấp (DeAngelo và cộng sự 2006) [12] Theo các nghiên cứu của các nhà khoa học tại IRRI cho thấy có những giống lúa trồng có lượng phát thải khí CH4 khác nhau Họ ñã tiến hành

ño lượng phát thải trên 6 giống lúa khác nhau và thấy rằng giống lúa truyền thống có tên “Dular” có lượng phát thải lớn nhất, hơn tới 27% so với giống

“IR72” có lượng phát thải cao hơn 177% so với giống “IR65598” Và các giống lúa cao cây phát thải trung bình cao hơn 62% giống cao trung bình nghĩa là phát thải ở mức 185 kg CH4/ha [30] Nhìn chung lượng phát thải của lúa tăng tỉ lệ thuận với sinh khối cây và kích cỡ của rễ

* Quản lí chất thải

Chất thải rắn và ñặc biệt chất thải là phụ phẩm nông nghiệp là nguồn phát thải khí metan vào khí quyển rất lớn cần phải thu gom xử lý, ở các bãi chôn lấp, người ta có thể lắp ñặt các bẫy khí metan và hệ thống thu khí (Monni và cộng sự, 2006; IPCC 2007) Lượng khí metan thu ñược này có thể

sử dụng nhiều mục ñích khác nhau Nếu lượng khí metan có nồng ñộ thấp hoặc không ñủ cho sử dụng sinh hoạt thì người ta thường không cho khí này thải trực tiếp ra môi trường mà sẽ ñốt thành khí CO2 hoặc sử dụng vi sinh vật tạo ra ñể oxy hoá khí này bằng cách tưới các chủng vi sinh vật ñặc hiệu vào chất thải rồi ủ

Cũng có nhiều cách khác nhau ñể làm giảm lượng phát thải khí metan tạo ra từ nơi chôn lấp chất thải, bao gồm việc phân giải chất hữu cơ trong chất