Chế độ quản lý nƣớc Năm 2005 Năm 2010 Phát thảiCH4 (nghìn tấn) Phát thải CO2e (nghìn tấn ) Phát thảiCH4 (nghìn tấn) Phát thải CO2e (nghìn tấn ) Lúa nƣơng 0 0 0 0 Tƣới (ngập nƣớc thƣờng xuyên) 1.873,6 39.345,7 1.967,2 41.310,3 Nhờ nƣớc trời 150,8 3.165,9 157,3 3.303,9 Tổng 2.024,4 42.511,6 2.124,5 44.614,2
(Nguồn: Báo cáo kiểm kê khí nhà kính quốc gia của Việt Nam, 2014)
Phát thải KNK từ lúa nƣớc có tốc độ tăng khơng nhiều so với tốc độ phát thải từ các lĩnh vực khác vì diện tích trồng lúa của nƣớc ta đã đạt diện tích gần nhƣ tối đa, thậm chí có một số năm giảm. Phát thải KNK từ ruộng lúa có thể thay đổi theo vùng sinh thái, điều kiện khí tƣợng, thổ nhƣỡng, giống và chế động canh tác nhƣ làm đất, tƣới tiêu, bón phân…. Các yếu tố ảnh hƣởng phát thải KNK trên ruộng lúa gồm:
+ Các loại đất: chua, phèn, nhiễm mặn, glay, đất cát, thịt, sét;
+ Tính chất chất: pH đất, hàm lƣợng cac-bon, hàm lƣợng đạm trong đất...; + Mơi trƣờng đất: chế độ nƣớc, chế độ phân bón;
+ Mùa vụ.
1.6. Các nghiên cứu về phát thải KNK trên ruộng lúa:
Hƣớng dẫn IPCC bản sửa đổi năm 1996 đã đƣa các phƣơng pháp tính tốn phát thải KNK đối với lĩnh vực nơng nghiệp, bao gồm 6 hạng mục: (i) Tiêu hóa thức ăn (CH4), (ii) Quản lý chất thải (CH4, N2O), (iii) Canh tác lúa(CH4), (iv) Đất nông nghiệp (N2O), (v) Đốt đồng cỏ (CH4, N2O) và (vi) Đốt phụ phẩmnơng nghiệp ngồi đồng (CH4, N2O).
Các nghiên cứu đã ƣớc tính phát thải từ canh tác lúa nƣớc tại Ai Cập, bao gồm các phát thải từ vận hành máy móc, đốt tại chỗ và bón phân N. Việc tính
tốn trong nghiên cứu này dựa trên các Hƣớng dẫn của IPCC cùng với quy trình LCA. Kết quả cho thấy rằng phần lớn phát thải là từ vùng Hạ lƣu Ai Cập (đồng bằng sông Nile). Phát thải mêtan từ các cánh đồng lúa ngập nƣớc là nguồn phát thải KNK chính, chiếm khoảng 53,25% tổng lƣợng khí thải. Đốt rơm rạ sau khi thu hoạch là nguồn phát thải lớn thứ hai góp phần 35,82%. Phát thải KNK từ hoạt động bón phân N cũng gây phát thải chiếm khoảng 9,92% và từ vận hành máy móc chiếm khoảng 1%.
Hƣớng dẫn thực hành tốt LULUCF (GPG LULUCF, 2003) đề xuất phân loại đất trên lãnh thổ quốc gia thành 6 loại, bao gồm: đất có rừng, đất trồng trọt, đất đồng cỏ, đất ngập nƣớc, đất ở và đất khác và sau đó chia nhỏ mỗi loại thành hai tiểu lĩnh vực trên cơ sở xác định xem việc chuyển đổi sử dụng đất có diễn ra hay khơng. Phát thải, hấp thụ KNK trong lĩnh vực này bao gồm sự thay đổi trữ lƣợng các-bon trong năm bể chứa các-bon (sinh khối trên mặt đất, sinh khối dƣới mặt đất, cây chết, cành, lá rơi rụng và đất), phát thải trực tiếp N2O từ việc sử dụng phân đạm, phát thải N2O từ hệ thống thoát nƣớc của đất, phát thải CO2 từ việc sử dụng vôi trong canh tác nơng nghiệp và phát thải các khí khơng phải là khí CO2 do q trình đốt cháy sinh khối. Nhƣ vậy, đối với các phát thải/hấp thụ KNK do chuyển đổi mục đích đất sử dụng từ canh tác lúa sang các mục đích khác thì có thể áp dụng các phƣơng pháp tính tốn đƣa ra bởi GPG LULUCF (2003) [17].
