(Luận án tiến sĩ) 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 MƠ 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 MƠI TRƯỜNG ĐẤT LÚA LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN, TỈNH QUẢNG NAM Chuyên ngành: Môi trường đất 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 cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực từ đề tài nghiên cứu Một số kết tơi cơng bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả, phù hợp với quy định hành Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng minh so sánh từ nguồn khác trích dẫn ghi rõ nguồn theo quy định Việc sử dụng nguồn thơng tin, số liệu trích dẫn phục vụ cho mục đích nghiên cứu học thuật Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan kết nghiên cứu luận án Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2018 Nghiên cứu sinh Ngô Đức Minh i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều mặt cấp lãnh đạo, tập thể cá nhân Trước hết, xin gửi lời tri ân sâu sắc chân thành 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), Thầy hướng dẫn khoa học hết lịng định hướng, dẫn tơi suốt q trình xây dựng đề cương, triển khai nghiên cứu hoàn thành luận án 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, Phịng Đào tạo Sau đại học, thầy/cơ giáo Khoa Môi trường, Bộ Môn Công nghệ Môi trường tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình học tập hồn thành luận án Trường Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp IRRI, GS.TS Trần Đăng Hòa cán bộ/sinh viên khoa Nông học - Đại học Nông lâm Huế, lãnh đạo nông dân địa phương tỉnh Quảng Nam nhiệt tình cộng tác, hỗ trợ tơi trình thực nghiên cứu đồng ruộng phịng thí nghiệm Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn đến lãnh đạo đồng nghiệp Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa, Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam, nhà khoa học bạn bè đồng nghiệp quan tạo điều kiện cho thời gian đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho đề tài nghiên cứu hoàn thiện luận án Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Bố Mẹ, người sinh thành, nuôi dưỡng nên người; người thân hai bên gia đình đặc biệt vợ gái yêu q ln bên động viên khích lệ mặt để tơi nỗ lực hồn thành luận án Nghiên cứu thực khuôn khổ hợp phần WT4 (do IRRI chủ trì), thuộc dự án “Quan hệ tương tác biến đổi khí hậu sử dụng đất miền Trung, Việt Nam - LUCCi” tài trợ Bộ Giáo dục Nghiên cứu Cộng hồ Liên bang Đức Tơi 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 Tính cấp thiết nghiên cứu .1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 2.2 Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn 3.1 Ý nghĩa khoa học 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Đóng góp luận án: CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .7 1.1 Khí nhà kính hiệu ứng ấm lên tồn cầu .7 1.2 Phát thải khí nhà kính nơng nghiệp giới Việt Nam 10 1.2.1 Phát thải khí nhà kính nông nghiệp giới 10 1.2.2 Phát 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 từ canh tác lúa Việt Nam .19 1.4 Cơ chế hình thành phát thải khí CH4 N2O môi trường đất lúa ngập nước 25 1.4.1 Cơ chế hình thành giải phóng khí CH4 .25 1.4.2 Cơ chế hình thành giải phóng khí N2O 28 1.5 Một số yếu tố ảnh hưởng đến phát thải CH4 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 mơ hình hóa tính tốn phát thải KNK từ canh tác lúa 43 1.6.1 Ứng dụng mô hình hóa tính tốn phát thải KNK từ canh tác lúa giới .43 1.6.2 Ứng dụng mơ hình DNDC ước lượng phát thải KNK từ canh tác lúa Việt Nam 45 1.7 Nhận xét chung rút từ tổng quan nghiên cứu .48 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .50 2.1 Đối tượng 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 điều tra nông hộ: .50 2.