Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, điều kiện hảo khí và yếm khí đến khả năng phát thải khí CH4 và CO2 từ vật liệu hữu cơ trong đất

Vật liệu hữu cơ trong đất (than bùn) có hàm lượng các bon hữu cơ 58% được sử dụng để nghiên cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm về ảnh hưởng của nhiệt độ, điều kiện hảo khí và yếm khí đến khả năng phát thải khí CH4 và CO2.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 Lê Thị Nhung, 2001 Nghiên cứu nhóm sâu chích hút hại chè vai trị thiên địch việc hạn chế số lượng chúng vùng Phú Thọ Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp, Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam Nguyễn Văn Thiệp, 1998 Góp phần nghiên cứu thành phần sâu hại chè số yếu tố sinh thái ảnh hưởng tới biến động số lượng số loài chủ yếu Phú Hộ, Tuyển tập cơng trình nghiên cứu chè (1988 - 1997) Nhà xuất Nông nghiệp Hà Nội Mkwaila B., 1982 Occurrence of tea thrips: A review Quarterly Newsletter Tea Research Foundation (Central Africa), 66: 7-11 Muraleedharan N., 1992 Pest control in Asia In Tea: Cultivation to Consumption,  Wilson K.C and Clifford M.N (edited by N Muraleedharan), Chapmann & Hall, London, pp 375-412 Lehmann-Danzinger H., 2000 Diseases and Pests of Tea: Overview and Possibilities of Integrated Pest and Disease Management Journal of Agriculture in the Tropics and Subtropics, 101: 13-38 Souza H.N., de Goede R.G., Brussaard L., Cardoso I.M., Duarte E.M., Fernandes R.B.A., Pulleman M.M., 2012 Protective shade, tree diversity and soil properties in coffee agroforestry systems in the Atlantic rainforest biome Agriculture, Ecosystems & Environment, 146: 179-196 Effects of shading trees on the population of some main pests on tea in Phu Tho province Vu Ngoc Tu, Nguyen Van Toan, Le Tat Khuong Abstract Many plant species are identified as multipurpose intercropping trees on tea field, such as providing shade, preserving soil moisture and temperature, preventing soil erosion, and weed management In the study, Indigofera teysmannii was used as shading trees in the tea field with the density of 250 trees per hectare This cropping practice reduced the population of leafhopper, thrips, and red mite on the tea field The tested species also influenced the physical composition of tea bud materials, which increased the weight of the 1st leaf, 2nd leaf, and 3rd leaf by 1.52%, 2.63%, and 2.29%, respectively, compared to the control of no shading trees The tea bud density in the intercropping field was also improved, reached to 1756.5 bud/m2, resulting to an increased yield of 7.07% Keywords: Indigofera zollingeriana, leafhopper, mosquito thrips, red mite, shade-bearing tree, thrips Ngày nhận bài: 14/11/2018 Ngày phản biện: 19/11/2018 Người phản biện: TS Nguyễn Văn Thiệp Ngày duyệt đăng: 10/12/2018 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ, ĐIỀU KIỆN HẢO KHÍ VÀ YẾM KHÍ ĐẾN KHẢ NĂNG PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ CO2 TỪ VẬT LIỆU HỮU CƠ TRONG ĐẤT Đỗ Duy Phái1, Stephen Boult2 TÓM TẮT Vật liệu hữu đất (than bùn) có hàm lượng bon hữu 58% sử dụng để nghiên cứu điều kiện phịng thí nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 Kết thí nghiệm cho thấy, thay đổi