Động thái của E hở các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C

Nguồn: Văn Huy Hải (1986)[16]

Đồ thị tại hình 1.9 cho thấy phƣơng án bón phân chuồng và bón rơm có thế ơxy hố-khử giảm mạnh nhất. Q trình trên đƣợc tác giả giải thích theo phản ứng:

(CH2O)x + xO2xCO2 + xH2O 2H2O O2 + 4H+ + 4e

Sự xuất hiện của electron làm tăng q trình khử. Khi bón rơm thì Eh giảm mạnh, bởi vì rơm có tỷ lệ C/N cao, cấu trúc khó phân giải, để phân giải đƣợc chất hữu cơ này vi sinh vật cần nhiều oxy, do đó nhanh chóng tạo ra mơi trƣờng yếm khí (khử).

Ngƣợc lại khi bón phân vơ cơ (đạm urê) dù ở dạng nào cũng phân hóa thành NO3- mang tính oxy hóa nên hạn chế quá trình khử. Bởi vì, NO3- là chất nhận electron để khử, q trình trên có giải phóng ra NO2-

là chất khử, nhƣng chỉ xảy ra trong giai đoạn ngắn sau đó bị khử tiếp và chuyển hóa thành N theo phản ứng:

NO3- + 6H+ + 5e- 2 1

N2 + 3H2O

Những kết quả trên cho thấy, khi đất trồng lúa ngập nƣớc, ngoài yếu tố về thời gian ngập nƣớc, thì chế độ bón phân cũng có ảnh hƣởng đến động thái của Eh. Bón phân vơ cơ nhƣ đạm hạn chế quá trình giảm Eh. Trong khi đó, bón phân hữu cơ làm tăng q trình giảm Eh và giá trị Eh ở những trƣờng hợp này thƣờng đạt ngƣỡng của sự hình thành CH4. Đồng thời bón phân hữu cơ chính là sự cung cấp nguồn vật chất để hình thành CH4. Từ những dẫn liệu trên có thể thấy sự hình thành CH4 phụ thuộc vào thế ơxy hố-khử. Mà đại lƣợng này lại phụ thuộc rất lớn vào chế độ nƣớc và phân bón.

1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phát thải CH4

Có nhiều yếu tố nhƣ: chế độ nƣớc, phân bón, tính chất đất, q trình sinh trƣởng của cây lúa có ảnh hƣởng mạnh đến Eh. Khi động thái của Eh thay đổi thì sự phát thải của CH4 cũng thay đổi theo. Nói cách khác, những yếu tố ảnh hƣởng đến Eh cũng chính là những yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát thải của CH4. Vấn đề này trong những năm gần đây cũng đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu

1.3.1. Ảnh hưởng của chế độ tưới đến phát thải CH4

Chế độ nƣớc và phân bón có ảnh hƣởng trực tiếp đến phát thải CH4. Phân bón (hữu cơ) là nguồn sinh ra CH4, chế độ nƣớc tạo môi trƣờng hình thành CH4, liên quan chặt chẽ tới chế độ khí trong đất. Khi đất ngập nƣớc, hệ thống mao quản của đất bị nƣớc chiếm chỗ, làm cho lƣợng khơng khí và O2 (chất oxy hố) ít, tạo nên mơi trƣờng yếm khí (khử), diễn ra q trình phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CH4.

Chế độ nƣớc ảnh hƣởng đến điều kiện háo khí hoặc yếm khí. Trong điều kiện khơ hanh quanh năm, tốc độ mùn hóa chậm, nhƣng nếu thƣờng xuyên ngập nƣớc mùn hóa thực hiện dƣới tác động của vi sinh vật yếm khí sẽ sinh ra những axit hữu cơ và các chất khử (CH S…), những chất này kìm hãm hoạt động của vi sinh

Trong điều kiện có mùa khơ, ẩm xen kẽ thì mùn đƣợc tích lũy nhiều nhất. Trong điều kiện ẩm, nóng, khống hóa chiếm ƣu thế. Khi khô, lạnh các hợp chất hữu cơ đã hình thành khi phân giải ở mùa nóng, ẩm đƣợc vi sinh vật chuyển hóa, trùng hợp lại tạo thành mùn.