Năm 2006, Nguyễn Việt Anh đã kết luận về nghiên cứu của mình và cho rằng có thể dung các giải pháp về quản lý nƣớc mặt ruộng để giảm phát thải metan, tiết kiệm nƣớc mà không giảm năng suất lúa trên đất phù sa trung tính Đồng bằng Sơng Hồng [1].
Năm 2013, Salas mới chỉ đƣa ra đề xuất ý tƣởng xây dựng hệ thống giám sát khí nhà kính phát thải từ vùng canh tác lúa của Việt Nam sử dụng mơ hình DNDC (Nguyễn Văn Thắng, Nguyễn Trọng Hiệu, 2010) [7]. Trong Báo cáo cập nhật hai năm một lần lần thứ nhất của Việt Nam cho Công ƣớc Khung của Liên hợp quốc về BĐKH (2014) cũng nêu một số phƣơng án giảm nhẹ KNK trong
nơng nghiệp trong đó có việc ứng dụng mơ hình DNDC để ƣớc tính phát thải KNK từ lúa nƣớc [2].
Năm 2014, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam phối hợp với Đại sứ quán Na Uy triển khai thực hiện đề tài nghiên cứu“Biến đổi khí hậu và những
tác động đến sản xuất lúa tại Việt Nam: Thử nghiệm các giải pháp tiềm năng về thích ứng và giảm thiểu”. Đề tài này đã tiến hành đo thực địa lƣợng phát thải
KNK trên đất trồng lúa nƣớc tại 02 địa điểm thuộc tỉnh Nam Định, đây là cơ sở để so sánh độ chính xác kết quả của mơ hình so với các số liệu đo thực tế.
Tóm lại, đã có một số nghiên cứu và đã có kết quả về tính tốn phát thải KNK trên ruộng lúa vùng Đồng bằng sơng Hồng nói chung và tỉnh Nam Định nói riêng, nhƣng chỉ ở quy mô một điểm nhất định. Trong thực tế, phát thải KNK phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣ, khí hậu, đất đai, thổ nhƣỡng, cây trồng, chế độ canh tác… Kết quả đo đếm phát thải KNK từ một điểm nào đó chỉ đại diện cho một khoanh đất có điều kiện khí hậu, thổ nhƣỡng đồng nhất và chế độ canh tác giống nhau.
Trên thực tế, mỗi khi chuyển đến một địa điểm mới hoặc vùng mới có các điều kiện về mơi trƣờng khác nhau thì phát thải khí nhà kính khác nhau,vì vậy việc tính tốn phát thải khí nhà kính theo sự thay đổi của các yếu tố mơi trƣờng, khí hậu đảm bảo tính chính xác hơn, đặc biệt là khi các hoạt động kiểm kê KNK và giảm phát thải KNK đƣợc triển khai đến ở mức độ chi tiết hóa đến tận khoanh đất hoặc ruộng của ngƣời dân thì chỉ có sự sai khác về các yếu tố môi trƣờng và biện pháp canh tác mới chỉ ra đƣợc sự khác nhau về phát thải khí nhà kính và khả năng giảm phát thải khí nhà kính của các biện pháp canh tác tiên tiến.
CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu 2.1. Nội dung nghiên cứu
Trong luận văn này, học viên tập trung vào các nội dung nghiên cứu chính nhƣ sau:
- Mức phát thải KNK với các điều kiện khí hậu khác nhau. - Mức phát thải KNK trên mỗi loại đất khác nhau.
