Sử dụng mô hình DNDC và hệ thống thông tin địa lý tính toán phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa nước tại tỉnh nam định

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC NGUYỄN TIẾN SỸ SỬ DỤNG MƠ HÌNH DNDC VÀ HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG CANH TÁC LÚA NƢỚC TẠI TỈNH NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC SỬ DỤNG MƠ HÌNH DNDC VÀ HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG CANH TÁC LÚA NƢỚC TẠI TỈNH NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số: Chƣơng trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Mai Văn Trịnh HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Sử dụng mơ hình DNDC hệ thống thơng tin địa lý tính tốn phát thải khí nhà kính canh tác lúa nƣớc tỉnh Nam Định” cơng trình nghiên cứu cá nhân thực dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Mai Văn Trịnh, không chép từ cơng trình nghiên cứu ngƣời khác Số liệu kết luận văn chƣa đƣợc công bố cơng trình khoa học khác Các thông tin thứ cấp sử dụng luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đƣợc trích dẫn đầy đủ, trung thực quy cách Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực ngun luận văn./ Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Sỹ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Mai Văn Trịnh định hƣớng nghiên cứu phƣơng pháp luận cho tơi suốt q trình thực nghiên cứu Luận văn thạc sĩ Trong trình đƣợc nghiên cứu, học tập Khoa sau Đại học, Đại học Quốc gia Hà Nội, tơi có hội đƣợc tiếp thu kiến thức chun sâu biến đổi khí hậu qua giúp tơi có đủ kiến thức chun mơn nhƣ kinh nghiệm suốt trình học tập, tạo cho niềm say mê nghiên cứu khoa học, phục vụ hiệu cho trình nghiên cứu, thực hồn thành Luận văn thạc sĩ thân Tơi xin trân trọng cảm ơn thầy, cô giáo đồng chí Lãnh đạo với cán Khoa sau Đại học, Đại học Quốc gia Hà Nội tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi điều kiện trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn đồng chí Lãnh đạo cán của: Cục Khí tƣợng Thủy văn Biến đổi khí hậu; Trung tâm Khí tƣợng thủy văn quốc gia; Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Tổng cục Quản lý đất đai (Bộ Tài nguyên Môi trƣờng); Viện Môi trƣờng Nông nghiệp (Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn) cung cấp thơng tin, tài liệu tận tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Trân trọng cảm ơn quan tâm bạn bè, đồng nghiệp gia đình ln sát cánh, động viên, giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn./ Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Sỹ MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH VẼ .iv DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Biến đổi khí hậu 1.1.1 Khái niệm biến đổi khí hậu 1.1.2 Nguyên nhân biến đổi khí hậu 1.2 Biểu biến đổi khí hậu phạm vi toàn cầu 1.3 Phát thải khí nhà kính 1.4 Biến đổi khí hậu Việt Nam tỉnh Nam Định 1.4.1 Biến đổi khí hậu Việt Nam 1.4.2 Phát thải khí nhà kính Việt Nam 12 1.4.3 Biến đổi khí hậu khu vực