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 52 2.3.3 Phương pháp mơ hình hố 59 2.3.4 Hệ thống thông tin địa lý kĩ thuật đồ 64 2.3.5 Phương pháp kiểm sốt/hạn chế độ khơng chắn mơ 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 thủy văn 69 2.4.3 Tài nguyên đất 71 CHƯƠNG 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 mơi trường đất lúa điểm thí nghiệm .79 3.2 Kiểm định khả áp dụng mơ hình DNDC để tính tốn phát thải KNK mơ 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 yếu tố đầu vào kết đầu mơ hình 114 iv 3.3 Ứng dụng mơ hình DNDC tính tốn phát thải CH4 N2O quy mơ vùng 121 3.3.1 Tính tốn phát thải CH4 N2O quy mô vùng .121 3.3.2 Bản đồ phát thải CH4 N2O quy mô vùng 129 3.3.3 Bản đồ tổng lượng phát thải CH4, N2O GWP quy mô vùng 136 3.4 Đề xuất hệ số phát thải tính tốn kiểm kê KNK 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 tính tốn kiểm kê KNK theo phương pháp bậc (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 Kết luận 148 Kiến nghị 149 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 151 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 3G-3T : giảm-3 tăng 1P-5G 1RN 2RN : phải-5 giảm : Rút nước lần vụ : Rút nước lần vụ 3RN AP : Rút nước lần vụ : Active Promotion (Kịch hành động giảm thiểu chủ động) AWD BAU CO2tđ : Alternate Wetting - Drying (Tưới ướt khô xen kẽ, tưới nông lộ phơi) : Business as Usual (Kịch hành động thông thường) : CO2 equivalent (CO2 tương đương - CO2 tđ) DAP DNDC DOC ĐX EF EFi Eh FAO : : : : GIS GWP HT IFA IPCC : : : : : IRRI KNK LCC NSS RN RMSE SFw SFi : : : : : : : : : : : DiAmmonium Phosphate (phân bón Đi-Amơn Phốt phát) DeNitrification-DeComposition (Mơ hình sinh địa hóa) Dissolve Organic Carbon (Các-bon hữu hịa tan) Đông Xuân Efficiency Factor (Hệ số hiệu - phân tích thống kê) Emission Factor (Hệ số phát thải khí) Điện ơxy hóa khử Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức Nông lương Liên Hiệp Quốc) Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý) Global Warming Potential (Tiềm gây ấm toàn cầu) Hè Thu International Fertilizer Asociation (Hiệp hội phân bón quốc tế) The Intergovernmental Panel on Climate Change (Ủy ban liên phủ biến đổi khí hậu) International Rice Research Institute (Viện Nghiên cứu lúa quốc tế) Khí nhà kính Leaf Color Chart (Thang so màu lúa) Ngày sau sạ Rút nước Root mean square error (Sai số bình phương trung bình nguyên) Scaling Factor (Hệ số tỷ lệ chế độ tưới) Hê ̣số hiệu (Efficiency Factor/Index) vi SRI SOC/OC : System of Rice Intensification (Hệ thống canh tác lúa cải tiến) : Soil Organic Carbon (Các-bon hữu đất) Tier Tier Tier : Phương pháp tính tốn kiểm kê khí nhà kính bậc (của IPCC) : Phương pháp tính tốn kiểm kê khí nhà kính bậc (của IPCC) : Phương pháp tính tốn kiểm kê khí nhà kính bậc (của IPCC) TN TTK : Tưới ngập liên tục : Tưới tiết kiệm TPCG : Thành phần giới UNFCCC : United Nations Framework Convention on Climate Change (Công ước khung Liên Hiệp Quốc biến đổi khí hậu) US EPA VSV VG-TB WMO : United States Environmental Protection Agency (Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ) : Vi sinh vật : Vu Gia-Thu Bồn : World Meteorological Organization (Tổ chức khí tượng