Sử dụng tư liệu ảnh MODIS và mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phan Văn Trọng SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ HOẠT ĐỘNG CANH TÁC LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phan Văn Trọng SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ HOẠT ĐỘNG CANH TÁC LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên nghành: Bản đồ - Viễn thám Hệ thông tin địa lý Mã số: 60 44 02 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Phạm Văn Cự CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch Hà nội, 2016 LỜI CẢM ƠN Lời cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS TS Phạm Văn Cự, người trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình bảo cho từ bước nghiệp nghiên cứu mà trước tiên hoàn thành luận văn Không thế, thầy người động viên, khuyến khích lúc khó khăn tinh thần nghiệp Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy, truyền đạt nâng cao kiến thức chuyên ngành thời gian học tập khoa Địa lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội Đặc biệt giúp đỡ thầy cô môn Bản đồ - Viễn thám Hệ thông tin Địa lý Qua xin gửi lời cảm ơn tới anh chị lớp cao học K13-Bản đồ Viễn thám GIS ủng hộ tạo không khí vui vẻ, thoải mái trình học tập trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn dự án: “Nghiên cứu biến động sử dụng đất tác động hoạt động kinh tế - xã hội biến đổi khí hậu toàn cầu (nghiên cứu trường hợp đồng sông Hồng vùng núi Tây Bắc Việt Nam” đề tài nghị định thư Việt – Bỉ cung cấp nguồn liệu để thực luận văn Lời cuối cùng, xin cảm ơn động viên, ủng hộ tinh thần bố mẹ tôi, anh chị Xin cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp trao đổi kinh nghiệm hỗ trợ để hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày…tháng…năm 2016 Học viên cao học Phan Văn Trọng MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 10 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC 10 1.1 Phát thải Methane từ canh tác lúa nước 10 1.1.1 Tổng quan phát thải đất lúa 11 1.1.2 Cơ chế hình thành phát thải mêtan 18 1.2 Tách chiết lúa từ ảnh MODIS 19 1.3 Các mô hình phát thải khí nhà kính 25 CHƯƠNG 28 TÍNH TOÁN PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA THEO MÔ HÌNH DNDC Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG 28 2.1 Khu vực nghiên cứu 29 2.1.1 Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên 29 2.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 32 2.1.3 Tình hình sản xuất lúa đặc điểm mùa vụ lúa đồng sông Hồng 34 2.2 Sử dụng tư liệu MODIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 36 2.2.1 Cơ sở liệu nghiên cứu 36 2.2.2 Phân loại đa thời gian thành lập đồ vùng trồng lúa 47 2.2.3 Ứng dụng mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 58 CHƯƠNG 66 PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC Ở ĐÔNG BẰNG SÔNG HỒNG 66 3.1 Kết phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 66 3.2 Kiểm chứng kết 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 88 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Kết kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 13 Bảng 2.1: Nông lịch cấy lúa Đồng sông Hồng 35 Bảng 2.2: Bảy kênh phổ MODIS 37 Bảng 2.3: Tên loại đất đồng sông Hồng theo hệ phân loại Việt Nam 40 Bảng 2.4 : Ký hiệu vài tính chất lý - hóa học đất Hà Nội 41 Bảng 2.4: Lịch gieo trồng số tỉnh đồng sông Hồng 45 Bảng 2.5: Lượng phân bón theo điều tra vấn số