CHƢƠNG 2 : NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu đƣợc tiến hành bằng cách sử dụng mô 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 thông 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 nơng 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 môi 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 quá 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 mô 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 hòa 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 thốt 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 quá 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 quá 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.
Q 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). Cơng 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 toán
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 thơng 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 thông tin thuộc tính, đƣợc tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định.
- Một phần mềm có tối thiểu 4 chức năng:
+ Nhập thông tin không 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 thông tin thuộc tính;
+ Phân tích, biến đổi thơng tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ƣu và mơ hình mơ phỏng khơng gian và thời gian.
+ Hiển thị và trình bày thơng tin dƣới dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau.
- Các kiến thức chuyên gia, chuyên ngành.
Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thƣờng (nhƣ cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích địa lý, trong đó phép phân tích địa lý và hình ảnh đƣợc cung cấp duy nhất từ các bản đồ. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thơng tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đốn tác động và hoạch định chiến lƣợc).
Một số phƣơng pháp để xây dựng bản đồ là:
- Phân tích chồng xếp: là q trình tích hợp các lớp thơng tin khác nhau. Các thao tác phân tích địi hỏi một hoặc nhiều lớp dữ liệu phải đƣợc liên kết vật lý. Sự chồng xếp này, hay liên kết khơng gian, có thể là sự kết hợp dữ liệu về đất, độ dốc, thảm thực vật, sông suối…
- Hiển thị: với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng đƣợc hiển thị tốt nhất dƣới dạng bản đồ hoặc biểu đồ. Bản đồ khá hiệu quả trong lƣu giữ và trao đổi thông tin địa lý.
Kết hợp các tài liệu thu thập và các phƣơng pháp bản đồ, có thể xây dựng bản đồ tính tốn khác.
2.2.3. Phương pháp thu thập và phân tích số liệu
- Thu thập số liệu:
+ Thu thập số liệu hiện có liên quan đến đề tài, thu thập tất cả các số liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu, các số liệu canh tác (số liệu từ dự án “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” của
Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam phối hợp với Đại sứ quán Na Uy năm 2014; Niên giám thống kê toàn quốc các năm: 2013, 2014 và năm 2015; các báo cáo: Kiểm kê khí nhà kính quốc gia năm 2010, Báo cáo cập nhật hai năm một lần lần thứ nhất của Việt Nam cho UNFCCC, Kế hoạch hành động ứng phó với BĐKH tỉnh Nam Định giai đoạn 2011-2015 tầm nhìn 2020,..);
+ Thu thập số liệu về không gian: bản đồ hiện trạng sử dụng đất tỉnh Nam Định năm 2010, tỷ lệ 1:50.000; Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất đến năm 2020 tỉnh Nam Định tỷ lệ 1:50.000 (tại Tổng cục Quản lý đất đai – Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng);
+ Thu thập các số liệu về khí tƣợng: để mơ hình có kết quả chính xác, số liệu khí tƣợng phải đại diện cho vùng nghiên cứu. Vị trí của các trạm đo khí tƣợng ảnh hƣởng trực tiếp tới kết quả nghiên cứu. Học viên đã thu thập số liệu từ năm 2013 - 2015 tại 04 trạm khí tƣợng thuộc và sát tỉnh Nam Định: Trạm Ninh Bình, Trạm Thái Bình, Trạm Nam Định và Trạm Văn Lý. Các thông tin thu thập gồm: tọa độ trạm, nhiệt độ khơng khí cao nhất ngày (Tmax), nhiệt độ khơng khí thấp nhất ngày (Tmin), nhiệt độ khơng khí trung bình ngày (Ttb), tổng số giờ nắng ngày, hƣớng và tốc độ gió, lƣợng mƣa ngày (tại Trung tâm Khí tƣợng thủy văn quốc gia);
+ Các số liệu về cây trồng: giống lúa; đặc tính sinh lý, sinh hóa của giống lúa; lịch mùa vụ; các kỹ thuật canh tác (làm đất, tƣới, bón phân, làm cỏ, phun thuộc bảo vệ thực vật…); các loại phân bón và đặc tính của phân bón (thu thập từ các tài liệu, sách và bài báo khoa học, các thông tin về giống và kết quả khảo nghiệm giống từ Trung tâm Thông tin – Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn);
+ Số liệu về đất: loại đất, độ dày tầng đất, thành phần cơ giới, đặc tính lý học, hóa học của đất (từ Bảo tàng đất Việt Nam, báo cáo về bản đồ đất tỉnh Nam Định, báo cáo đất mặn…).
Số liệu khí tƣợng Bản đồ Hiện trạng sử dụng đất Bản đồ phân vùng khí hậu Bản đồ đất lúa Bản đồ đất Bản đồ đơn vị các tổ hợp Khí tƣợng – Đất – Canh tác
Thông tin giống lúa và các biện pháp canh tác DNDC Đầu vào: nƣớc, phân bón. hiệu chỉnh mơ hình Mơ hình đƣợc hiệu chỉnh Số liệu thí nghiệm thực địa CH4, N20 - Phát thải CH4 - Phát thải N2O
Hình 2.3: Trình tự các bước nghiên cứu, chuẩn bị, hiệu chỉnh và ứng dụng mơ hình DNDC để tính tốn phát thải KNK trên ruộng lúa