nhiệt độ, nồng độ ôxy ảnh hưởng trực tiếp đến lượng khí CH4 CO2 phát thải Trong điều kiện yếm khí nhiệt độ 10oC lượng khí CH4 phát thải 46,11 ± 1,47 mMol/tấn/ngày CO2 phát thải 45,56 ± 10,19 mMol/tấn/ngày Giữ nguyên điều kiện yếm khí tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC), tốc độ phát thải khí CH4 tăng nhanh so với CO2, lượng khí phát thải tương ứng CH4 (77,69 mMol/ tấn/ngày) CO2 (62,16 mMol/tấn/ngày) Chuyển từ môi trường yếm khí sang mơi trường hảo khí tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC), khơng phát khí CH4 phát thải, lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp lần đạt 404,41 mMol/tấn/ngày Chuyển từ mơi trường yếm khí sang mơi trường hảo khí, tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC) cho đất than bùn bão hịa nước khơng phát khí CH4 phát thải lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp 172 lần đạt 7841,85 mMol/tấn/ngày Từ khóa: Đất than bùn, nhiệt độ, mơi trường yếm khí, mơi trường hảo khí, phát thải khí CH4, phát thải khí CO2 Phịng Phân tích Trung tâm - Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa School of Earth and Environmental Sciences - The University of Manchester, UK 87 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 I ĐẶT VẤN ĐỀ Các bon (C) nguyên tố phổ biến thứ vũ trụ khối lượng sau hydro, heli ơxy Thơng qua vịng tuần hồn C tự nhiên mà C có mặt gần 10 triệu hợp chất hóa học khác C đóng vai trị quan trọng việc trì nhiệt độ bề mặt trái đất khoảng 15oC thơng qua khí nhà kính như: CH4 CO2, cịn khơng có khí nhà kính nhiệt độ bề mặt trái đất –18oC (Mitchell, 1989) Chính C thành phần thiết yếu cho sống khơng có C sống tồn Hệ sinh thái trồng cạn có chứa khoảng 2.200 Pg bon (IPCC, 1990) Nguồn cung cấp bon hữu cho hệ sinh thái chủ yếu từ sinh khối thực vật, xác động vật vi sinh vật Đất nơi lưu trữ C hữu nhiều nhất, thơng thường hữu đất (SOM) có hàm lượng C hữu từ 12 - 20% phân bố chủ yếu độ sâu tầng đất - 80 cm (Chadwick and Graham, 1999), hàm lượng C hữu đất than bùn chứa tới 60% (Baldock and Nelson, 1999) Đất than bùn vật liệu giầu C hữu cơ, nguồn vật liệu quan trọng tham gia chu trình C Theo kịch dự báo biến đổi khí hậu gần cho biết nhiệt độ toàn cầu tăng lên khoảng 3,5 - 5oC cuối kỷ (Hulme et al., 2002) Cùng với nhiệt độ gia tăng tượng thời tiết cực đoan hạn hán (đất bị khơ kiệt), mưa nhiều (đất bị bão hịa nước) mực nước ngầm thay đổi dẫn đến thay đổi nồng độ ơxy (điều kiện hảo khí yếm khí) đất xảy tiểu vùng khí hậu khác Vật liệu hữu đất đối tượng bị tác động trực tiếp tượng Các vùng đất có hàm lượng C hữu cao gia tăng phát thải khí nhà kính làm cho mơi trường trở lên nóng ngột ngạt hơn, vùng đất có hàm lượng C hữu thấp làm cho đất bị thối hóa nhanh chóng hàm lượng C hữu bị suy giảm nhanh chóng Để có sở khoa học phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất tác động biến đổi khí hậu Nghiên cứu thực nhằm xác định ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất điều kiện phịng thí nghiệm (Ex-situ) II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Mẫu đất than bùn có hàm lượng bon hữu 88 tổng số 58% lấy lặp lại lần m2 độ sâu - 50 cm; 50 - 100 cm, 150 - 200 cm khoan chuyên dụng (Eijkelkamp Ltd, the Netherlands) Mẫu đất nghiên cứu lấy lưu