Nghiên cứu phát thải khí CH4 và n2o trong lĩnh vực trồng trọt vùng đồng bằng sông hồng

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ N2O TRONG LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2021 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ N2O TRONG LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 9850101 Tác giả luận án Người hướng dẫn Người hướng dẫn Bùi Thị Thu Trang PGS.TS Mai Văn Trịnh TS Đinh Thái Hưng HÀ NỘI - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả, hoàn thành hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Trịnh TS Đinh Thái Hưng Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Luận án Bùi Thị Thu Trang ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Biến đổi khí hậu, Viện Môi trường Nông nghiệp, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình nghiên cứu hồn thành luận án Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn PGS.TS Mai Văn Trịnh TS Đinh Thái Hưng tận tình giúp đỡ tác giả từ bước xây dựng hướng nghiên cứu, suốt trình nghiên cứu hồn thiện luận án Hai thầy ln ủng hộ, động viên hỗ trợ điều kiện tốt để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Tổng cục đất đai, Viện Thổ nhưỡng Nơng hóa, Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam cung cấp tài liệu, số liệu cần thiết cho việc hoàn thành nghiên cứu tác giả Tác giả chân thành cảm ơn chuyên gia, nhà khoa học từ nhiều đơn vị, quan, viện nghiên cứu có góp ý khoa học hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả suốt trình thực luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới người thân yêu gia đình, bạn bè, đồng nghiệp bên cạnh, động viên tinh thần, chia sẻ khó khăn, tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành tốt luận án Tác giả luận án Bùi Thị Thu Trang MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Phát thải khí nhà kính (KNK) sản xuất nói chung nơng nghiệp nói riêng trở thành vấn đề toàn cầu Đặc biệt, Việt Nam, Quốc gia có sản xuất nơng nghiệp sinh kế người dân chiếm tỉ lệ diện tích đất tự nhiên lớn, phân bố vùng có nguy tác động lớn biến đổi khí hậu (BĐKH) ven biển, đất thấp đối núi có địa hình hạn chế tưới tiêu sản xuất nơng nghiệp ngành chịu tác động nặng nề biến đổi khí hậu Tuy nhiên, với đặc điểm sản xuất có phát thải loại KNK gây nóng lên tồn cầu sản xuất nơng nghiệp nguồn có phát thải KNK lớn, gây biến đổi khí hậu Kết kiểm kê khí nhà kính Quốc gia năm 2014 theo lĩnh (Bộ TNMT, 2019) cho biết phát thải từ ngành nông nghiệp 89.751,8 nghìn CO tương đương (CO2tđ), chiếm 27,92% tổng lượng phát thải KNK quốc gia Trong đó, nguồn phát thải lớn CH4 từ trình canh tác lúa nước, chiếm tới 49,4% tổng phát thải ngành nơng nghiệp Nguồn phát thải KNK thứ từ phát thải khí N 2O từ đất nơng nghiệp Tiểu lĩnh vực đóng góp 27,8% tổng phát thải từ lĩnh vực nông nghiệp Mặc dù, Việt Nam quốc gia nằm danh mục quốc gia phải cắt giảm KNK (Phụ lục B, Nghị định thư Kyoto), nhiều hoạt động ứng phó với biến đổi khí hậu (BĐKH) giảm nhẹ phát thải KNK Việt Nam hưởng ứng triển khai từ sớm Việt Nam đặt mục tiêu đến năm 2030, nguồn lực nước, giảm 8% tổng lượng phát thải KNK so với kịch phát triển thơng thường tăng lên thành 25% có hỗ trợ quốc tế thơng qua hợp tác song phương, đa phương thực chế Thỏa thuận khí hậu tồn cầu Do đó, để đánh giá lượng phát thải KNK từ đất nông nghiệp làm cở phục vụ quản lý nhà nước giảm phát thải KNK Việt Nam, việc nghiên cứu xác định tiềm giảm phát thải KNK nông nghiệp cần thiết, để từ đề xuất giải pháp ứng phó với BĐKH góp phần xây dựng chiến lược phát triển xanh ngành Chính phủ Mặc dù cơng tác kiểm kê KNK Quốc gia triển khai lần vào năm 1994 đến thông báo Quốc gia