Dự thảo tóm tắt Luận án - Nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính (Ch4, N2O) trong môi trường đất lúa lưu vực sông Vu gia – Thu bồn, tỉnh Quảng Nam

Nguyễn Mạnh Khải 2. PGS.TS. Mai Văn Trịnh Phản biện 1: . Phản biện 2: . Phản biện 3: . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ cấp Đại học Quốc gia tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội vào hồi.giờ., ngày tháng.năm..... Có thể tìm hiểu Luận án Tiến sĩ tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm thông tin Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn (VG-TB) là một trong những lưu vực sông lớn nhất và cũng là vùng kinh tế và nông nghiệp trọng điểm ở khu vực Nam Trung Bộ. Lưu vực sông VG-TB có diện tích đất trồng trọt trên 120.000 ha, trong đó gần 50% được sử dụng cho canh tác lúa (tương đương 60.700 ha). Đây là vùng sản xuất lúa lớn thứ hai ở khu vực Nam Trung Bộ. Lúa được coi là cây lương thực quan trọng nhất tại khu vực này [Sở Nông nghiệp và PTNT Quảng Nam, 2014]. Hiện nay, Việt Nam đã có khá nhiều các nghiên cứu về phát thải KNK (đặc biệt là các nghiên cứu trên đồng ruộng) nhưng tập trung chủ yếu tại đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, các nghiên cứu về phát thải CH4, N2O tại các vùng trồng lúa nhỏ hơn, hầu như chưa được tiến hành. Ngoài ra, mặc dù kỹ thuật, quy trình đo và quan trắc KNK quy mô điểm trong canh tác lúa gần đây đã được cải thiện đáng kể, nhưng những dự báo phát thải KNK trong canh tác lúa quy mô vùng sinh thái hay toàn quốc vẫn còn nhiều khá hạn chế do thiếu phương pháp/công cụ tính toán đủ tin cậy và toàn diện. Cho đến nay, việc áp dụng mô hình DNDC để ước lượng phát thải CH4, N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp đã dần được quan tâm. Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu/thông số thực tế để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình cho phù hợp nên phần lớn các nghiên cứu trên vẫn phải sử dụng các thông số mặc định hay dữ liệu tham khảo để chạy mô hình DNDC. Xuất phát từ những vấn đề lý luận trên cùng với yêu cầu cấp bách về việc lựa chọn, hoàn thiện phương pháp tính toán đủ tin cậy, nhanh chóng, ít chi phí để phục vụ cho nghiên cứu động thái phát thải KNK trong đất lúa ở quy mô điểm, tính toán mức phát thải và phân bố không gian phát thải KNK từ canh tác lúa ở quy mô vùng, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng sự phát thải khí nhà kính (CH4, N2O) trong môi trường đất lúa lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam”. 2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này được thực hiện với các mục tiêu sau: - Xác định động thái phát thải CH4 và N2O từ môi trường đất lúa nước trong mối quan hệ với một số yếu tố khí hậu, tính chất đất và biện pháp canh tác. - Xác định tác động tiềm năng của các biện pháp canh tác thay thế khác nhau đối với mức phát thải CH4 và N2O cũng như năng suất lúa (tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp tưới tới sự phát thải CH4 và N2O). - Ước tính phát thải và lập bản đồ phát thải CH4 và N2O quy mô toàn vùng. - Đề xuất hệ số phát thải CH4 và hệ số tỷ lệ của các chế độ tưới cho vùng nghiên cứu và lộ trình áp dụng chế độ tưới tiết kiệm để vừa giảm phát thải KNK, vừa duy trì được năng suất lúa. 1 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của các biện pháp tưới tới sự phát thải CH4 và N2O của các hệ canh tác có lúa thuộc lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, làm cơ sở cho hiệu chỉnh mô hình sinh địa hóa DNDC. - Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên 2 điểm thuộc hai vùng canh tác lúa chính, điển hình của lưu vực VG-TB: (i) huyện Đại Lộc - đại diện cho vùng trung du và (ii) huyện Duy Xuyên - đại diện cho