- Sử dụng mơ hình DNDC và hệ thống thông tin địa lý tính tốn, mơ phỏng phát thải khí nhà kính trong canh tác lúa nƣớc trên các loại đất và điều kiện khí hậu khác nhau trên toàn tỉnh Nam Định.
- Thể hiện lƣợng phát thải khí nhà kính trên bản đồ.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu đƣợc tiến hành bằng cách sử dụng mơ hình DNDC mơ phỏng, tính tốn phát thải KNK trên đất lúa thuộc tỉnh Nam Định với các điều kiện khí hậu khác nhau, điều kiện thổ nhƣỡng khác nhau và các chế độ canh tác lúa khác nhau.
Để tính tốn đƣợc nhƣ vậy thì cần phải có sự hỗ trợ của hệ thống thơng tin địa lý (GIS) kết hợp chồng các lớp thơng tin bản đồ vùng khí hậu, bản đồ đất và các điều kiện canh tác. Độ chính xác của kết quả tính tốn đƣợc thể hiện bằng sự chuẩn hóa của các yếu tố đầu vào, khi mơ hình đƣợc hiệu chỉnh bằng các số liệu quan trắc thực địa tại tỉnh Nam Định.
Để đạt đƣợc các mục tiêu nghiên cứu nhƣ mơ tả thì các phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhƣ sau:
2.2.1. Phương pháp mơ hình hóa
Mơ hình DNDC là mơ hình sinh địa hóa trong đất, cho phép dự báo cân bằng cac-bon và cân bằng đạm trong đất, sự phát thải một số khí nhà kính nhƣ CO2, CH4, N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp (Giltrap et al, 2010) [16]. Mơ hình đƣợc xây dựng với các thơng số đầu vào gồm các thơng số về tính chất lý hóa của đất, thơng số về điều kiện khí hậu nhƣ nhiệt - ẩm, thơng số về cây trồng
nhƣ lịch gieo trồng, thu hoạch, phƣơng thức chăm bón… Mơ hình này đƣợc xây dựng trên nhiều phƣơng trình sinh địa hóa thực nghiệm trong các điều kiện mơi trƣờng khác nhau nhƣ yếm khí, kỵ khí…
Cấu trúc của mơ hình gồm: hợp phần con mơ hình khí hậu, đất, cây trồng vàmơ hình con về phân hủy dùng để đánh giá nhiệt độ, độ ẩm, thế oxy hóa khử của đất và biến trình của các yếu tố trong phẫu diện, năng suất cây trồng, ƣớc lƣợng hàm lƣợng cácbon đƣa vào đất từ các cây trồng. Các thông số này chịu sự tác động của đặc trƣng khí hậu, đất, cây trồng và hoạt động của con ngƣời. Hợp phần thứ hai gồm mơ hình con nitrate hóa, khử nitrate và mơ hình con oxy hóa khử nhằm ƣớc lƣợng sự phát thải các khí CO2, CH4, NH3, NO, N2O, N2 từ các hệ canh tác nơng nghiệp. Mơ hình DNDC nhằm mơ phỏng lại mối quan hệ giữa các chu trình sinh địa hóa cacbon, nitơ và các yếu tố sinh thái. Hình 2.1 mơ tả cấu trúc của mơ hình DNDC.