vực Crowden Great Brook, Manchester, Vương Quốc Anh (Hình 1A) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Thí nghiệm điều kiện yếm khí: Lấy khoảng 0,6 kg mẫu đất than bùn mục 2.1 cho vào bình hơ hấp tích lít đóng kín nắp đậy, nắp đậy có van khóa để đo nồng độ khí CH4, CO2 O2 (Hình 1C) Tạo mơi trường yếm khí bên bình hơ hấp cách cho khí N2 thổi qua van nắp bình hơ hấp vào bình mở khóa van cịn lại để đẩy khí O2 ngồi, q trình dừng lại kiểm tra khơng cịn khí O2 bình máy đo khí GasClam Thí nghiệm điều kiện hảo khí: Lấy khoảng 0,6 kg mẫu đất than bùn mục 2.1 cho vào bình hơ hấp tích lít đóng kín nắp đậy, nắp đậy có van khóa để đo nồng độ khí CH4, CO2 O2 (Hình 1C) Tạo mơi trường hảo khí bên bình hơ hấp cách cho khí O2 thổi qua van nắp bình hơ hấp vào bình để trì nồng độ khí O2 bình ln đạt 19 - 20%, việc kiểm tra nồng độ khí thực máy đo khí GasClam Thí nghiệm điều kiện hảo khí bão hịa nước: Sử dụng 200 g đất than bùn mục 2.1 cho vào bình OxiTop (WTW Ltd, Germany) (Hình 1B), sau thêm 200 ml nước cất cho đũa khuấy từ vào bình đảm bảo đất than bùn bình ln bão hịa nước Tạo mơi trường hảo khí bên bình hơ hấp cách cho khí O2 thổi qua van bình hơ hấp vào bình để trì nồng độ khí O2 bình ln đạt 19 - 20%, việc kiểm tra nồng độ khí thực máy đo khí GasClam Bình OxiTop sau đặt khay từ để tương tác với đũa từ bình làm cho đũa từ tự động khuấy dung dịch bên liên tục tạo điều kiện tối đa cho vật liệu hữu tiếp xúc với ơxy nước Các bình hơ hấp đặt tủ hấp điều chỉnh nhiệt độ 10oC ± 0,1 15oC ± 0,1 Nồng độ khí CO2, CH4 O2 bình hơ hấp đo liên tục máy GasClam công ty Ion science Ltd, UK (Hình 1D) Giới hạn phát cảm biến tia hồng ngoại đo khí CO2, CH4 O2 0,0001% tính theo thể tích mẫu khí lần đo Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 Hình Thiết bị nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 A: Bình hơ hấp, khoan chun dụng hố khoan B: Bình hơ hấp chun dụng OxiTop điều kiện hảo khí bão hịa nước C: Bình hơ hấp hảo khí, yếm khí D: Máy đo tự động khí CH4, CO2 O2 2.3 Thời gian địa điểm nghiên cứu Thí nghiệm thực từ tháng năm 2010 đến tháng năm 2012 phịng thí nghiệm địa hóa mơi trường thuộc trường Đại học Manchester, Vương quốc Anh, Oxford Road Manchester, M13 9PL, United Kingdom III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất thể đồ thị Hình Trong báo sử dụng đơn vị đo lượng khí phát thải mol/ton; mol CO2 = 44 g mol CH4 = 16 g Trải qua 309 ngày hơ hấp điều kiện yếm khí nhiệt độ 10oC, lượng khí CH4 phát thải mẫu đất tầng - 50 cm 14,25 ± 0,18 mol/tấn, lượng khí CO2 phát thải 14,08 ± 1,48 mol/tấn (lượng khí phát thải tính mol/tấn đất than bùn khơ) Kết thí nghiệm phù hợp với số liệu thí nghiệm Krumholz cộng tác viên (1995) Lượng khí CH4 CO2 phát thải từ mẫu đất tầng - 50 cm cao so với tầng đất độ sâu 50 - 100 cm 150 - 200 cm (Hình 2A) Lượng khí CH4 CO2 mẫu đất tầng - 50 cm phát thải nhiều tầng đất 50 - 100 cm 150 - 200 cm tầng đất - 50 cm có chứa nhiều vật liệu hữu cịn tươi có nguồn gốc từ rễ, thân thực vật xác loài sinh vật tầng sâu, điều kiện hô hấp vật liệu hữu rễ bị phân hủy giải phóng khí CH4 CO2 Duy trì mơi trường yếm khí tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC) lượng khí CH4 phát thải tăng lên 25,67 mol/tấn, lượng CO2 phát thải