vùng đồng bằng thấp. Sau đó, sử dụng mô hình DNDC đã hiệu chỉnh để tính toán tổng lượng phát thải toàn lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học - Cung cấp bằng chứng khoa học và cơ sở dữ liệu cho việc hiệu chỉnh, thẩm định, kiểm tra độ chính xác của mô hình DNDC (phần mềm kiểm kê phát thải KNK từ canh tác lúa), trước khi sử dụng mô hình để tính toán mức phát thải và tiềm năng giảm phát thải của chế độ tưới tiết kiệm cho vùng nghiên cứu. - Cung cấp thêm các bằng cơ sở khoa học và dữ liệu tham khảo cho các nghiên cứu giảm thiểu phát thải KNK trong nông nghiệp ở Việt Nam. - Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu tham khảo cho việc nghiên cứu và đề xuất biện pháp canh tác phù hợp cho canh tác lúa bền vững (vừa đảm bảo được năng suất, vừa giảm phát thải khí nhà kính) tại lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Những kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ là dữ liệu cơ sở có giá trị trong công tác kiểm kê KNK từ sản xuất nông nghiệp nói chung và sản xuất lúa nói riêng của toàn vùng và các khu vực có điều kiện tương tự ở Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu còn có thể được sử dụng trong lập kế hoạch quản lý đất đai với trọng tâm là các lồng ghép các chiến lược giảm nhẹ BĐKH vào trong các dự án, chương trình phát triển nông nghiệp ở khu vực ven biển miền Trung Việt Nam. 4. Những đóng góp mới của đề tài: - Nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam kết hợp 3 thành phần trong một nghiên cứu điển hình ở Việt Nam: (i) dữ liệu thực địa về lượng phát thải KNK (ii) dữ liệu về phương canh tác được thu thập từ nông dân địa phương (iii) các kết quả định lượng về lượng phát thải KNK bằng mô hình DNDC đã được hiệu chuẩn và kiểm định - Sử dụng kỹ thuật GIS để tích hợp kết quả tính toán từ mô hình DNDC vào hiện thị trên bản đồ để mô tả phân bố không gian các vùng với các mức độ phát thải CH4 và N2O khác nhau, dựa trên các chế độ tưới khác nhau. 2 - Đề xuất hệ số phát thải (EF) và hệ số tỷ lệ đối với các chế độ tưới (SFw) (sử dụng để tính toán kiêm kê KNK theo Tier 2 của IPCC) riêng cho khu vực nghiên cứu, một trong những vùng canh tác lúa chính ở duyên hải miền Trung Việt Nam. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Khí nhà kính và hiệu ứng ấm lên toàn cầu Biến đổi khí hậu toàn cầu đang trở thành một vấn đề “thời sự” trong khoa học và chính trị hiện nay. Có rất nhiều tranh cãi về nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu: do hoạt động của con người hay hoạt động chính tự nhiên. Tuy nhiên, qua các quan trắc và nghiên cứu lâu dài trên phạm vi toàn thế giới, các nghiên cứu khoa học đã chứng minh rằng: sự thay đổi khí hậu đương đại (ví dụ như tăng nhiệt độ) chủ yếu là do sự phát thải các khí nhà kính (KNK) từ các hoạt động của con người, bao gồm: gồm hơi nước (H2O), cácbon điôxít (CO2), mê- tan (CH4), ôxit-nitơ (N2O), ozone (O3), các khí chlorofluorocacbon CFC [IPCC, 2007]. Nếu như sự gia tăng nồng độ và lượng khí CO2 trong khí quyển chủ yếu do sử dụng nhiên liệu hoá thạch và thay đổi sử dụng đất, thì CH4 và N2O phát thải chủ yếu từ hoạt động nông nghiệp [IPCC, 2007]. Cácbon điôxit (CO2), khí mê-tan (CH4), và ôxit nitơ (N2O) là các khí nhà kính quan trọng góp phần gây ra hiệu ứng ấm lên toàn cầu ở mức tương ứng là 60%, 15% và 5% [IPCC 2007]. 1.2. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam 1.2.1. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp trên thế giới Theo Ủy Ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), 3 loại KNK được quan tâm nhất trong nông nghiệp là CO2 (45%), CH4 (44%) và N2O (11%); trong đó 57,5% phát thải từ canh tác lúa; 21,8% phát thải từ đất; 17,2% phát thải từ chăn nuôi; 3,5% từ đốt phụ phẩm nông nghiệp, đốt đồng cỏ Trong trồng trọt, lượng phát thải KNK trung bình từ canh tác lúa là 20 tấn CO2 quy đổi/ha, mía 28 tấn CO2 quy đổi /ha, đậu tương 17 tấn CO2 quy đổi/ha, sắn 12 tấn CO2 quy đổi/ha, lạc 10 tấn CO2 quy đổi/ha, ngô 7 tấn CO2 quy đổi/ha [dẫn theo Nguyễn Văn Bộ và cs,, 2016] 1.2.2. Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp tại Việt Nam Tổng lượng KNK phát thải trong năm 2010 từ nông nghiệp là 88,35 triệu tấn CO2 tương đương, trong đó canh tác trồng lúa đóng góp 44,6 triệu tấn CO2 tương đương (chiếm 50,49%); còn lại 10,72% tổng lượng KNK phát thải từ quá trình lên men của động vật nhai lại trong chăn nuôi:, 9,69% từ phân chuồng, 26,95% từ đất nông nghiệp và 2,15% từ phế phụ phẩm nông nghiệp [MONRE, 2014]. 1.3. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới và ở Việt Nam 1.3.1. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa trên thế giới Lúa là cây lương thực chính của gần 50% dân số thế giới (Fageria và cộng sự, 2011). Các cánh đồng lúa và các hệ thống canh tác có lúa được coi là một nguồn phát thải KNK 3 quan trọng. Sản xuất lúa gạo là nguồn phát thải CH4 chính (loại KNK nhân tạo lớn thứ hai sau CO2) (IPCC 2007), có tiềm năng gây hiệu ứng ấm lên toàn cầu lớn gấp 25 lần so với CO2. Hệ canh tác lúa nước cung cấp gần 80% sản lượng gạo toàn cầu (Fageria và cộng sự, 2011) nhưng cũng là nguồn phát thải khí CH4 chính khi đóng góp 80% tổng lượng CH4 phát thải từ tất các loại hình canh tác lúa trên thế giới [Deepanjan Majumdar, 2003] và 18% vào sự ấm lên toàn cầu [Denman và cộng sự, 2007]. 1.3.2. Phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa tại Việt Nam Canh tác lúa là nguồn phát thải KNK lớn nhất trong ngành nông nghiệp ở Việt Nam. Tổng lượng KNK phát thải trong sản xuất lúa chủ yếu từ việc canh tác lúa nước có tưới với 41,3 triệu tấn CO2 tương đương. Sản xuất lúa dự kiến sẽ vẫn là nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất trong lĩnh vực nông nghiệp với 39,1 triệu tấn CO2 tương đương vào năm 2020, và 40,0 triệu tấn CO2 tương đương năm 2030. 1.4. Cơ chế hình thành và phát thải khí CH4 và N2O trong môi trƣờng đất lúa 1.4.1. Cơ chế hình thành và giải phóng khí CH4 trong đất lúa Mê-tan (CH4) được sản sinh trong đất khi chất hữu cơ bị phân hủy dưới điều kiện kị khí. Thông thường, môi trường có ôxy đầy đủ, hầu hết các C trong chất hữu cơ đang phân huỷ sẽ chuyển thành CO2. Tuy nhiên, trong trường hợp không có ôxy, quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ không được thực hiện triệt để và C được giải phóng dưới dạng CH4. Sau khi hình thành, CH4 được giải phóng vào khí quyển thông qua sự khuếch tán, sủi bọt khí và thông qua hệ thống mô khí của cây. 1.4.2. Cơ chế hình thành và giải phóng khí N2O trong đất lúa Khí N2O trong ruộng lúa là sản phẩm trung gian và được hình thành từ quá trình nitrat hóa (trong điều kiện hiếu khí (ôxy hóa)) và quá trình phản nitrat hóa (trong điều kiện bán kị khí (khử)) [Khalil et al., 2004]. Trong quá trình nitrat hóa, N2O được hình thành trong điều kiện hạn chế oxy bằng cách chuyển hóa nitrite hoặc hydroxylamine. Trong quá trình phản nitrat, tỷ lệ N2O hình thành liên quan đến lượng N2 tăng khi O2 tăng lên và cacbon giảm xuống [Kirk, 2004]. N2O được tạo ra tối đa ở khoảng Eh từ 200 đến 500 mV [Yu và cộng sự, 2007]. 1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phát thải CH4 và N2O. Một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến hình thành và phát thải CH4 và N2O là chế độ nước (tưới tiêu), quản lý chất hữu cơ (tàn dư cây trồng, rơm rạ và các chất hữu cơ khác), khí hậu (nhiệt độ), tính chất đất (Hàm lượng OM, pH và Eh, các hoạt động của vi sinh vật), các giống lúa và các hoạt động canh tác khác như làm đất, bón phân . 