tỉnh [6] 46 Bảng 2.6 Ma trận đánh giá sai số thực tế kết từ MODIS [1] 55 Bảng 2.7: Tổng hợp liệu nguồn liệu cho vùng đồng sông Hồng 61 Bảng 2.8: File biên tập liệu khí tượng cho trạm khí tượng 64 Bảng 3.1: Lượng phát thải CH4 trung bình đồng sông Hồng 66 Bảng 3.2: Lượng phát thải CH4 trung bình theo tỉnh 69 Bảng 3.3: Lượng phát thải tính toán từ mô hình đo thực nghiệm 73 Bảng 3.4: Lượng phát thải tính toán từ mô hình đo thực nghiệm 75 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính nông nghiệp 11 Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 ruộng lúa theo đường 14 Hình 1.3 Quan sát vùng lũ lúa cấy sử dụng liệu VGT tổ hợp 10 ngày 23 Hình 1.4 Sự biến động số thực vật (NDVI, EVI) số nước bề mặt (LSWI) pixel đất trồng lúa chọn làm mẫu Indonesia 25 Hình 2.1: Sơ đồ khối tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước 28 Hình 2.2: Vị trí tỉnh đồng sông Hồng Việt Nam 30 Hình 2.3: Diện tích trồng lúa đồng sông Hồng từ 1995 – 2014 [2] 35 Hình 2.4: Bản đồ đất đồng sông Hồng 39 Hình 2.5: Nhiệt độ lượng mưa hàng ngày trạm khí tượng năm 2010 43 Hình 2.6: Minh họa mô lớp nước mặt ruộng (chế độ ngập nước thường xuyên) 44 Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp tách chiết lúa từ ảnh MODIS 50 Hình 2.8: Tính toán số LSWI, NDVI, EVI 51 Hình 2.9: Đồ thị phổ theo mùa giá trị LSWI, NDVI, EVI theo mùa khu vực Đồng sông Hồng 53 Hình 2.10: Sơ đồ tuyến thực địa kiểm chứng Đồng sông Hồng [1] 54 Hình 2.11: Các điểm mẫu lúa thu thập ĐBSH 54 Hình 2.12: Bản đồ lúa vụ Đông Xuân đồng sông Hồng năm 2010 56 Hình 2.13: Bản đồ lúa vụ Hè Thu đồng sông Hồng năm 2010 57 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mô hình DNDC 59 Hình 2.15: Sơ đồ kết hợp cấu trúc liệu để chạy mô hình DNDC qui mô vùng áp dụng cho đồng sông Hồng 63 Hình 3.1: Phân bố không gian CH4 đồng sông Hồng vụ Đông Xuân 67 Hình 3.2: Phân bố không gian CH4 đồng sông Hồng vụ Hè Thu 68 Hình 3.3: Phát thải CH4 trung bình tỉnh đồng sông Hồng 70 Hình 3.4: Biểu đồ thể thay đổi lượng phát thải mùa vụ 71 Hình 3.5: Cường độ khí CH4 phát thải (mgC/m2/giờ) ruộng lúa vụ Mùa [6] 74 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ĐBSH Đồng sông Hồng GOS Tổng cục thống kê CH4 Mê tan DNDC DeNitrification - DeComposition MODIS Dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS GIS Hệ thông tin địa lý FAO Tổ chức nông lương giới ĐHNN Đại học Nông nghiệp CLT&TP Cây lương thực Thực phẩm CH4 Khí Methane MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Trên giới, lúa 250 triệu nông dân trồng, nguồn lương thực 1,3 tỉ người nghèo giới, chiếm tới 11% diện tích trồng toàn giới , sinh kế chủ yếu người nông dân Ở Việt Nam, lúa gạo nguồn lương thực 100% người dân Từ cánh đồng lúa vùng đồng ruộng bậc thang vùng miền núi, việc trồng lúa nước từ lâu đặc trưng nông nghiệp Việt Nam (Castella and Erout 2002), mà cụ thể đồng sông Hồng Vì tìm hiểu phân bố không gian cánh đồng lúa vấn đề quan trọng để đánh giá sản lượng lúa hàng năm, chế độ nước tưới, nguồn nước, quản lí sử dụng đất Thêm vào nghiên cứu lúa đóng góp phần quan trọng việc phát thải khí nhà kính mà đặc biệt khí Methane (CH4) Methane (CH4) ba loại khí nhà kính (Methane, nitơ oxit N2O carbon dioxide CO2) đóng góp 18% vào ấm lên toàn cầu, đứng thứ sau carbon dioxide CH4 có lượng phát thải đáng kể bắt nguồn từ hệ sinh thái nông nghiệp Do đó, nông nghiệp mục tiêu cho nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính Khí CH4 phát thải qua trình biến đổi sinh học môi trường yếm khí đẩm lầy, đất ngập nước Sự phát thải Methane chủ yếu từ canh tác lúa nước, chăn nuôi gia súc, vùng đất ngập nước ngành công nghiệp than đá, khí Trong đó, canh tác lúa nước đóng góp phần lớn vào tăng lên CH4 khí suốt kỷ qua (IPCC, 2007) Vì việc tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước đánh giá khả giảm thiểu lượng khí CH4 thông qua quản lý nguồn nước tưới, chế độ canh tác đề xuất chế độ canh tác khoa học nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi trường (giảm Methane phát thải) cho vùng đất trồng lúa có ý nghĩa cần thiết Ở Việt Nam, liệu lúa cung cấp qua nguồn: thống kê nông nghiệp hàng năm từ Tổng cục thống kê vàkiểm kê sử dụng đất năm năm lần Chính khó để kịp thời có thông tin thống kê không gian lúa khoảng thời gian định, lúa gạo có vai trò to lớn an ninh lương thực Những năm qua, giới Việt Nam, có nhiều nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đa thời gian theo dõi mùa màng nói chung mùa vụ lúa nói riêng Tùy vào yêu cầu mức độ chi tiết nghiên cứu mà liệu viễn thám với độ phân giải không gian khác lựa chọn Các tư liệu viễn thám quang học độ phân giải cao Landsat, SPOT siêu cao IKONOS Quickbird sử dụng để theo dõi chi tiết ruộng Tuy nhiên với giá thành cao phần lớn thời gian mà mùa vụ lúa trồng miền nhiệt đới vào mùa mưa, thời gian mà có ảnh quang học không bị mây che phủ nên tư liệu viễn thám độ phân giải cao thường sử dụng cho khu vực nông nghiệp quy mô nhỏ Đối với việc giám sát vùng trồng lúa rộng lớn, tư liệu viễn thám có độ phân giải không gian trung bình thấp (250 – 1000 m) chu kỳ lặp lại nhanh (hàng ngày) ảnh NOAA/AVHRR MODIS thường sử dụng cho việc theo dõi tăng trưởng mùa vụ lúa Từ nhận định khả ứng dụng viễn thám GIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có mối quan hệ nào? Ảnh hưởng chế độ tưới tiêu, phân bón, đất, tới lượng phát thải CH4 đồng sông Hồng sao? với mục đích nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi trường (giảm Methane phát thải) cho vùng đất trồng lúa có ý nghĩa Để trả lời câu hỏi học viên lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng liệu MODIS mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước đồng sông Hồng” Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá phát thải khí Methane CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước Nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập, phân tích, đánh giá trạng canh tác lúa đồng sông Hồng, phân tích nét đặc trưng riêng vùng - Thu thập lịch thời vụ, lịch gieo trồng, số liệu khí tượng, thống kê số liệu việc trồng sản xuất lúa - Thu thập số liệu tính toán phát thải từ đề tài, báo cáo trước nhằm mục đích kiểm chứng độ xác mô hình - Đánh giá phân bố không gian vùng trồng lúa Đồng sông Hồng theo mùa vụ dựa vào phân tích lệu MODIS - Dự đoán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước vùng đồng sông Hồng việc áp dụng mô hình tính toán lượng phát thải kết hợp với viễn thám GIS - Tìm hiểu thông tin về: chế độ canh tác, nông lịch, chế độ tưới tiêu, phân bón, đặc tính đất… - Đánh giá ảnh hưởng đất, chế độ canh tác, chế độ tưới tiêu, lượng phân bón đến lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước từ đề xuất biện pháp nhằm giảm thiểu lượng phát thải Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu MODIS Phương pháp phân tích thống kê Phương pháp đồ: thể đồ phân bố lượng phát thải CH4, đồ phân bố lúa qua thời kỳ, mùa vụ Phương pháp phân tích không gian (GIS) Phương pháp viễn thám Phương pháp điều tra thực địa: điều tra, vấn Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: Khu vực Đồng sông Hồng Phạm vi thời gian: Tính toán, phân tích lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước đồng sông Hồng năm 2010 sử dụng tư liệu MODIS Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu việc kết hợp tư liệu viễn thám mô hình nhằm tính toán lượng phát thải khí nhà kính nông nghiệp mà cụ thể tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu viễn thám MODIS Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu tính toán lượng phát thải CH4 từ lúa từ làm sở cho việc đánh giá trạng, dự báo tìm giải pháp nhằm giảm thiểu lượng CH4 phát thải thông qua biện pháp canh tác thích hợp Cấu trúc luận văn Luận văn bao gồm chương với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Dưới tiêu đề chương: Chương 1: Cơ sở lý luận phương pháp nghiên cứu mô hình tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước Chương 2: Tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa theo mô hình DNDC đồng sông Hồng Chương 3: Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước đồng sông Hồng CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC 1.1 Phát thải Methane từ canh tác lúa nước Trong năm gần đây, hàm lượng Methane CH4 khí tăng lên nhanh, gấp lần kể từ thời kỳ tiền công nghiệp người đóng góp 1/5, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu Mật độ trung bình CH4 bề mặt trái đất 1745 ppb Gần đây, nồng độ phát thải Methane tăng chứng tỏ tỷ lệ phát thải Methane từ bề mặt Trái đất gần cân với tỷ lệ phân hủy Methane khí Tuy nhiên, kể từ đầu năm 2007, cân bị phá vỡ dẫn đến có thêm hàng triệu Methane thải vào khí Nguồn phát thải Methane (CH4) vùng đất ngập nước, vựa lúa, gia súc ngành công nghiệp than đá khí Sự gia tăng phát thải Methane bán cầu Bắc thời tiết ấm lên nhiều theo quan trắc Sibêri năm 2007, làm cho vi khuẩn vùng đất ngập nước thải nhiều khí Methane [6] Methane khí thải nhà kính quan trọng đóng góp 18% vào ấm lên toàn cầu, đứng thứ sau carbon dioxide Tiềm làm ấm toàn cầu Methane 75 (tính trung bình qua 20 năm) hay 25 (tính trung bình qua 100 năm) Chúng ta phải sử dụng biện pháp giảm thải Methane Đất ngập nước có đất lúa nước coi nguồn phát thải Methane chính, góp tới 10% tổng lượng thải bề mặt trái đất loại đất chiếm 0,3% diện tích bề mặt Vì dạng khí nhà kính tiềm nên việc giảm Methane có tác động đến biến đổi khí hậu to lớn giảm carbon dioxide Ngoài ra, Methane có thời gian tồn lưu tương đối ngắn, khoảng 12 năm so với carbon dioxide- 120 năm [5, 6] Methane, nitơ oxit carbon dioxide nguồn khí thải ý quan tâm thông qua tác động chúng xạ hóa học xạ khí dẫn đến nóng lên toàn cầu Hơn nữa, ba loại khí nhà kính quan trọng 10 có lượng phát thải đáng kể từ hệ sinh thái nông nghiệp Do đó, nông nghiệp mục tiêu cho nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính [8] Trong suốt năm 1980, phát thải cacbon từ thay đổi sử dụng đất Việt Nam ước tính khoảng 58 triệu tấn/ năm, gấp mười lần lượng khí thải carbon từ sử dụng nhiên liệu hóa thạch Phát thải Methane từ chăn nuôi trồng lúa (nguyên nhân chính) ước tính khoảng 3.000.000 tấn/năm Các kết từ Báo cáo thống kê quốc gia khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 1994 cho thấy, tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính khí 103,8 triệu CO2 tương đương, 1,4 CO2 tương đương bình quân đầu người, nông nghiệp đóng góp 50,5% tổng số khí nhà kính phát thải Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính nông nghiệp (Nguồn: Thông báo quốc gia Việt Nam (Bộ TN & MT, 2003)) 1.1.1 Tổng quan phát thải đất lúa 1.1.1.1 Phát thải Mêtan (CH4) ruộng lúa nước Bên cạnh CO2, khí Methane đóng góp vai trò lớn việc nóng lên toàn cầu Mặc dù hàm lượng phát thải khí Methane (CH4) toàn cầu thấp phát thải khí CO2 nhiều CH4 khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn; khí CH4 11 gây hiệu ứng nhà kính lớn CO2 đến 23 lần Giống CO2, khoảng 60% lượng phát thải khí CH4 toàn cầu có từ nguồn người gây hàm lượng CH4 khí tăng lên khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên phủ thay đổi khí hậu - Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996) [6] Phát thải CH4 ruộng lúa nước phát từ lâu, theo IRRI lượng lớn CH4 phát thải lần phát vùng trồng lúa Mỹ Châu Âu Sau nghiên cứu chi tiết tiến hành Ý, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản Đông Nam Á Theo đánh giá ban liên ngành phủ biến đổi khí hậu (IPPC, 1996) tổng lượng CH4 phát thải từ vùng trồng lúa nước dao động từ 200 – 100 Tg/năm (Tg – triệu tấn) [7] Ở Việt Nam, theo kết kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí nhà kính phát thải lĩnh vực nông nghiệp 52,32 triệu Các bon, chiếm 51% tổng lượng khí nhà kính phát thải nước (Nguyễn Mộng Cường vcs, 1999) Đến năm 2000, qua kết kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp 65,1 triệu cácbon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn quốc Theo số liệu kiểm kê năm 1994 phát thải lớn CH4 trồng lúa phát thải 1559,7 nghìn bon/năm (chiếm 62,4%) Lượng phát thải từ lĩnh vực chăn nuôi chiếm 18,7% Phát thải từ diện tích đất nông nghiệp khác chiếm 15,4%, lại đốt phế thải Điều cho thấy nông nghiệp trồng lúa nước nguồn phát thải chủ yếu Lượng CH4 phát thải khí trồng lúa Việt Nam chiếm tỷ trọng lớn so với hoạt động sản xuất nông nghiệp khác Trong năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính Việt Nam 246,8 triệu CO2 tương đương bao gồm lĩnh vực Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất lâm nghiệp (LULUCF) 266 triệu CO2 tương đương không bao gồm LULUCF Phát thải khí nhà kính lĩnh vực lượng chiếm tỷ trọng lớn 53,05% tổng lượng phát thải không tính LULUCF, lĩnh vực nông nghiệp chiếm 33,20% 12 Phát thải từ lĩnh vực trình công nghiệp chất thải tương ứng 7,97% 5,78% Bảng 1.1: Kết kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 CH4 N4O CO Oxit CO2 tổng (Gg) (Gg) (Gg) nitrogen cộng (Tg) % NOx Trồng lúa 1.782,37 37,43 57,5 - Tiêu hóa thức ăn 368,12 7,73 11,88 - Quản lý chất thải 164,16 3,45 5,30 14,22 21,85 0,59 0,91 Chăn nuôi gia súc Đất nông nghiệp Đất Savan đồng cỏ 45,87 9,97 Đốt phế thải 59,13 1,23 261,71 4,46 1,39 1.241,68 50,28 1,67 2,75 1.503,39 54,74 65,09 100,0 đồng ruộng Tổng số 2.383,75 48,49 1.1.1.2 Các đường hình thành khí CH4 ruộng lúa Khí CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khí theo ba đường là: từ bọt khí CH4 đất, khuếch tán phát thải từ lúa thông qua khí khổng Nhưng tượng khuếch tán đóng góp khoảng 1% tổng lượng khí CH4, khí CH4 vào khí dạng bọt khí chiếm tới 10% tổng lượng phát thải từ đất lúa, phần chủ yếu phát tán thông qua thân lúa chiếm 90% tổng lượng phát thải đất lúa ngập nước [6] Con đường phát thải CH4 từ ruộng