tăng khơng đáng kể đạt 20,67 mol/tấn (Hình 2B) Tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC) đồng thời tăng nồng độ oxy từ 0% lên tới 20 ± 0,5% (mơi trường hảo khí), kết thí nghiệm cho thấy khơng phát lượng khí CH4 phát thải, lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp lần (đạt 134 mol/tấn) (Hình 2C) Tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC), trì nồng độ oxy 20 ± 0,5% cho mẫu đất than bùn bão hịa nước, kết thí nghiệm cho thấy khơng phát lượng khí CH4 phát thải lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp 73 lần (đạt 1.237 mol/tấn) 142 ngày thí nghiệm (Hình 2D) 89 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất điều kiện phịng thí nghiệm A Trong mơi trường yếm khí, nhiệt độ 10oC; B Trong mơi trường yếm khí, nhiệt độ 15oC; C Trong mơi trường hảo khí, nhiệt độ 15oC; D Trong mơi trường hảo khí bão hịa nước, nhiệt độ 15oC Trong nghiên cứu này, sử dụng thang nhiệt độ tăng 5oC dựa kết nghiên cứu mơ hình dự báo gần biến đổi khí hậu, mức nhiệt độ tăng đối đa vào cuối kỷ 5oC, vào mà thí nghiệm mơ gia tăng nhiệt độ lên 5oC Khi tăng nhiệt độ lượng khí CH4 CO2 phát thải gia tăng Tuy nhiên, tỷ lệ phát thải khí CH4 cao nhiều so với CO2 mơi trường yếm khí vi sinh vật Methanogens phân 90 giải vật liệu hữu để tạo khí CH4 hoạt động mạnh nhiệt độ ≥ 15oC Trong điều kiện hảo khí, vi sinh vật Methanogens giảm hoạt động phát thải khí CH4 có phát thải lượng khí CH4 sinh bị oxy hóa để tạo khí CO2 theo phương trình phản ứng: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O Hiện tượng làm sáng tỏ tầm quan trọng kỹ thuật tưới nước xen kẽ canh tác lúa nước có tác dụng làm giảm lượng khí CH4 phát thải, làm lợi Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 12(97)/2018 cho môi trường mức độ gây hiệu ứng nhà kính khí CH4 cao gấp 22 lần khí CO2 Đất than bùn điều kiện khơng bão hịa nước, hạt đất kết dính với làm giảm khả tiếp xúc khí oxy với vật liệu hữu Trong điều kiện bão hòa nước, hạt đất bị phân tán tạo điều kiện cho phân tử oxy tan nước ơxy hóa vật liệu hữu dẫn đến làm gia tăng lượng khí CO2 phát thải Trong canh tác lúa nay, việc chuẩn bị đất để cấy gieo xạ làm theo phương pháp cho đất bão hòa nước để chuyển lớp đất bề mặt - 20 cm thành dạng bùn lỏng Cơng đoạn làm gia tăng qúa trình oxy hóa vật liệu hữu giai đoạn làm đất, trình kéo dài làm phát thải lượng đáng kể khí nhà kính giai đoạn làm đất Điều giải đáp phần suy giảm hàm lượng hữu đất trồng lúa qua vụ canh tác lúa lượng lớn sinh khối để lại đồng ruộng hàm lượng hữu đất trồng lúa mức thấp IV KẾT LUẬN Đất than bùn có hàm lượng C 58% hô hấp điều kiện yếm khí nhiệt độ 10oC, lượng khí nhà kính phát thải CH4 (46,11 ± 1,47 mMol/tấn/ ngày) CO2 (45,56 ± 10,19 mMol/tấn/ngày) Vẫn giữ ngun mơi trường yếm khí tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC), tốc độ phát thải khí CH4 tăng nhanh so với CO2, lượng khí phát thải tương ứng CH4 (77,69 mMol/tấn/ngày) CO2 (62,16 mMol/tấn/ngày) Chuyển từ môi trường yếm khí sang mơi trường hảo khí tăng nhiệt độ thêm 5oC (từ 10oC lên 15oC), khơng phát khí CH4 phát thải, lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp lần đạt 404,41 mMol/tấn/ngày Chuyển từ mơi trường yếm khí sang mơi trường hảo khí, tăng nhiệt độ thêm 