1.6. Sử dụng mô hình hóa trong mô phỏng phát thải KNK từ nông nghiệp Gần đây, một số phương pháp đã được sử dụng để dự đoán lượng phát thải CH4 và N2O từ các canh tác nông nghiệp. Sử dụng mô hình mô phỏng là một trong những cách tiếp 4 cận phổ biến đang được áp dụng rộng rãi để ước tính mức phát thải khí nhà kính từ nông nghiệp và lâm nghiệp. Định lượng phát thải KNK từ đất là cần thiết cho các nghiên cứu quy mô toàn cầu trong bối cảnh biến đổi khí hậu diễn ra trên quy mô lớn [Li et al., 1997]. Trong những năm gần đây, các mô hình sinh địa hóa này đóng một vai trò quan trọng trong việc mô tả động thái quá trình hình thành CH4 và N2O trong đất lúa và có thể ước lượng mức phát thải CH4 và N2O ở quy mô khu vực hoặc toàn cầu. Trong số các mô hình hiện có, mô hình DNDC được coi là mô hình ứng rộng phổ biến nhất trên thế giới. CHƢƠNG 2. NỘI DUNG, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu - Rà soát, điều tra và thu thập các tài liệu, số liệu và dữ liệu liên quan xây dựng CSDL đầu vào của mô hình: số liệu khí tượng, đất đai, phương thức canh tác tại các vùng lúa chính của tỉnh Quảng Nam phục vụ việc mô phỏng và tính toán lượng CH4 và N2O trong đất lúa vùng nghiên cứu. - Xây dựng thí nghiệm đồng ruộng để quan trắc số liệu phát thải khí CH4 và N2O và năng suất lúa trên đất phù sa cổ (dưới các chế độ tưới và bón phân khác nhau), và sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. - Kiểm định mô hình DNDC và đánh giá động thái phát thải CH4 và N2O từ môi trường đất lúa nước trong mối quan hệ với một số yếu tố khí hậu, tính chất đất và biện pháp canh tác. - Sử dụng mô hình DNDC đã hiệu chỉnh và kiểm định để xác định lượng CH4 và N2O phát thải trên quy mô toàn vùng và lập bản đồ phát thải CH4 và N2O (dưới ảnh hưởng các các biện pháp canh tác khác nhau - tập trung vào biện pháp tưới); - Đề xuất thông số phát thải (EF) CH4 và N2O cho vùng nghiên cứu; và đề xuất một số biện pháp canh tác tổng hợp hướng tới canh tác lúa bền vững, phát thải thấp cho vùng nghiên cứu. 2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: (1) Hệ canh tác lúa nước trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam; (2) Khí CH4 và N2O phát thải từ hệ canh tác lúa nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam; (3) Mối quan hệ giữa phương thức canh tác (tập trung vào chế độ tưới) với phát thải CH4 và N2O từ hệ canh tác lúa nước lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam. 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu - Về không gian: luận án tập trung vào lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam. 5 - Về thời gian: nghiên cứu tính toán sự lượng phát thải CH4 và N2O từ các hệ canh tác có lúa ở lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam trong thời điểm nghiên cứu (2012–2017). - Về nội dung: luận án tập trung nghiên cứu phát thải CH4 và N2O trong đất lúa dưới tác động của 2 chế độ tưới (tưới tiết kiệm-ướt khô xen kẽ và tưới ngập). 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu: 2.3.1. Phương pháp thu thập thông tin và điều tra nông hộ: Thu thập thông tin, dữ liệu cơ bản: thông tin về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội về sản xuất nông nghiệp và canh tác lúa, dữ liệu về không gian, số liệu khí tượng, về đất Thu thập thông tin thứ cấp: Đánh giá nhanh có sự tham gia của nông dân (PRA): Điều tra nông hộ: 2.3.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 2.3.2.1. Địa điểm và thời gian thực hiện thí nghiệm - Các thí nghiệm đồng ruộng được tiến hành trong hai vụ Hè Thu 2012 và Đông Xuân 2013 tại xã Đại Quang – huyện Đại Lộc (đại diện cho cùng trung du) và thị trấn Nam Phước – huyện Duy Xuyên (đại diện cho vùng đồng bằng). 