Sinh trƣởng cây trồng đóng một vai trị quan trọng trong việc điều chỉnh C, N trong đất và chế độ nƣớc, hơn nữa có thể ảnh hƣởng đến một loạt các q trình sinh hóa hoặc địa hóa học xảy ra trong đất. Một mơ hình phụ đƣợc xây dựng trong DNDC để mô phỏng sự phát triển của cây trồng. Một nhóm các thơng số cây trồng có thể đƣợc cung cấp hoặc thay đổi bởi ngƣời sử dụng để xác định cây trồng của mình. Các thơng số cây trồng bao gồm năng suất tiềm năng, sinh khối phân bố ở từng bộ phận rễ, thân lá, tỷ lệ Carbon/Nitơ (C/N), nhiệt độ từng ngày, nhu cầu nƣớc, và dinh dƣỡng đạm. Sự tăng trƣởng cây trồng đƣợc mơ phỏng bởi q trình tích ơn, quang hợp, sự hấp thu đạm và nƣớc theo từng bƣớc thời gian hàng ngày. Các q trình quang hợp, hơ hấp, phân bố Carbon, và nƣớc và hấp thu N đƣợc mô phỏng hàng ngày và đƣợc ghi lại để ngƣời sử dụng có thể kiểm tra kết quả mơ hình đối chiếu với những quan trắc để đảm bảo rằng các cây trồng đƣợc mơ phỏng một cách chính xác. Các thơng số cây trồng có thể đƣợc ngƣời sử dụng nhập và sửa đổi thông qua giao diện đầu vào của phần mềm một cách nhanh chóng. Nhu cầu N đƣợc tính tốn dựa trên sự tăng trƣởng của cây trồng hút hàng ngày theo các điều kiện thời tiết nhƣ tốc độ quang hợp để tổng hợp hydrate carbon. Lƣợng đạm hấp thu thực tế của cây trồng có thể bị giới hạn bởi đạm trong đất và một ít bổ sung từ nguồn nƣớc trong suốt vụ mùa.
Khi Carbon hữu cơ trong đất (SOC) bị phân hủy, Carbon phân hủy bị giảm một phần và mất đi ở dạng CO2 và phần còn lại phân bổ vào bể SOC khác. Carbon hữu cơ hòa tan (DOC) đƣợc tạo ra nhƣ một chất trung gian trong q trình phân hủy, và có thể đƣợc tiêu thụ ngay lập tức bởi vi khuẩn đất. Trong quá trình phân hủy của SOC, nitơ hữu cơ bị phân hủy một phần chuyển sang dạng hữu cơ kế tiếp và là một phần khống để a mơn hóa (NH4+). Nồng độ NH4+ tự do đƣợc cân bằng với cả đất sét hấp thụ NH4+ và amoniac hịa tan (NH3). Sự bay hơi của NH3 vào khơng khí đƣợc kiểm sốt bởi nồng độ NH3 trong đất của pha lỏng và chịu tác động của các yếu tố mơi trƣờng đất (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, và pH). Khi xảy ra mƣa, NO3- đƣợc lọc trong các tầng sâu hơn với hệ thống thoát nƣớc trong đất. Một q trình động học trong mơ hình dự đốn tình trạng hảo khí đất bằng cách tính hàm lƣợng oxy hoặc các chất oxy hóa trong đất. Dựa trên
tiêu chí dự đốn oxi hóa khử, đất trong mỗi lớp đƣợc chia thành các phần hiếu khí và kỵ khí, nơi q trình nitrat hóa và đề nitrirat hóa xảy ra tƣơng ứng.
Khi bong bóng kỵ khí vỡ ra, các thành phần phụ (DOC, NH4+, N và oxit) sẽ đƣợc phân bổ tại các vị trí kỵ khí để tăng cƣờng q trình khử nitơ. Khi quả bóng kỵ khí co lại, q trình nitrat hóa sẽ tăng lên do việc tái phân bổ các chất vào các vị trí kị khí. Khí NO và N2O đƣợc tạo ra tại một trong hai q trình nitrat hóa hoặc đề nitrat là đối tƣợng chuyển đổi thêm trong quá trình khuếch tán của chúng thơng qua ma trận đất.Q trình ngập nƣớc dài ngày (một vài ngày đến vài tháng) sẽ kích hoạt q trình lên men, trong đó sinh ra hydrogen sulfide (H2S) và mêtan (CH4) đƣợc phụ thuộc vào mức độ khử trong đất.
