Nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính (CH4, n2o) trong môi trường đất lúa lưu vực sông vu gia – thu bồn, tỉnh quảng nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ NGÔ ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH (CH4, N2O) TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH (CH4, N2O) TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62 44 03 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải PGS.TS Mai Văn Trịnh Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực từ đề tài nghiên cứu của tôi Một số kết quả đã được tôi công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phù hợp với các quy định hiện hành Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng minh và so sánh từ các nguồn khác đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn theo đúng quy định Việc sử dụng các nguồn thông tin, số liệu trích dẫn này chỉ phục vụ cho mục đích nghiên cứu và học thuật Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan và các kết quả nghiên cứu trong luận án này Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2018 Nghiên cứu sinh Ngô Đức Minh i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ về nhiều mặt của các cấp lãnh đạo, các tập thể và cá nhân Trước hết, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc và chân thành nhất tới PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải (Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội), PGS.TS Mai Văn Trịnh (Viện Môi trường Nông nghiệp), TS Reiner Wassmann (Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế - IRRI), các Thầy hướng dẫn khoa học đã hết lòng định hướng, chỉ dẫn tôi trong suốt quá trình xây dựng đề cương, triển khai nghiên cứu và hoàn thành luận án này Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Quốc Gia Hà Nội, Ban giám hiệu Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Phòng Đào tạo Sau đại học, các thầy/cô giáo Khoa Môi trường, Bộ Môn Công nghệ Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án tại Trường Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại IRRI, GS.TS Trần Đăng Hòa và các cán bộ/sinh viên khoa Nông học - Đại học Nông lâm Huế, lãnh đạo và nông dân các địa phương của tỉnh Quảng Nam đã nhiệt tình cộng tác, hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu đồng ruộng và trong phòng thí nghiệm Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn đến lãnh đạo và đồng nghiệp tại Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp tại các cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho đề tài nghiên cứu và hoàn thiện luận án Cuối cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng con nên người; người thân hai bên gia đình và đặc biệt là vợ và 2 con gái yêu quý đã luôn ở bên động viên và khích lệ về mọi mặt để tôi nỗ lực hoàn thành luận án này Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ hợp phần WT4 (do IRRI chủ trì), thuộc dự án “Quan hệ tương tác giữa biến đổi khí hậu và sử dụng đất ở miền Trung, Việt Nam - LUCCi” được tài trợ bởi Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Cộng hoà Liên bang Đức Tôi xin trân trọng cảm ơn./ Hà Nội, ngày… tháng 12 năm 2018 Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC .iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1 2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3 2.2 Nội dung nghiên cứu 4 3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 5 3.1 Ý nghĩa khoa học 5 3.2 Ý nghĩa thực tiễn 5 4 Đóng góp mới của luận án: 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 7 1.1 Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu 7 1.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam .10 1.2.1 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới 10 1.2.2 Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp tại Việt Nam .13 1.3 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới và ở Việt Nam .16 1.3.1 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới 16 1.3.2 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa tại Việt Nam 19 1.4 Cơ chế hình thành và phát thải khí CH4 và N2O trong môi trường đất lúa ngập nước 25 1.4.1 Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH4 25 1.4.2 Cơ chế hình thành và giải phóng khí N2O 28 1.