Sự phát thải CH4 ở đất lúa ngập nƣớc cũng nhƣ ảnh hƣởng của chế độ nƣớc mặt ruộng, chế độ bón phân đến phát thải CH4 đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. Trong Chƣơng trình nghiên cứu liên vùng về phát thải khí CH4 trên ruộng lúa ở Châu Á do Quỹ mơi trƣờng tồn cầu tài trợ, Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) đã phối hợp với Viện nghiên cứu Mơi trƣờng khí (Cộng hoà liên bang Đức) và các Viện nghiên cứu nông nghiệp các nƣớc Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Thái Lan và Philippin tiến hành thí nghiệm phát thải CH4 trên ruộng lúa từ năm 19931999, tại các địa điểm đại diện về hệ sinh thái nông nghiệp và chế độ quản lý nƣớc mặt ruộng trong vùng 12]. Các kết quả nghiên cứu cụ thể đƣợc giới thiệu khái quát dƣới đây.

Thí nghiệm đo đạc CH4 phát thải tại Bắc Kinh (Trung Quốc)12 đƣợc tiến

hành từ năm 19951998, ruộng cấy 1 vụ lúa (từ tháng 5 đến tháng 10), sau đó bỏ hoang. Khí hậu khơ ấm và cận nhiệt đới bán khơ với lƣợng mƣa trung bình năm 541 mm, nhiệt độ cao nhất 17,80c (tháng 6) và thấp nhất 7,10

c (tháng 1). Đất thịt nặng, độ pH = 7,0, hàm lƣợng hữu cơ 0,99 %, đạm tổng số 0,09 %. Truyền thống canh tác của nơng dân theo hình thức tƣới ngập và kết hợp tiêu giữa vụ, bón phân lợn. Lƣợng CH4 phát thải biến động từ 6 503 kg/ha/vụ, trung bình 109 kg/ha/vụ, đối với khu ruộng của nông dân, lƣợng phát thải trung bình 288 kg/ha/vụ. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, rút cạn nƣớc giữa vụ có tác dụng giảm 23% lƣợng CH4 phát thải so với tƣới ngập thƣờng xuyên. Bón phân gà có thể giảm lƣợng CH4 phát thải 77,5% so với phân lợn và giảm 69,5 % so với phân rơm.

Điều kiện thí nghiệm trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 1 đến tháng 4) và vụ mùa (từ tháng 7 đến tháng 10) tại Los Banos (Philippin)59 từ năm 19941997, với khí hậu nhiệt đới ẩm và ấm, lƣợng mƣa trung bình năm 2027mm,

nhiệt độ cao nhất 30,60c (tháng 5) và thấp nhất 23,20c (Tháng 2), đất sét nhẹ, độ pH = 6,6 hàm lƣợng hữu cơ 1,2 %, đạm tổng số 0,138 %, trên ruộng đại trà tƣới ngập thƣờng xuyên và bón phân đạm, lƣợng CH4 phát thải dao động trong khoảng từ 5634kg/ha/vụ (vụ chiêm), từ 4 602kg/ha/vụ (vụ mùa). Trong trƣờng hợp sử dụng rơm kết hợp đạm urê bón ruộng, dịng phát thải CH4 gấp 23 lần so với bón phân đạm. Khi bón urê và phân xanh, lƣợng CH4 phát thải gấp 3-4 lần so với chỉ bón đạm urê. Bón phân sulfát kết hợp urê, lƣợng CH4 phát thải giảm 38-67% so với phân urê. Ngoài ra, nếu ruộng đƣợc rút cạn nƣớc vào giữa giai đoạn làm đất, lƣợng CH4 phát thải trên ruộng lúa giảm 20-80% so với tƣới ngập thƣờng xuyên.

Nghiên cứu tại Jakenan (Indonesia)12 từ năm 1993 1998, trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 1 đến tháng 6), vụ mùa (từ tháng 10 đến tháng 2 năm sau), khí hậu nhiệt đới, ẩm và ấm, lƣợng mƣa trung bình năm 1600 mm, thí nghiệm trên đất thịt nhẹ, độ pH = 4,7 hàm lƣợng hữu cơ 0,48%, lƣợng CH4 phát thải từ 52 181kg/ha/vụ(vụ chiêm) và từ 26 256kg/ha/vụ(vụ mùa). Kết quả nghiên cứu cho thấy, trên ruộng tƣới hoàn toàn bằng nƣớc mƣa, lƣợng CH4 phát thải giảm khoảng 50% so với tƣới ngập liên tục và việc rút nƣớc định kỳ cũng có tác dụng giảm phát thải CH4 rõ rệt so với tƣới ngập thƣờng xuyên.