tỉnh Nam Định .16 1.5 Phát thải khí nhà kính canh tác lúa nƣớc: 24 1.6 Các nghiên cứu phát thải KNK ruộng lúa: .28 CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Nội dung nghiên cứu 31 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 31 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 40 3.1 Bản đồ phân vùng khí hậu 40 3.2 Bản đồ đất trồng lúa 42 3.3 Bản đồ đơn vị tổ hợp điều kiện tự nhiên (Khí tƣợng – Đất – Canh tác) 45 3.4 Ứng dụng mơ hình DNDC tính tốn phát thải KNK lúa tỉnh Nam Định .48 3.4.1 Tổng hợp nhập liệu - thơng số đầu vào mơ hình .48 3.4.2 Chạy mơ hình DNDC 52 3.5 Hiệu chỉnh mơ hình 55 i 3.6 Kết mô phát thải KNK mơ hình DNDC đất trồng lúa nƣớc tỉnh Nam Định .58 3.7 Xây dựng đồ phát thải khí nhà kính 61 3.7.1 Bản đồ phát thải CH4 61 3.7.2 Bản đồ phát thải N2O 62 3.7.3 Bản đồ tổng lượng phát thải KNK (quy đổi CO2e) 63 3.7.4 Kết tính tốn lượng phát thải KNK theo đơn vị hành 64 KẾT LUẬN .69 KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 73 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Mức tăng nhiệt độ mức thay đổi lƣợng mƣa 50 năm qua vùng khí hậu Việt Nam 10 o Bảng 1.2: Mƣƣ́c tăng nhi ệt độ ( C) trung bình năm so với thời kỳ 1980-1999 theo kich phát thải trung bình (B2) 10 Bảng 1.3: Tổng hợp phát thải, hấp thụ KNK cho năm 2010 12 Bảng1.4 Phát thải KNK năm 2005 2010 lĩnh vực nông nghiệp 13 Bảng 1.5: Tổng hợp thiệt hại tác động BĐKH số trồng 15 C Bảng 1.6: Mức tăng nhiệt độ trung bình năm (0 ) so với thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch phát thải trung bình (B2) tỉnh Nam Định 19 Bảng 1.7: Mức thay đổi lƣợng mƣa so với thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch phát thải trung bình (B2) địa bàn tỉnh Nam Định 20 Bảng 1.8: Mực nƣớc biển dâng so với thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch phát thải trung bình (B2) khu vực tỉnh Nam Định 22 Bảng 1.9: Phát thải CH4 từ canh tác lúa năm 2005 2010 28 Bảng 3.1: Đặc trƣng vùng khí hậu giai đoạn 2013-2015 42 Bảng 3.2: Phân bố loại đất trồng lúa nƣớc theo huyện tỉnh Nam Định .43 Bảng 3.3: Tổng hợp tổ hợp khí hậu – đất diện tích canh tác theo huyện 46 Bảng 3.4: Đặc trƣng liệu khí tƣợng vùng khí hậu giai đoạn 2013 - 2015 48 Bảng 3.5: Các liệu điều kiện thổ nhƣỡng 50 Bảng 3.6: Các liệu canh tác 51 Bảng 3.7: Lịch thời vụ 51 Bảng 3.8: Kết phát thải CH4 từ chạy mơ hình DNDC đo phát thải trƣờng Thịnh Long 55 Bảng 3.9: Kết phát thải N2O từ chạy mơ hình DNDC đo phát thải trƣờng Thịnh Long 55 Bảng 3.10: Phát thải CH4 N2O từ kết chạy mơ hình DNDC 58 Bảng 3.11: Tổng lƣợng phát thải khí nhà kính tƣơng đƣơng (CO2e) loại đất trồng lúa Nam Định 59 Bảng 3.12: Tổng lƣợng phát thải KNK tƣơng đƣơng (CO2e) theo huyện 65 Bảng 3.13: Tổng lƣợng phát thải KNK tƣơng đƣơng (CO2e) theo vùng khí hậu .65 Bảng 3.14: Tổng lƣợng phát thải KNK tƣơng đƣơng (CO2e) theo loại hình đất 66 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình tồn cầu thời kỳ 1850-2012 (thời kỳ chuẩn: 1961-1999): trung bình năm (a) thập niên (b) Hình 1.2: Mức độ biến đổi nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1901-2012 Hình 1.3: Mức độ biến đổi tuyến tính lƣợng mƣa năm thời kỳ 1901-2010 giai đoạn 1951-2010 (Nguồn: IPCC, 2013) Hình 1.4: Mức thay đổi lƣợng mƣa năm (%) vào cuối kỷ 21 so với thời kỳ 19801999 theo kịch phát thải trung bình (B2) Hình 1.5: Bản đồ hành tỉnh Nam Định Hình 1.6: Biểu đồ Nhiệt độ trung bình năm khu vực Nam Định giai đoạn 1990 –2009 Hình 1.7: Biểu đồ tổng lƣợng mƣa trung bình năm khu vực Nam Định giai đoạn 1990 2009 Hình 1.8: Vùng ngập tỉnh Nam Định với kịch nƣớc biển dâng (B2) Hình 1.9: Phát thải khí nhà kính năm 2010 lĩnh vực Nông nghiệp Hình 2.1: Cấu trúc mơ hình DNDC (DNDC Guideline, 2011) Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống GIS Hình 2.3: Trình tự bƣớc nghiên cứu, chuẩn bị, hiệu chỉnh ứng dụng mơ hình DNDC để tính tốn phát thải KNK ruộng lúa Hình 3.1: Bản đồ phân vùng khí hậu tỉnh Nam Định Hình 3.2: Bản đồ trạng đất trồng lúa tỉnh Nam Định Hình 3.3: Bản đồ đơn vị tổ hợp điều kiện tự nhiên Hình 3.4: Tích hợp liệu đồ Hình 3.5: Cấu trúc file liệu khí tƣợng đầu vào mơ hình DNDC Hình 3.6: Nhập liệu khí tƣợng Hình 3.7: Nhập liệu đất Hình 3.8: Nhập liệu canh tác Hình 3.9: Nhập liệu thời vụ phân bón Hình 3.10: Lƣu file chạy mơ hình Hình 3.11: Chạy mơ hình Hình 3.12: Kết mơ hình Hình 3.13: Lƣợng phát thải CH4 (kg/ha/năm) đo ngồi trƣờng tính tốn mơ hình DNDC Thịnh Long Hình 3.14: Lƣợng phát thải khí N2O (kg/ha/năm) đo ngồi trƣờng tính tốn mơ hình DNDC Thịnh Long Hình 3.15: Lƣợng phát thải CH4 (kg/ha/năm)đo ngồi trƣờng tính tốn mơ hình DNDC Rạng Đơng 57 iv Hình 3.16: Lƣợng phát thải N2O (kg/ha/năm) đo trƣờng tính tốn mơ hình DNDC Rạng Đơng 57 Hình: 3.17: Bản đồ phát thải CH4 đất trồng lúa tỉnh Nam Định 61 Hình: 3.18: Bản đồ phát thải N2O đất trồng lúa tỉnh Nam Định 62 Hình: 3.19: Bản đồ tổng lƣợng phát thải khí nhà kính đơn vị canh tác lúa nƣớc (quy đổi CO2e) tỉnh Nam Định 63 Hình 3.20: Lƣợng phát thải KNK (quy CO2e) canh tác lúa tỉnh Nam Định .64 Hình 3.21: Cơ cấu phát thải KNK (theo CO2e) theo huyện 64 v Mỹ Lộc Tổng Mỹ Lộc Nam Trực 65 ST T Huyện Tổng Nam Trực Nghĩa Hƣng Tổng Nghĩa Hưng TP Nam Định Tổng TP Nam Định Trực Ninh Tổng Trực Ninh Vụ Bản Tổng Vụ Bản Xuân Trƣờng Tổng Xuân Trường Ý Yên 10 Tổng Ý Yên Tổng lƣợng phát thải KNK tƣơng đƣơng CO2e theo loại đất trồng lúa huyện đƣợc thể theo bảng 3.14: Bảng 3.14: Tổng lượng phát thải KNK tương đương (CO2e) theo loại hình đất (Đơn vị: kg CO2e/năm) ST T Huyện Giao Thủy 66 ST T Huyện Tổng Giao Thủy Hải Hậu Tổng Hải Hậu Mỹ Lộc Tổng Mỹ Lộc Nam Trực Tổng Nam Trực Nghĩa Hƣng Tổng Nghĩa Hưng TP Nam Định 67 ST T Huyện Tổng TP Nam Định Trực Ninh Tổng Trực Ninh Vụ Bản Tổng Vụ Bản Xuân Trƣờng Tổng Xuân Trường 10 Ý Yên Tổng Ý Yên 68 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu, số kết luận đƣợc rút nhƣ sau: - Mức độ phát thải KNK khác loại đất khác Theo kết mơ hình DNDC vùng khí hậu: loại đất phù sa điển hình, chua, giới nhẹ phải thải KNK nhỏ nhất; loại