2.3.2.2. Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối hoàn chỉnh (CBD) với 3 lần nhắc lại, kích thước mỗi ô thí nghiệm (5mx5m=25 m2) với 12 ô thí nghiệm (4 công thức x 3 lần nhắc lại) nhằm đánh giá ảnh hưởng của chế độ tưới nước và mức phân bón đến phát thải CH4 và N2O. Thí nghiệm được bố trí với 2 yếu tố: Chế độ tưới (yếu tố chính): (1) tưới ngập nước thường xuyên (TN); (2) Tưới nước ướt khô xen kẽ (TTK). 2 kiểu/chế độ bón phân (yếu tố phụ): (1) Bón theo mức bón phổ biến của nông dân (MB1): 120 N + 70 P2O5 + 60 K2O; (2) Bón theo khuyến cáo của Sở NN&PTNT (MB2): 10 tấn phân chuồng + 100 N + 60 P2O5 + 80 K2O; 2.3.2.3. Lấy mẫu và phân tích khí CH4 và N2O a. Phương pháp thu mẫu khí: Theo quy trình của IRRI và IPCC b. Phương pháp phân tích khí: Phân tích khí CH4 và N2O bằng máy sắc khí (GC) - SRI6810C với 2 đầu dẫn FID (phân tích CH4) và ECD (phân tích N2O) kết hợp máy vi tính. 2.3.3. Phương pháp mô hình hoá 2.3.3.1. Giới thiệu về mô hình DNDC Mô hình DNDC 9.5 được sử dụng cho nghiên cứu này. Mô hình DNDC là mô hình sinh địa hóa trong đất, cho phép dự báo lượng cacbon được giữ lại trong đất, hàm lượng đạm bị mất, sự phát thải một số khí nhà kính như CO2, CH4, N2O từ các hệ sinh thái nông nghiệp (Giltrap et al, 2010). 6 Mô hình DNDC có 2 chế độ chạy: theo điểm (site mode) và theo vùng (regional mode). * Các dữ liệu đầu vào của mô hình: Các dữ liệu về khí tượng thủy văn (nhiệt độ, lượng mưa, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, độ ẩm); Các dữ liệu về canh tác (giống, thời gian gieo cấy, thu hoạch, phân bón, tưới nước, quản lý mùa vụ, cỏ hại); Các dữ liệu về đất đai - + (pH, tỷ trọng, hàm lượng sét, hàm lượng OC, NO3 , NH4 ). * Các dữ liệu đầu ra của mô hình: Lượng phát thải khí CH4, N2O trên một đơn vị diện tích canh tác lúa, nhiều chỉ số khác liên quan đến OC, Eh, độ ẩm đất 2.3.3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mô hình được kiểm chứng bằng cách so sánh kết quả ước lượng phát thải của mô hình với kết quả phân tích mẫu khí lấy từ thí nghiệm đồng ruộng. Tiếp theo, các thông số và biến số của mô hình được hiệu chỉnh (calibration) để kết quả tính toán của mô hình gần với kết quả đo thực địa trong cùng điều kiện khí tựợng, đất đai, cây trồng và canh tác. 2.3.3.3. Đánh giá độ nhạy mô hình Trong mỗi kịch bản, một thông số đầu vào tăng hoặc giảm so với giá trị thực tế, trong khi các thông số còn lại không đổi (giữ nguyê ở giá trị nền). Cơ sở lựa chọn giá trị này là khoảng thay đổi này đủ lớn để kết quả ước lượng ở kịch bản thực tế tạo ra sự khác biệt để có thể so sánh được. 2.3.4. Hệ thống thông tin địa lý và phương pháp bản đồ Phương pháp xây dựng bản đồ: - Phân tích chồng xếp và Hiển thị 2.3.5. Phương pháp kiểm soát độ không chắc chắn của mô hình Trong nghiên cứu này, độ không chắc chắn này hạn chế bằng cách sử dụng phương pháp MSF (Model Significant/Sensitive Factor): mô hình DNDC tính toán lượng CH4 và lượng N2O phát thải hàng năm cho hai kịch bản: (1) phát thải tối thiểu và (2) phát thải tối đa. Các kịch bản phát thải tối thiểu sử dụng giá trị OC, pH, tỷ trọng nhỏ nhất và giá trị của hàm lượng sét cao nhất trong đất; trong khi kịch bản phát thải tối đa bao gồm các giá trị SOC, pH và mật độ cao nhất và giá trị nhỏ nhất của hàm lượng sét 2.3.6. Phương pháp xử lý thống kê Số liệu điều tra và thí nghiệm được xử lý thống kê bằng phần mềm SPSS (Statistical Package for Social Science – Ver.19) và Statistic 9.0. Đồ thị được vẽ theo phần mềm Excel. 