giới) vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số đặc trưng KNK Bảng 1.2: Giá trị tiềm gây ấm lên tồn cầu (GWP) KNK Bảng 1.3: Dự tính phát thải KNK lĩnh vực nơng nghiệp (1000 CO2tđ) 15 Bảng 1.4: Phát thải KNK năm 2013 lĩnh vực nông nghiệp .15 Bảng 1.5: Diện tích canh tác lúa Việt Nam năm 2013 (1000 ha) .19 Bảng 1.6: Diện tích lúa ngập nước thường xuyên ngập gián đoạn năm 2013 .20 \Bảng 1.7: Phát thải KNK từ canh tác lúa Việt Nam năm 2013 21 Bảng 1.8: Các phản ứng khử khoảng giá trị Eh 26 Bảng 1.9: Động thái chất đất theo mức giảm điện 37 Bảng 2.1: Một số thơng tin chung điểm thí nghiệm đồng ruộng 53 Bảng 2.2: Phương pháp lấy mẫu phân tích đất trước thí nghiệm 56 Bảng 2.3: Các tính chất đất sử dụng để tính tốn phát thải tối đa tối thiểu 67 Bảng 3.1: Chuyển đổi lịch canh tác lúa Quảng Nam .76 Bảng 3.2: Lượng phân vơ bón cho lúa 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 Quảng Nam 78 Bảng 3.5: Lý nông dân chọn giống lúa 79 Bảng 3.6: Một số tính chất đất lúa (tầng 0-20 cm) điểm thí nghiệm 80 Bảng 3.7: Tương quan cường độ phát thải CH4 với Eh pH đất 93 Bảng 3.8: Phân tích thống kê tương quan số liệu phát thải CH4 tính tốn mơ hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 94 Bảng 3.9: Tổng phát thải CH4 tích lũy theo vụ điểm thí nghiệm 97 Bảng 3.10: Tổng phát thải CH4 theo vụ đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng ước lượng/tính tốn mơ hình (kg CH4/ha/vụ) 99 Bảng 3.11: Tương quan cường độ phát thải N2O với Eh pH đất .107 Bảng 3.12: Phân tích thống kê tương quan số liệu phát thải N2O tính tốn mơ hình với đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng 108 Bảng 3.13: Tổng phát thải N2O tích lũy theo vụ điểm thí nghiệm 111 Bảng 3.14: Tổng phát thải N2O theo vụ đo đạc từ thí nghiệm đồng ruộng ước lượng/tính tốn mơ hình (kg N2O/ha/vụ) 113 Bảng 3.15: Các kịch đánh giá mức độ nhạy cảm yếu tố đầu vào mơ hình áp dụng cho hệ canh tác lúa có tưới 114 viii Bảng 14: Cường độ phát thải N2O vụ HT (mgN2O/m2/giờ) điểm thí nghiểm Giai đoạn sinh trưởng lúa Điểm 2-MB1 NSG TN Điểm 2-MB2 TTK TN TTK Trước đẻ nhánh 13 0,015±0,003 0,015±0,004 0,012±0,003 0,015±0,003 Đẻ nhánh 20 0,019±0,005 0,020±0,006 0,022±0,007 0,021±0,006 Đẻ nhánh 28 0,026±0,007 0,045±0,019 0,030±0,012 0,051±0,020 Đẻ nhánh 35 0,023±0,010 0,022±0,007 0,022±0,009 0,021±0,006 Đứng 41 0,014±0,005 0,018±0,005 0,015±0,004 0,019±0,005 Làm đòng 48 0,022±0,009 0,037±0,016 0,023±0,008 0,034±0,013 Trỗ 55 0,026±0,011 0,029±0,012 0,020±0,005 0,030±0,013 Trỗ 62 0,024±0,008 0,022±0,010 0,025±0,008 0,021±0,006 Ngậm sữa 69 0,012±0,003 0,024±0,010 0,013±0,005 0,027±0,008 Ngậm sữa 76 0,016±0,004 0,013±0,004 0,017±0,005 0,014±0,003 Chắc xanh 83 0,020±0,005 0,025±0,009 0,021±0,006 0,021±0,005 Chín 90 0,019±0,005 0,023±0,010 0,019±0,005 0,023±0,006 (Ghi chú: Giá trị trung bình (± Độ lệch chuẩn) (NSS: ngày sau sạ; TN:tưới ngập thường xuyên; TTK: Tưới tiết kiệm/tưới ướt khô xen kẽ; MB: Mức phân bón) Bảng 15: Chú giải số thuật ngữ chuyên ngành Thuật ngữ Chú giải Tưới khô ướt xen kẽ/tưới Phương pháp quản lý nước viện lúa quốc tế (IRRI): nông lộ phơi/Tưới tiết Cây lúa lúc cần ngập nước; cần kiệm bơm nước vào ruộng giữ ngập tối đa 5cm số giai đoạn sinh trưởng lúa Tưới ngập nước thường xuyên Các cánh đồng tưới ngập nước suốt thời gian trồng lúa cạn nước thu hoạch 7-10 ngày Tưới ngập nước gián đoạn Các cánh đồng ngập nước rút nước lần vụ – cạn nước lần giai đoạn tăng trưởng Ngập nước gián đoạn- cạn Các cánh đồng ngập nước rút nước lần