đất phù sa điển hình, chua phát thải KNK lớn Đối với CH4, lƣợng phát thải dao động từ 621,5 kg/ha/năm đến 960,3 kg/ha/năm, đó: loại đất phù sa điển hình, chua, giới nhẹ có lƣợng phát thải thấp loại đất phù sa điển hình chua có lƣợng phát thải cao Đối với N2O, lƣợng phát thải dao động từ 0,61 kg/ha/năm đến 1,48 kg/ha/năm, đó: loại đất phù sa glây, chua, giới nhẹ có lƣợng phát thải thấp loại đất phù sa nhiễm mặn, giới trung bình có lƣợng phát thải cao - Phát thải KNK phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu khác nhau, mức độ phát thải khác vùng có đặc trƣng khí hậu khác Đây yếu tố làm thay đổi lƣợng phát thải KNK Tuy nhiên, phạm vi luận văn này, học viên chƣa nghiên cứu mối tƣơng quan yếu tố khí hậu lƣợng phát thải khí nhà kính - Mơ hình DNDC đƣợc hiệu chỉnh số liệu đo thực tế đồng ruộng cho độ tin cậy cao Từ kết tính tốn, dự báo phát thải khí nhà kính ruộng lúa mơ hình xác thay đƣợc nhiều phép đo đồng ruộng cách tốn kém; Mơ hình tính tốn đƣợc lƣợng tốc độ lƣợng phát thải KNK với độ phân giải cao không gian thời gian Tổng lƣợng phát thải khí nhà kính loại đất trồng lúa nƣớc cách tính theo mơ hình DNDC tỉnh Nam Định là: 1,9 triệu CO2e/năm - Khi kết hợp mơ hình DNDC với hệ thống thơng tin địa lý tính lƣợng phát thải CH4, N2O tổng lƣợng phát thải CO 2e chi tiết tới huyện, xã, đất 69 KIẾN NGHỊ Đây nghiên cứu bƣớc đầu mô hình DNDC, nhiên qua kết hiệu chỉnh tính tốn phát thải mơ hình DNDC đảm bảo độ tin cậy so với việc đo phát thải trƣờng nên áp dụng mơ hình DNDC để tính tốn phát thải cho vùng canh tác lúa vùng Đồng Sông Hồng nƣớc, làm sở cho việc kiểm kê KNK lĩnh vực nơng nghiệp góp phần thực cam kết giảm phát thải KNK Việt Nam quốc tế Đề nghị có nhiều nghiên cứu chi tiết với biện pháp giảm phát thải khí nhà kính khác nhƣ quản lý nƣớc tƣới, bố trí hợp lý hệ thống luân canh trồng trồng nơng nghiệp khác để có tranh tồn diện phát thải KNK lĩnh vực nông nghiệp, đảm bảo sản xuất nông nghiệp phát triển bền vững 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Việt Anh (2006), “Một số kết nghiên cứu quản lý nước mặt ruộng nhằm giảm phát thải metan, tiết kiệm nước không giảm suất lúa đất phù sa trung tính Đồng Sơng Hồng”, Viện Khoa học Thủy lợi, Hà Nội Bộ Tài Nguyên Môi trƣờng (2014), Báo cáo cập nhật hai năm lần lần thứ Việt Nam cho công ước khung liên hiệp quốc BĐKH, Hà Nội Bộ Tài Ngun Mơi trƣờng (2008), Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với BĐKH, Hà Nội Bộ Tài Nguyên Môi trƣờng (2009), Kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng cho Việt Nam, Hà Nội Bộ Tài Nguyên Môi trƣờng (2012), Kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng cho Việt Nam, Hà Nội Cục Khí tƣợng Thủy văn Biến đổi khí hậu – Cơ quan Hợp tác quốc tế Nhật Bản, (2014), Báo cáo kiểm kê khí nhà kính năm 2010, Hà Nội Nguyễn Văn Thắng, Nguyễn Trọng Hiệu (2010), Biến đổi khí hậu tác động đến Việt Nam, Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn Môi trƣờng, Hà Nội Mai Văn Trịnh, Nguyễn Hồng Sơn, Bùi