Tồn bộ mơ hình đƣợc điều khiển bởi bốn yếu tố sinh thái chính, cụ thể là khí hậu, đất đai, thực vật và quản lý. Yếu tố quan trọng cho một mô phỏng thành cơng để có đƣợc dữ liệu đầu vào đầy đủ và chính xác về bốn q trình điều khiển chính này.
* Các dữ liệu đầu vào của mơ hình:
- Các dữ liệu về khí tƣợng thủy văn (nhiệt độ, lƣợng mƣa, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, độ ẩm);
- Các dữ liệu về canh tác (giống, thời gian gieo cấy, thu hoạch, phân bón, tƣới nƣớc, quản lý mùa vụ, cỏ hại…);
- Các dữ liệu về đất đai (loại đất, pH, độ xốp, độ mặn, hàm lƣợng OC, NO3-, NH4+…).
* Các dữ liệu đầu ra của mơ hình:
- Lƣợng phát thải khí CH4, N2O trên một đơn vị diện tích canh tác lúa nƣớc, đơn vị tính là kg/ha/năm.
* Hiệu chỉnh mơ hình
Mơ hình đƣợc hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả tính tốn phát thải KNK của mơ hình với kết quả thí nghiệm đồng ruộng và điều chỉnh các thơng số của mơ hình để kết quả tính tốn của mơ hình gần với kết quả đo thực địa trong
cùng 1 điều kiện khí tƣợng, đất đai, cây trồng và canh tác để từ đó có các thơng số chuẩn cho mơ hình theo điều kiện điểm nghiên cứu để từ đó có thể mơ phỏng tốt nhất lƣợng phát thái KNK cho các loại đất khác nhau với sai số nhỏ nhất.
Quá trình hiệu chỉnh mơ hình đƣợc đánh giá độ chính xác sử dụng hệ số xác định R2 và chỉ số hiệu quả Nash - Sutcliffe (NSI). Công thức tính tốn các hệ số này đƣợc thể hiện trong các phƣơng trình sau đây:
Trong đó: Oi là giá trị thực đo
Ō là giá trị thực đo trung bình Pi là giá trị mơ phỏng
n là số lƣợng giá trị tính tốn
Chỉ số NSI chạy từ -∞ đến 1, đo lƣờng sự phù hợp giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng trên đƣờng thẳng 1:1. Nếu NSI nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả đƣợc xem là khơng thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém. Ngƣợc lại, nếu giá trị này bằng 1, thì kết quả mơ phỏng của mơ hình là hồn hảo.
Mơ hình đƣợc chấp nhận khi hệ số R2 và chỉ số NSI lớn hơn 0,5.
2.2.2. Hệ thống thông tin địa lý và phương pháp bản đồ
Có nhiều quan niệm về Hệ thống thông tin địa lý (GIS), tuy nhiên các ý kiến thể hiện quan tâm tập trung vào hai hƣớng:
1) Quan niệm về Hệ thống thông tin địa lý nhƣ một CSDL bản đồ điều khiển đƣợc bằng các kỹ thuật đồ hoạ máy tính với các chức năng nhập, tổ chức, hiển thị, hỏi đáp các thông tin bản đồ đƣợc lƣu trong CSDL.
2) Quan niệm về Hệ thống thông tin địa lý nhƣ một phần mềm gồm các chức năng nhập, phân tích hiển thị và có khả năng mơ hình hố các lớp thơng tin đƣợc tổ chức trong một CSDL để thành lập các bản đồ chuyên đề.
Hệ thống thông tin địa lý là một hệ thống bao gồm 4 thành phần:
- Máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng vào, ra và xử lý thông tin của phần mềm.
- Một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý) và các thơng tin thuộc tính, đƣợc tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định.
- Một phần mềm có tối thiểu 4 chức năng:
+ Nhập thơng tin khơng gian và thơng tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau; + Lƣu trữ, điều chỉnh, cập nhật vμ tổ chức các thông tin không gian và thơng tin thuộc tính;
+ Phân tích, biến đổi thơng tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài