Như ở phần tổng quan đó đề cập chi tiết, sự hỡnh thành CH4 là một quỏ trỡnh sinh hoỏ học phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố mụi trường. Ở điều kiện trồng lỳa nước đó tạo nờn nhiều yếu tố thuận lợi cho sự hỡnh thành CH4. Từ phần nghiờn cứu tổng quan, khảo sỏt thực tế đồng ruộng trồng lỳa ở nước ta cũng như cỏc kết quả nghiờn cứu thớ nghiệm đồng ruộng, cú thể rỳt ra một số vấn đề quan trọng trong cơ chế hỡnh thành CH4 ở điều kiện Việt Nam như sau:
a. Đặc điểm sinh thỏi học và nguồn cacbon ở ruộng lỳa nước của đồng bằng sụng Hồng.
Cũng như cỏc khu vực trồng lỳa nước khỏc trờn thế giới, ruộng lỳa nước ở Việt Nam là hệ sinh thỏi nhõn tạo thường xuyờn bị xỏo trộn bởi thúi quen canh tỏc như nhổ cỏ, làm đất, để ải, tưới tiờu, phõn bún, cỏc biện phỏp bảo vệ thực vật … và cỏc hiện tượng tự nhiờn như mưa nắng gõy nờn khụ hạn hoặc ngập nước.
Khỏc với trồng lỳa cạn (lỳa nương, lỳa rẫy, cấy khụ – bở), ruộng lỳa nước cú 5 tiểu hệ sinh thỏi chủ đạo sau: nước ngập, tầng đất bị ụxi húa bề mặt (lớp bựn nhóo), tầng đất bựn khử (kỵ khớ), tầng đất cỏi bị ụxi húa bề mặt trong điều kiện thoỏt nước
tốt hoặc khử khi ngập nước, thõn cõy lỏ (bị ngõm trong nước) và bộ rễ cõy.
Tầng nước ngập và tầng ụxi húa của đất hỡnh thành nờn một hệ sinh thỏi liờn tục, ở đú xảy ra 4 cơ chế liờn quan đến chu trỡnh vật chất như sau:
- Cố định nitơ phõn tử (N2)
- Mất N: do sự bay hơi NH3, do phản nitrat (denitrification) và nitrat húa (nitrification)
- Bẩy bắt và quay vũng cacbon (C) do quang hợp và cỏc loại muối khoỏng được giải phúng từ đất và phõn bún.
Chu trỡnh vật chất cú nhiều, đỏng chỳ ý ở đõy là chu trỡnh cacbon. Thực vật quang hợp và đồng húa CO2 (CH4 sau khi ụxi húa thành CO2) thoỏt ra từ đất và trở lại dưới dạng tế bào tảo và cỏ thủy sinh.
Cựng với chu trỡnh cỏcbon, nguồn vào của chất hữu cơ (trong đú chứa nhiều C). Ở đất trồng lỳa nước đỏng chỳ ý là:
- Rễ và phần rơm rạ sút lại sau khi thu hoạch
- Sự bài tiết chất hữu cơ (quỏ trỡnh Exudation) của rễ lỳa trong quỏ trỡnh sống. - Cỏc loại cỏ (thực vật nổi bậc cao)
- Tảo (thực vật nổi bậc thấp) - Xỏc vi sinh vật
- Bún phõn hữu cơ
Đặc điểm sinh thỏi và nguồn vào của chất hữu cơ (chứa C) ở ruộng lỳa nước nờu trờn là cơ sở để hỡnh thành do sự phõn hủy chất hữu cơ ở điều kiện yếm khớ và một phần khử CO2 thành CH4 cũng ở điều kiện yếm khớ. Sự phõn tớch trờn cho thấy, vật chất ban đầu cho sự hỡnh thành CH4 ở ruộng lỳa nước phong phỳ, đồng thời điều kiện mụi trường hỡnh thành CH4 thuận lợi.