Thị Phƣơng Loan, Trần Văn Thể (2012), Phát thải khí nhà kính nơng nghiệp giải pháp giảm thiểu, Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nông thôn, số 18, trang 3-10 Mai Văn Trịnh, Trần Văn Thể, Bùi Thị Phƣơng Loan (2013), Tiềm giảm thiểu phát thải khí nhà kính ngành sản xuất lúa nước Việt Nam, Tạp chí nơng nghiệp phát triển nông thôn, Hà Nội 10 Ủy ban Nhân dân tỉnh Nam Định, (2011), Kế hoạch hành động ứng phó với BĐKH tỉnh Nam Định giai đoạn 2011-2015 tầm nhìn 2020, Nam Định 11 Thủ tƣớng Chính phủ (2015), Quyết định số 2359/QĐ-CP ngày 22/12/2015 phê duyệt Hệ thống quốc gia kiểm kê khí nhà kính 71 12.Thủ tƣớng Chính phủ (2016), Quyết định số 2053/QĐ-TTg ngày 28/10/2016 phê duyệt Kế hoạch thực Thỏa thuận Pari khí hậu 13 http://phongchongthientai.vn/default.aspx Tiếng Anh 14 Cicerone, R.J and Shetter, J.D (1981), Sources of atmospheric methane: Measurements in rice paddies and a discussion Journal of Geophysical Research 86 15 DNDC Guideline, (2012), User's Guide for the DNDC Model version 9.5, Institute for the Study of Earth, Oceans and Space University of New Hampshire 16 Giltrap Donna L., Changsheng Li, Surinder Saggar, 2010, DNDC: A process-based model of greenhouse gas fluxes from agricultural soils, Agriculture, Ecosystems & Environment,Volume 136, Issues 3–4, Pages 292–300 17 IPCC (2013), Good Practice Guidance for Land Use, Land-Use Change and Forestry 18 IPCC (2007), Fouth Assessment Report 19 IPCC (2013), Fifth Assessment Report 72 PHỤ LỤC Phụ lục Thơng tin trạm khí tƣợng STT 73 Phụ lục Dữ liệu khí tƣợng đầu vào chạy mơ hình DNDC Số liệu khí tƣợng Trạm Nam Định (từ STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 … … … 1081 1082 1083 1084 1085 1086 1087 1088 1089 1090 1091 1092 1093 1094 1095 74 Số liệu khí tƣợng Trạm Văn Lý (từ STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 … … … 1081 1082 1083 1084 1085 1086 1087 1088 1089 1090 1091 1092 1093 1094 1095 75 Số liệu khí tƣợng Trạm Thái Bình (t STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 … … … 1081 1082 1083 1084 1085 1086 1087 1088 1089 1090 1091 1092 1093 1094 1095 76 Số liệu khí tƣợng Trạm Ninh Bình (từ 2013 đ STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 … … … 1081 1082 1083 1084 1085 1086 1087 1088 1089 1090 1091 1092 1093 1094 1095 77 ... cao Nam Định địa phƣơng có diện tích lúa phát thải lƣợng lớn khí nhà kính vào khí Vì lý trên, tơi thực đề tài: ? ?Sử dụng mơ hình DNDC hệ thống thơng tin địa lý tính tốn phát thải khí nhà kính canh. .. ĐẠI HỌC SỬ DỤNG MƠ HÌNH DNDC VÀ HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ TÍNH TỐN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TRONG CANH TÁC LÚA NƢỚC TẠI TỈNH NAM ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU... 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn ? ?Sử dụng mơ hình DNDC hệ thống thơng tin địa lý tính tốn phát thải khí nhà kính canh tác lúa nƣớc tỉnh Nam Định? ?? cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi thực