Các kết quả nghiên cứu tại Cuttack (Ấn Độ)12 từ năm 19961998 trên

ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 2 đến tháng 5), vụ mùa (từ tháng 7 đến tháng 10), khí hậu nhiệt đới bán ẩm ƣớt và ấm, lƣợng mƣa trung bình năm 1569 mm, nhiệt độ cao nhất 31,8 0

C (tháng 6) và thấp nhất 22,1oC (tháng 1), đất thịt nhẹ, độ pH = 7,0 hàm lƣợng hữu cơ 0,36 %, đạm tổng số 0,04 %, trên ruộng canh tác của nơng dân bón phân đạm, cho thấy lƣợng CH4 phát thải dao động từ 36  77kg/ha/vụ(vụ chiêm), từ 42  132kg/ha/vụ(vụ mùa). Trên ruộng tƣới ngập thƣờng xuyên, nếu thêm một lƣợng rơm tƣơi (2 tấn/ha) thì lƣợng CH4 phát thải tăng 94% so với khơng có rơm; trong trƣờng hợp tƣới ngập gián đoạn, lƣợng phát thải ít hơn

Các tác giả Yong-Kwang Shin, Seong-Ho Yun, Moo-Eon Park và Byong-Lyol

Lee (Hàn Quốc)12 đã nghiên cứu ảnh hƣởng của chế độ nƣớc và rơm đến lƣợng

CH4 phát thải trên ruộng lúa tại Suwon. Hệ thống thí nghiệm bao gồm 16 hịm lấy mẫu khí (kích thƣớc 60x60x100 cm), đƣợc đặt trên 8 ơ ruộng (diện tích mỗi ơ 41 m2). Mẫu khí đƣợc lấy từ 9 giờ sáng đến trƣa, mỗi tuần lấy 1 mẫu trong thời gian từ 31/5/1994 đến 11/10/1994. Kết quả cho thấy, lƣợng CH4 phát thải trong trƣờng hợp rút cạn nƣớc định kỳ giảm 36% so với tƣới ngập thƣờng xuyên. Ngoài ra, nếu sử dụng phân rơm ủ sẽ giảm phát thải 49% so với rơm tƣơi và nếu rơm tƣơi vùi vào ruộng trƣớc khi cấy 3 tháng, lƣợng phát thải giảm 23% so bón rơm tƣơi.

Nguyễn Mộng Cường, Nguyễn Văn Tỉnh và nnk (2000) 16đã nghiên cứu đo

đạc sự phát thải khí CH4 trên ruộng lúa tại Trạm KTNN Hoài Đức vụ mùa năm 2000 từ 8/8/2000 đến 7/11/2000, ứng với hai trƣờng hợp tƣới ngập thƣờng xuyên và rút nƣớc định kỳ ở hai giai đoạn cuối đẻ nhánh và sau trổ bông 15 ngày, theo tập quán canh tác bón phân hữu cơ (phân chuồng) kết hợp vô cơ của nông dân vùng đồng bằng sông Hồng. Kết quả cho thấy, lƣợng phát thải lớn nhất tập trung vào giai đoạn sau cấy khoảng 25 ngày (từ 40  60 mg/m2/giờ) và nhỏ nhất vào giai đoạn trổ bơng - chín (từ 0,60  1,0 mg/m2/giờ). Tác giả rút ra kết luận, trong trƣờng hợp rút nƣớc định kỳ lƣợng CH4 phát thải là 469,6 kg/ha/vụ, giảm 45,7 kg/ha/vụ (khoảng 10%) và năng suất lúa tăng 3% so với tƣới ngập thƣờng xuyên (515,3 kg/ha/vụ).

Nguyễn Mộng Cường, Nguyễn Văn Tỉnh và nnk (2000) [16] bố trí hệ thống

thí nghiệm đo đạc phát thải CH4 trên ruộng lúa tại huyện Bình Chánh, tp Hồ Chí Minh, từ ngày 10/10/2000 đến 12/12/2000, giống lúa CR 203, bón phân vơ cơ, trong 2 trƣờng hợp tƣới ngập thƣờng xuyên và rút cạn nƣớc phơi ruộng tại 2 giai đoạn cuối để nhánh và sau trổ bông 15 ngày.

Các tác giả rút ra nhận xét: lƣợng CH4 phát thải có xu thế tăng dần từ giai đoạn sinh trƣởng cấy hồi xanh đến cuối đẻ nhánh - trổ bông, phát thải lớn nhất tập trung ở giai đoạn từ cuối đẻ nhánh đến sau trổ bông 15 ngày (từ 6,8125,32 mg/m2/h), chiếm 97% tổng lƣợng phát thải toàn vụ. Ngƣợc lại, từ giai đoạn sau trổ