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 và N2O từ đất lúa 31 1.5.1 Biện pháp canh tác 32 1.5.5 Tính chất đất 35 iii 1.6 Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa .43 1.6.1 Ứng dụng mô hình hóa trong tính toán phát thải KNK từ canh tác lúa trên thế giới 43 1.6.2 Ứng dụng mô hình DNDC trong ước lượng phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam 45 1.7 Nhận xét chung rút ra từ tổng quan nghiên cứu 48 CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 50 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 50 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 50 2.2 Phương pháp nghiên cứu: 50 2.2.1 Phương pháp thu thập thông tin và điều tra nông hộ: 50 2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 52 2.3.3 Phương pháp mô hình hoá 59 2.3.4 Hệ thống thông tin địa lý và kĩ thuật bản đồ 64 2.3.5 Phương pháp kiểm soát/hạn chế độ không chắc chắn của mô hình .67 2.3.6 Phương pháp xử lý thống kê 68 2.4 Đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu 68 2.4.1 Địa hình, địa mạo 68 2.4.2 Khí hậu và thủy văn 69 2.4.3 Tài nguyên đất 71 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .73 3.1 Đặc điểm canh tác lúa vùng nghiên cứu 73 3.1.1 Hiện trạng sản xuất lúa vùng nghiên cứu 73 3.1.2 Đặc điểm môi trường đất lúa điểm thí nghiệm 79 3.2 Kiểm định khả năng áp dụng mô hình DNDC để tính toán phát thải KNK của mô hình DNDC 86 3.2.1 Phát thải khí CH4 86 3.2.2 Phát thải khí N2O 100 3.2.3 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đối với kết quả đầu ra của mô hình 114 iv 3.3 Ứng dụng mô hình DNDC tính toán phát thải CH 4 và N2O quy mô vùng 121 3.3.1 Tính toán phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 121 3.3.2 Bản đồ phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 129 3.3.3 Bản đồ tổng lượng phát thải CH4, N2O và GWP quy mô vùng 136 3.4 Đề xuất hệ số phát thải trong tính toán kiểm kê KNK và lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm nước cho vùng nghiên cứu 144 3.4.1 Đề xuất hệ số phát thải CH4 sử dụng trong tính toán kiểm kê KNK theo phương pháp bậc 2 (Tier 2) cho vùng nghiên cứu .144 3.4.2 Đề xuất lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm cho vùng nghiên cứu 146 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148 1 Kết luận 148 2 Kiến nghị 149 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 151 v 3G-3T 1P-5G 1RN 2RN 3RN AP AWD BAU : : : : : : : : CO2tđ DAP DNDC DOC ĐX EF EFi Eh FAO : : DiAmmonium Pho : DeNitrification-De : Dissolve Organic C : GIS GWP HT IFA IPCC : : : : : IRRI KNK LCC NSS RN RMSE SFw SFi : : : : : : : : 1 phải-5 giảm Rút nước 1 lần giữ Rút nước 2 lần giữ Rút nước 3 lần giữ Active Promotion ( Alternate Wetting - : Emission Factor (H : Điện thế ôxy hóa k : Food and Agricultu vi Geographic Inform Global Warming P International Fertil The Intergovernme International Rice Leaf Color Chart (T Root mean square Scaling Factor (Hệ SRI SOC/OC Tier 1 Tier 2 Tier 3 TN TTK TPCG UNFCCC : : : : : : : : : US EPA : United S VSV VG-TB WMO : : : vii System Soil Org Phương Phương Phương Tưới ng Thành p United N DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số đặc trưng của các KNK chính 8 Bảng 1.2: Giá trị tiềm năng gây ấm lên toàn cầu (GWP) của các KNK chính 9 Bảng 1.3: Dự tính phát thải KNK trong lĩnh vực nông nghiệp (1000 tấn CO2tđ) 15 Bảng 1.4: Phát thải KNK năm 2013 trong lĩnh vực nông nghiệp 15 Bảng 1.5: Diện tích canh tác lúa của Việt Nam năm 2013 (1000 ha) 19 Bảng 1.6: Diện tích lúa ngập nước thường xuyên và ngập gián đoạn năm 2013 20 \Bảng 1.7: Phát thải KNK từ canh tác lúa tại Việt Nam năm 2013 21 Bảng 1.8: Các phản ứng khử trong các khoảng giá trị Eh .26 Bảng 1.9: Động thái các chất trong đất theo mức giảm điện thế 37 Bảng 2.1: Một số thông tin chung về 2 điểm thí nghiệm đồng ruộng 53 Bảng 2.2: Phương pháp lấy mẫu và phân tích đất trước thí nghiệm 56 Bảng 2.3: Các tính chất đất sử dụng để tính toán phát thải tối đa và tối thiểu .67 Bảng 3.1: Chuyển đổi lịch canh tác lúa ở Quảng Nam 76 Bảng 3.2: Lượng phân vô cơ bón cho lúa ở Quảng Nam (kg/ha) 76 Bảng 3.3: Mức bón phân cho lúa theo khuyến cáo (kg/ha) 77 Bảng 3.4: Các phương thức sử dụng rơm rạ ở Quảng Nam 78 Bảng 3.5: Lý do nông dân chọn giống lúa 79 Bảng 3.6: Một số tính chất đất lúa (tầng 0-20 cm) tại điểm thí nghiệm 