2.4. Đặc điểm tự nhiên và sản xuất lúa vùng nghiên cứu: 2.4.1. Đặc điểm về tự nhiên 2.4.1.1. Địa hình, địa mạo Địa hình Quảng Nam đa dạng, có đầy đủ các dạng địa hình: đồi núi, vùng bán sơn địa và đồng bằng ven biển. 2.4.1.2. Khí hậu và thủy văn Quảng Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, gió mùa khu vực Nam Trung bộ, nóng ẩm, mưa nhiều và mưa theo mùa, chịu ảnh hưởng của mùa đông lạnh. 7 2.4.1.3. Tài nguyên đất Quảng Nam có 10 nhóm đất chính: Nhóm đất đỏ vàng: chiếm 76,31% tổng diện tích tự nhiên, còn lại là các nhóm khác (đất mùn vàng đỏ trên núi, Nhóm đất phù sa, Nhóm đất cát, Đất dốc tụ; Nhóm đất xám bạc màu; Nhóm đất phèn) 2.4.2. Đặc điểm hiện trạng sản xuất lúa 2.4.2.1. Đất sản xuất lúa: Quảng Nam có tổng diện tích đất lúa là 56.409 ha, trong đó có 41.160 ha đất chuyên lúa nước (lúa-lúa), 7.124 ha đất trồng lúa nương và 8.125 ha đất trồng lúa khác (lúa-cây màu). Đất trồng lúa nước chiếm 87,46% tổng diện tích đất trồng lúa phân bố tập trung chủ yếu ở các huyện đồng bằng, vùng trung du chủ động nước tưới 2.4.2.2. Đặc điểm về canh tác lúa ở Quảng Nam a. Thời vụ: Từ năm 2001, Quảng Nam chuyển từ 3 vụ lúa sang 2 vụ lúa. Nng dân được khuyến khích trồng các giống lúa ngắn hạn vào vụ hè thu với thời gian ngắn hơn 105 ngày để thu hoạch vụ hè thu trước ngày 15 tháng 9 để tránh mùa lũ. b. Phân bón: Các loại phân vô cơ được sử dụng phổ biến tại Quảng Nam là đạm urê, lân super, DAP, KCl, và phân hỗn hợp NPK 5-10-3, 20-20-15, và 16-16-8. c. Quản lý rơm rạ sau thu hoạch: Nông dân Quảng Nam hiện đang sử dụng rơm rạ sau thu hoạch theo một số cách chính như sau: (1) đốt trên ruộng, (2) để tự phân hủy và cày vùi vào đất và (3) dùng để chăn nuôi gia súc/độn chuồng, (4) sử dụng đun nấu, ủ phân compost, hoặc trồng nấm. d. Giống lúa: Các giống lúa được trồng phổ biến ở Quảng Nam là Xi23, Xiec13.2 (giống dài ngày tăng trưởng), QN1, VL20, Nhi Uu 838, TBR1 (giống trung ngày) và HT1, Q5, GL102, IR325 (giống ngắn ngày)... CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kiểm định khả năng áp dụng mô hình DNDC 3.1.1. Khả năng áp dụng mô hình DNDC ước lượng phát thải khí CH4 Khi áp dụng chế tưới ướt khô xen kẽ có tiềm năng giảm phát thải CH4 lớn hơn (15- 45%) nhưng làm tăng phát thải N2O (12-32%) so với biện pháp tưới ngập truyền thống. Cường độ phát thải và tổng phát thải/vụ của CH4 và N2O ở vụ HT cao hơn ở vụ ĐX từ 9- 35%. Các công thức sử dụng mức phân bón khuyến cáo phát thải CH4 và N2O nhiều hơn mức phân bón của nông dân từ 9-22%. Cường độ phát thải CH4 cao nhất thường xuất hiện vào giai đoạn từ khi lúa đẻ nhánh tối đa đến kết thúc phân hóa đòng, khoảng 45-60 ngày sau khi cấy, trong cường độ phát thải N2O khá biến động, trong khoảng thời gian kéo dài (từ 25- 85 ngày sau gieo). Công thức áp dụng biện pháp tưới tiết kiệm (234-460 kg CH4/ha/vụ) sẽ giúp giảm 15-45% (p<0,05) khí CH4 so với công thức áp dụng chế độ tưới ngập thường xuyên (234- 8 698 kgC/ha/vụ). Trong cùng một chế độ tưới, bón theo mức khuyến cáo tạo ra tổng lượng phát thải cao hơn 9-18% (ở vụ ĐX) và 12-22% (ở vụ HT) so với mức bón theo nông dân. 2 Hệ số tương quan (R ) giữa giá trị CH4 ước lượng và đo đạc là khá cao (dao động 0,91-0,97 ở điểm 1 và 0,92-0,98 ở điểm 2). Đáng chú ý, hệ số tương quan của 2 nhóm số liệu (ước lượng và đo đạc) của các công thức trong vụ đông xuân (0,91-0,97) thấp hơn vụ hè thu (>0,97). Giá trị sai số tiêu chuẩn trung bình (RMSE) ở các công thức của hai điểm thí nghiệm đều nhỏ (dao động từ 0,16-0,23) cho thấy độ chính xác của kết quả/giá trị ước lượng so với kết quả quan trắc/đo đạc trên thực tế tương đối cao. Ngoài ra, hệ số hiệu quả/phù hợp (EF) của mô hình trong ước lượng CH4 đạt khá cao, từ 0,78-0,85. Bảng 3.3: Phân tích thống kê so sánh mức độ tương quan giữa giá trị phát thải CH4 ước lượng bằng mô hình và đo đạc tại các điểm nghiên cứu Vụ Điểm Công thức Số mẫu RMSE EF TN-MB1 13 0,199 0,861 TN-MB2 13 0,211 0,845 Điểm 1 TTK-MB1 13 0,225 0,832 Đông TTK-MB2 13 0,203 