b. Đặc điểm về tớnh chất điện húa liờn quan đến sự hỡnh thành CH4 ở đất lỳa nước của đồng bằng sụng Hồng
Ở đất hỏo khớ (đất trồng hoa màu, cõy tồng cạn), Eh dao động từ 0,4 đến 0,8mV. Ở đất ngập nước khụng liờn tục, Eh dao động từ -0,1 đến 0,1mV. Ở đất ngập nước lõu ngày, Eh dao động trong khoảng -0,3mV. Theo Patrick và
Mahapatra (1968) thỡ tựy theo giỏ trị Eh mà đất được phõn thành cỏc loại sau:
Loại đất Eh( mV)
Oxy húa (thoỏt nước tốt) +700+500
Khử trung bỡnh +400+200
Khử +100-100
Khử mạnh -100-300
Nếu theo Ponnamperuma F.N (từ Russel, E.W (1978)) thỡ:
CO2+8H+ +8e- = CH4+2H2O, xảy ra khi Eh = -120 mV (tại pH=5) và khi Eh = -240 mV (tại pH=7)
Nếu theo Yu Tien-ren(1983), thỡ sự lờn men CH4 (CH4 – Fermentation) thường xảy ra trong phạm vi Eh từ -200 đến -300 mV. Thực nghiệm đồng ruộng của Nguyễn Việt Anh (2010) đó phỏt hiện sự phỏt thải CH4 ở đất trồng lỳa cú Eh ở ngưỡng -176 mV.
Khi cú mặt của cõy lỳa, ở giai đoạn phỏt triển mạnh, hệ rễ lỳa bài tiết chất hữu cơ, làm tăng chất hữu cơ trong đất, Eh giảm nhiều hơn so với khụng cấy lỳa, tạo điều kiện hỡnh thành CH4. Khi cõy lỳa phỏt triển ổn định, oxy xõm nhập vào tầng đất qua lỏ, thõn và hệ rễ, quỏ trỡnh oxy húa xảy ra, nờn Eh tăng lờn so với trường hợp khụng cú cõy lỳa.
Như vậy, sau khi ngập nước một thời gian ngắn, đất trồng lỳa nước ở nước ta cú đặc điểm khử mạnh và Eh thấp thuận lợi cho sự lờn men hỡnh thành CH4 cũng như khử C02 thành CH4.
Eh thấp như nờu ở trờn xuất hiện ở đất lỳa tưới ngập liờn tục, kể cả tưới bóo hũa nước. Khi để đất ẩm mặt đất se lại và nứt nẻ chõn chim (để nụng lộ phơi) thỡ Eh lại tăng lờn.
Từ những đặc điểm về sinh thỏi học, đặc điểm về tớnh chất điện húa cú thể đưa ra cơ chế hỡnh thành CH4 của đất lỳa ngập nước của vựng Đồng bằng sụng Hồng như (hỡnh 3. 1).
Hỡnh 3.1: Sơ đồ về đặc điểm sự hỡnh thành mờ tan ở đất ngập nước trồng lỳa ở đồng bằng sụng Hồng. Nguồn C vào
- Bẩy bắt và quay vũng C
- Rễ bài tiết chất hữu cơ - Rễ bài tiết 3 HCO - Cỏ tảo, xỏc vi sinh vật - Sản phẩm phự sa - Nước tưới - Rễ, rơm rạ - Bún phõn hữu cơ Vật chất hỡnh thành CH4
- Chất hữu cơ của đất
- CO2
Điều kiện và quỏ trỡnh hỡnh thành - Eh giảm mạnh (sau 3-8 ngày ngập nước) - pH tăng lờn mức trung tớnh - Lờn men và phõn hủy chất hữu cơ ở điều kiện yếm khớ. - Vi khuẩn vựng rễ và
vi khuẩn mờtan hoạt động mạnh.
CH4 hỡnh thành
Kết quả nghiờn cứu thấy rằng, trong mụi trường đất lỳa ngập nước, sự hỡnh thành Mờtan và phỏt thải Mờtan vào khụng khớ là 2 quỏ trỡnh khỏc nhau. Mờtan sau khi được tạo ra trong đất ngập nước nhưng cú phỏt thải vào khụng khớ hay khụng cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, được trỡnh bày ở phần sau đõy.