80 Bảng 3.7: Tương quan giữa cường độ phát thải CH4 với Eh và pH đất 93 Bảng 3.8: Phân tích thống kê tương quan giữa số liệu phát thải CH4 tính toán bằng mô hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 94 Bảng 3.9: Tổng phát thải CH4 tích lũy theo vụ tại các điểm thí nghiệm 97 Bảng 3.10: Tổng phát thải CH4 theo vụ được đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng và ước lượng/tính toán bằng mô hình (kg CH4/ha/vụ) 99 Bảng 3.11: Tương quan giữa cường độ phát thải N2O với Eh và pH đất .107 Bảng 3.12: Phân tích thống kê tương quan giữa số liệu phát thải N2O tính toán bằng mô hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 108 Bảng 3.13: Tổng phát thải N2O tích lũy theo vụ tại các điểm thí nghiệm 111 Bảng 3.14: Tổng phát thải N2O theo vụ được đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng và ước lượng/tính toán bằng mô hình (kg N2O/ha/vụ) 113 Bảng 3.15: Các kịch bản đánh giá mức độ nhạy cảm của các yếu tố đầu vào mô hình áp dụng cho hệ canh tác lúa có tưới 114 viii Bảng 15: Chú giải một số thuật ngữ chuyên ngành Thuật ngữ Tưới khô ướt xen kẽ/tưới nông lộ phơi/Tưới tiết kiệm Tưới ngập nước thường xuyên Tưới ngập nước gián đoạn – cạn nước một lần Ngập nước gián đoạn- cạn nước nhiều lần Tưới chủ động Tưới nhờ nước trời 9 8 Frequency 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 Frequency 5 1 5 4 3 2 1 0 8 7 Frequency 6 5 4 1 5 3 2 1 0 8 7 Frequency 6 5 4 3 2 1 0 1 5 ừ thí ng hiệ m đồ ng ru ộn g H ì n h 1 : P h â n b ố t h ố n g k ê s ố l i ệ u p h á t t h ả i C H 4 t Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O 8 9 Điểm thí nghiệm 1-TN-MB1 Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB1 8 7 Frequency 6 5 4 3 2 1 0 1 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 More Bin 0 0.001 8 0.005 0.01 0.015 More Bin 0.02 0.025 0.03 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O 8 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 1-TN-MB2 Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB2 7 5 4 3 42 31 20 1 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 More Bin Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O 0 8 Frequency Frequency 76 65 Điểm thí nghiệm 2-TNMB1 7 5 4 0 2 1 0 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 More Bin 4 3 2 1 0 5 6 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 More Bin 3 6 7 1 4 7 8 Điểm thí nghiệm 2TTK-MB1 2 5 8 9 3 6 9 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Hình 2: Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O từ thí nghiệm đồng ruộng Hình 3: Giao diện trang chính phần mềm ACCESS quản lý dữ liệu điều tra Hình 4: Thông tin chi tiết về dữ liệu điều tra được nhập Hình 5: Trích xuất dữ liệu điều tra ra excel Hình 6: Số liệu phân tích khí trong phòng thí nghiệm Hình 7: Nhập dữ liệu khí tượng vào mô hình DNDC Hình 8: File số liệu khí tượng Hình 9: Nhập dữ liệu về đất vào mô hình DNDC Hình 10: Nhập dữ liệu về canh tác vào mô hình DNDC Hình 11: Nhập dữ liệu về thời vụ và phân bón DNDC Hình 12: Chạy mô hình Hình 13: Lưu file số liệu đầu vào để chạy mô hình Hình 14: Nhập dữ liệu đầu vào chế độ vùng Hình 15: Số liệu về tính chất đất Hình 16: Dữ liệu quy trình canh tác lúa tại điểm thí nghiệm phát thải KNK Hình 17: Số liệu tổng hợp/kết quả đầu ra từ mô hình DNDC Hình 18: Số liệu nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất, mực nước ruộng quan trắc khi lấy mẫu khí tại các điểm thí nghiệm PHỤ LỤC 2 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRIỂN KHAI NGHIÊN CỨU Hình 19: Bố trí thí nghiệm và thiết bị quan trắc mẫu và đo mực nước ruộng Hình 20: Lấy mẫu khí ngoài đồng và phân tích khí trong phòng TN ... QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG SỰ PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH (CH4, N2O) TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG... khí nhà kính) , nghiên cứu sinh tiến hành đề tài: ? ?Nghiên cứu mơ phát thải khí nhà kính (CH4, N2O) mơi trường đất lúa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam? ?? Mục tiêu nội dung nghiên cứu. .. thải khí nhà kính nơng nghiệp Việt Nam .13 1.3 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa giới Việt Nam .16 1.3.1 Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa giới 16 1.3.2 Phát thải khí nhà kính