0,852 Xuân 13 2012 TN-MB1 0,218 0,841 TN-MB2 13 0,219 0,841 Điểm 2 TTK-MB1 13 0,230 0,828 TTK-MB2 13 0,202 0,853 TN-MB1 12 0,181 0,889 TN-MB2 12 0,193 0,879 Điểm 1 TTK-MB1 12 0,179 0,891 Hè Thu TTK-MB2 12 0,183 0,889 2012 TN-MB1 12 0,209 0,881 TN-MB2 12 0,219 0,843 Điểm 2 TTK-MB1 12 0,190 0,885 TTK-MB2 12 0,196 0,880 3.1.2. Khả năng áp dụng mô hình DNDC ước lượng phát thải khí N2O Các giá trị phát thải lớn nhất đo được ở các công thức áp dụng chế độ tưới ướt khô 2 2 xen kẽ (0,036 mgN2O/m /giờ ở điểm 1 và 0,039 mgN2O/m /giờ ở điểm 2) cao hơn (có ý 2 nghĩa ở p<0,1) các công thức áp dụng chế độ tưới ngập (0,025 mgN2O/m /giờ ở điểm 1 và 2 0,030 mgN2O/m /giờ ở điểm 2). Lượng khí N2O thu được ở chế độ tưới ngập thường xuyên luôn thấp nhất. Cường độ phát thải N2O ở cả hai chế độ tưới trong vụ hè thu cao hơn vụ 2 đông xuân. Giá trị trung bình dao động 0,014-0,024 mgN2O/m /giờ ở vụ hè thu và 0,015- 2 0,018 mgN2O/m /giờ ở vụ đông xuân. Cường độ phát thải khí N2O khá biến động và mạnh nhất từ giai đoạn lúa đẻ nhánh rộ (30 ngày sau gieo) cho đến khi chắc xanh (80-85 ngày sau 9 gieo) thậm chí đến trước thu hoạch. Chính vì vậy, tổng lượng phát thải trong giai đoạn 25- 85 ngày sau gieo chiếm trên 80-90% tổng lượng phát thải N2O. Bảng 3.7: Phân tích thống kê so sánh mức độ tương quan giữa giá trị phát thải N2O ước lượng bằng mô hình và đo đạc tại các điểm nghiên cứu Vụ Điểm Công thức Số mẫu RMSE EF TN-MB1 13 0,192 0,727 TN-MB2 13 0,189 0,712 Điểm 1 TTK-MB1 13 0,201 0,760 Đông TTK-MB2 13 0,198 0,745 Xuân 13 2012 TN-MB1 0,215 0,812 TN-MB2 13 0,208 0,780 Điểm 2 TTK-MB1 13 0,188 0,711 TTK-MB2 13 0,189 0,713 TN-MB1 12 0,197 0,744 TN-MB2 12 0,206 0,789 Điểm 1 TTK-MB1 12 0,203 0,768 Hè Thu TTK-MB2 12 0,211 0,783 2012 TN-MB1 12 0,208 0,786 TN-MB2 12 0,198 0,750 Điểm 2 TTK-MB1 12 0,207 0,783 TTK-MB2 12 0,192 0,726 Sự tương quan chặt giữa giữa số liệu ước lượng và đo đạc ở cả hai điểm thí nghiệm hệ số hồi quy tuyến tính R2 dao động từ 0,84-0,93 đối với chế độ tưới ngập và từ 0,86-0,92 đối với chế độ tưới tiết kiệm. Giá trị sai số tiêu chuẩn trung bình (RMSE) ở các công thức của hai điểm thí nghiệm đều nhỏ (dao động từ 0,16-0,22) cho thấy độ chính xác của kết quả/giá trị ước lượng so với kết quả quan trắc/đo đạc trên thực tế tương đối cao. Ngoài ra, hệ số hiệu quả/phù hợp (EF) của mô hình trong ước lượng N2O tuy thấp hơn ước lượng CH4 nhưng vẫn đạt khá cao, từ 0,72-0,81. Như vậy, mặc dù vẫn còn tồn tại sự sai khác giữa kết quả ước lượng và đo đạc ở một số trường hợp, nhưng thông số thống kê và phân tích cho thấy rằng mô hình DNDC hoàn toàn phù hợp cho ước lượng N2O từ các hệ canh tác HCT có lúa ở lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. 3.1.3. Đánh giá độ nhạy cảm của các yếu đầu vào đối với ước lượng phát thải CH4 và N2O Phân tích độ nhạy của mô hình là kiểm tra hiệu năng của mô hình khi các đầu vào khác nhau được thay đổi, nhằm xác định các thông số đầu nhạy cảm nhất, mức độ ảnh hưởng đến lượng phát thải dự đoán sẽ được sử dụng để định lượng và/hoặc giảm mức độ không chắc chắn trong các dự đoán phát thải của mô hình, phát sinh từ sai số trong các tham số đầu vào 10 3.1.3.1. Độ nhạy cảm của các yếu đầu vào đối với ước lượng phát thải khí CH4 Hình 3.51: Đánh giá độ nhạy của các yếu tố đầu vào với ước lượng phát thải CH4 Nhiệt độ tăng và giảm từ 1 đến 2oC so với giá trị nền (năm 2011). Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng sự thay đổi lượng mưa không cho thấy sự thay đổi đáng kể đến phát thải CH4. Hàm lượng SOC là yếu tố nhạy cảm thứ hai đối với sự phát thải CH4 do ảnh hưởng của SOC đối với hàm lượng cacbon hữu cơ hòa tan trong đất (DOC) cũng như mật độ vi khuẩn mêtan: Khi tăng hàm lượng SOC nền (1%) lên mức 1,6% đến 2,1% thì lượng phát thải CH4 tăng lần lượt là 15 và 28%. Trong số những biện pháp canh tác lúa, chế độ tưới, bón phân hữu cơ và tỷ lệ rơm rạ cày vùi vào đất là ba hoạt động chủ yếu của con người có tác động đáng kể đến lượng khí thải CH4 theo mùa. Kết quả chạy kiểm tra độ nhạy cho thấy phát thải CH4 đã giảm 20% và 35% khi số lần thoát nước trong giai đoạn giữa vụ tăng từ 1 đến 2 và 3 lần. Nhìn chung, nhiệt độ, thành phần cơ giới, lượng SOC trong đất, chế độ quản lý nước, mức phân hữu cơ (phân chuồng) là yếu tố chính tác động lớn đến phát thải CH4. 3.1.3.2. Độ nhạy cảm của các yếu đầu vào đối với ước lượng phát thải khí N2O Khi lượng mưa tăng ở mức 10 và 20% sẽ làm giảm phát thải N2O ở mức 8 và 16 % do lượng mưa tăng lên có xu hướng làm tăng thời gian của điều kiện đất kị khí và sau đó tỷ lệ phản ứng khử nitơ càng lớn. Khi nhiệt độ tăng hay giảm mức 1 và 2oC thì lượng phát thải N2O tăng hoạch giảm tương ứng 15%. 11 Hình 3.62: Đánh giá độ nhạy của các yếu tố đầu vào với ước lượng phát thải N2O Hàm lượng SOC có tác động lớn nhất đến phát thải N2O. Tương tự như với phát thải CH4, hàm lượng SOC là yếu tố rất nhạy cảm đối với sự phát thải N2O : Khi tăng hàm lượng SOC ban đầu (1%) lên mức 1,6% đến 2,1% thì mức phát thải N2O tăng lần lượt là 12% và 25%. Tăng hoặc giảm lượng phân N vào đất mức 25% và 50% so với mức nền (120 kgN/ha) sẽ làm tăng hoặc giảm phát thải N2O ở mức tương ứng là 15% và 25%. Phát thải N2O tăng 14%, 25% và 42% khi thoát nước 1, 2 và 3 lần giữa vụ. Sự thay đổi tỉ lệ rơm rạ để lại trên ruộng (cày vùi vào đất) cho thấy ảnh hưởng ngược đến phát thải N2O dù ở mức thấp: ở mỗi mức tăng 20% tỷ lệ rơm rạ cày vùi vào đất thì lượng N2O phát thải giảm trung bình 8%. Nhìn chung, nhiệt độ, lượng SOC trong đất, chế độ quản lý nước, mức phân khoáng N, phân hữu cơ là yếu tố chính tác động lớn đến phát thải N2O. 3.1.3.3. Hạn chế trong đánh giá độ nhạy mô hình DNDC Mô hình DNDC đã được áp dụng cho nhiều nghiên cứu đánh giá lượng phát thải CH4, N2O và các khí khác từ các hệ sinh thái nông nghiệp, ở nhiều khu vực khác nhau trên thế giới. Tuy nhiên, việc áp dụng mô hình ở vùng nhiệt đới ẩm chưa nhiều và có tính hệ thống. Kết quả đánh giá độ nhạy trong nghiên cứu này cho thấy mức độ phù hợp khi áp dụng mô hình DNDC ước lượng phát thải KNK ở các hệ canh tác có lúa vùng nhiệt đới. 12 3.2. Ứng dụng mô hình DNDC trong ƣớc lƣợng phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 3.2.1. Ước lượng phát thải CH4 và N2O quy mô vùng 3.2.1.1. Chế độ tưới và phát thải CH4 và N2O Bảng 3.10: Mức phát thải CH4 ở các chế độ tưới khác nhau Vụ Mức phát thải CH4 (kgC/ha) TN 1RN 2RN 3RN (TTK) ĐX 173 (±16,3) 139 (±12,6) 128 (±14,8) 112 (±11,3) HT 218 (±23,6) 181 (±18,1) 163 (±18,2) 139 (±15,3) ĐX-HT 451 (±53,8) 371 (±37,8) 337 (±25,9) 292 (±18,6) Hệ canh tác lúa-lúa có mức phát thải CH4 cao nhất đạt mức 451 kgC/ha/năm ở chế độ tưới ngập (TN). Mức phát thải giảm xuống còn 371, 337 và 292 kgC/ha/năm khi áp dụng chế độ tưới 1 lần rút nước giữa vụ (1RN), 2 lần rút nước giữa vụ (2RN) và 3 lần rút nước giữa vụ (3RN, hay tưới ướt khô xen kẽ đầy đủ-TTK). Như vậy, mức phát thải CH4 khi áp dụng chế độ tưới 1RN giảm 17%, 2RN giảm 26%, 3RN giảm 42% so với TN. Bảng 3.11: Mức phát thải N2O ở các chế độ tưới khác nhau Vụ Mức phát thải N2O (kgN/ha) TN 1RN 2RN 3RN (TTK) ĐX 0,72 (±0,12) 0,80 (±0,12) 0,88 (±0,15) 1,09 (±0,18) HT 0,95 (±0,12) 1,09 (±0,10) 1,19 (±0,14) 1,32 (±0,20) ĐX-HT 2,61 (±0,32) 2,84 (±0,48) 3,07 (±0,59) 3,45 (±0,56) Khác với phát thải CH4, hệ canh tác lúa-lúa có mức phát thải N2O thấp nhất đạt mức 2,16 kgN/ha/năm ở chế độ tưới ngập (TN) và tăng lên 2,84, 3,07, 3,45 kgN/ha/năm khi áp dụng chế độ tưới 1RN, 2RN và 3RN. Như vậy, mức phát thải N