lần thứ phát thải KNK việc tính tốn kiểm kê KNK Việt Nam chủ yếu sử dụng hệ số phát thải theo phương pháp bậc 1, mặc định IPCC đưa (IPCC, 1997) Các hệ số phát thải khác yếu tố địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng, trồng, mức độ thâm canh trồng Trên thực tế, việc lượng hóa xác phát thải KNK từ canh tác lúa trồng khác phức tạp biến động khí hậu đất đai theo không gian, trồng biện pháp canh tác Trong việc quan trắc, đo đạc phát thải KNK ngồi thực địa phức tạp, địi hỏi nhiều nguồn lực thiết bị, kinh phí người việc áp dụng mơ hình tốn định lượng mức phát thải KNK giải pháp khoa học khả thi, đáp ứng yêu cầu kĩ thuật tính tốn phát thải cho khơng gian thời gian với độ xác tương đối cao, ổn định điều kiện sinh thái, đất đai, trồng biện pháp canh tác Mơ hình DNDC (DeNitrificationDeComposition) cơng cụ ứng dụng nhiều tính tốn phát thải KNK từ hệ sinh thái nông nghiêp Thế giới dần quan tâm Việt Nam Mơ hình DNDC cho phép tính tốn cân bon đạm đất phát thải số khí nhà kính CO 2, CH4, N2O từ điều kiện sinh thái nơng nghiệp, khí hậu, đất đai, trồng biện pháp canh tác theo bước thời gian ngày theo công thức canh hàng năm (Mai Văn Trịnh, 2013) Từ lý trên, đề tài luận án: “Nghiên cứu phát thải khí CH4 N2O lĩnh vực trồng trọt vùng Đồng sông Hồng” lựa chọn thực hiện, nhằm mục đích tính tốn xác định trạng phát thải KNK lĩnh vực trồng trọt, làm sở để tính tốn cách xác phát thải KNK nông nghiệp theo không gian dựa vào thay đổi vùng khí hậu khác nhau, loại đất loại hình canh tác, giúp cơng tác kiểm kê KNK nông nghiệp đạt kết xác, từ cung cấp liệu phát thải KNK xây dựng phương án giảm phát thải KNK giảm nhẹ BĐKH tốt Mục tiêu luận án Nghiên cứu hướng đến mục tiêu sau: - Xác định lượng phát thải khí nhà kính từ hoạt động canh tác lúa trồng cạn hàng năm vùng đồng sông Hồng - Xây dựng đồ phát thải khí nhà kính cho vùng trồng lúa trồng cạn hàng năm theo điều kiện khí hậu đất đai khác vùng đồng sông Hồng Đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu triển khai đối tượng lúa, ngô trồng cạn hàng năm khác; loại đất đất phù sa, đất xám, đất mặn, đất phèn thuộc vùng ĐBSH; khí nhà kính gồm khí mê-tan (CH4) khí oxit nitơ (N2O) phát thải từ đất trồng lúa nước và khí oxit nitơ (N2O) phát thải từ đất trồng ngô trồng cạn hàng năm vùng Đồng sông Hồng 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi không gian: Luận án triển khai nghiên cứu tồn vùng đồng sơng Hồng, đó, quan trắc đo đạc cụ thể ngồi thực địa triển khai huyện Thanh Trì huyện Sóc Sơn, Hà Nội; huyện Hải Hậu huyện Nghĩa Hưng, tỉnh Nam Định; thành phố Thái Bình, huyện Kiến Xương, huyện Vũ Thư huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình; huyện Nam Sách, tỉnh Hải Dương; đất phù sa sông Hồng trồng ngô Đan Phượng, Hà Nội - Phạm vi thời gian: Từ tháng 1/2016 đến tháng 10/2021 3.3 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, nghiên cứu triển khai nội dung sau: 1) Tổng quan nghiên cứu phát thải KNK lĩnh vực trồng trọt Thế giới Việt Nam; 2) Xây dựng phương pháp luận tính tốn lượng khí CH 4, N2O từ đất trồng lúa trồng cạn hàng năm theo điều kiện khí hậu đất đai khác theo không gian; 3) Nghiên cứu thực trạng, diễn biến phát thải CH N2O từ lúa trồng điểm quan trắc huyện Thanh Trì (đất phù sa, lúa) huyện Sóc Sơn (đất xám bạc màu, lúa), Hà Nội, thị trấn Thịnh Long, huyện Hải Hậu (đất phù sa, lúa), xã Hải Phúc, huyện Hải Hậu (đất mặn, lúa) huyện Nghĩa Hưng (đất mặn, lúa), tỉnh Nam Định; thành phố Thái Bình (đất phèn, lúa), huyện Vũ Thư (đất phù sa lúa), huyện Kiến Xương (đất phù sa, lúa màu) huyện Tiền Hải (đất mặn, lúa), tỉnh Thái Bình; huyện Nam Sách (đất phù sa, lúa màu), tỉnh Hải Dương; ngô trồng