lúa qua lúa không từ đất Nguyên nhân phát thải khí nhà kính gồm có: trình tự nhiên (hoạt động phân huỷ chất hữu điều kiện yếm khí) hoạt động người (đốt cháy 13 nguyên liệu hoá thạch than, dầu mỏ, khí đốt; sản xuất xi măng; chăn nuôi; hoạt động nông nghiệp khác, phân giải chất thải hữu cơ) [6] Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 ruộng lúa theo đường (Theo Schutz cộng sự, 1989) 1.1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí CH4 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới trình phát thải như: chế độ nước, phân bón, tính chất đất, trình sinh trưởng lúa có ảnh hưởng đến Eh Khi động thái Eh thay đổi phát thải CH4 thay đổi theo Nói cách khác, yếu tố ảnh hưởng đến Eh yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 Vấn đề năm gần nhiều tác giả nghiên cứu Nước mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không khí vào đất nên ngăn cho trình oxi hóa chất hữu đất, kết chất hữu lên men yếm khí tạo khí CH4 Vì vậy, chế độ nước ruộng lúa nguyên 14 nhân dẫn tới phát thải khí CH4 Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào số yếu tố quản lý, điều tiết chế độ nước mặt ruộng, lượng phân hữu vô bón vào ruộng, đặc tính giống lúa môi trường tự nhiên [6] Ấn Độ nước đông dân thứ hai, đồng thời nước sản xuất lúa gạo quan trọng giới Đất lúa Ấn Độ phân thành: đất canh tác lúa nhờ nước tưới, nhờ mưa, ngập sâu canh tác vùng cao Canh tác lúa ngập sâu nghĩa ruộng lúa ngập 50 – 100cm Hầu hết ruộng lúa nước tưới nhờ nước mưa, ngập sâu có khoảng 15% đất lúa canh tác vùng cao, loại đất lúa không coi nguồn phát thải khí Methane không cung cấp đủ nước tưới mặt ruộng Vùng đất lúa ngập nước nguồn phát thải CH4 Chính vậy, tưới nước yếu tố quan trọng định đến phát thải khí CH4 [6] Trong mô hình nghiên cứu Granberg cộng (2001) mực nước ruộng yếu tố quan trọng để dự báo lượng khí phát thải vùng đầm lầy miền Bắc Thuỵ Điển (r2=0,58) Phân đạm có ảnh hưởng giảm oxy hoá CH4 đất Ảnh hưởng phân đạm giảm lượng oxy đất làm cho phản ứng chấ hữu đất điều kiện yếm khí tăng khả nitrit hoá dẫn tới làm tăng enzym Methane hoá Bằng chứng chế khẳng định người ta bón phân nitrat vào đất so với đất không bón phân thí nghiệm trồng hành Nhật Bản Việc trồng lúa theo phương thức: cấy mạ 30 ngày tuổi; gieo sạ đất ngập nước; gieo sạ đất ẩm làm giảm lượng CH4 tương đương 5%; 13% 37%, so sánh với việc trồng lúa mạ ngày tuổi [6] Thí nghiệm đo CH4 phát thải Bắc Kinh (Trung Quốc) tiến hành từ năm 1995 – 1998, ruộng cấy vụ lúa (từ tháng đến tháng 10), sau bỏ hoang Khí hậu khô ẩm cận nhiệt đới bán khô với lượng mưa trung bình năm 541mm, nhiệt độ cao 17,800C (tháng 6) thấp 7,100C (tháng1) Đất thịt nặng, pH = 7,0 hàm lượng cacbon hữu 0,99%, đạm tổng số 0,09% Canh tác truyền thống nông dân 15 theo hình thức tưới ngập kết hợp tiêu vụ, bón phân chuồng (phân lợn) Lượng CH4 phát thải biến động -503 kg/ha/vụ, trung bình 109 kg/ha/vụ Kết nghiên cứu rằng, rút cạn nước vụ có tác dụng giảm 23% lượng CH4 phát thải so với tưới ngập thường xuyên Bón phân gà giảm lượng CH4 phát thải 77,5% so với phân lợn giảm 69,5% so với bón phân rơm rạ [6] Điều kiện thí nghiệm ruộng cấy vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng đến tháng 4) vụ mùa (từ tháng đến tháng 10) Los Banos (Philipin) từ năm 1994 – 1997, với khí hậu nhiệt độ ẩm ấm, lượng mưa trung bình năm 2027mm, nhiệt độ cao 30,600C (tháng 5) thấp 23,200C (tháng 2), đất sét nhẹ, pH = 6,60, hàm