5oC cho đất than bùn bão hịa nước khơng phát khí CH4 phát thải lượng khí CO2 phát thải tăng lên gấp 172 lần đạt 7841,85 mMol/tấn/ngày TÀI LIỆU THAM KHẢO Baldock, J.A., Nelson, P.N., 1999 Soil Organic Matter In: M.E Sumner (Ed.), Handbook of Soil Science (Ed by M.E Sumner), pp B25-B84 CRC Press, Baca Raton, London, New York, Washington, D C Chadwick, O.A., Graham, R.C., 1999 Pedogenic Processes In: M.E Sumner (Ed.), Handbook of Soil Science (Ed by M.E Sumner), pp E41-E75 CRC Press, Baca Raton, London, New York, Washington, D C Hulme, M., Jenkins, G.J., Lu, X., Turnpenny, J.R., Mitchell, T.D., Jones, R.G., Lowe, J., Murphy, J.M., Hassell, D., Boorman, P., McDonald, R., Hill, S., 2002 Climate Change Scenarios for the United Kingdom: The UKCIP02 Scientific Report, pp 120 Tyndall Centre for Climate Change Research, School of Environmental Sciences, University of East Anglia: Norwich, UK IPCC, 1990 Climate change (Ed by J.T Houfhton, G.J Jenkins, J.J Ephraums) Cambridge, University Press, Cambridge Krumholz, L.R., Hollenback, J.L., Roskesa, S.J., Ringelberg, D.B., 1995 Methanogenesis and methanotrophy within a Sphagnum peatland FEMS Microbiology Ecology, 18, 215-224 Mitchell, J.F.B., 1989 The “Greenhouse” effect and climate change Reviews of Geophysics, 27, 115-139 Impact of temperature, aerobic and anaerobic conditions on release potential of CH4 and CO2 gases from soil organic matter Do Duy Phai, Stephen Boult Abstract The peat sample with 58% of total organic carbon was used to evaluate affect of different environmental conditions such as temperature, aerobic and anaerobic on release CH4 and CO2 gases from soil organic matter The experiment results indicated that maximum emission rate of CH4 was 46.11 ± 1.47 mMol t-1 day-1 and of CO2 was 45.56 ± 10.19 mMol t-1 day-1 in anaerobic condition at 10oC Subsequent to changing the temperature from 10oC to 15oC of the experiment, under anaerobic conditions, it appeared that the temperature increase may not have much altered CO2 production but CH4 production has increased, production rates of both CH4 and CO2 were 77.69 mMol t-1 day-1 and 62.16 mMol t-1 day-1, respectively Changing the temperature from 10oC to 15oC and from anaerobic to aerobic conditions, CO2 production rate increased approximately times (404.41 mMol t-1 day-1) whilst CH4 production stopped Measurement of aerobic condition, gas production in peat slurry showed CO2 production rate increased 40 times (7,841.85 mMol t-1 day-1) Keywords: Ex-situ, peat soil, temperature, aerobic, anaerobic, CH4, CO2 Ngày nhận bài: 23/9/2018 Ngày phản biện: 13/10/2018 Người phản biện: PGS.TS Mai Xuân Trịnh Ngày duyệt đăng: 10/12/2018 91 ... phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất tác động biến đổi khí hậu Nghiên cứu thực nhằm xác định ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất điều. .. Hình Ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất điều kiện phòng thí nghiệm A Trong mơi trường yếm khí, nhiệt độ 10oC; B Trong mơi trường yếm khí, ... QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, điều kiện hảo khí yếm khí đến khả phát thải khí CH4 CO2 từ vật liệu hữu đất thể đồ thị Hình Trong báo sử dụng đơn vị đo lượng khí phát thải