bơng 15 ngày đến trổ - chín, lƣợng phát thải giảm dần (từ 1,09  5,56 mg/m2/h), chỉ chiếm 3% lƣợng phát thải tồn vụ. Đặc biệt ở giai đoạn lúa chín, lƣợng phát thải rất nhỏ, chỉ từ 1,091,33 mg/m2 /h. Lƣợng CH4 phát thải trung bình tồn vụ trong trƣờng hợp rút nƣớc định kỳ là 198,3 mg/m2/giờ, nhỏ hơn trƣờng hợp tƣới ngập thƣờng xuyên (228,6 mg/m2/giờ) 30,3 mg/m2/giờ. Tƣơng ứng với tổng lƣợng CH4 phát thải toàn vụ trƣờng hợp rút nƣớc định kỳ là 184,4 kg/ha/vụ, giảm 13% so với trƣờng hợp tƣới ngập thƣờng xuyên (217,2 kg/ha/vụ). Trong trƣờng hợp rút nƣớc định kỳ, năng suất lúa tăng không đáng kể (1%) so với tƣới ngập thƣờng xuyên.

1.3.2. Ảnh hưởng của các tính chất lý-hố học đất đến sự phát thải CH4

a) Ảnh hƣởng của Eh và pH:

Eh và pH là những tính chất điện hố của đất và hai đại lƣợng này có mối liên hệ mật thiết với nhau. Bởi vì hầu hết q trình ơxy hố khử đều sử dụng proton (H+). Do đó khi xác định Eh ngƣời ta thƣờng nêu rõ ở mơi trƣờng có độ pH cụ thể. Mặt khác giá trị Eh của đất lại có sự liên quan chặt chẽ đến chế độ nƣớc và chất hữu cơ của đất nhƣ đã đề cập ở những phần trên.

 Sự liên quan của quá trình phát thải CH4 với Eh, pH và nhiệt độ biểu thị qua

hình 1.6 (IRRI, 1999) [12]. Qua biểu đồ trên có thể rút ra nhận xét:

+ Sự phát thải CH4 của đất nhìn chung dao động trong khoảng 01.200 mg/m2/ngày. Sự phát thải nhiều hay ít phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể.

+ Độ pH hầu nhƣ khơng có mối liên hệ với sự phát thải CH4 (hình c và f). Mặt khác trong suốt chu kỳ ngập nƣớc và thời gian sinh dƣỡng của cây lúa, độ pH ít biến đổi và dao động trong khoảng 67.

+ Giá trị Eh (hình c và f) có tƣơng quan với sự phát thải CH4. Khi Eh giảm thì sự phát thải CH4 xảy ra mạnh.

Hình 1.10. Động thái của nhiệt độ (a và d), sự phát thải CH4 (b và e), Eh và pH (c và f) ở điều kiện đất ngập nước liên tục và không liên tục

Nguồn: IRRI, 1999 [12]

Theo TS.Nguyễn Việt Anh (2009) [5] tiến hành thí nghiệm sự thay đổi Eh theo thời gian ngập nƣớc cũng cho kết quả tƣơng tự. Trong 8 ngày đầu sau khi ngập nƣớc giá trị Eh giảm nhanh chóng (từ 129 mV xuống cịn -84 mV và từ 168 mV xuống – 185 mV). Sau 8 ngày giá trị Eh có xu hƣớng khơng giảm theo thời gian ngập nƣớc mà có xu hƣớng ổn định. Đến giai đoạn rút nƣớc phơi ruộng sự tăng Eh phụ thuộc vào trạng thái bề mặt đất sau khi rút nƣớc. Nếu bề mặt đất se mặt (khơng có vết nứt) giá trị Eh dao động từ 90 – 100 mV. Nếu bề mặt đất nứt chân chim, giá trị Eh đạt từ 150 – 200 mV.

 Kết quả nghiên cứu động thái của pH theo thời gian ngập nƣớc ở các loại đất khác nhau đƣợc Ponnamperuma,F.N.(1985) [15] thể hiện ở hình 1.7.

+ Đất có pH ở mức gần 7, trong q trình ngập nƣớc pH ít thay đổi và dao động quanh giá trị 7.

+ Khi đất có giá trị pH <7, trong q trình ngập nƣớc thì pH sẽ tăng lên và tiệm cận với giá trị pH=7. Bởi vì, khi ngập nƣớc quá trình khử xảy ra, mà quá trình khử là quá trình sử dụng proton (H+). Do đó, nồng độ H+ trong dung dịch đất giảm và độ pH tăng hoặc nồng độ [H+

] trong dung dịch, khi nồng độ H+ thấp thì pH cao.

+ Khi đất có giá trị pH >7 thì trong quá trình ngập nƣớc pH giảm dần và cũng tiệm cận với giá trị 7. Nguyên nhân là do áp lực CO2, CO2 hòa tan trong nƣớc tạo thành HCO3- làm pH giảm (Pagel,H.1981)[14]. Q trình trung hồ hoặc pha lỗng xảy ra làm cho pH của đất giảm và tiệm cận với 7.