lượng cacbon hữu 1,2%, đạm tổng số 0,138%, ruộng đại trà tưới ngập thường xuyên bón phân đạm, lượng CH4 phát thải dao động khoảng từ - 634 kg/ha/vụ (vụ xuân), từ - 602 kg/ha/vụ (vụ mùa) [6] Như chế độ nước phân bón có ảnh hưởng trực tiếp đến phát thải CH4 Phân bón hr (hữu cơ) nguồn sinh CH4 Chế độ nước tạo môi trường hình thành CH4, liên quan chặt chẽ tới chế độ khí đất Khi ngập nước, hệ thống mao quản đất bị chiếm chỗ, làm lượng không khí O2 (chất oxy hóa) ít, tạo nên môi trường yếm khí (khử), diễn trình phân hủy hợp chất hữu thành CH4 [7] Sự phát thải CH4 đất lúa ngập nước ảnh hưởng chế độ nước mặt ruộng, chế độ bón phân đến phát thải CH4 nghiên cứu rộng rãi nhiều nước giới Trong Chương trình nghiên cứu liên vùng phát thải khí mêtan ruộng lúa Châu Á Quỹ môi trường toàn cầu tài trợ, Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) phối hợp với Viện nghiên cứu Môi trường khí (Cộng hòa liên bang Đức) Viện nghiên cứu nông nghiệp nước Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesi, Thái Lan Philippin tiến hành thí nghiệm phát thải CH4 ruộng từ năm 1993÷1999 , địa điểm đại diện vè hệ sinh thái nông nghiệp chế độ quản lý nước mặt ruộng vùng [7] 1.1.1.4 Ảnh hưởng yếu tố khác đến phát thải Methane ruộng lúa 16 a- Ảnh hưởng tính chất lý – hóa học đến phát thải CH4 Theo IRRI, 1992, liên quan trình phát thải CH4 với Eh, pH nhiệt độ sau: - Sự phát thải CH4 đất nhìn chung dao động khoảng ÷1.200 mg/m2/ngày Sự phát thải nhiều hay phụ thuộc vào điều kiện cụ thể - Độ pH mối liên hệ với phát thải CH4 Mặt khác suốt chu kỳ ngập nước thời gian sinh dưỡng lúa, độ pH biến đổi dao động khoảng 6÷7 - Giá trị Eh có tương quan với phát thải CH4 Khi Eh giảm phát thải CH4 xảy mạnh [7] Thành phần học đất có liên quan đến phát thải CH4 Ở điều kiện đất cát CH4 phát thải lớn đất sét đất cát có hệ thống mao quản lớn nên dễ dẫn thoát chất khí đất Một tính chất liên quan chặt chẽ đến phát thải CH4 đất hàm lượng chất hữu nhiều tác giả khẳng định: đất giàu chất hữu CH4 phát thải lớn Vì chất hữu sản phẩm ban đầu để sinh CH4 [7] b- Ảnh hưởng trồng lúa mùa vụ đến phát thải CH4 Theo TanakaA TananoT (1970), đất trồng lúa, đặc biệt giai đoạn lúa phát triển mạnh (thời kỳ đẻ nhánh đến làm đòng) Eh tăng so với đất không trồng lúa Nguyên nhân tác giả giải thích O2 qua lá, thân rễ Oxy xâm nhập vào đất làm tăng lượng chất oxy hóa làm giảm nồng độ chất khử (khử Fe++) Nếu đất giàu sắt dạng khử tượng dẫn đến làm nghẹt rễ lúa [7] Kết nghiên cứu Văn Huy Hải (1986) tương tự nhận định Tuy nhiên theo tác giả tượng gặp đất không làm ải kỹ Nếu đất làm ải kỹ (phơi thật khô) trồng lúa làm oxy hóa – khử thấp so với đất không trồng lúa Nguyên nhân tác giả giải thích làm ải kỹ phát triển rễ lúa mạnh, trình tiết chất hữu (quá trình exudation) diễn 17 ... “Ứng dụng liệu MODIS mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước đồng sông Hồng Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá phát thải khí Methane CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước. .. theo mô hình DNDC đồng sông Hồng Chương 3: Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước đồng sông Hồng CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC... HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phan Văn Trọng SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ HOẠT ĐỘNG CANH TÁC LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG Chuyên nghành: Bản đồ - Viễn