nước nhiều lần suốt vụ Tưới chủ động Chủ động điều tiết nước theo yêu cầu nhu cầu hệ thống máy bơm mương tưới/tiêu Tưới nhờ nước trời Phụ thuộc hoàn toàn vào nước mưa Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 1-TN-MB1 8 7 6 2 1 10 Bin 15 20 25 30 Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 1-TN-MB2 10 15 Bin 20 25 Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB2 Frequency Frequency 3 1 0 10 15 Bin 20 25 30 More Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 2-TN-MB1 7 6 5 10 15 Bin 20 25 30 More Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 2-TTK-MB1 Frequency Frequency 1 0 10 20 15 Bin 25 30 Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 2-TN-MB2 7 6 5 10 15 Bin 20 25 30 More 15 Bin 20 25 30 More 30 More 1 10 Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 2-TTK-MB2 Frequency Frequency Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB1 Frequency Frequency 10 15 Bin 20 25 Hình 1: Phân bố thống kê số liệu phát thải CH4 từ thí nghiệm đồng ruộng Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 1-TN-MB1 2 1 0 0.001 0.005 0.01 0.015 Bin 0.02 0.025 0.03 More 0.001 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 1-TN-MB2 0.015 Bin 0.02 0.025 0.03 More Frequency Frequency 0.01 4 2 1 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 More 0.001 Bin Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 2-TN-MB1 0.005 0.01 0.015 Bin 0.02 0.025 0.03 More 0.03 More Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 2-TTK-MB1 7 Frequency Frequency 0.005 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB2 6 2 1 0 0.001 0.005 0.01 0.015 0.02 Bin 0.025 0.03 More 0.001 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 2-TN-MB2 0.005 0.01 0.015 Bin 0.02 0.025 Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 2-TTK-MB2 9 7 Frequency Frequency Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O Điểm thí nghiệm 1-TTK-MB1 Frequency Frequency 0.001 0.005 0.01 0.015 Bin 0.02 0.025 0.03 More 0.001 0.005 0.01 0.015 Bin 0.02 0.025 0.03 Hình 2: Phân bố thống kê số liệu phát thải N2O từ thí nghiệm đồng ruộng More Hình 3: Giao diện trang phần mềm ACCESS quản lý liệu điều tra Hình 4: Thơng tin chi tiết liệu điều tra nhập Hình 5: Trích xuất liệu điều tra excel Hình 6: Số liệu phân tích khí phịng thí nghiệm Hình 7: Nhập liệu khí tượng vào mơ hình DNDC Hình 8: File số liệu khí tượng Hình 9: Nhập liệu đất vào mơ hình DNDC Hình 10: Nhập liệu canh tác vào mơ hình DNDC Hình 11: Nhập liệu thời vụ phân bón DNDC Hình 12: Chạy mơ hình Hình 13: Lưu file số liệu đầu vào để chạy mơ hình Hình 14: Nhập liệu đầu vào chế độ vùng Hình 15: Số liệu tính chất đất Hình 16: Dữ liệu quy trình canh tác lúa điểm thí nghiệm phát thải KNK Hình 17: Số liệu tổng hợp/kết đầu từ mơ hình DNDC Hình 18: Số liệu nhiệt độ khơng khí, nhiệt độ đất, mực nước ruộng quan trắc lấy mẫu khí điểm thí nghiệm PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRIỂN KHAI NGHIÊN CỨU Hình 19: Bố trí thí nghiệm thiết bị quan trắc mẫu đo mực nước ruộng Hình 20: Lấy mẫu khí ngồi đồng phân tích khí phịng TN Hình 21: Thu thập thơng tin thơng qua thảo luận nhóm tập trung (FGD PRA) Hình 22: Thu thập thông tin thông qua điều tra nông hộ ... khí nhà kính) , nghiên cứu sinh tiến hành đề tài: ? ?Nghiên cứu mô 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. .. 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... 1.2.2 Phát 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