đất phù sa sông Hồng Đan Phượng, Hà Nội; 4) Xây dựng số liệu đầu vào phục vụ tính tốn phát thải KNK theo khơng gian: số liệu khí tượng, đồ trạng sử dụng đất, đồ đất, đồ tổ hợp 5) Nghiên cứu chế hoạt động mơ hình DNDC, đánh giá độ nhạy thơng số, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình phục vụ tính tốn phát thải KNK cho đối tượng trồng nghiên cứu vùng ĐBSH; 6) Nghiên cứu phát thải KNK cho đối tượng trồng phạm vi nghiên cứu Các luận điểm bảo vệ (1) Phát thải khí nhà kính khác theo không gian, tùy thuộc vào khác điều kiện khí hậu, loại đất, trồng biện pháp canh tác (quản lý nước, phân bón), từ thể định lượng, xác định phân bố chúng (2) sinh Tốc độ phát thải khí nhà kính thay đổi theo thời gian, giai đoạn trưởng trồng, theo thay đổi yếu tố mơi trường nhiệt độ, lượng mưa, bốc hơi, chế độ nước, pH mơi trường, chế độ bón phân… (3) Có thể tính phát thải khí nhà kính cách xác cho điểm khơng gian có liệu khí hậu, thổ nhưỡng, trồng hoạt động canh tác, đặc biệt có số liệu quan trắc thực địa Những đóng góp luận án Luận án làm rõ phát thải KNK (CH N2O) tùy thuộc vào đối tượng: loại đất trồng, phương thức canh tác, tiểu vùng khí hậu theo không gian thời gian; Luận án áp dụng phương pháp mơ hình hóa phân tích khơng gian để tính phát thải KNK cho điểm vùng nghiên cứu dựa liệu thổ nhưỡng, khí tượng, loại trồng hình thức canh tác, chứng minh số liệu quan trắc từ điểm đại diện; Luận án tổng hợp kết tính tốn lượng phát thải KNK điểm thí nghiệm từ hồn thiện phương pháp lượng hóa lượng phát thải KNK theo không gian dựa liệu không gian thời gian khí hậu, đất đai, trồng, biện pháp canh tác cơng cụ mơ hình hóa, GIS, từ xây dựng nên đồ phân bố phát thải KNK cho toàn vùng ĐBSH Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học Luận án nghiên cứu thực trạng, diễn biến chế phát thải khí mê-tan (CH4) khí oxit nitơ (N2O) giai đoạn sinh trưởng lúa canh tác đất phù sa, xám, mặn, phèn; thực trạng, diễn biến chế phát thải khí oxit nitơ (N 2O) giai đoạn sinh trưởng ngô trồng đất phù sa sông Hồng Luận án đưa phương pháp tính tốn cung cấp kết nghiên cứu, tính tốn phát thải khí nhà kính cho vùng trồng lúa trồng cạn hàng năm vùng Đồng sông Hồng với điều kiện khí tượng đất đai khác thể kết qua đồ Từ việc phân tích độ nhạy mơ hình DNDC cách chi tiết phục vụ hiệu chỉnh mơ hình, luận án tìm thơng số chuẩn mơ hình phục vụ tính tốn phát thải KNK Bộ thơng số hữu ích cho nghiên cứu sau kế thừa mà không cần phải nghiên cứu lặp lại, vừa tiết kiệm nhiều nguồn lực vừa lấp đầy khoảng trống kiến thức mơ hình hóa phát thải KNK nơng nghiệp Phương pháp tính tốn kế thừa hồn thiện cho tính phát thải đồ phân bố phát thải cho vùng sản xuất nông nghiệp khác dựa yếu tố đầu vào khí hậu, đất đai, trồng biện pháp canh tác vùng mục tiêu Rút gọn nhiều thời gian nghiên cứu phát triển phương pháp cho vùng nghiên cứu 6.2 Ý nghĩa thực tiễn Cung cấp kết tính tốn phát thải phân bố phát thải KNK diện tích trồng lúa trồng cạn hàng năm tồn vùng ĐBSH Các kết tính tốn phát thải phân bố phát thải sử dụng cho công tác kiểm kê phát thải KNK xây dựng giải pháp giảm phát thải KNK cho lĩnh vực sản xuất trồng trọt vùng ĐBSH Cấu trúc luận án Luận án gồm phần sau: Phần mở đầu; Chương 1: Tổng quan nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ lĩnh vực trồng trọt; Chương 2: Phương pháp nghiên cứu phát thải khí nhà kính lĩnh vực trồng trọt vùng đồng sông Hồng; Chương 3: Kết nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa trồng cạn hàng năm vùng đồng sông Hồng; Kết luận kiến nghị; Tài liệu tham khảo 3646 3647 3648 3649 3650 3651 3652 k SỐ LIỆU KHÍ TƯỢNG TRẠM THÁI BÌNH STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 … … 3643 3644 3645 3646 3647 3648 3649 3650 3651 3652 l SỐ LIỆU KHÍ TƯỢNG TRẠM VĨNH YÊN STT Tháng/ngày/năm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 … … 3643 3644 3645 3646 3647 3648 3649 3650 3651 3652 m PHỤ LỤC XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO VÀ CÁC BƯỚC CHẠY MƠ HÌNH DNDC A, CÁC DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG Các liệu khí tượng theo ngày khoảng thời gian từ năm 2013-2019, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp (đơn vị: độ C), lượng mưa (đơn vị: mm), tốc độ gió (đơn vị: m/s), độ ẩm (đơn vị: %) số nắng ngày (đơn vị: giờ) xử lý theo định dạng cấu trúc liệu đầu vào mơ hình, Số nắng ngày tác giả tính tốn chuyển sang đơn vị cường độ xạ mặt trời (đơn vị: Mj/m2/d), Dữ liệu khí xử lý, tổng hợp theo năm, vùng khí tượng lưu dạng *,txt, Các số liệu xếp theo ngày, thứ tự từ trái qua phải sau: ngày năm, nhiệt độ tối cao (Tmax), nhiệt độ tối thấp (Tmin), lượng mưa (Rainfall), tốc độ gió (Vmax), cường độ xạ mặt trời (Rn), độ ẩm (Huminity), Hình 1: Ví dụ file liệu khí tượng đầu vào mơ hình DNDC n B, CÁC DỮ LIỆU THỔ NHƯỠNG Các liệu thổ nhưỡng thu thập nhập trực tiếp vào mơ hình, bao gồm: Độ sâu tầng đất (cm), dung trọng tầng đất mặt (g/cm ), độ xốp (%), độ ẩm (%), thành phần cấp hạt (%), tổng số mùn, N, P 2O5, K2O (%), độ chua (lđl/100g đất), độ pH, độ dẫn điện,… Hình 2: Ví dụ file liệu thổ nhưỡng đầu vào mơ hình DNDC o C, CÁC DỮ LIỆU CANH TÁC Các liệu gồm giống lúa; đặc tính sinh lý, sinh hóa giống lúa; suất; ngày gieo cấy, ngày thu hoạch; kỹ thuật canh tác (làm đất, tưới, bón phân, làm cỏ, phun thuộc bảo vệ thực vật…); loại phân bón đặc tính phân bón, Hình 3: Ví dụ file liệu mùa vụ, làm đất Hình 4: Ví dụ file liệu chế độ bón phân p Hình 5: Ví dụ file liệu chế độ tưới nước Hình 6: Ví dụ file liệu chế độ ngập nước q C, CÁC BƯỚC CHẠY MƠ HÌNH DNDC Chạy mơ hình DNDC bao gồm 04 bước chính: - Bước 1: Nhập thông số đầu vào, bao gồm: + Nhập liệu khí tượng: Vào “Climate” để tạo tên file, nhập tọa độ khu vực nghiên cứu chọn file khí tượng khu vực nghiên cứu, + + Nhập liệu đất: Vào “Soil” để chọn loại đất, pH, SOC, NO 3, NH4 , độ mặn đất, số thông số khác, + Nhập liệu canh tác lúa: Vào “Cropping” để nhập số liệu làm đất, mùa vụ, tưới nước, phân bón, ngập nước, Hình 7: Ví dụ bước - Nhập liệu khí tượng r - Bước 2: Lưu file chạy mơ hình, File lưu dạng *,dnd, Hình 8: Ví dụ bước – Lưu file chạy - Bước 3: Chạy mơ hình (Run), Hình 9: Ví dụ bước – Chạy mơ hình s - Bước 4: Xem kết mơ hình, Hình 10: Ví dụ bước – Xem kết Hình 11: Ví dụ bước – Xem kết t PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN Hình ảnh chân, hộp đo khí phụ kiện hộp phục vụ lấy mẫu Nghiên cứu sinh thực lấy mẫu khí lúa u MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN Ống đựng mẫu khí Hộp lấy mẫu khí ngơ Đặt hộp khí sau gieo hạt Lấy mẫu khí sau bón lót Đặt hộp khí ngơ 3, Lấy mẫu khí sau bón thúc v MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN LUẬN ÁN Cây ngơ 7, Hộp đo khí thiết bị Điều tra vấn Khảo sát thực tế Điều tra vấn Khảo sát thực tế ... kính từ lĩnh vực trồng trọt; Chương 2: Phương pháp nghiên cứu phát thải khí nhà kính lĩnh vực trồng trọt vùng đồng sông Hồng; Chương 3: Kết nghiên cứu phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa trồng. ..BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGHIÊN CỨU PHÁT THẢI KHÍ CH4 VÀ N2O TRONG LĨNH VỰC TRỒNG TRỌT VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH:... thuộc vùng ĐBSH; khí nhà kính gồm khí mê-tan (CH4) khí oxit nitơ (N2O) phát thải từ đất trồng lúa nước và khí oxit nitơ (N2O) phát thải từ đất trồng ngô trồng cạn hàng năm vùng Đồng sông Hồng